裝甲裝備指揮控制性能自動測試系統(tǒng)設(shè)計

(1.中國人民解放軍32184部隊，北京 100072； 2.中國電科28所，南京 210007)

0 引言

裝甲裝備指揮控制系統(tǒng)歷經(jīng)多年建設(shè)，目前已由傳統(tǒng)的指控通信系統(tǒng)發(fā)展成為基于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的一體化信息系統(tǒng)，主要部署在裝甲機械化部隊旅(團)及以下部隊。系統(tǒng)采用戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持情報信息、指揮控制信息和戰(zhàn)場環(huán)境等信息的高效傳輸，具備指揮控制、情報偵察、網(wǎng)絡(luò)通信、電子攻防、安全防護等主要功能[1-2]。其中，指揮控制是核心，基于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信是紐帶，兩者緊密耦合，高度融合。指揮控制高度依賴于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的通信保障，指揮控制性能在某種意義上取決于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)性能。

1 測試需求分析

裝甲裝備旅(團)及以下指揮控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和信息流如圖1～2所示。

圖1 指揮控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

圖2 指揮控制系統(tǒng)的典型信息流

旅(團)及以下指揮控制系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]可描述為如圖3～4所示。

圖3 與部隊編制相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4 戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)

在裝甲機械化部隊機動作戰(zhàn)環(huán)境中，由于地形地貌、天線起伏、電磁環(huán)境干擾、氣象條件以及通信業(yè)務(wù)增長等原因，戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的運行環(huán)境更加復(fù)雜，影響指揮控制性能的因素更多，無論是驗證網(wǎng)絡(luò)配置、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，還是考核指標、評估性能[4]，都需要采集大量的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)，進行網(wǎng)絡(luò)性能測量與評價。裝甲裝備旅(團)及以下指揮控制性能測量，可以參考民用網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的性能測量指標和測量方法。

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，IP網(wǎng)絡(luò)測量指標框架最早由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF(Internet Engineering Task Force)的基準方法工作組BMWG(Benchmarking Methodology Working Group)來定義，在RFC1242, 2285, 2432, 2647以及2762中定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、LAN交換設(shè)備、IP Multicast、防火墻和ATM測試基準，在RFC2544,2889,3116等中定義了相應(yīng)的基準測量方法。后續(xù)IETF專門成立IP性能指標工作組IPPM(IP Performance Metrics)繼續(xù)進行IP網(wǎng)絡(luò)性能指標定義、測量方法等方面的研究，并在RFC2330中給出了IP性能指標的框架[5]。IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指標主要包括連通性、吞吐量、帶寬、信道容量、包損失率、傳輸延時等內(nèi)容，從協(xié)議層上可以分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(IP層)、傳輸層(TCP/UDP層)和應(yīng)用層協(xié)議指標，從測試范疇上可以分為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點指標、網(wǎng)絡(luò)鏈路指標、網(wǎng)絡(luò)路徑指標和網(wǎng)絡(luò)性能指標[6]。

在網(wǎng)絡(luò)測量方法上，按照測量方式主要有主動測量、被動測量和控制信息監(jiān)視等三類[7]，按照測試系統(tǒng)所處的位置主要有基于路由器的測試、端到端的測試和路由器協(xié)助的測試[8]，按照測試手段，主要有軟件測試、專用硬件(儀器)測試和軟硬件結(jié)合的混合測試3種方法[9]。文獻[10]介紹了幾種常用網(wǎng)絡(luò)性能測試工具(軟件)。

本文結(jié)合裝甲裝備指揮控制性能的總體評價需求，參考IP網(wǎng)絡(luò)性能指標體系[5-10]和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)性能指標體系[11-12]，以端到端節(jié)點間的性能指標為主，其它如設(shè)備性能、協(xié)議性能等不列入評價指標。同時考慮指標的可測試性，綜合提出裝甲裝備指揮控制性能評價指標，主要包括數(shù)據(jù)包丟失量、報文成功率、端到端平均時延等。

1)數(shù)據(jù)包丟失量:

該參數(shù)統(tǒng)計的是所有目的節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量和所有源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量之差，從這個值中可以看出整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)成功傳遞的數(shù)量，以及在傳遞過程中由于鏈路故障丟失的數(shù)據(jù)量。引起數(shù)據(jù)丟包最常見的原因是網(wǎng)絡(luò)阻塞。

