C4ISR互操作框架及信息關(guān)系模型研究*

伍江華 潘小群

(中國艦船研究院 北京 100192)

1 引言

C4ISR系統(tǒng)的使命是通過數(shù)據(jù)共享、信息互操作獲取信息優(yōu)勢,實現(xiàn)指揮決策的功能。獲取信息優(yōu)勢的互操作能力是未來信息系統(tǒng)的基石?，F(xiàn)代作戰(zhàn)從傳統(tǒng)單平臺作戰(zhàn)發(fā)展到聯(lián)合作戰(zhàn),使得傳統(tǒng)的C4ISR系統(tǒng)“煙囪”式體系結(jié)構(gòu)難以滿足作戰(zhàn)要求?！盁焽琛笔襟w系結(jié)構(gòu)主要考慮系統(tǒng)的內(nèi)部互通、互連、互操作,沒有充分考慮到與外部系統(tǒng)的連接和互操作,從而產(chǎn)生信息孤島現(xiàn)象,使復(fù)雜系統(tǒng)之間難以實現(xiàn)互操作性。而一個開放式、一體化的C4ISR系統(tǒng)互操作架構(gòu)是解決信息孤島和實現(xiàn)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)互操作性在不同組織有不同的定義,IEEE從四個方面描述:兩個或多個系統(tǒng)以及系統(tǒng)內(nèi)元素交換信息和使用信息的能力;在一起工作的設(shè)備做有用功能的能力;在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)或構(gòu)件交換和使用信息的能力等。DoD和GIG把互操作定義為兩個能力,即系統(tǒng)、武器和單元提供接受服務(wù)的能力,以及使用這些服務(wù)使它們有效一起操作的能力。

在前面的定義基礎(chǔ)上,可以將C4ISR系統(tǒng)互操作性定義為:在互操作體系結(jié)構(gòu)框架下,系統(tǒng)或系統(tǒng)組成元素之間信息交換和信息使用能力,以及在信息交換和使用基礎(chǔ)上完成、獲取和提供服務(wù)的能力。所以,合理的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架是實現(xiàn)系統(tǒng)互操作的基礎(chǔ),信息流和信息關(guān)系是完成系統(tǒng)互操作的保障,本文從研究C4ISR系統(tǒng)的互操作框架出發(fā),研究和探討了C4ISR系統(tǒng)的信息流和信息關(guān)系。

2 相關(guān)工作

在現(xiàn)有的研究系統(tǒng)互操作模型中,主要是研究C4I系統(tǒng)和M&S系統(tǒng)之間的互操作,以及概念設(shè)計到技術(shù)設(shè)計之間的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[1～2]描述了目前的幾個主要互操作模型:信息系統(tǒng)互操作的層次模型(Levelsof Information System Interoperability—LISI)、組織互操作成熟模型(Organization Interoperability Maturity Model—OIM)、NATO C3技術(shù)體系結(jié)構(gòu)互操作參考模型(NATO C3 Technical A rchitecture Reference Model for Interoperability—NC3TARM)、概念互操作模型(Levels of Conceptual Interoperability Model—LCIM)和復(fù)雜系統(tǒng)互操作模型(System of Systems Interoperability Model—SOSIM)。其中,LISI模型將系統(tǒng)劃分為獨立層、連接層、功能層、領(lǐng)域?qū)雍推髽I(yè)層,標(biāo)識了影響每一層的互操作能力因素和組成的四個屬性(過程、應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù))和定義了每一層的交換數(shù)據(jù)和服務(wù);其關(guān)注技術(shù)的互操作性和系統(tǒng)間互操作性的復(fù)雜性,而沒有探討環(huán)境和組織的問題如共享處理的互操作需求。OIM擴(kuò)展了LISI模型,但是沒有關(guān)心建造系統(tǒng)的組織。NC3TARM主要關(guān)注技術(shù)的互操作性和建立互操作的程度。SOSIM描述了系統(tǒng)的系統(tǒng)互操作模型,從程序管理、系統(tǒng)構(gòu)建和系統(tǒng)操作的三個層次上描述了互操作模型和數(shù)據(jù)關(guān)系。LCIM從系統(tǒng)概念層上描述了系統(tǒng)概念層上互操作模型,在概念設(shè)計和技術(shù)設(shè)計之間建立一種關(guān)系,關(guān)心交換數(shù)據(jù)和接口文檔的有效性。

