C4ISR互操作框架及信息關系模型研究*

伍江華 潘小群

(中國艦船研究院 北京 100192)

1 引言

C4ISR系統的使命是通過數據共享、信息互操作獲取信息優勢,實現指揮決策的功能。獲取信息優勢的互操作能力是未來信息系統的基石?，F代作戰從傳統單平臺作戰發展到聯合作戰,使得傳統的C4ISR系統“煙囪”式體系結構難以滿足作戰要求?！盁焽琛笔襟w系結構主要考慮系統的內部互通、互連、互操作,沒有充分考慮到與外部系統的連接和互操作,從而產生信息孤島現象,使復雜系統之間難以實現互操作性。而一個開放式、一體化的C4ISR系統互操作架構是解決信息孤島和實現系統互操作的基礎。

系統互操作性在不同組織有不同的定義,IEEE從四個方面描述:兩個或多個系統以及系統內元素交換信息和使用信息的能力;在一起工作的設備做有用功能的能力;在異構網絡中系統或構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、武器和單元提供接受服務的能力,以及使用這些服務使它們有效一起操作的能力。

在前面的定義基礎上,可以將C4ISR系統互操作性定義為:在互操作體系結構框架下,系統或系統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上完成、獲取和提供服務的能力。所以,合理的系統體系結構框架是實現系統互操作的基礎,信息流和信息關系是完成系統互操作的保障,本文從研究C4ISR系統的互操作框架出發,研究和探討了C4ISR系統的信息流和信息關系。

2 相關工作

在現有的研究系統互操作模型中,主要是研究C4I系統和M&S系統之間的互操作,以及概念設計到技術設計之間的轉換。文獻[1～2]描述了目前的幾個主要互操作模型:信息系統互操作的層次模型(Levelsof Information System Interoperability—LISI)、組織互操作成熟模型(Organization Interoperability Maturity Model—OIM)、NATO C3技術體系結構互操作參考模型(NATO C3 Technical A rchitecture Reference Model for Interoperability—NC3TARM)、概念互操作模型(Levels of Conceptual Interoperability Model—LCIM)和復雜系統互操作模型(System of Systems Interoperability Model—SOSIM)。其中,LISI模型將系統劃分為獨立層、連接層、功能層、領域層和企業層,標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、應用、基礎設施和數據)和定義了每一層的交換數據和服務;其關注技術的互操作性和系統間互操作性的復雜性,而沒有探討環境和組織的問題如共享處理的互操作需求。OIM擴展了LISI模型,但是沒有關心建造系統的組織。NC3TARM主要關注技術的互操作性和建立互操作的程度。SOSIM描述了系統的系統互操作模型,從程序管理、系統構建和系統操作的三個層次上描述了互操作模型和數據關系。LCIM從系統概念層上描述了系統概念層上互操作模型,在概念設計和技術設計之間建立一種關系,關心交換數據和接口文檔的有效性。

3 系統互操作框架

3.1 系統互操作框架

武器系統的開放體系結構(Weapons System Open A rchitecture)、OFP開放系統體系結構(Operational Flight Program Open Systems A rchitecture)、波音公司開發的 C3I開放系統的體系結構[3～5]是以平臺為中心的。隨著信息技術發展,C4ISR體系結構向著以數據為中心基于服務基于能力應用的分布式架構發展。

圖1 互操作架構

分層思想能夠有效分解C4ISR系統的復雜性,并且有利于對其體系結構的理解、實現和標準化。在分析前面的體系結構、DIICOE基礎上,從粗粒度的角度,提出一個以數據為中心面向網絡基于能力應用C4ISR系統互操作框架(如圖1所示)。該架構是一個基于構件的C4ISR體系結構的框架模型,使“數據獨立與硬件,應用獨立于數據”,從而實現系統的“即插即用”。

該體系結構強調了系統“交互和互操作”思想,這里的交互和互操作主要體現了下面3個方面的觀點。

1)橫向觀點:系統互操作體系結構面臨著很多技術難題,最重要的一點是如何實現開放、異構系統之間的結構互聯、信息互通和服務互融。所以,必須有必要借鑒傳統“煙囪式”體系結構研究的成功經驗,在對系統體系結構進行分層的基礎上,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。在橫向交互上本質上是協議的交互。