2)報文成功率:

報文成功率是一項使用要求，反映了指揮控制系統(tǒng)成功傳遞各種報文的程度。它等于“成功接收到的報文總數(shù)”與“發(fā)送的報文總數(shù)”之比值。報文成功率可以按整個網(wǎng)絡(luò)來統(tǒng)計，也可以按一個發(fā)送節(jié)點對一個接收節(jié)點或一個發(fā)送節(jié)點對多個接收節(jié)點來統(tǒng)計。

3)端到端平均時延:

端到端平均時延是一項使用要求，反映了指揮控制系統(tǒng)成功傳遞各種報文的時效性。尤其對語音包來說，時延太大會嚴重影響通信質(zhì)量。它包括路由查找時延、數(shù)據(jù)包在接口隊列中的等待時延、傳輸時延及MAC層的重傳時延等。

端到端平均時延=Σ(接收到的數(shù)據(jù)包的時間-發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間)/發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)。

裝甲裝備旅(團)及以下指揮控制系統(tǒng)的性能評估，一般采用試驗測試的方式進行。為摸清系統(tǒng)的性能底數(shù)，發(fā)現(xiàn)并改進系統(tǒng)問題，需要在典型作戰(zhàn)想定驅(qū)動下，按照指揮機構(gòu)和指揮席位實際部署方案，全員全要素共同參與，依據(jù)作戰(zhàn)指揮流程進行指揮控制、偵察情報、戰(zhàn)場態(tài)勢和綜合保障等“真實”作戰(zhàn)信息的傳輸。通過采集各參試節(jié)點的信息收發(fā)情況，統(tǒng)計計算出戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能指標，實現(xiàn)指揮控制性能的系統(tǒng)級測試。顯然，這樣的測試需要同時采集所有參試節(jié)點的試驗數(shù)據(jù)，靠人工手動記錄是無法想象的。同時，每增加一個節(jié)點參與試驗，由于節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)交互，需要采集的試驗數(shù)據(jù)都會成級數(shù)倍地增長，因此必須采用自動測試系統(tǒng)進行試驗數(shù)據(jù)的采集。

2 測試系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能

指揮控制性能自動測試系統(tǒng)主要由分布式數(shù)據(jù)采集處理單元DDCPU(Distributed Data Collection and Processing Units)、試驗控制中心TCC(Test Control Center)和通信系統(tǒng)組成，采用分布式測試和集中控制相結(jié)合的總體架構(gòu)[13]，可以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)與軸線式分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合的指揮控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)的典型架構(gòu)

系統(tǒng)的主要功能包括：

1)DDCPU采集并記錄被試指揮控制系統(tǒng)參試節(jié)點接收和發(fā)送的所有數(shù)據(jù)，過濾無用數(shù)據(jù)。

2)DDCPU記錄它與TCC之間以及TCC與被試指揮控制系統(tǒng)之間的交互數(shù)據(jù)。

3)TCC控制DDCPU的啟動與停止、改變其配置并能監(jiān)視控制其工作狀態(tài)。必要時TCC可對被試指揮控制系統(tǒng)進行一定的控制。

4)TCC分析處理采集的數(shù)據(jù)，包括：

(1)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，提取試驗評價需要的關(guān)鍵信息，比如數(shù)據(jù)采集的時間、地點、數(shù)據(jù)的大小、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收時間、數(shù)據(jù)的源地址、目標地址以及路由等信息。

(2)建立數(shù)據(jù)庫，支持對數(shù)據(jù)的SQL和HTTP等方式的查詢。

(3)自動計算試驗評價所需要的參數(shù)，例如數(shù)據(jù)交換次數(shù)、數(shù)據(jù)包丟失量、報文成功率、端到端平均時延等信息。

(4)自動完成各種格式的圖表輸出和顯示。

5)TCC監(jiān)視控制試驗整體進程。

根據(jù)被試指揮控制系統(tǒng)的具體組成，實際的測試系統(tǒng)會因為參試節(jié)點數(shù)量變化而稍有差別，比如“旅(團)指揮車”擴大為“旅(團)基本指揮所”且包括旅(團)直屬分隊時，則需要增加DDCPU的數(shù)量且相應(yīng)修改軟件的配置，但測試系統(tǒng)的總體架構(gòu)不用變。

