海上軍事信息物理融合系統(tǒng)框架研究

劉 鵬 韋廣立 陳 樹

（中國艦船研究院 北京 100101）

1 引言

一體化聯(lián)合作戰(zhàn)是未來軍事斗爭的主要形式，各類軍事資源的高效協(xié)同調(diào)度使用是實(shí)現(xiàn)軍隊(duì)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)能力的重要基石［1］。C4KISR系統(tǒng)是各軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的粘合劑，盡管理念十分先進(jìn)，但當(dāng)前研究在許多關(guān)鍵技術(shù)上仍亟待突破?，F(xiàn)有的C4KISR系統(tǒng)還沒有實(shí)現(xiàn)信息域與物理域的密切融合［2］，信息處理與物理過程的相互作用產(chǎn)生的影響未被足夠重視，嚴(yán)重影響了“傳感器到射手”能力的實(shí)現(xiàn)，制約了一體化聯(lián)合作戰(zhàn)效能發(fā)揮［3］。

CPS概念考慮計(jì)算信息系統(tǒng)與物理世界的深度融合，即物理對象、計(jì)算機(jī)硬件/軟件的協(xié)同分析與協(xié)同設(shè)計(jì)［4］，為解決現(xiàn)有C4KISR系統(tǒng)問題提供了一種有效手段。本文從系統(tǒng)集成的角度，探索海軍信息物理系統(tǒng)融合框架，首先介紹相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，然后結(jié)合海軍軍事資源實(shí)際部署、通信連接和組織使用的特點(diǎn)，提出了海上軍事信息物理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和部署結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行了總結(jié)與展望。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 CPS/MCPS基本概念

CPS概念最早由美國國家自然基金委員會于2006年提出，后經(jīng)過不斷發(fā)展，在不同應(yīng)用領(lǐng)域均取得了一定成果。CPS強(qiáng)調(diào)把計(jì)算過程與物理過程緊密地融合到一起，其核心是實(shí)現(xiàn)3C（Computa?tion，Communication，Control）融合，即在感知的基礎(chǔ)上，有機(jī)融合網(wǎng)絡(luò)化的可控、可信、可擴(kuò)展的具備計(jì)算、通信和控制能力的物理設(shè)備系統(tǒng)，以安全、可靠和實(shí)效的方式監(jiān)測或控制物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)［5］。其基本概念框圖如圖1所示，圖中虛線框內(nèi)為物理域，其他均屬于信息域［6］。MCPS則是CPS在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.2 CPS/MCPS框架研究

與其他系統(tǒng)一樣，體系框架也是CPS系統(tǒng)研究和開發(fā)的基礎(chǔ)，一個(gè)合理的體系框架對于CPS系統(tǒng)的影響幾乎可以說是決定性的。當(dāng)前對于CPS的研究主要集中在工業(yè)領(lǐng)域，且隨應(yīng)用領(lǐng)域的不同，體系框架也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。如文獻(xiàn)［7］從嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的角度提出了一種CPS體系結(jié)構(gòu)原型，該體系結(jié)構(gòu)原型滿足CPS的幾個(gè)本質(zhì)特征如：及時(shí)性、分布性、可靠性、容錯(cuò)性、安全性、可擴(kuò)展性和自治性，但未用具體的案例分析體現(xiàn)原型系統(tǒng)的特征，實(shí)用性無從驗(yàn)證。文獻(xiàn)［8］中給出了一種類似于計(jì)算機(jī)總線結(jié)構(gòu)的CPS體系結(jié)構(gòu)，該體系非常簡單，對各個(gè)功能模塊沒有具體進(jìn)行描述，由于采用的簡單總線結(jié)構(gòu)，顯然難以適應(yīng)大規(guī)模分布式系統(tǒng)的需求；文獻(xiàn)［9］中在原來計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)五層體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了CPS層，提出了（cyber-physi?cal internet，CPI）的概念；文獻(xiàn)［10］通過分析智能交通系統(tǒng)（ intelligent transportation system，ITS）與CPS的現(xiàn)狀，并結(jié)合交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了交通信息物理融合系統(tǒng)（transportation cyber-physical system，T-CPS）基本架構(gòu)，詮釋了T-CPS各層次的功能及特點(diǎn)，討論了T-CPS的若干關(guān)鍵技術(shù)，但機(jī)理分析欠深入。此外也有少量的專門針對軍事信息物理系統(tǒng)架構(gòu)的研究，如文獻(xiàn)［11］提出了一種面向服務(wù)的MCPS架構(gòu)，但既未結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行分析。通過對研究現(xiàn)狀的分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對CPS體系架構(gòu)的研究還處于探索階段，尚未形成統(tǒng)一的CPS體系架構(gòu)，現(xiàn)有的CPS/MCPS架構(gòu)缺乏對海上作戰(zhàn)環(huán)境下無線窄帶寬、平臺高機(jī)動性等復(fù)雜條件的支持。為此，本文從一體化作戰(zhàn)的需求出發(fā)，借鑒已有的CPS/MCPS框架，結(jié)合海上作戰(zhàn)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的MCPS融合框架。

