大型綜合電子信息系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉秀文，楊永華

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.總參五十四所，北京100191)

0 引言

C4ISR是涉及到指揮控制、情報(bào)偵察、預(yù)警探測(cè)、通信導(dǎo)航、電子對(duì)抗、綜合保障以及作戰(zhàn)人員等多要素的復(fù)雜電子信息系統(tǒng)。由于系統(tǒng)組成復(fù)雜、設(shè)備異構(gòu)、分布廣域、系統(tǒng)間信息交互頻繁等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、互操作性、協(xié)同性和可靠性等提出了更高的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

在C4ISR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，體系結(jié)構(gòu)起著重要作用，它是保障系統(tǒng)之間可集成和可互操作的關(guān)鍵，也是系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的有效方法和指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行演化的有效途徑。體系結(jié)構(gòu)技術(shù)和方法已經(jīng)成為美軍作戰(zhàn)概念研究、體系構(gòu)建、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、能力評(píng)估和采辦決策等重要手段，有力支持了軍隊(duì)轉(zhuǎn)型和信息化裝備體系的建設(shè)［1］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 體系結(jié)構(gòu)定義

體系結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)、它們之間的關(guān)系以及制約它們?cè)O(shè)計(jì)和隨時(shí)間演化的原則和指南。綜合電子信息體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)抽象的概念，一個(gè)特定電子信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)需要通過(guò)它的體系結(jié)構(gòu)描述才能表現(xiàn)出來(lái)并為人所知。

體系結(jié)構(gòu)框架是綜合電子信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)描述的規(guī)范，為理解、比較和集成體系結(jié)構(gòu)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。美軍從1996年開(kāi)始相繼制定了多個(gè)版本的C4ISR體系結(jié)構(gòu)框架和美國(guó)國(guó)防部(Department of Defense，DOD)體系結(jié)構(gòu)框架，推出了綜合電子信息系統(tǒng)一體化技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，定義了綜合電子信息系統(tǒng)技術(shù)參考模型和各層采用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)［2］。

1.2 大型電子信息系統(tǒng)特點(diǎn)

大型綜合電子信息系統(tǒng)研制是一項(xiàng)規(guī)模龐大的系統(tǒng)工程，具有以下特點(diǎn):

① 接入的情報(bào)信源多，來(lái)自陸、海、空、天、電多種傳感器，種類繁多、數(shù)據(jù)量大;

②情報(bào)處理差異性大，既有實(shí)時(shí)性的以雷達(dá)航跡為主的態(tài)勢(shì)情報(bào)處理，也有以圖像和文字情報(bào)為主的目標(biāo)情報(bào)處理和情報(bào)整編處理;

③不同形式情報(bào)信息關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，態(tài)勢(shì)情報(bào)、目標(biāo)情報(bào)和動(dòng)向情報(bào)雖然處理模型各異，但在情報(bào)內(nèi)容上有關(guān)聯(lián)性，需要信息共享和綜合印證;

④需要充分兼容已有系統(tǒng)成果，導(dǎo)致系統(tǒng)在操作系統(tǒng)(Linux，Windows)、平臺(tái)與程序語(yǔ)言方面(VC，Java，C 等)存在著多樣性。

因此系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)是系統(tǒng)研制首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)，需要搭建一個(gè)兼容性、開(kāi)放性的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)，以解決系統(tǒng)在需求變化適應(yīng)性、異類信息處理耦合性、信息共享便捷性以及軟件部署靈活性等技術(shù)難題，提高系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題，采用分層與面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(Service-Oriented Architecture，SOA)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，以解決系統(tǒng)中在操作系統(tǒng)、平臺(tái)與程序語(yǔ)言方面的跨平臺(tái)調(diào)用等兼容性問(wèn)題和系統(tǒng)集成問(wèn)題;采用工作流中間件技術(shù)、持久化訪問(wèn)技術(shù)，以應(yīng)對(duì)用戶業(yè)務(wù)流程的可變性問(wèn)題;采用持久化訪問(wèn)技術(shù)以及基于消息中間件的訂制/推送技術(shù)，以解決不同形式情報(bào)信息的共享與異類信息處理之間的松耦合問(wèn)題。

