作戰(zhàn)系統(tǒng)互操作性與XML的應(yīng)用研究

1 引 言

在海上信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中，多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)將在海、陸、空、天、電磁五維空間展開(kāi)，過(guò)去各軍兵種“煙囪式”的作戰(zhàn)體系已經(jīng)不能適應(yīng)新的瞬息萬(wàn)變、錯(cuò)綜復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。當(dāng)今世界各國(guó)都非常重視軍事信息系統(tǒng)的互連、互通和互操作問(wèn)題。海軍C4ISR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化最本質(zhì)的要求是，各系統(tǒng)之間必須是互連的、信息必須是互通共享的、應(yīng)用上必須是互操作的。

互連的目的是為了解決通信子網(wǎng)的異構(gòu)性問(wèn)題，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)而言單一的通信子網(wǎng)，它與C4ISR系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)特性密切相關(guān)?；ネㄒ鉀Q端系統(tǒng)之間的通信及協(xié)作問(wèn)題，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)作戰(zhàn)任務(wù)“透明”的系統(tǒng)?；ゲ僮鲃t使整個(gè)C4ISR系統(tǒng)成為一個(gè)整體，各分系統(tǒng)間相互提供一致的服務(wù)支持，并有效地協(xié)同工作。顯然，互連是互通的基礎(chǔ)，互連、互通又是互操作的前提，而互操作則是最終目標(biāo)。XML技術(shù)的應(yīng)用將有助于改進(jìn)作戰(zhàn)系統(tǒng)的互操作性。

2 互操作性

2.1 定義

美國(guó)國(guó)防部軍事術(shù)語(yǔ)詞典從作戰(zhàn)和技術(shù)兩個(gè)層面給出了互操作性的定義。

作戰(zhàn)互操作性是指系統(tǒng)、設(shè)備或部隊(duì)向(從)另一系統(tǒng)、設(shè)備或部隊(duì)提供(獲得)服務(wù)的能力，基于這些能力使得它們之間能有效地協(xié)同工作。

技術(shù)互操作性是指通信電子系統(tǒng)之間或通信電子設(shè)備的各組成單元之間直接進(jìn)行滿意的數(shù)據(jù)和信息交換的能力。技術(shù)互操作性是作戰(zhàn)互操作性的基礎(chǔ)，它從技術(shù)的層面來(lái)考察互操作性，規(guī)定的是系統(tǒng)(而不是組織)之間的關(guān)系。

從工程實(shí)現(xiàn)角度，互操作性主要強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)間應(yīng)用的互操作能力，主要包括：作戰(zhàn)文電的聯(lián)合生成、傳送、修改、反饋，作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖的聯(lián)合生成、顯示、更新，系統(tǒng)間的協(xié)同標(biāo)繪等，最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作戰(zhàn)的能力。

系統(tǒng)間達(dá)到大規(guī)模和一致的互操作要求統(tǒng)一的管理、構(gòu)造和操作實(shí)踐，僅靠技術(shù)革新(XML或其他)是不夠的，還必須同時(shí)關(guān)注追求組織互操作性(如圖1)，知識(shí)/感知層提供技術(shù)互操作性到組織互操作性的過(guò)渡。

圖1 技術(shù)互操作性和組織互操作性

2.2 信息系統(tǒng)互操作性級(jí)別

信息系統(tǒng)互操作性級(jí)別是美國(guó)國(guó)防部C4ISR工作組的工作成果，它開(kāi)始于1993年，發(fā)布于1998年。LISI分析了信息系統(tǒng)之間存在的普遍的互操作需求，根據(jù)系統(tǒng)間信息交互的復(fù)雜性、交互的特點(diǎn)以及需要完成的功能，定義邏輯上應(yīng)用于系統(tǒng)之間交互和共享信息的“成熟度”的5個(gè)互操作性級(jí)別。如表1，每個(gè)較高互操作級(jí)別與下一級(jí)別相比，都提供了更好的系統(tǒng)交互性能[1]。

表1 LISI定義的5個(gè)互操作性級(jí)別

LISI是對(duì)信息系統(tǒng)互操作性進(jìn)行定義、評(píng)估、測(cè)量和評(píng)定的一個(gè)過(guò)程，采用了一種通用的參考框架和性能測(cè)量，應(yīng)用于整個(gè)信息系統(tǒng)的生命周期。