3 MCPS框架設(shè)計(jì)

3.1 MCPS特點(diǎn)分析

從面向組成的角度出發(fā)，MCPS包含了涵蓋岸海空天潛廣大空間內(nèi)的偵察傳感、通信網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、指控單元、武器單元以及之間的互聯(lián)。從面向流程的角度出發(fā)，MCPS的組成要素又可以抽象為由感知、通聯(lián)、決策、打擊四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的閉環(huán)。由于其特殊的使命任務(wù)和發(fā)展歷史［12］，海上作戰(zhàn)軍事信息域和物理域融合在側(cè)重點(diǎn)、組成元素、組織使用模式等方面體現(xiàn)出突出的領(lǐng)域特性，具體如下：

1）裝備/設(shè)備更加智能化、信息化，實(shí)體裝備與邏輯功能的劃分邊界變得模糊，邏輯功能的實(shí)現(xiàn)不再局限于某個(gè)特定的裝備，而是分布在不同的實(shí)體裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)。信息技術(shù)促使海上作戰(zhàn)資源能夠動態(tài)化可重新組織和重新配置。

2）信息流的快速性、全局性促使作戰(zhàn)體系呈現(xiàn)地域廣袤化，節(jié)點(diǎn)互聯(lián)化、信息共享化、協(xié)同廣泛化的特點(diǎn)，使得其成為真正意義上點(diǎn)點(diǎn)相關(guān)，環(huán)環(huán)相扣，物理域和信息域緊密耦合，大范圍多層次聯(lián)動的不可分割的整體。

3）信息流促使作戰(zhàn)動態(tài)過程加快，動態(tài)特性更加復(fù)雜。從發(fā)現(xiàn)、識別、決策到打擊需要一定的時(shí)間消耗和兵力火力調(diào)動控制，信息流的傳播速度遠(yuǎn)快于物理世界的調(diào)動和控制，而信息發(fā)揮作用又必須受制于物理世界的制約，使得海上作戰(zhàn)體系呈現(xiàn)出時(shí)間和空間上的多重復(fù)雜性。面對事件時(shí)，信息流和物理世界的反應(yīng)時(shí)間不同步使得時(shí)敏性成為對系統(tǒng)動態(tài)特性的重要影響因素。

4）信息技術(shù)促使對抗性更加劇烈。信息技術(shù)在驅(qū)動海上作戰(zhàn)體系消除戰(zhàn)場不確定的同時(shí)，因時(shí)敏性對系統(tǒng)動態(tài)行為的決定性影響，也在加劇著戰(zhàn)場環(huán)境的隨機(jī)性、不可預(yù)知性。對其體系發(fā)揮效能造成極大的沖擊，對體系實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)、實(shí)時(shí)決策、實(shí)時(shí)控制提出更高的要求。