本文以下針對裝甲裝備旅(團)及以下指揮控制系統(tǒng)的典型情況，介紹自動測試系統(tǒng)設(shè)計方案并完成原理樣機的實驗驗證。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

裝甲裝備指揮控制性能自動測試系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、試驗控制中心和通信系統(tǒng)組成，如圖6所示。

圖6 指揮控制性能自動測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置采用體積小、易于安裝、具有一定加固措施的工業(yè)級產(chǎn)品實現(xiàn)[14]，以適應(yīng)裝甲裝備工作環(huán)境，其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。裝置采用被動工作方式，在不影響被試系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下實時采集參試節(jié)點數(shù)據(jù)，支持IP數(shù)據(jù)和各種非IP數(shù)據(jù)的收發(fā)雙向?qū)崟r采集。

圖7 數(shù)據(jù)采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集分為廣域網(wǎng)采集和以太局域網(wǎng)采集兩種情況。在廣域網(wǎng)鏈路上采集時采用串接方式，即在參試通信鏈路設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備之間串接數(shù)據(jù)采集裝置，如圖8所示，支持包括K接口、RS232接口、E1接口等多種類型接口協(xié)議。采集以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)采集裝置加入本地以太網(wǎng)，接收并記錄以太網(wǎng)上的所有數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)先進行預(yù)處理，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可以通過通信系統(tǒng)實時傳給試驗控制中心進行在線分析，也可以先存儲在數(shù)據(jù)采集裝置的CF卡中，試驗后人工將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)出給試驗控制中心進行離線分析。

圖8 數(shù)據(jù)采集裝置采集廣域鏈路時的連接圖

數(shù)據(jù)采集裝置采用高精度GPS與自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步[15]。

3.2 試驗控制中心

試驗控制中心是系統(tǒng)的核心部分，主要由服務(wù)器、通信設(shè)備和高精度GPS組成，如圖9所示。

圖9 試驗控制中心組成及連接關(guān)系圖

2臺便攜式筆記本作為測試服務(wù)器，分別用于指控業(yè)務(wù)和通信業(yè)務(wù)統(tǒng)計特性的分析和顯示，便于測試人員進行監(jiān)控和操作。

通信設(shè)備主要包括以太網(wǎng)交換機1個，數(shù)話同傳中心站1個，無線網(wǎng)橋或GPRS/CDMA數(shù)傳單元中心站1臺，用于試驗數(shù)據(jù)傳輸和試驗指揮勤務(wù)通信保障。

高精度GPS用于與自動測試系統(tǒng)的其它部分實現(xiàn)時間同步。

3.3 通信系統(tǒng)

試驗控制中心和數(shù)據(jù)采集裝置之間，通過通信系統(tǒng)連接在一起。靜止使用時，使用有線數(shù)話同傳設(shè)備，保障試驗控制中心到各個數(shù)據(jù)采集裝置之間的話音和數(shù)據(jù)的通信，便于試驗過程的協(xié)調(diào)與控制。機動使用時，通過無線網(wǎng)橋或GPRS/CDMA數(shù)傳模塊，保障試驗控制中心到各個數(shù)據(jù)采集裝置之間的數(shù)據(jù)通信。

有線數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)如圖10所示。

圖10 有線數(shù)話同傳網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系圖

無線網(wǎng)橋通信組網(wǎng)如圖11所示。

圖11 無線網(wǎng)橋通信組網(wǎng)圖

當(dāng)試驗節(jié)點在地域上比較分散，無線網(wǎng)橋的通信距離無法滿足需求時，可以采用基于GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)進行遠程采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，如圖12所示。

圖12 基于GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)的遠程數(shù)據(jù)傳輸圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)采集裝置軟件

數(shù)據(jù)采集裝置軟件采集、解析常見的鏈路層協(xié)議(如PPP、SLIP、802.3等)數(shù)據(jù)和戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)專用協(xié)議數(shù)據(jù)，運行于Vxworks嵌入式平臺，其主要功能模塊包括：