情報(bào)應(yīng)用層處于模型的頂層，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)客戶與系統(tǒng)交互，系統(tǒng)中大部分功能由情報(bào)應(yīng)用層來(lái)體現(xiàn)。情報(bào)應(yīng)用層存在2類構(gòu)件:①用戶業(yè)務(wù)處理界面，包括一些窗體，接收用戶輸入，并從業(yè)務(wù)服務(wù)子層提取信息，將信息以各種方式展現(xiàn);②用于維護(hù)某些處理過(guò)程的用戶信息的構(gòu)件，以及工具類構(gòu)件，如數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)管理等。

服務(wù)層中的業(yè)務(wù)服務(wù)子層集中了系統(tǒng)各種業(yè)務(wù)服務(wù)邏輯，包括態(tài)勢(shì)、情報(bào)整編應(yīng)用和接收分發(fā)應(yīng)用，處理系統(tǒng)中各類業(yè)務(wù)規(guī)則。系統(tǒng)中大部分對(duì)處理能力的要求及其他非功能性的要求均由該層實(shí)現(xiàn)。該層接收情報(bào)應(yīng)用層發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，按照確定的業(yè)務(wù)規(guī)則，由相應(yīng)的服務(wù)構(gòu)件進(jìn)行處理，并將結(jié)果提交情報(bào)應(yīng)用層;負(fù)責(zé)本系統(tǒng)與外系統(tǒng)的接口，完成與外部系統(tǒng)的交互。

服務(wù)層中的基礎(chǔ)服務(wù)子層提供了對(duì)系統(tǒng)中基礎(chǔ)服務(wù)的支持，包括地理信息系統(tǒng)服務(wù)、通信服務(wù)、文電服務(wù)和密碼服務(wù)等。

服務(wù)層中的核心服務(wù)子層提供了工作流管理、公共訂制推送和持久化對(duì)象訪問(wèn)服務(wù)。工作流管理中的工作流引擎用以維持整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的業(yè)務(wù)流程運(yùn)行;訂制/公用信息推送中的信息發(fā)布服務(wù)/數(shù)據(jù)搜索為各業(yè)務(wù)分系統(tǒng)共享其他分系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)情報(bào)數(shù)據(jù)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)制;持久化對(duì)象訪問(wèn)服務(wù)為系統(tǒng)中各個(gè)應(yīng)用(程序)訪問(wèn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)及其他文件數(shù)據(jù)提供實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

數(shù)據(jù)資源層包括系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與工作數(shù)據(jù)，還隱含包括了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及其訪問(wèn)接口。

3 系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 分層與SOA相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)

在對(duì)用戶需求進(jìn)行詳細(xì)分析、試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用基于核心服務(wù)引擎的分層體系結(jié)構(gòu)與SOA相結(jié)合的軟件體系結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想，如圖1所示。開(kāi)放的SOA架構(gòu)一方面可以屏蔽不同開(kāi)發(fā)商采用不同開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)的統(tǒng)一調(diào)用和系統(tǒng)集成，另一方面能更好地將不同系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)服務(wù)進(jìn)行管理。

圖1 系統(tǒng)軟件體系架構(gòu)

系統(tǒng)選用IBM的 WebsphereND、InforBus/Q來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)的SOA架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)、整編、目標(biāo)各主要應(yīng)用分系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享模式的統(tǒng)一和業(yè)務(wù)服務(wù)的統(tǒng)一組織調(diào)度。

WebsphereND的負(fù)載均衡能力允許在同一時(shí)刻有多個(gè)實(shí)例運(yùn)行，處理并發(fā)用戶請(qǐng)求。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之初就考慮了組件的重用，因此，無(wú)論Java、.Net或打包應(yīng)用都可以通過(guò)web服務(wù)進(jìn)行服務(wù)的組織和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的協(xié)同工作，使其達(dá)到復(fù)用度高和擴(kuò)充性好，并盡可能利用已有資源的目的。采用消息總線InforBus/Q實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的消息交換，實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)訂制推送服務(wù)負(fù)責(zé)消息推送方和訂制方的注冊(cè)、訂單管理和在線離線管理。