由于當(dāng)前學(xué)術(shù)界對CPS的研究主要集中于工業(yè)領(lǐng)域，對于軍事領(lǐng)域CPS的研究還不夠充分，當(dāng)前MCPS融合研究的研究仍面臨如下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

1）裝備節(jié)點(diǎn)部署的廣域性機(jī)動性：MCPS要素涵蓋陸?？仗鞚撾姀V大空間內(nèi)機(jī)動部署的各種裝備實(shí)體。

2）資源功能配屬的聚合性解耦性：MCPS實(shí)現(xiàn)對分布式部署的作戰(zhàn)資源和模塊化配屬的要素功能在面向任務(wù)時(shí)的有機(jī)聚合，資源配屬和功能配置均受物理因素制約。

3）通信交通資源的有限性可用性：在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的通信大量依靠無線通信鏈路，在對抗的戰(zhàn)場環(huán)境下，通信鏈路面臨帶寬受限（過多的軟件部署對帶寬資源的消耗是服務(wù)化的應(yīng)用障礙）和可用性的問題（可用頻率、可用時(shí)間窗等）。交通網(wǎng)絡(luò)同樣面臨可用性等制約因素（通過限制、運(yùn)輸時(shí)長等）。

3.2 MCPS體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于MCPS的特點(diǎn)及CPS的概念和特性，結(jié)合海上作戰(zhàn)的特征，本文設(shè)計(jì)了如圖2所示的面向服務(wù)的MCPS體系結(jié)構(gòu)。

圖2 面向服務(wù)的MCPS體系結(jié)構(gòu)

該框架將MCPS分為三層：分別為資源層、服務(wù)層和應(yīng)用層，每一層分別包括若干功能模塊，為整個(gè)MCPS提供不同層面的支撐：

1）資源層。該層是MCPS的基礎(chǔ)支撐層，它實(shí)現(xiàn)了物理世界的交互，并通過其內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)不同資源的聯(lián)通。資源層與CPS概念中的傳感器、執(zhí)行器以及控制與網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)，其具體組成元素包括感知資源、計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源、網(wǎng)絡(luò)資源等等。需要說明的是這里組成元素如感知資源、計(jì)算資源等并非僅對應(yīng)于CPS中的某一個(gè)單獨(dú)的概念，而是具備多種能力的綜合體，比如感知資源除能感知戰(zhàn)場態(tài)勢外，其本身也是能根據(jù)任務(wù)需求而調(diào)度的一種戰(zhàn)術(shù)/戰(zhàn)略資源。

2）服務(wù)層。服務(wù)層向下實(shí)現(xiàn)對各類資源的有序組織和調(diào)度管理，對上提供封裝好的各類應(yīng)用支撐服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)資源層及上層應(yīng)用的“粘合劑”。根據(jù)作用對象的不同，服務(wù)層又主要分為核心服務(wù)層和應(yīng)用支撐層兩個(gè)層次，其中核心服務(wù)層包括資源接入、任務(wù)監(jiān)控、任務(wù)調(diào)度、資源態(tài)勢等，主要是根據(jù)各類應(yīng)用支撐服務(wù)的需求，結(jié)合通信、資源等特性對資源層進(jìn)行統(tǒng)一組織調(diào)度、異構(gòu)系統(tǒng)通聯(lián)等工作，并監(jiān)控其運(yùn)行情況；應(yīng)用支撐服務(wù)層主要是基于核心服務(wù)層提供的對資源的管理服務(wù)，包括存儲服務(wù)、傳輸服務(wù)、時(shí)空服務(wù)等，針對各應(yīng)用專業(yè)領(lǐng)域，提供專業(yè)服務(wù)。服務(wù)層實(shí)現(xiàn)信息域與物理域的直接交互，對物理域的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制（在軍事領(lǐng)域，絕大部分情況是通過給出提示信息，通過有關(guān)人員人工進(jìn)行控制，但這僅僅是增加了一個(gè)步驟，并不影響整體邏輯流程）。