2.3 互操作性屬性

LISI漸進(jìn)的級(jí)別越來(lái)越代表了復(fù)雜的用戶能力和支持這些能力的相關(guān)計(jì)算環(huán)境。在每個(gè)成熟等級(jí)內(nèi)，有許多因素影響著信息系統(tǒng)互操作的能力。LISI把這些因素分成4個(gè)關(guān)鍵屬性：過(guò)程(Procedure)、應(yīng)用(Application)、基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure)和數(shù)據(jù)(Data)，一起簡(jiǎn)稱為PAID。PAID提供了一種方法學(xué)來(lái)對(duì)LISI內(nèi)每個(gè)漸進(jìn)復(fù)雜性級(jí)別的信息與服務(wù)的交換中所需的特征集進(jìn)行定義與識(shí)別。如圖2所示，為了徹底對(duì)互操作性進(jìn)行評(píng)估，有必要把PAID應(yīng)用到LISI的每個(gè)級(jí)別(0～4)。

圖2 LISI的互操作性屬性

互操作性的數(shù)據(jù)屬性的重點(diǎn)是由系統(tǒng)處理的信息，該屬性對(duì)數(shù)據(jù)格式(語(yǔ)法)及其內(nèi)容或含義(語(yǔ)義)進(jìn)行處理。它包括所有的數(shù)據(jù)形式，它們支持每一級(jí)系統(tǒng)操作——從操作系統(tǒng)和通信基礎(chǔ)設(shè)施到最終的用戶應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)屬性包含了所有各種信息樣式和格式：自由文本、格式化文本、數(shù)據(jù)庫(kù)、視頻、聲音、圖像、圖形等。因此，數(shù)據(jù)屬性可以理解為是獲得系統(tǒng)互操作性的最關(guān)鍵的方面。

3 XML與互操作性

可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言XML(eXtensible Markup Language)是無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一。XML標(biāo)準(zhǔn)常用于：1)開(kāi)發(fā)者建立數(shù)據(jù)和接口；2)團(tuán)體進(jìn)行交流的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)共享和轉(zhuǎn)換；3)用戶獲得改進(jìn)的互操作性[2]。

1998年W3C發(fā)布XML 1.0標(biāo)準(zhǔn)，如今圍繞XML已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品(圖3)。XML推動(dòng)了以Web Service為代表的第3次Web技術(shù)革命(TCP/IP/HTTP/XML/SOAP)。

XML文檔本質(zhì)上是保存信息的結(jié)構(gòu)化載體，具有可擴(kuò)展、自描述的性質(zhì)，并且結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和表現(xiàn)分開(kāi)。XML實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)獨(dú)立性，與編程語(yǔ)言、操作系統(tǒng)或者傳輸協(xié)議無(wú)關(guān)。XML已經(jīng)成為一種流行和通用的數(shù)據(jù)格式，使用這種數(shù)據(jù)表示格式使數(shù)據(jù)具有良好的可共享性和重用性。

圖3 XML協(xié)議簇

3.1 XML與數(shù)據(jù)建模

數(shù)據(jù)就是對(duì)事實(shí)的描述，信息是對(duì)數(shù)據(jù)的有效解釋。我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)元素的過(guò)程決定了當(dāng)前它們之間的關(guān)聯(lián)方式及定義方式，從而在將來(lái)可以識(shí)別和使用這些數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程就稱為數(shù)據(jù)建模。數(shù)據(jù)建模提供了描述真實(shí)世界信息需求的方法和手段，便于相關(guān)人員的理解和溝通；同時(shí)，使數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)這些信息需求定義來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的體系結(jié)構(gòu)框架規(guī)范(DoDAF)中，要求對(duì)于每個(gè)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，都必須根據(jù)CADM(Core Architecture Data Model)來(lái)定義體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用IDEF1X描述數(shù)據(jù)類型及其相互關(guān)系，目的是促進(jìn)C4ISR的互操作性[3]。

數(shù)據(jù)模型具有自頂向下的4個(gè)層次：分類、概念上的、邏輯的和物理的。E-R(實(shí)體-關(guān)系模型)、IDEF1X、UML和XML等都是有效的建模方法，它們對(duì)于不同的層次各有優(yōu)劣。通常還要權(quán)衡2個(gè)因素：一方面是獲取絕對(duì)精確的定義，另一方面是便于與用戶溝通。

無(wú)論是需要長(zhǎng)期存儲(chǔ)的永久性數(shù)據(jù)，還是在子系統(tǒng)之間傳輸?shù)南?，都適用于XML文檔來(lái)表示。同時(shí)，XML Schema(模式)定義和描述XML文檔的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型，也就是說(shuō)具有數(shù)據(jù)建模的能力，提供對(duì)XML文檔結(jié)構(gòu)及內(nèi)容的約束和解釋。另外，其他數(shù)據(jù)建模方法也可以很方便地映射為XML實(shí)現(xiàn)。例如,首先借助UML的圖形化能力建立概念模型和邏輯模型以便于溝通用戶，然后映射為XML模式，最終采用XML表示數(shù)據(jù)。如圖4所示是邏輯模型的一部分，采用XML模式表示“目標(biāo)指示”命令的結(jié)構(gòu)； 圖5是一個(gè)XML文檔表示目標(biāo)指示命令的示例。

