作戰系統互操作性與XML的應用研究

1 引 言

在海上信息化戰爭中，多兵種聯合作戰將在海、陸、空、天、電磁五維空間展開，過去各軍兵種“煙囪式”的作戰體系已經不能適應新的瞬息萬變、錯綜復雜的戰場環境。當今世界各國都非常重視軍事信息系統的互連、互通和互操作問題。海軍C4ISR系統實現一體化最本質的要求是，各系統之間必須是互連的、信息必須是互通共享的、應用上必須是互操作的。

互連的目的是為了解決通信子網的異構性問題，產生一個對作戰任務而言單一的通信子網，它與C4ISR系統的網絡特性密切相關。互通要解決端系統之間的通信及協作問題，產生一個對作戰任務“透明”的系統。互操作則使整個C4ISR系統成為一個整體，各分系統間相互提供一致的服務支持，并有效地協同工作。顯然，互連是互通的基礎，互連、互通又是互操作的前提，而互操作則是最終目標。XML技術的應用將有助于改進作戰系統的互操作性。

2 互操作性

2.1 定義

美國國防部軍事術語詞典從作戰和技術兩個層面給出了互操作性的定義。

作戰互操作性是指系統、設備或部隊向(從)另一系統、設備或部隊提供(獲得)服務的能力，基于這些能力使得它們之間能有效地協同工作。

技術互操作性是指通信電子系統之間或通信電子設備的各組成單元之間直接進行滿意的數據和信息交換的能力。技術互操作性是作戰互操作性的基礎，它從技術的層面來考察互操作性，規定的是系統(而不是組織)之間的關系。

從工程實現角度，互操作性主要強調系統間應用的互操作能力，主要包括：作戰文電的聯合生成、傳送、修改、反饋，作戰態勢圖的聯合生成、顯示、更新，系統間的協同標繪等，最終的目標是實現聯合作戰的能力。

系統間達到大規模和一致的互操作要求統一的管理、構造和操作實踐，僅靠技術革新(XML或其他)是不夠的，還必須同時關注追求組織互操作性(如圖1)，知識/感知層提供技術互操作性到組織互操作性的過渡。

圖1 技術互操作性和組織互操作性

2.2 信息系統互操作性級別

信息系統互操作性級別是美國國防部C4ISR工作組的工作成果，它開始于1993年，發布于1998年。LISI分析了信息系統之間存在的普遍的互操作需求，根據系統間信息交互的復雜性、交互的特點以及需要完成的功能，定義邏輯上應用于系統之間交互和共享信息的“成熟度”的5個互操作性級別。如表1，每個較高互操作級別與下一級別相比，都提供了更好的系統交互性能[1]。

表1 LISI定義的5個互操作性級別

LISI是對信息系統互操作性進行定義、評估、測量和評定的一個過程，采用了一種通用的參考框架和性能測量，應用于整個信息系統的生命周期。

2.3 互操作性屬性

LISI漸進的級別越來越代表了復雜的用戶能力和支持這些能力的相關計算環境。在每個成熟等級內，有許多因素影響著信息系統互操作的能力。LISI把這些因素分成4個關鍵屬性：過程(Procedure)、應用(Application)、基礎設施(Infrastructure)和數據(Data)，一起簡稱為PAID。PAID提供了一種方法學來對LISI內每個漸進復雜性級別的信息與服務的交換中所需的特征集進行定義與識別。如圖2所示，為了徹底對互操作性進行評估，有必要把PAID應用到LISI的每個級別(0～4)。

圖2 LISI的互操作性屬性

互操作性的數據屬性的重點是由系統處理的信息，該屬性對數據格式(語法)及其內容或含義(語義)進行處理。它包括所有的數據形式，它們支持每一級系統操作——從操作系統和通信基礎設施到最終的用戶應用程序。數據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、數據庫、視頻、聲音、圖像、圖形等。因此，數據屬性可以理解為是獲得系統互操作性的最關鍵的方面。

3 XML與互操作性

可擴展標記語言XML(eXtensible Markup Language)是無處不在的互聯網技術之一。XML標準常用于：1)開發者建立數據和接口；2)團體進行交流的標準化數據共享和轉換；3)用戶獲得改進的互操作性[2]。