2)縱向觀點:一個特定系統應用服務的構造,常常是由上至下各層服務功能的定制與組合,這實際上是通過系統各層的縱向交互(即相鄰層交互)來實現。同時,系統上層功能的實現往往需要借助于其下層所提供的服務,這種“服務提供/服務使用”關系也是通過縱向交互來完成。因此,在基于網絡面向能力的互操作體系結構必須高度重視縱向交互?？v向交互本質上是服務的交互。

3)構件思想和構件觀點:構件定義了其功能描述及交互接口,而將這些功能的實現封裝起來,這樣,實體構件的具體實現技術的改變不會影響其功能。互操作框架的每一層都為它上面的層提供一些標準的構件,互操作體系結構借鑒了軟件體系結構的研究思路,采用交互連接件來對構件之間的交互關系(橫向協議交互和縱向服務交互)進行建模。

3.2 各層次的功能

該參考模型是一個基于構件的C4ISR體系結構的框架模型,相鄰的層次之間通過連接件、接口和一套標準的數據協議實現互操作。針對不同的具體系統應用,只要在不同的層次中針對不同的應用進行相關的功能裁減、組合、適配,以及相關的服務匹配,可以實現具體系統的應用。同時考慮到新舊系統的兼容性、互操作性和移植性,在專用支撐層和基礎設施層增加了中間件和數據共享環境。整個參考模型劃分為五個層次:基礎設施、計算環境、公共支撐層、專用支撐層和使命應用。

1)基礎設施層解決系統的互連和信息傳輸問題,主要包含C4ISR系統之間物理連接的通信網絡系統(數據鏈、衛通、光纖網、局域網等)、所涉及的操作系統(UNIX、Window序列、VxWork等)與專用數據庫系統(共享數據庫、戰術數據庫等)以及相關互通的軟件等。

2)計算服務層是解決系統互通中數據計算和處理,是一個公共計算環境,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境的應用提供基礎的系統服務。普適計算環境是系統架構開放性的基礎,是實現系統即插即用的樞紐,提供與硬件聯系的接口,也使其它的應用服務不依賴硬件的特性。

3)公共支撐服務層解決系統互通的信息共享服務和表示問題,為絕大多數公共應用提供所需要的基礎服務軟件,這些服務獨立于具體的應用,是建立系統的基礎。因此,公共支撐層包括一個開發工具集來輔助開發人員進行使命應用軟件的開發。公共支撐層提供對專用支撐層的支撐如圖形處理和態勢顯示。

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

5)使命應用主要是C4ISR系統的具體使命應用如武器系統、指揮系統和戰場協同管理等。

另外,在參考模型中系統管理為C4ISR系統提供一些資源分配、系統配置、軟件管理和系統安全防護等有利于C4ISR互操作的措施。中間件是解決舊系統與新系統之間兼容性和互操作問題,是實現C4ISR系統與遺留系統、以及與外部仿真系統互操作的紐帶,提供相互之間的數據轉換、處理和計算等,如利用CORBA中間件來實現基于HLA的仿真系統與C4ISR系統的集成和互操作等;數據共享環境為C4ISR系統提供一些數據管理、數據訪問、數據發布和處理支撐如數據的發布/訂閱機制、數據庫訪問方式等。

3.3 體系結構與集成模型關系

C4ISR互操作框架對C4ISR系統集成提供了指南和服務。該框架包含了系統集成的架構。C4ISR系統集成分為物理集成、數據集成和功能集成[6～8]。物理集成也稱網絡集成,解決系統的物理上互通問題;數據集成是解決系統在互通中共享數據處理和表示問題;應用集成也稱功能集成主要解決專用應用問題。

所以從互操作框架與系統集成的關系和兩者解決的主要問題上看,在互操作框架中,基礎設施主要解決系統的互連問題,對應著系統的物理集成;計算環境和公共支撐層解決系統數據共享問題,對應著系統集成的數據集成;專用支撐層和系統應用解決系統的互操作問題,對應著系統集成的功能集成。所以互操作框架支撐著系統集成的開發和使用,并提供相關的技術服務和策略。

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系統互操作參考模型,提供框架的層次結構關系,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的服務。參考模型是一個基于構件的參考模型,每個層次中,構件為系統提供服務,構件同構件之間通過連接件實現信息流交換。在該框架中相鄰的層次之間通過相關的接口(接口、PORT、角色)和連接部件來實現互通互連互操作,流經連接部件的內容就是相關的信息流。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質量。

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、協議信息和比特流信息(如圖2所示),表現形式為態勢、知識、信息、數據和比特(如圖2右邊所示)。