3 系統(tǒng)互操作框架

3.1 系統(tǒng)互操作框架

武器系統(tǒng)的開放體系結(jié)構(gòu)(Weapons System Open A rchitecture)、OFP開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)(Operational Flight Program Open Systems A rchitecture)、波音公司開發(fā)的 C3I開放系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[3～5]是以平臺為中心的。隨著信息技術(shù)發(fā)展,C4ISR體系結(jié)構(gòu)向著以數(shù)據(jù)為中心基于服務(wù)基于能力應(yīng)用的分布式架構(gòu)發(fā)展。

圖1 互操作架構(gòu)

分層思想能夠有效分解C4ISR系統(tǒng)的復(fù)雜性,并且有利于對其體系結(jié)構(gòu)的理解、實現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化。在分析前面的體系結(jié)構(gòu)、DIICOE基礎(chǔ)上,從粗粒度的角度,提出一個以數(shù)據(jù)為中心面向網(wǎng)絡(luò)基于能力應(yīng)用C4ISR系統(tǒng)互操作框架(如圖1所示)。該架構(gòu)是一個基于構(gòu)件的C4ISR體系結(jié)構(gòu)的框架模型,使“數(shù)據(jù)獨立與硬件,應(yīng)用獨立于數(shù)據(jù)”,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的“即插即用”。

該體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)“交互和互操作”思想,這里的交互和互操作主要體現(xiàn)了下面3個方面的觀點。

1)橫向觀點:系統(tǒng)互操作體系結(jié)構(gòu)面臨著很多技術(shù)難題,最重要的一點是如何實現(xiàn)開放、異構(gòu)系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)互聯(lián)、信息互通和服務(wù)互融。所以,必須有必要借鑒傳統(tǒng)“煙囪式”體系結(jié)構(gòu)研究的成功經(jīng)驗,在對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層的基礎(chǔ)上,考慮在橫向方向的交互(即對等層交互),并且要保證這種橫向交互的開放性。在橫向交互上本質(zhì)上是協(xié)議的交互。

2)縱向觀點:一個特定系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)的構(gòu)造,常常是由上至下各層服務(wù)功能的定制與組合,這實際上是通過系統(tǒng)各層的縱向交互(即相鄰層交互)來實現(xiàn)。同時,系統(tǒng)上層功能的實現(xiàn)往往需要借助于其下層所提供的服務(wù),這種“服務(wù)提供/服務(wù)使用”關(guān)系也是通過縱向交互來完成。因此,在基于網(wǎng)絡(luò)面向能力的互操作體系結(jié)構(gòu)必須高度重視縱向交互?？v向交互本質(zhì)上是服務(wù)的交互。

3)構(gòu)件思想和構(gòu)件觀點:構(gòu)件定義了其功能描述及交互接口,而將這些功能的實現(xiàn)封裝起來,這樣,實體構(gòu)件的具體實現(xiàn)技術(shù)的改變不會影響其功能?；ゲ僮骺蚣艿拿恳粚佣紴樗厦娴膶犹峁┮恍?biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件,互操作體系結(jié)構(gòu)借鑒了軟件體系結(jié)構(gòu)的研究思路,采用交互連接件來對構(gòu)件之間的交互關(guān)系(橫向協(xié)議交互和縱向服務(wù)交互)進(jìn)行建模。

3.2 各層次的功能

該參考模型是一個基于構(gòu)件的C4ISR體系結(jié)構(gòu)的框架模型,相鄰的層次之間通過連接件、接口和一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)協(xié)議實現(xiàn)互操作。針對不同的具體系統(tǒng)應(yīng)用,只要在不同的層次中針對不同的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的功能裁減、組合、適配,以及相關(guān)的服務(wù)匹配,可以實現(xiàn)具體系統(tǒng)的應(yīng)用。同時考慮到新舊系統(tǒng)的兼容性、互操作性和移植性,在專用支撐層和基礎(chǔ)設(shè)施層增加了中間件和數(shù)據(jù)共享環(huán)境。整個參考模型劃分為五個層次:基礎(chǔ)設(shè)施、計算環(huán)境、公共支撐層、專用支撐層和使命應(yīng)用。