圖4 XML模式表示“目標(biāo)指示”的結(jié)構(gòu)

圖5 XML文檔表示目標(biāo)指示命令

3.2 XML與接口

2個(gè)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)的能力依賴一定的接口連接，通常將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的中間格式，提供了有限的互操作能力。通過(guò)接口連接的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換中可能存在潛在的精確性或數(shù)據(jù)丟失。使用互操作性執(zhí)行數(shù)據(jù)交換不需要轉(zhuǎn)換到中間格式，如軍用文電消息格式，這是互操作性與接口連接之間的重要區(qū)別。集成需要解決互相連接的部件間的兼容性問(wèn)題，試圖允許通用資源、數(shù)據(jù)的共享，而不需要從一種格式轉(zhuǎn)換到另一種格式。XML語(yǔ)言具有如下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

? 不僅可以表達(dá)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，而且可表達(dá)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)；

? 針對(duì)特定的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)人員可創(chuàng)建特定的數(shù)據(jù)類型；

? 以XML為中介，可以在不同的系統(tǒng)之間交換異構(gòu)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；

? 有助于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集成。

正是XML語(yǔ)言具有的這些優(yōu)點(diǎn)，使得它本質(zhì)上十分適合作為不同應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)交換格式[4]。如圖6所示，使用基于XML的數(shù)據(jù)交換格式(DIF)，有助于減少系統(tǒng)兩兩之間的成對(duì)的接口。從(a)到(b)的轉(zhuǎn)變，代表了未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的方向，對(duì)于縮短作戰(zhàn)系統(tǒng)研制周期及增強(qiáng)互操作性具有重要意義。

圖6 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口形式

以典型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦為例，其作戰(zhàn)系統(tǒng)由多個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成，包括導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)、指控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、艦艦導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、艦炮、電子戰(zhàn)系統(tǒng)以及輔助設(shè)備等[5]。系統(tǒng)(設(shè)備)兩兩之間的內(nèi)部接口眾多，其中部分采用模擬信號(hào)連接，多數(shù)通過(guò)數(shù)字接口和網(wǎng)絡(luò)連接。各種應(yīng)用程序之間使用自定義的協(xié)議交換信息，涉及到很多種信息單元格式。作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)階段和系泊航行試驗(yàn)階段的工作內(nèi)容，主要集中在這些接口的設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)和測(cè)試，工作量大、頭緒繁多。

如果把XML作為接口設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以XML為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的處理、傳輸和存儲(chǔ)，將使很多工作得到簡(jiǎn)化并提高系統(tǒng)集成的效率。例如，借助XML模式可以得到精確的數(shù)據(jù)模型，一個(gè)XML Schema(.xsd文件)即可替代接口協(xié)議中對(duì)數(shù)據(jù)的各種文字描述，并有助于消除歧義；對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容有效性的判斷(XML文檔是否符合模式的定義)可以自動(dòng)完成，從而節(jié)省大量檢查數(shù)據(jù)有效性的代碼。

3.3 XML與軟件體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)候，重點(diǎn)不是構(gòu)件而是接口和信息交換。當(dāng)然，肯定需要有人來(lái)設(shè)計(jì)構(gòu)件和子系統(tǒng)，也需要有一個(gè)好的外觀。但是最重要的是每個(gè)功能模塊能夠很好地工作并交換信息。XML和Web服務(wù)成為集成及互操作性的范例，與其管理數(shù)百個(gè)成對(duì)的接口和交換數(shù)千種專用信息，不如采用新的軟件體系結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)移到“發(fā)布—訂閱”環(huán)境，使合適的用戶得到XML中的信息。就像一條總線而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連線。如果這種方法在軍用和商用軟件開(kāi)發(fā)中得到更廣泛的應(yīng)用，用戶就能夠獲得更多的互操作性。

由于XML文件特別適合“發(fā)布—訂閱”模式的運(yùn)行環(huán)境，基于XML的數(shù)據(jù)交換可以用于新的作戰(zhàn)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)與系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)共享XML文件的途徑很多，例如XML文件可以放在通過(guò)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，或者“推”給用戶，或者由用戶在需要的時(shí)候“拉”回來(lái)。

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布—訂閱機(jī)制，提供了一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸模型，確保正確有效地傳輸信息給適當(dāng)?shù)慕邮照摺Ｋ试S應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)發(fā)布其擁有的信息，并訂閱其需要的信息，較好地處理了不可靠網(wǎng)絡(luò)通信中數(shù)據(jù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、可靠性和冗余性等問(wèn)題[6]。