1)時鐘同步模塊：接收處理高精度GPS的數(shù)據(jù)，并定期同步本地時鐘；

2)數(shù)據(jù)采集處理模塊：實時采集試驗數(shù)據(jù)，進行時間戳添加、數(shù)據(jù)包源地址和目的地址識別、消息類型區(qū)分等預(yù)處理。

3)數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)模塊：將試驗數(shù)據(jù)存儲在本地，或轉(zhuǎn)發(fā)到試驗控制中心。

4.2 試驗控制中心軟件

試驗控制中心軟件部署在2臺測試服務(wù)器上，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析顯示等3個主要模塊[16]：

1)數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊：負責(zé)各個節(jié)點采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集、解析和入庫；

2)數(shù)據(jù)庫模塊：負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和共享管理；

3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與顯示模塊：負責(zé)采集數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和統(tǒng)計分析，并以圖表的形式顯示處理結(jié)果。

4.2.1 數(shù)據(jù)采集服務(wù)模塊

包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)入庫存儲等。

4.2.2 數(shù)據(jù)庫模塊

系統(tǒng)采用Oracle數(shù)據(jù)庫，負責(zé)存儲各個被測節(jié)點發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)，分別建立發(fā)送數(shù)據(jù)表、接收數(shù)據(jù)表。同時，建立節(jié)點屬性表和消息類型表。節(jié)點屬性表中存儲了參與試驗的所有節(jié)點的名稱和IP地址等基本信息。消息類型表中存儲了VMF等消息的消息類型編號、消息類型名稱和描述等信息，以便于對消息內(nèi)容的理解。數(shù)據(jù)庫主要實體關(guān)系如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)庫主要實體關(guān)系E-R圖

4.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與顯示模塊

根據(jù)對采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性和統(tǒng)計分析，分別針對通信業(yè)務(wù)統(tǒng)計特性和指控業(yè)務(wù)統(tǒng)計特性。

1)通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)計分析項目主要包括：

(1)統(tǒng)計分析任意2個通信節(jié)點之間的時延；

(2)統(tǒng)計分析任意2個通信節(jié)點之間的丟包率；

(3)計算2個節(jié)點間的通信開銷和帶寬利用率；

(4)統(tǒng)計分析任意某個節(jié)點與其它節(jié)點之間的通信業(yè)務(wù)流量(收發(fā)雙向)，并分別計算其比例；

(5)計算任意幾個節(jié)點之間的收、發(fā)通信流量占總流量的比例。

2)指控業(yè)務(wù)的統(tǒng)計分析項目主要包括：

(1)統(tǒng)計各節(jié)點與其它節(jié)點之間消息交換的數(shù)量(含接收與發(fā)送)，并按消息類型進行區(qū)分；

(2)按消息類型區(qū)分，統(tǒng)計節(jié)點間的業(yè)務(wù)流量；

(3)各節(jié)點與其它節(jié)點消息發(fā)送/接收的成功率，并按消息類型進行區(qū)分。

所統(tǒng)計的項目通過圖或表的形式實時地顯示其隨時間的分布曲線，也可在一段時間內(nèi)計算其均值、均方差等參數(shù)。

5 實驗結(jié)果分析

指揮控制性能自動測試系統(tǒng)原理樣機實驗驗證結(jié)果表明：測試系統(tǒng)可以采集、解析各參試節(jié)點的收、發(fā)信息，并按通信業(yè)務(wù)和指控業(yè)務(wù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖14～18所示。

圖14 通信流量隨時間分布圖 圖15 通信流量隨節(jié)點分布圖

圖16 指控報文收發(fā)情況表格圖 圖17 消息交換數(shù)量隨節(jié)點分布圖

圖18 消息交換大小隨節(jié)點餅狀圖

6 結(jié)束語

裝甲裝備指揮控制性能自動測試系統(tǒng)，能夠?qū)崟r記錄與解析各級指揮控制系統(tǒng)內(nèi)、外部交互信息，為綜合考核評估指揮控制性能提供了手段支持。尤其是在指揮控制功能失效情況下，通過分析測試系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，能夠在線或離線準確定位失效原因，起到“黑盒子”的作用。