1)基礎(chǔ)設(shè)施層解決系統(tǒng)的互連和信息傳輸問題,主要包含C4ISR系統(tǒng)之間物理連接的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)通、光纖網(wǎng)、局域網(wǎng)等)、所涉及的操作系統(tǒng)(UNIX、Window序列、VxWork等)與專用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(共享數(shù)據(jù)庫、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)庫等)以及相關(guān)互通的軟件等。

2)計算服務(wù)層是解決系統(tǒng)互通中數(shù)據(jù)計算和處理,是一個公共計算環(huán)境,為公共支撐層提供一些基本的操作和處理,為其它層以及基于普適計算環(huán)境的應(yīng)用提供基礎(chǔ)的系統(tǒng)服務(wù)。普適計算環(huán)境是系統(tǒng)架構(gòu)開放性的基礎(chǔ),是實現(xiàn)系統(tǒng)即插即用的樞紐,提供與硬件聯(lián)系的接口,也使其它的應(yīng)用服務(wù)不依賴硬件的特性。

3)公共支撐服務(wù)層解決系統(tǒng)互通的信息共享服務(wù)和表示問題,為絕大多數(shù)公共應(yīng)用提供所需要的基礎(chǔ)服務(wù)軟件,這些服務(wù)獨立于具體的應(yīng)用,是建立系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此,公共支撐層包括一個開發(fā)工具集來輔助開發(fā)人員進(jìn)行使命應(yīng)用軟件的開發(fā)。公共支撐層提供對專用支撐層的支撐如圖形處理和態(tài)勢顯示。

4)專用支撐服務(wù)支撐層是解決系統(tǒng)的互操作問題,是具體系統(tǒng)應(yīng)用的核心,是開發(fā)和運行各種特定應(yīng)用軟件的支撐工具,傾向于具體的特殊使命域應(yīng)用如指揮決策、信息分類、信息組織等。同時提供信息的服務(wù)質(zhì)量要求。

5)使命應(yīng)用主要是C4ISR系統(tǒng)的具體使命應(yīng)用如武器系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)和戰(zhàn)場協(xié)同管理等。

另外,在參考模型中系統(tǒng)管理為C4ISR系統(tǒng)提供一些資源分配、系統(tǒng)配置、軟件管理和系統(tǒng)安全防護(hù)等有利于C4ISR互操作的措施。中間件是解決舊系統(tǒng)與新系統(tǒng)之間兼容性和互操作問題,是實現(xiàn)C4ISR系統(tǒng)與遺留系統(tǒng)、以及與外部仿真系統(tǒng)互操作的紐帶,提供相互之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理和計算等,如利用CORBA中間件來實現(xiàn)基于HLA的仿真系統(tǒng)與C4ISR系統(tǒng)的集成和互操作等;數(shù)據(jù)共享環(huán)境為C4ISR系統(tǒng)提供一些數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)發(fā)布和處理支撐如數(shù)據(jù)的發(fā)布/訂閱機(jī)制、數(shù)據(jù)庫訪問方式等。

3.3 體系結(jié)構(gòu)與集成模型關(guān)系

C4ISR互操作框架對C4ISR系統(tǒng)集成提供了指南和服務(wù)。該框架包含了系統(tǒng)集成的架構(gòu)。C4ISR系統(tǒng)集成分為物理集成、數(shù)據(jù)集成和功能集成[6～8]。物理集成也稱網(wǎng)絡(luò)集成,解決系統(tǒng)的物理上互通問題;數(shù)據(jù)集成是解決系統(tǒng)在互通中共享數(shù)據(jù)處理和表示問題;應(yīng)用集成也稱功能集成主要解決專用應(yīng)用問題。

所以從互操作框架與系統(tǒng)集成的關(guān)系和兩者解決的主要問題上看,在互操作框架中,基礎(chǔ)設(shè)施主要解決系統(tǒng)的互連問題,對應(yīng)著系統(tǒng)的物理集成;計算環(huán)境和公共支撐層解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享問題,對應(yīng)著系統(tǒng)集成的數(shù)據(jù)集成;專用支撐層和系統(tǒng)應(yīng)用解決系統(tǒng)的互操作問題,對應(yīng)著系統(tǒng)集成的功能集成。所以互操作框架支撐著系統(tǒng)集成的開發(fā)和使用,并提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù)和策略。