1998年W3C發布XML 1.0標準，如今圍繞XML已經出現了非常多的標準和產品(圖3)。XML推動了以Web Service為代表的第3次Web技術革命(TCP/IP/HTTP/XML/SOAP)。

XML文檔本質上是保存信息的結構化載體，具有可擴展、自描述的性質，并且結構、內容和表現分開。XML實現了數據獨立性，與編程語言、操作系統或者傳輸協議無關。XML已經成為一種流行和通用的數據格式，使用這種數據表示格式使數據具有良好的可共享性和重用性。

圖3 XML協議簇

3.1 XML與數據建模

數據就是對事實的描述，信息是對數據的有效解釋。我們發現數據元素的過程決定了當前它們之間的關聯方式及定義方式，從而在將來可以識別和使用這些數據，這個過程就稱為數據建模。數據建模提供了描述真實世界信息需求的方法和手段，便于相關人員的理解和溝通；同時，使數據庫設計者能夠根據這些信息需求定義來實現數據庫。在美國國防部發布的體系結構框架規范(DoDAF)中，要求對于每個體系結構產品，都必須根據CADM(Core Architecture Data Model)來定義體系結構數據，利用IDEF1X描述數據類型及其相互關系，目的是促進C4ISR的互操作性[3]。

數據模型具有自頂向下的4個層次：分類、概念上的、邏輯的和物理的。E-R(實體-關系模型)、IDEF1X、UML和XML等都是有效的建模方法，它們對于不同的層次各有優劣。通常還要權衡2個因素：一方面是獲取絕對精確的定義，另一方面是便于與用戶溝通。

無論是需要長期存儲的永久性數據，還是在子系統之間傳輸的消息，都適用于XML文檔來表示。同時，XML Schema(模式)定義和描述XML文檔的結構和數據類型，也就是說具有數據建模的能力，提供對XML文檔結構及內容的約束和解釋。另外，其他數據建模方法也可以很方便地映射為XML實現。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表示數據。如圖4所示是邏輯模型的一部分，采用XML模式表示“目標指示”命令的結構； 圖5是一個XML文檔表示目標指示命令的示例。

圖4 XML模式表示“目標指示”的結構

圖5 XML文檔表示目標指示命令

3.2 XML與接口

2個系統交換數據的能力依賴一定的接口連接，通常將數據轉換成統一的中間格式，提供了有限的互操作能力。通過接口連接的系統在數據交換中可能存在潛在的精確性或數據丟失。使用互操作性執行數據交換不需要轉換到中間格式，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別。集成需要解決互相連接的部件間的兼容性問題，試圖允許通用資源、數據的共享，而不需要從一種格式轉換到另一種格式。XML語言具有如下幾個突出的優點：

? 不僅可以表達數據的內容，而且可表達數據的結構；

? 針對特定的應用，開發人員可創建特定的數據類型；

? 以XML為中介，可以在不同的系統之間交換異構的結構化數據；

? 有助于結構化數據和非結構化數據的集成。

正是XML語言具有的這些優點，使得它本質上十分適合作為不同應用之間的數據交換格式[4]。如圖6所示，使用基于XML的數據交換格式(DIF)，有助于減少系統兩兩之間的成對的接口。從(a)到(b)的轉變，代表了未來作戰系統集成設計的方向，對于縮短作戰系統研制周期及增強互操作性具有重要意義。

圖6 系統間的數據接口形式

以典型導彈驅逐艦為例，其作戰系統由多個分系統構成，包括導航系統、雷達、指控系統、通信系統、艦艦導彈、艦空導彈、艦炮、電子戰系統以及輔助設備等[5]。系統(設備)兩兩之間的內部接口眾多，其中部分采用模擬信號連接，多數通過數字接口和網絡連接。各種應用程序之間使用自定義的協議交換信息，涉及到很多種信息單元格式。作戰系統技術設計階段和系泊航行試驗階段的工作內容，主要集中在這些接口的設計、協調和測試，工作量大、頭緒繁多。

如果把XML作為接口設計的基礎，以XML為核心來實現信息的處理、傳輸和存儲，將使很多工作得到簡化并提高系統集成的效率。例如，借助XML模式可以得到精確的數據模型，一個XML Schema(.xsd文件)即可替代接口協議中對數據的各種文字描述，并有助于消除歧義；對數據內容有效性的判斷(XML文檔是否符合模式的定義)可以自動完成，從而節省大量檢查數據有效性的代碼。