3.4 相關(guān)研究和應(yīng)用

未來(lái)怎樣做到更好的信息交換？當(dāng)然，總會(huì)需要一些人工交換，人與人之間的交流和人對(duì)機(jī)器的控制仍然存在。然而大多數(shù)信息交換都可以轉(zhuǎn)換為XML格式，從而進(jìn)行更好的人對(duì)機(jī)器的交流或者更充分的自動(dòng)化數(shù)據(jù)交換。

例如，對(duì)于美軍及其聯(lián)軍來(lái)說(shuō)，美國(guó)消息文本格式(USMTF)是聯(lián)合兵力之間交換信息的標(biāo)準(zhǔn)格式，該標(biāo)準(zhǔn)給出了一種定義消息的方式。XML-MTF小組已經(jīng)創(chuàng)建了XML-MTF Schema和文檔規(guī)范給美國(guó)軍方和聯(lián)合兵力使用。這些現(xiàn)存的格式都已經(jīng)支持XML，而這僅僅是第一步，因?yàn)楦щy的工作是如何連接數(shù)據(jù)庫(kù)、減少所使用的消息和數(shù)據(jù)元素的數(shù)量，并通過(guò)XML傳遞這些信息。

因此，美軍當(dāng)前和開(kāi)發(fā)中的系統(tǒng)必須既有消息傳遞又有數(shù)據(jù)庫(kù)接口。美國(guó)空軍還要求所有的系統(tǒng)必須有XML接口。同樣地這也只能是第一步，因?yàn)檎嬲枰瓿傻氖菧p少兩兩之間的接口，使它們支持XML只是個(gè)開(kāi)始。

為了促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和互操作性，美國(guó)國(guó)防部國(guó)防信息系統(tǒng)局(DISA)建立了DoD元數(shù)據(jù)注冊(cè)庫(kù)(MDR)，XML Gallery是其中的關(guān)鍵部分，其中包括DII-COE相關(guān)的XML元素、屬性等元數(shù)據(jù)定義。公共操作環(huán)境(DII-COE)是1993年美國(guó)國(guó)防部組織建立的聯(lián)合開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)。DII-COE設(shè)計(jì)的目的是減少美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)的不兼容性問(wèn)題，增加系統(tǒng)的互操作性、可重用性和集成能力。獲得授權(quán)的軟件開(kāi)發(fā)者訪問(wèn)MDR即可獲得有關(guān)生成和使用XML數(shù)據(jù)的指南，保證在使用XML表達(dá)信息時(shí)保持一致的詞匯和語(yǔ)法。

4 結(jié) 論

未來(lái)的海上戰(zhàn)爭(zhēng)正在實(shí)現(xiàn)從平臺(tái)中心作戰(zhàn)向網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)的轉(zhuǎn)變，多平臺(tái)、多節(jié)點(diǎn)相互封閉、縱向的作戰(zhàn)體系向開(kāi)放的、橫向的作戰(zhàn)體系轉(zhuǎn)變。未來(lái)的作戰(zhàn)系統(tǒng)必須以互操作性為目標(biāo)，才能支持聯(lián)合作戰(zhàn)和信息作戰(zhàn)，獲取戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。

對(duì)未來(lái)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，集成和互操作性特別重要。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量減少專用接口和數(shù)據(jù)格式，廣泛采用成熟商用技術(shù)COTS和標(biāo)準(zhǔn)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高系統(tǒng)集成的效率。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息交換是互操作性的關(guān)鍵，XML技術(shù)提供了一個(gè)比較理想的選擇。應(yīng)用基于XML的信息表達(dá)方式和數(shù)據(jù)格式，有助于減少成對(duì)的兩兩系統(tǒng)之間的接口。同時(shí)， 采用以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布—訂閱機(jī)制，實(shí)現(xiàn)信息交換方式從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)向信息總線轉(zhuǎn)變，使作戰(zhàn)系統(tǒng)的綜合集成和互操作能力提高到新的水平。

[1] 王小非主編．海上網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2] JOSEPH J,MOLITORIS. Use of COTS XML and web technology for current and future C2 systems[J]. IEEE,2003: 221-226.

[3] DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 1.5, Volume III: Architecture Data Description[S].DOD,2007,4.

[4] 徐享忠，王精業(yè)，蔣海濱．基于XML的數(shù)據(jù)交換格式及其應(yīng)用[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2003,24(5)：77-80.

[5] 閔紹榮．艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)功能劃分方法[J]．中國(guó)艦船研究，2007,2(5)：24-29.

[6] RTI Data Distribution Service: The Real-Time Publish-Subscribe Middleware User’s Manual V 4.1[G]. Real-Time Innovations, Inc,2006,5.