網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)研究*

王剛，岳韶華，李延磊，付強，余曉東

(空軍工程大學防空反導學院，陜西西安 710051)

0 引言

分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制(command and control，C2)系統(tǒng)是未來指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)適應(yīng)空防體系對抗需要、建立扁平式指揮體系的基礎(chǔ)［1］。其中，戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)條件下分布式指揮控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)和重要支撐，既保證了戰(zhàn)術(shù)層次邏輯上實時高效集中指揮控制和物理上作戰(zhàn)單元節(jié)點指控中心的接替?zhèn)浞?，又最大限度地保證了所屬火力單元指控節(jié)點的分散式指揮控制，大大提高了網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀能力和作戰(zhàn)指揮效能。

指揮控制系統(tǒng)軟件作為戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)的核心和靈魂，實現(xiàn)了戰(zhàn)術(shù)級網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)的指揮、控制、通信和作戰(zhàn)管理功能［2-3］。由于在指揮控制對象的數(shù)量和類型、系統(tǒng)內(nèi)信息處理的容量和類型以及作戰(zhàn)模式上都大大增多，戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性也大大增加。一方面從功能上對于網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)軟件的指揮控制、信息處理、輔助決策、節(jié)點管理等提出了更高的要求，另一方面對指揮控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計、開發(fā)以及軟件的可靠性和可維護性提出了更高的要求。

需求分析與軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是軟件生命周期的2個關(guān)鍵活動，其中網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)需求分析和軟件功能需求分析是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)軟件設(shè)計、開發(fā)的前提和基礎(chǔ);軟件體系結(jié)構(gòu)則確定了指揮控制軟件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、層次劃分以及不同部分之間的協(xié)作等核心內(nèi)容。因此，本文首先系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)級指控系統(tǒng)作戰(zhàn)需求和軟件功能需求，在此基礎(chǔ)上，深入探討網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計。

1 網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)需求分析

1.1 作戰(zhàn)需求分析

分布式網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)主要完成多型混編火力單元網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮控制、情報信息處理、指揮信息處理、作戰(zhàn)指揮輔助決策、模擬訓練、系統(tǒng)維護等功能。

指揮控制對象包括戰(zhàn)術(shù)級傳感器、火力單元級多型傳感器、火力攔截設(shè)備、通信設(shè)備、電子對抗設(shè)備等。分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括傳感器層、網(wǎng)絡(luò)指控層、網(wǎng)絡(luò)火力層和網(wǎng)絡(luò)通信層4部分。

(1)傳感器層包括各型預(yù)警探測傳感器、跟蹤傳感器等，主要負責區(qū)域空情信息的組網(wǎng)和分層處理。

(2)網(wǎng)絡(luò)指揮控制層完成指揮信息處理、實時/非實時輔助決策以及分布式指揮控制功能。

(3)火力層主要包括多型混編火力攔截武器系統(tǒng)控制。

(4)網(wǎng)絡(luò)通信層主要完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信規(guī)劃與路由控制功能。

攔截武器平臺所屬傳感器——跟蹤雷達，配屬于特定的武器系統(tǒng)，具有信息獲取和攔截制導雙重功能，使得傳感器層和火力層有所重疊。由于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)任務(wù)優(yōu)先級高，因此，武器平臺所屬傳感器資源一般不用于綜合配置，但可以相互之間進行高精度信息組網(wǎng)，提高組網(wǎng)協(xié)同交戰(zhàn)能力，通過深度交鏈，形成戰(zhàn)術(shù)級體系作戰(zhàn)能力。

在組網(wǎng)作戰(zhàn)狀態(tài)下，必須要依靠網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)術(shù)級指揮控制系統(tǒng)的各級指控節(jié)點相互協(xié)作，實現(xiàn)對網(wǎng)內(nèi)的各種受控對象進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)與控制，才能有效地完成復(fù)雜空情下的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)任務(wù)［4］。因此，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的指揮控制系統(tǒng)，除具有傳統(tǒng)的指揮控制、信息處理功能外，還具有以下特點:

(1)指控中心節(jié)點可動態(tài)轉(zhuǎn)移的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，生存能力較強;

(2)一體化設(shè)計，可相互替代;

(3)實現(xiàn)了跟蹤雷達信息的共享，數(shù)據(jù)處理的精度和實時性更高;

(4)提供了多種協(xié)同工作狀態(tài)，作戰(zhàn)指揮控制及輔助決策更加復(fù)雜;