3.3 XML與軟件體系結構

系統開發的時候，重點不是構件而是接口和信息交換。當然，肯定需要有人來設計構件和子系統，也需要有一個好的外觀。但是最重要的是每個功能模塊能夠很好地工作并交換信息。XML和Web服務成為集成及互操作性的范例，與其管理數百個成對的接口和交換數千種專用信息，不如采用新的軟件體系結構并轉移到“發布—訂閱”環境，使合適的用戶得到XML中的信息。就像一條總線而不是點對點的連線。如果這種方法在軍用和商用軟件開發中得到更廣泛的應用，用戶就能夠獲得更多的互操作性。

由于XML文件特別適合“發布—訂閱”模式的運行環境，基于XML的數據交換可以用于新的作戰系統軟件體系結構。系統與系統之間實現共享XML文件的途徑很多，例如XML文件可以放在通過戰術網絡訪問的數據庫中，或者“推”給用戶，或者由用戶在需要的時候“拉”回來。

數據分發服務采用以數據為中心的發布—訂閱機制，提供了一個與平臺無關的數據傳輸模型，確保正確有效地傳輸信息給適當的接收者。它允許應用程序實時發布其擁有的信息，并訂閱其需要的信息，較好地處理了不可靠網絡通信中數據的自動發現、可靠性和冗余性等問題[6]。

3.4 相關研究和應用

未來怎樣做到更好的信息交換？當然，總會需要一些人工交換，人與人之間的交流和人對機器的控制仍然存在。然而大多數信息交換都可以轉換為XML格式，從而進行更好的人對機器的交流或者更充分的自動化數據交換。

例如，對于美軍及其聯軍來說，美國消息文本格式(USMTF)是聯合兵力之間交換信息的標準格式，該標準給出了一種定義消息的方式。XML-MTF小組已經創建了XML-MTF Schema和文檔規范給美國軍方和聯合兵力使用。這些現存的格式都已經支持XML，而這僅僅是第一步，因為更困難的工作是如何連接數據庫、減少所使用的消息和數據元素的數量，并通過XML傳遞這些信息。

因此，美軍當前和開發中的系統必須既有消息傳遞又有數據庫接口。美國空軍還要求所有的系統必須有XML接口。同樣地這也只能是第一步，因為真正需要完成的是減少兩兩之間的接口，使它們支持XML只是個開始。

為了促進數據共享和互操作性，美國國防部國防信息系統局(DISA)建立了DoD元數據注冊庫(MDR)，XML Gallery是其中的關鍵部分，其中包括DII-COE相關的XML元素、屬性等元數據定義。公共操作環境(DII-COE)是1993年美國國防部組織建立的聯合開發基礎體系結構。DII-COE設計的目的是減少美國國防部系統的不兼容性問題，增加系統的互操作性、可重用性和集成能力。獲得授權的軟件開發者訪問MDR即可獲得有關生成和使用XML數據的指南，保證在使用XML表達信息時保持一致的詞匯和語法。

4 結 論

未來的海上戰爭正在實現從平臺中心作戰向網絡中心作戰的轉變，多平臺、多節點相互封閉、縱向的作戰體系向開放的、橫向的作戰體系轉變。未來的作戰系統必須以互操作性為目標，才能支持聯合作戰和信息作戰，獲取戰場的主動權。

對未來的系統來說，集成和互操作性特別重要。因此在系統設計中應該盡量減少專用接口和數據格式，廣泛采用成熟商用技術COTS和標準，從而降低風險和成本，提高系統集成的效率。實現系統之間的信息交換是互操作性的關鍵，XML技術提供了一個比較理想的選擇。應用基于XML的信息表達方式和數據格式，有助于減少成對的兩兩系統之間的接口。同時， 采用以數據為中心的發布—訂閱機制，實現信息交換方式從點對點向信息總線轉變，使作戰系統的綜合集成和互操作能力提高到新的水平。

[1] 王小非主編．海上網絡戰[M]．北京：國防工業出版社，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，蔣海濱．基于XML的數據交換格式及其應用[J]．計算機工程與設計,2003,24(5)：77-80.

[5] 閔紹榮．艦艇作戰系統功能劃分方法[J]．中國艦船研究，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.