4 互操作信息流

4.1 信息流分類

圖1描述了一個通用的C4ISR系統(tǒng)互操作參考模型,提供框架的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,明確了下層對上層提供具體的支撐,但是沒有描述各個層次間的信息流和相關(guān)的服務(wù)。參考模型是一個基于構(gòu)件的參考模型,每個層次中,構(gòu)件為系統(tǒng)提供服務(wù),構(gòu)件同構(gòu)件之間通過連接件實現(xiàn)信息流交換。在該框架中相鄰的層次之間通過相關(guān)的接口(接口、PORT、角色)和連接部件來實現(xiàn)互通互連互操作,流經(jīng)連接部件的內(nèi)容就是相關(guān)的信息流。在互操作框架模型中,信息流在不同的層次中具有不同的使命和特點,并需要不同的信息服務(wù)質(zhì)量。

圖2 信息互操作模型

從不同的角度來看,信息流可以分為不同的類型。從互操作性的角度來看,從上到下信息流分為:使命信息、格式信息、共享信息、協(xié)議信息和比特流信息(如圖2所示),表現(xiàn)形式為態(tài)勢、知識、信息、數(shù)據(jù)和比特(如圖2右邊所示)。

1)使命信息是使命應(yīng)用系統(tǒng)為了完成具體的使命任務(wù)時,下發(fā)和接收的信息,如指揮信息、控制信息、決策信息、情報信息等。這類數(shù)據(jù)信息具有可靠性的特點。

2)格式信息是專用支撐層依據(jù)使命信息類型采用統(tǒng)一的、無歧義性的專用數(shù)據(jù)格式描述的信息。該類信息的特點是可用性。

3)共享信息是系統(tǒng)可共享、可讀、可運行、可移植性的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范如XM L標(biāo)準(zhǔn)、EJB標(biāo)準(zhǔn)或CORBA標(biāo)準(zhǔn)所表述的通用數(shù)據(jù)信息,該信息能夠被普適計算環(huán)境所識別和使用。該信息特點具有共享性和可執(zhí)行性。

4)協(xié)議信息是遵循一定的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(如TCP/UDP協(xié)議簇)所表示的數(shù)據(jù)信息。該數(shù)據(jù)是基于通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息。特點是可信性。

5)比特流是通信系統(tǒng)傳輸?shù)谋忍亓鲾?shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是一種透明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的特點是:無差錯性、實時性和透明性。

4.2 信息流服務(wù)質(zhì)量

圖2描述了系統(tǒng)互操作的信息流模型,以及模型中相鄰層次之間的信息流,依據(jù)信息流的作用和使用目的對信息流進(jìn)行了歸類和劃分,以及信息流需要提供的服務(wù)質(zhì)量,明確對等層對信息流質(zhì)量要求和服務(wù)質(zhì)量。信息流的服務(wù)質(zhì)量是系統(tǒng)互操作時信息流被使用時系統(tǒng)對每個層次提出的服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)等級。信息流和服務(wù)質(zhì)量描述如表1所示。

表1 互操作模型層次間信息服務(wù)質(zhì)量

在系統(tǒng)的互操作模型中,每一層次所需要的信息和信息流質(zhì)量是不相同。從縱向來看,相鄰層之間提供的信息有一定的信息質(zhì)量要求,主要是數(shù)據(jù)信息可靠性、準(zhǔn)確性。從橫向看,對等層的數(shù)據(jù)要求信息質(zhì)量也是不相同,并要求其為對方提供相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量。如作戰(zhàn)命令從上到下每一層次要求不同:正確性、格式化、實時性等以及可理解性;從水平方向上看,在基礎(chǔ)設(shè)施層,需要數(shù)據(jù)無差錯傳輸,要求數(shù)據(jù)沒有錯誤,但是由于信道傳輸問題,在該層需要一定的容錯功能和糾錯能力,同時該層需要向上提供正確數(shù)據(jù)信息,從而保證上層的數(shù)據(jù)計算。

4.3 “V”信息關(guān)系模型

在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中,信息關(guān)系從信息流程、信息空間和信息服務(wù)三個角度來分析。

1)信息流程

圖3 C4 ISR系統(tǒng)信息處理的通用過程

從C4ISR系統(tǒng)的信息流程來看(如圖 3所示),C4ISR系統(tǒng)中信息經(jīng)歷信息獲取、信息傳輸、信息處理和信息利用的四個過程。在這個過程中,其實是一個以通信網(wǎng)絡(luò)為支點的V字模型。信息獲取過程是一個組織過程,信息處理和信息利用就是將比特變成數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)變成有用信息,甚至到態(tài)勢的過程。