(5)實現(xiàn)了與武器系統(tǒng)的深度交鏈，增強了對武器系統(tǒng)的控制能力，大大提高了系統(tǒng)整體對抗能力。

1.2 軟件功能需求分析

網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的本質(zhì)是戰(zhàn)場信息的共享和利用，特別是高精度、高速率、高實時性的跟蹤雷達信息，正是由于跟蹤雷達信息的異地可用性，使得網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)具備了數(shù)據(jù)支援、干擾定位等多種戰(zhàn)術(shù)級網(wǎng)絡(luò)化對抗手段。因此，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)對網(wǎng)絡(luò)指揮控制軟件系統(tǒng)的集成功能提出了更高的要求。除了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物理集成，還需要高度的信息源集成和信息集成［5］。

(1)分布式信息源集成

利用分布式人工智能技術(shù)，以集成化方法構(gòu)造在廣度信息對抗空間中高效運作的信息資源集成體系結(jié)構(gòu)，從軟件上將分布式信息源集成為相互協(xié)作、優(yōu)勢互補的分布式信息獲取體系，以滿足網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)環(huán)境中激烈的信息對抗要求。

(2)信息集成

信息集成是指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)需求，優(yōu)化信息流程，實現(xiàn)信息流的動態(tài)管理，將各種信息收集起來，然后進行分類、整理、抽取、融合，獲取有用的信息，提高信息可信度、可用度，最終為火力資源提供有力的信息支持。

分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)的綜合集成必須要依靠分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，而首先就是要建立良好的分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

2.1 指控節(jié)點分析與設(shè)計

指控節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的基本單元?；谏鲜鼍W(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)作戰(zhàn)需求分析，建立如下分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)指控節(jié)點體系架構(gòu)，如圖1所示。

為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)中心節(jié)點轉(zhuǎn)移和動態(tài)節(jié)點管理的需求，對分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)指控節(jié)點進行如下設(shè)計:

(1)指控節(jié)點的一體化設(shè)計

由于在網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)同時存在指揮信息、情報信息、節(jié)點狀態(tài)等信息，指控中心節(jié)點動態(tài)轉(zhuǎn)移對于各種信息的連續(xù)性和一致性提出了很高的要求，加之網(wǎng)絡(luò)通信的不穩(wěn)定性和通信速率的限制，實現(xiàn)指控中心節(jié)點動態(tài)轉(zhuǎn)移功能具有較大的難度。

為此，對網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控節(jié)點軟件進行一體化設(shè)計。采用相同的軟件結(jié)構(gòu)和軟件配置。指控節(jié)點根據(jù)人工干預(yù)或自動判斷當前節(jié)點的地位(中心節(jié)點或受控節(jié)點)，啟用相應(yīng)的指揮控制界面、使能與作戰(zhàn)地位匹配的作戰(zhàn)指揮控制功能等。

(2)分布式信息處理設(shè)計

分布式信息處理是指指揮、情報信息的分布式處理和存儲。

為保證在受控節(jié)點升級為指控中心節(jié)點時能夠不間斷接替進行作戰(zhàn)指揮，軟件系統(tǒng)對影響作戰(zhàn)指揮的主要信息采用分布式對等信息處理和存儲方式，主要包括:指揮信息、情報信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，確保中心節(jié)點轉(zhuǎn)移后指揮、情報以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的連續(xù)性。

同時，為了降低網(wǎng)絡(luò)流量，對網(wǎng)內(nèi)信息格式進行優(yōu)化處理，確保有重點、分時序信息傳輸。

(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)動態(tài)管理設(shè)計

為了動態(tài)管理入網(wǎng)、退網(wǎng)節(jié)點，達到“即插即用”，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)指揮控制軟件建立全網(wǎng)節(jié)點應(yīng)答機制，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入、正常/異常退出等網(wǎng)絡(luò)報文協(xié)議，保證全網(wǎng)配置信息一致并實時通報和系統(tǒng)更新，保證作戰(zhàn)指揮、射擊指揮的正確性，系統(tǒng)具備根據(jù)信道情況和預(yù)先設(shè)定的順序啟動某節(jié)點作為指控中心節(jié)點的能力。

圖1 指控節(jié)點體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of C2node

2.2 軟件層次化分析與設(shè)計

諾貝爾獎獲得者赫伯特.西蒙曾論述到:“要構(gòu)造一門關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的比較正規(guī)的理論，有一條路就是求助于層級理論。……我們可以期望，在一個復(fù)雜性必然是從簡單性進化而來的世界中，復(fù)雜系統(tǒng)是層級結(jié)構(gòu)的”。對于分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制軟件這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，分析層級和運用層級，是分析和構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制軟件的基本原則。同時，軟件體系結(jié)構(gòu)的層次性是軟件重用性和可移植性的基礎(chǔ)。軟件“重用”即同一個軟件(模塊)應(yīng)用于多個系統(tǒng)，這使得新系統(tǒng)軟件開發(fā)成本大大降低，使維護費用適度降低。