3）應(yīng)用層。應(yīng)用層利用服務(wù)層提供的應(yīng)用支撐服務(wù)，結(jié)合有關(guān)的專業(yè)處理流程等，將作戰(zhàn)業(yè)務(wù)處理能力包裝成軟件或服務(wù)，直接為各種作戰(zhàn)活動提供支撐。應(yīng)用層通過服務(wù)層實(shí)現(xiàn)與物理層的交互。

3.3 MCPS部署結(jié)構(gòu)

分布于陸?？仗鞚撾姷拇罅繖C(jī)動平臺構(gòu)成MCPS的重要組成部分，這些分布式部署的機(jī)動平臺需要根據(jù)任務(wù)進(jìn)行動態(tài)有機(jī)聚合，且功能不一，在戰(zhàn)場對抗環(huán)境下通常需面臨帶寬受限甚至可用性等問題?，F(xiàn)有CPS普遍采用分層分布式的部署結(jié)構(gòu)基于有線網(wǎng)絡(luò)，盡管相對于完全分布式已經(jīng)減少了大量的通信流量，但應(yīng)用于海上作戰(zhàn)通信環(huán)境時(shí)仍無法接受。本文針對該情況，提出如圖3所示的MCPS部署結(jié)構(gòu)，并對其信息流程進(jìn)行了優(yōu)化。

圖3 MCPS部署結(jié)構(gòu)

MCPS部署結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于岸基側(cè)與移動平臺側(cè)采用不同的接入處理方式。岸基側(cè)由于采用有線網(wǎng)連接，無須考慮帶寬限制問題，故直接采用經(jīng)典的分層分布式方式部署，該設(shè)計(jì)較為經(jīng)典，有大量參考材料，故不再詳述。而在移動平臺側(cè)，則采用編隊(duì)內(nèi)分布、對外按需互通的方式：移動平臺首先進(jìn)行編隊(duì)內(nèi)組網(wǎng)，在編隊(duì)內(nèi)進(jìn)行資源共享和管理，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的信息物理融合，在必要時(shí)（如通信帶寬充足且有關(guān)業(yè)務(wù)需與岸基有關(guān)節(jié)點(diǎn)互通物理設(shè)備狀態(tài)和控制命令等信息時(shí)），根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)需要，通過編隊(duì)接入節(jié)點(diǎn)按需與岸基互通業(yè)務(wù)相關(guān)的物理設(shè)備狀態(tài)和控制命令等信息。MCPS部署結(jié)構(gòu)通過區(qū)分岸基和移動平臺側(cè)的不同聯(lián)通方式，在保證岸基側(cè)信息物理域高效融合的同時(shí)，也適應(yīng)移動平臺側(cè)動態(tài)組織性和帶寬受限的情況，同時(shí)也確保移動平臺編隊(duì)作為行動小組內(nèi)部的高效協(xié)同。

4 結(jié)語

由于海軍作戰(zhàn)環(huán)境的特殊性，其MCPS融合框架也應(yīng)當(dāng)與其自身的特點(diǎn)相適應(yīng)，本文基于海軍作戰(zhàn)環(huán)境的實(shí)際特點(diǎn)設(shè)計(jì)的MCPS體系結(jié)構(gòu)和部署結(jié)構(gòu)，對于實(shí)現(xiàn)海軍作戰(zhàn)體系物理域與信息域的深度融合、協(xié)同設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。隨著軍用資源種類日益豐富和底層物理設(shè)備感控能力的提升，以及上層信息系統(tǒng)功能的急劇增加，軍事物理域與信息域的深度融合、協(xié)同設(shè)計(jì)能力將逐漸成為海軍作戰(zhàn)力量再次形成質(zhì)變式提升的階梯。

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