3.2 面向情報(bào)處理業(yè)務(wù)的工作流管理

設(shè)計(jì)了面向情報(bào)處理業(yè)務(wù)的工作流管理軟件，主要目標(biāo)是對(duì)偵察指控、情報(bào)加工、情報(bào)分發(fā)以及其組合的業(yè)務(wù)過(guò)程中各步驟(或稱活動(dòng)、環(huán)節(jié))發(fā)生的先后次序及各步驟相關(guān)的相應(yīng)人力或信息資源的調(diào)用等進(jìn)行管理?？梢愿鶕?jù)用戶的需求，隨時(shí)通過(guò)修改流程模板來(lái)實(shí)現(xiàn)定制，無(wú)需修改業(yè)務(wù)軟件，提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性和伸縮性，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)過(guò)程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。工作流管理原理圖如圖2所示。首先根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行可視化工作流程設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)好的流程導(dǎo)入工作流引擎，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用工作流引擎進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理。業(yè)務(wù)流程管理軟件作為獨(dú)立的軟件部署在各業(yè)務(wù)處理席位上，能夠使業(yè)務(wù)過(guò)程按照流程模版自動(dòng)執(zhí)行［3］。

圖2 工作流管理原理

3.3 基于集群計(jì)算的異構(gòu)數(shù)據(jù)持久化訪問(wèn)

為了解決數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)性問(wèn)題，采用數(shù)據(jù)持久化方法，將對(duì)數(shù)據(jù)表的操作映射為對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)象的操作，消除了應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)的緊耦合。持久化訪問(wèn)客戶端負(fù)責(zé)為其他業(yè)務(wù)應(yīng)用程序組件提供對(duì)象訪問(wèn)接口，包括:存儲(chǔ)、增加、刪除、修改和查詢獲取，以中間件方式提供給各個(gè)業(yè)務(wù)分系統(tǒng)調(diào)用，接收各業(yè)務(wù)應(yīng)用程序組件提出的對(duì)象請(qǐng)求，并通過(guò)軟件總線提交持久化訪問(wèn)服務(wù)端。持久化訪問(wèn)服務(wù)是持久化訪問(wèn)子系統(tǒng)的核心，通過(guò)數(shù)據(jù)字典和對(duì)象映射規(guī)則庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象關(guān)系映射的持久機(jī)制，執(zhí)行實(shí)際的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的存儲(chǔ)、刪除、修改和查詢獲取功能，根據(jù)請(qǐng)求完成對(duì)象的訪問(wèn)操作，并將處理結(jié)果集通過(guò)軟件總線遞交給持久化訪問(wèn)客戶端，由持久化訪問(wèn)客戶端返回給提交請(qǐng)求的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序組件［4］。持久化對(duì)象訪問(wèn)構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 持久化對(duì)象訪問(wèn)構(gòu)件體系結(jié)構(gòu)

在多用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)，若將持久化服務(wù)部署在單一服務(wù)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)用戶達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，該服務(wù)節(jié)點(diǎn)成為系統(tǒng)的瓶頸，而且若該服務(wù)器宕機(jī)，系統(tǒng)就陷于癱瘓狀態(tài)。為了減少單一服務(wù)器的負(fù)載，同時(shí)減少服務(wù)器宕機(jī)引起的損失，將持久化服務(wù)部署到多個(gè)服務(wù)器上，以提高系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)引入集群負(fù)載均衡機(jī)制，使得各處理節(jié)點(diǎn)在處理任務(wù)的過(guò)程中均衡地負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，可以隨時(shí)增加節(jié)點(diǎn)，將用戶的調(diào)用請(qǐng)求分發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)上，提高系統(tǒng)的可靠性，縮短系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3.4 基于消息中間件的信息訂制/推送技術(shù)