對于指揮控制系統(tǒng)而言，首先，各種指控系統(tǒng)之間高度的功能通用性，從高層次的應(yīng)用通用性(作戰(zhàn)指揮)到通用保障功能(自動報文處理)，直到更通用的功能(如人機界面)，這些領(lǐng)域都含有大量通用的子功能基礎(chǔ)，為軟件跨系統(tǒng)重用提供了充分的潛在空間。其次，面向?qū)ο蠓治?、設(shè)計和編程的應(yīng)用大大方便了指控系統(tǒng)用程序的移植重用。

網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件的質(zhì)量不僅關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)的實用性、靈活性和完備性，而且直接影響到系統(tǒng)的可靠性和擴充重組能力。為此，采用多層次、組件化/模塊化和面向?qū)ο笤O(shè)計方法，將網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)軟件進行層次化分析和設(shè)計。

網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)軟件可分為4個層次，由系統(tǒng)軟件平臺、支撐軟件平臺、指揮控制通用軟件平臺和分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制專用軟件平臺組成，如圖2所示。

(1)指揮控制通用軟件平臺

指揮控制通用軟件平臺由具有一般指揮控制系統(tǒng)通用功能的軟件組件(服務(wù))構(gòu)成。主要包括:通信控制軟件、報文管理軟件、數(shù)據(jù)融合軟件、數(shù)據(jù)庫操作軟件、空情想定制作軟件等。

(2)分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件專用平臺

分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件專用平臺由與網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)密切相關(guān)的作戰(zhàn)應(yīng)用軟件組件(服務(wù))構(gòu)成，主要包括:人機交互軟件、指揮信息處理軟件、作戰(zhàn)輔助決策軟件、組網(wǎng)控制軟件、作戰(zhàn)訓練軟件、系統(tǒng)維護軟件等。

2.3 面向服務(wù)架構(gòu)的軟件集成分析與設(shè)計

目前，指揮控制系統(tǒng)正處在逐步向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的轉(zhuǎn)型時期，其組織應(yīng)用模式、技術(shù)體制將發(fā)生巨大的變化。通過采用基于服務(wù)架構(gòu)的指控服務(wù)包，動態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的方式，可以解決戰(zhàn)術(shù)級指控系統(tǒng)對不同火力單元指控節(jié)點在技術(shù)層面上實現(xiàn)一體化的難題［6］。采取指控服務(wù)包動態(tài)構(gòu)建一體化、網(wǎng)絡(luò)化指控系統(tǒng)的方式，可以實現(xiàn)指控系統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)和混編組網(wǎng)，從而實現(xiàn)由樹狀、金字塔式的指揮結(jié)構(gòu)向扁平化、網(wǎng)絡(luò)化的指揮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

圖2 網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of network-centric C2system

(1)基于服務(wù)架構(gòu)(service oriented architecture，SOA)的指控系統(tǒng)構(gòu)建

面向服務(wù)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)實質(zhì)上是以分布在網(wǎng)絡(luò)上的各種指揮控制服務(wù)為基礎(chǔ)，并依據(jù)實際任務(wù)的需要，將所需的各種服務(wù)進行有機組合，并通過松耦合的方式實現(xiàn)服務(wù)間的互相調(diào)用、交互和協(xié)同，從而構(gòu)成能進行互聯(lián)互通互操作的網(wǎng)絡(luò)化、一體化指控系統(tǒng)［7］。一個基于服務(wù)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的構(gòu)建框架如圖3所示［8-9］。利用分層模式的描述方法有利于支持未來系統(tǒng)設(shè)計過程中的逐級抽象、具有較好可擴展性、支持系統(tǒng)復(fù)用等優(yōu)點。

(2)指控服務(wù)包運用模型

指控服務(wù)包是指控網(wǎng)格中可以被發(fā)現(xiàn)的功能單元，是面向特定服務(wù)功能的服務(wù)集合。針對指控服務(wù)包的特點以及網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的構(gòu)建思路，給出一種指控服務(wù)包的應(yīng)用模型，如圖4所示。各種指控服務(wù)包部署在指揮信息系統(tǒng)網(wǎng)格相應(yīng)的節(jié)點上，并提供標準的訪問接口供用戶調(diào)用，各級指控系統(tǒng)依據(jù)具體的任務(wù)需求，使用所需的指控服務(wù)包動態(tài)構(gòu)建相應(yīng)的指揮控制邏輯功能。這些指控服務(wù)包可能隸屬于不同的層次，存在于不同的地域，但都是網(wǎng)格上的某個節(jié)點，都可以通過標準的接口隨時隨地地進行訪問。只要具有相應(yīng)的權(quán)限調(diào)用這些信息服務(wù)，那么就可以按指揮控制流程的要求，將這些服務(wù)進行有機組合，以滿足網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮控制的需求。