1)使命信息是使命應用系統為了完成具體的使命任務時,下發和接收的信息,如指揮信息、控制信息、決策信息、情報信息等。這類數據信息具有可靠性的特點。

2)格式信息是專用支撐層依據使命信息類型采用統一的、無歧義性的專用數據格式描述的信息。該類信息的特點是可用性。

3)共享信息是系統可共享、可讀、可運行、可移植性的數據,該數據是遵循統一的數據規范如XM L標準、EJB標準或CORBA標準所表述的通用數據信息,該信息能夠被普適計算環境所識別和使用。該信息特點具有共享性和可執行性。

4)協議信息是遵循一定的通信協議標準(如TCP/UDP協議簇)所表示的數據信息。該數據是基于通信網的數據信息。特點是可信性。

5)比特流是通信系統傳輸的比特流數據,該數據是一種透明傳輸的數據。該數據的特點是:無差錯性、實時性和透明性。

4.2 信息流服務質量

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

表1 互操作模型層次間信息服務質量

在系統的互操作模型中,每一層次所需要的信息和信息流質量是不相同。從縱向來看,相鄰層之間提供的信息有一定的信息質量要求,主要是數據信息可靠性、準確性。從橫向看,對等層的數據要求信息質量也是不相同,并要求其為對方提供相關的服務質量。如作戰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,在基礎設施層,需要數據無差錯傳輸,要求數據沒有錯誤,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據信息,從而保證上層的數據計算。

4.3 “V”信息關系模型

在系統體系結構中,信息關系從信息流程、信息空間和信息服務三個角度來分析。

1)信息流程

圖3 C4 ISR系統信息處理的通用過程

從C4ISR系統的信息流程來看(如圖 3所示),C4ISR系統中信息經歷信息獲取、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絡為支點的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據、將數據變成有用信息,甚至到態勢的過程。

2)信息空間

從C4ISR系統的信息空間來看,系統分為物理域、信息域和認知域。在這個過程中,數據的表現形式是數據到態勢的認知過程。在該過程中,以物理域為聯系,形成一個“V”模型。在物理域中,C4ISR系統各個組成部分通過網絡實現保密、無縫隙和可靠地連接;在信息域中,系統具有收集、訪問和保護信息能力、共享信息和協同作戰能力,通過對信息進行處理獲取信息優勢;在認知域中,系統具有共享高質量戰場態勢能力;從而實現數據到信息、知識和態勢的轉換。

3)服務

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

信息組織過程是一個信息組織發送過程。信息發送者依據戰場中的態勢,通過決策,根據不同的使命應用和請求命令,組織相關信息,并對信息進行分類,依據不同的使命,使用不同的格式來表示,并在信息流加入相關的服務質量屬性(無差錯、可靠性、優先級等),最終能夠通過網絡傳輸的過程。即依據具體的使命要求,執行相關的使命任務,相關的構件依據相關的使命指令組織相關的信息流,并按照使命任務的特點,框架模型從使命層到基礎設施層,在信息流中加入具體的信息質量屬性,然后通過通信網絡傳送給相關的系統。這些信息的組織過程如圖5所示。

圖4 “V”信息關系模型

圖5 信息流組織過程的順序圖

信息使用和信息質量驗證過程: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據、信息、知識和態勢的整個戰場態勢獲取過程。在此過程中,信息接收方通過網絡接收到網絡比特數據,信息基礎設施層根據比特數據在網絡中傳輸的要求,對信息流進行校驗和糾正,驗證了信息的可靠性后并進行處理形成系統可用的數據信息,為普適計算機層提供可信的信息流;普適計算層根據系統的要求,進行相關計算和處理,形成系統共用的信息;公共支撐層依據要求,對數據進行統一表示和描述,形成共享數據;專用支撐層依據共享數據,組織成不同的使用應用數據報文,從而達到系統的應用。該過程中依據信息性質和質量特性進行使用、處理和驗證。對等層之間的信息質量關系是框架模型中描述的關系。

5 結語

本文從高層的角度探討了C4ISR系統的互操作框架,從系統的角度分析了架構中每個層次完成的功能和層次之間的關系,以及各個層次間的信息流和信息關系模型。該框架對C4ISR系統的研制、開發和集成有著重要的指導作用,能夠縮短系統研制和開發時間,能夠提高C4ISR系統數據信息共享能力和系統互操作性。

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