針對(duì)系統(tǒng)的多平臺(tái)、多語(yǔ)言、消息主題的種類多且信息交互復(fù)雜、系統(tǒng)部署可能動(dòng)態(tài)調(diào)整等特性，設(shè)計(jì)了訂制/推送軟件，解決應(yīng)用之間的消息通知與消息傳遞［5］。

訂制/推送系統(tǒng)是要把推送者發(fā)布的消息正確地推送到對(duì)這個(gè)消息感興趣的所有的客戶端即訂制這個(gè)消息的客戶端。訂制/推送軟件通過(guò)訂制服務(wù)端接收各個(gè)應(yīng)用程序的信息訂制要求，并按照要求將滿足訂制要求的數(shù)據(jù)庫(kù)變化消息按照某種格式推送給訂制客戶端。通過(guò)訂制/推送軟件，減少了各應(yīng)用程序之間的耦合，某一應(yīng)用程序可以近實(shí)時(shí)獲得其他應(yīng)用程序產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)，以供關(guān)聯(lián)分析;不需要定時(shí)去檢查主題的更新，相關(guān)主題就可以推送到主題的訂制方，其工作原理如圖4所示。

由于系統(tǒng)軟件使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、運(yùn)行平臺(tái)各不相同，為了解決消息的異構(gòu)傳輸以及傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的復(fù)雜配置問(wèn)題，采用消息總線技術(shù)。消息的發(fā)布方和消費(fèi)者都注冊(cè)于消息總線上，消息按需分發(fā)，提供java版和com版2類客戶端開(kāi)發(fā)包，以解決跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言調(diào)用問(wèn)題。

圖4 信息訂制 /推送工作原理

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行，證明系統(tǒng)在軟件體系架構(gòu)上的設(shè)計(jì)是成功的，克服了傳統(tǒng)C/S架構(gòu)的種種缺點(diǎn)，是對(duì)大型復(fù)雜綜合電子信息系統(tǒng)新體系架構(gòu)的一種探索和驗(yàn)證。通過(guò)設(shè)計(jì)基于核心服務(wù)引擎的分層與SOA相結(jié)合的軟件體系結(jié)構(gòu)，搭建了兼容性、開(kāi)放性的系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)，可支持各種操作系統(tǒng)、平臺(tái)與程序語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用之間以及應(yīng)用與數(shù)據(jù)之間的松耦合［6］。工作流管理能夠支持各種業(yè)務(wù)流程自動(dòng)化，且能夠通過(guò)改變流程模板以靈活、方便地支持新的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶業(yè)務(wù)流程變化的適應(yīng)性。基于集群計(jì)算的異構(gòu)情報(bào)數(shù)據(jù)持久化訪問(wèn)技術(shù)，將對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作轉(zhuǎn)換為對(duì)持久化對(duì)象的操作，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)應(yīng)用與數(shù)據(jù)訪問(wèn)的松耦合。消息的訂制 /推送機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了各應(yīng)用程序之間的信息按需訂制與推送，以及不同情報(bào)處理業(yè)務(wù)之間的信息共享。消息的發(fā)布方和接收方可以隨時(shí)增減，即插即用，系統(tǒng)部署的靈活性大大提高。

［1］伍江華，張仁茹.C4ISR系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(6):34 － 37.

［2］陸 敏，黃湘鵬，施未來(lái).軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架研究進(jìn)展［J］.通信技術(shù)，2011，44(3):77－79.

［3］張敏輝.SOA架構(gòu)的工作流管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2012，31(1):126 －128.

［4］李彥平.基于SOA的持久化對(duì)象訪問(wèn)技術(shù)研究［J］.無(wú)線電工程，2009，39(7):26－28.

［5］范喜全，何明利，匡鏡明［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27(24):4 720 －4 723.

［6］曹星平.軍事信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框架制定方法［J］.火力與指揮控制，2011，36(1):29 －32.