圖3 基于服務(wù)的指控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Architecture of C2system based on SOA

指控服務(wù)包是不間斷運行的，網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)單位通過“按需服務(wù)”獲得這些服務(wù)，然后實現(xiàn)在通用平臺上的“即插即用”。一旦不需要該服務(wù)，則解除綁定。當系統(tǒng)中有新的資源或功能時，它將同樣被封裝為指控服務(wù)包供使用者調(diào)用。這種基于SOA構(gòu)建的通用指控系統(tǒng)，通過實時的網(wǎng)格信息共享，以及靈活的動態(tài)構(gòu)建模式，有效地加快了指揮作戰(zhàn)的節(jié)奏，提高了面向聯(lián)合作戰(zhàn)任務(wù)的靈活性，增強了網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)節(jié)點之間的協(xié)同作戰(zhàn)能力和指揮能力。

2.4 指控系統(tǒng)軟件通信協(xié)議層次化分析與設(shè)計

分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件通信協(xié)議的設(shè)計是分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分［10］。綜合考慮組網(wǎng)雷達、指控節(jié)點的工作特點，傳輸目標信息的實時性要求，傳輸指揮命令信息的可靠性要求，協(xié)議的可擴充性要求等，進行通信協(xié)議的分層設(shè)計。

信息傳輸狀態(tài)分為實時狀態(tài)與非實時狀態(tài)。

(1)實時狀態(tài)

數(shù)據(jù)信息與控制信息組合成報文，按照跟蹤傳感器工作周期(整數(shù)倍)傳輸，信息的長度盡可能少。

(2)非實時狀態(tài)

根據(jù)需要不定期傳輸控制與狀態(tài)信息，此時要利用數(shù)據(jù)鏈路層鏈路探詢與應(yīng)答報文檢測鏈路連通性。數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)顯示信息的傳輸無需回復(fù);對于重要的一次性信息，如控制指令等需要采用狀態(tài)回復(fù)機制，增強信息傳輸可靠性。

圖4 指控服務(wù)包運用模型Fig.4 Model of C2system service application

通信協(xié)議可以分為3層:數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議、表示層協(xié)議和業(yè)務(wù)層協(xié)議。

(1)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

針對組網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸特點，為有效地利用有限通信資源，縮短通信延遲時間，制定簡潔短小的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

(2)表示層協(xié)議

報文由若干子信息塊組合構(gòu)成，信息語句長度及組合形式報文標識碼唯一確定。對重要的狀態(tài)位及語句編號采用雙位表示，提高信息的可靠性。

(3)業(yè)務(wù)層協(xié)議

定義控制關(guān)系和發(fā)送控制指令及回傳確認的機制。對于有明確定義的回復(fù)報文，接收端在接收到控制指令后以約定的報文回復(fù)確認;對于沒有明確定義回復(fù)報文的控制指令，接收端以回傳當前狀態(tài)作為回復(fù)，以便發(fā)送端及時了解指令執(zhí)行情況。

3 結(jié)束語

技術(shù)決定戰(zhàn)術(shù)，指揮手段決定指揮方式。隨著信息技術(shù)的日益發(fā)展，分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)將成為未來指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

作為網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)核心和靈魂的分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件，既保證了網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)邏輯上實時高效集中指揮，又保證了物理上作戰(zhàn)單元級指控中心的備份，大大提高了網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)系統(tǒng)的抗毀能力和作戰(zhàn)指揮效能，已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)指揮的“效能倍增器”。因此，加強和重視分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)研究，提高分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件的可靠性、可維護性和可重用性，保證分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件分析、設(shè)計和開發(fā)全過程的質(zhì)量，是信息化作戰(zhàn)條件下指揮控制系統(tǒng)建設(shè)的緊迫需求，是作戰(zhàn)指揮手段歷史發(fā)展的必然。必須要堅持需求牽引、技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展原則，妥善處理好當前與長遠、戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)、全局與局部、作戰(zhàn)與訓練的關(guān)系，把分布式網(wǎng)絡(luò)化指揮控制系統(tǒng)軟件的建設(shè)建立在立足現(xiàn)有裝備手段、實現(xiàn)優(yōu)化作戰(zhàn)指揮的基礎(chǔ)之上，最大限度地挖掘分布式網(wǎng)絡(luò)指揮控制系統(tǒng)的潛能。

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