2)信息空間

從C4ISR系統(tǒng)的信息空間來看,系統(tǒng)分為物理域、信息域和認(rèn)知域。在這個過程中,數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式是數(shù)據(jù)到態(tài)勢的認(rèn)知過程。在該過程中,以物理域為聯(lián)系,形成一個“V”模型。在物理域中,C4ISR系統(tǒng)各個組成部分通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)保密、無縫隙和可靠地連接;在信息域中,系統(tǒng)具有收集、訪問和保護(hù)信息能力、共享信息和協(xié)同作戰(zhàn)能力,通過對信息進(jìn)行處理獲取信息優(yōu)勢;在認(rèn)知域中,系統(tǒng)具有共享高質(zhì)量戰(zhàn)場態(tài)勢能力;從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息、知識和態(tài)勢的轉(zhuǎn)換。

3)服務(wù)

從服務(wù)角度來看,在C4ISR系統(tǒng)互操作框架中信息關(guān)系模型本身是一個集信息組織、應(yīng)用和驗證于一體的二維信息處理的關(guān)系模型。該信息關(guān)系模型可以抽象為一個“V”模型(如圖4所示)?！癡”模型包含著兩個過程:(1)信息組織過程;(2)信息使用和信息質(zhì)量的驗證過程。

信息組織過程是一個信息組織發(fā)送過程。信息發(fā)送者依據(jù)戰(zhàn)場中的態(tài)勢,通過決策,根據(jù)不同的使命應(yīng)用和請求命令,組織相關(guān)信息,并對信息進(jìn)行分類,依據(jù)不同的使命,使用不同的格式來表示,并在信息流加入相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量屬性(無差錯、可靠性、優(yōu)先級等),最終能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程。即依據(jù)具體的使命要求,執(zhí)行相關(guān)的使命任務(wù),相關(guān)的構(gòu)件依據(jù)相關(guān)的使命指令組織相關(guān)的信息流,并按照使命任務(wù)的特點,框架模型從使命層到基礎(chǔ)設(shè)施層,在信息流中加入具體的信息質(zhì)量屬性,然后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給相關(guān)的系統(tǒng)。這些信息的組織過程如圖5所示。

圖4 “V”信息關(guān)系模型

圖5 信息流組織過程的順序圖

信息使用和信息質(zhì)量驗證過程:該過程是信息組織使用過程的逆過程,該過程主要是通過比特形成數(shù)據(jù)、信息、知識和態(tài)勢的整個戰(zhàn)場態(tài)勢獲取過程。在此過程中,信息接收方通過網(wǎng)絡(luò)接收到網(wǎng)絡(luò)比特數(shù)據(jù),信息基礎(chǔ)設(shè)施層根據(jù)比特數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊?對信息流進(jìn)行校驗和糾正,驗證了信息的可靠性后并進(jìn)行處理形成系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)信息,為普適計算機(jī)層提供可信的信息流;普適計算層根據(jù)系統(tǒng)的要求,進(jìn)行相關(guān)計算和處理,形成系統(tǒng)共用的信息;公共支撐層依據(jù)要求,對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一表示和描述,形成共享數(shù)據(jù);專用支撐層依據(jù)共享數(shù)據(jù),組織成不同的使用應(yīng)用數(shù)據(jù)報文,從而達(dá)到系統(tǒng)的應(yīng)用。該過程中依據(jù)信息性質(zhì)和質(zhì)量特性進(jìn)行使用、處理和驗證。對等層之間的信息質(zhì)量關(guān)系是框架模型中描述的關(guān)系。

5 結(jié)語

本文從高層的角度探討了C4ISR系統(tǒng)的互操作框架,從系統(tǒng)的角度分析了架構(gòu)中每個層次完成的功能和層次之間的關(guān)系,以及各個層次間的信息流和信息關(guān)系模型。該框架對C4ISR系統(tǒng)的研制、開發(fā)和集成有著重要的指導(dǎo)作用,能夠縮短系統(tǒng)研制和開發(fā)時間,能夠提高C4ISR系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息共享能力和系統(tǒng)互操作性。

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