艦艇作戰系統信息模型研究

井小沛，汪厚祥

(海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引言

隨著海軍艦艇作戰系統發展的日益更新，應用領域的迅速擴展，作戰需求的不斷提高，其軟件規模和復雜性急劇擴大，自動化程度越來越高，作用也日益重要。因此，艦艇作戰系統所受到的威脅也越來越多。目前，艦艇作戰系統信息安全面臨的主要威脅有內部竊密、信息截取和攻擊等。對此，需采取必要的技術手段防止敵方的入侵和破壞，還要對從內部對已經入侵的行為采取必要的措施，探測內部的非法惡意操作和外部的網絡入侵企圖，對已實施的入侵及時發出警報并做出反應。因此，建立艦船作戰系統入侵檢測機制就十分必要。為了更好地建立入侵檢測機制，必須進行艦船作戰系統模型研究，通過對艦艇作戰系統體系結構進行研究，明確艦艇作戰系統體系結構的內涵，提出艦艇作戰系統體系結構的概念框架，建立反映系統信息結構和信息處理的模型，這對入侵檢測機制的建立極其重要，這也是本文研究的目的。

1 艦艇作戰系統功能組成

艦艇作戰系統主要采用分布式結構［1］，用分布式計算機系統來完成作戰指揮和武器控制功能。在分布式系統中，將小型機或微機構成的處理機分布在多處，并將相應的功能分配到每一處處理機。例如，搜索雷達、聲吶、跟蹤雷達、各種口徑火炮、艦艇導彈等，皆各有自己的信息處理機。通過數據總線把分布于各處的本地資源變為系統的全局資源，使系統任一部分所具有的信息，通過標準化、通用化的硬件設備、軟件及接口，為系統的相互備用創造條件。典型的艦艇作戰系統結構組成如圖1所示。

圖1 艦艇作戰系統組成示意圖Fig.1 The system structure of naval ships combat systems

根據艦艇作戰系統的組織結構，可以分析出一般艦艇作戰系統的主要任務如下［2］:

1)對空戰，即擊毀敵人的飛機以及由飛機、水上、水下或陸基平臺發射的空中目標。

2)對海戰，即擊毀或者打擊敵人的戰斗艦艇和商船。

3)反潛戰，即擊毀或者打擊敵人的潛艇。

4)電子戰，即探測無線電波并對其分類，對敵目標實施電子戰。

5)指揮和控制部隊以及己方艦艇的通信和與通信相關的設施。

本文將以艦艇對空防御功能為例，詳細介紹艦船作戰系統對空防御功能的信息建模設計實現過程。

2 艦艇作戰系統信息模型設計與實現

作戰系統所包含的信息一方面是組成單元(子系統、裝備、設備等)本身的信息，另一方面是在組成單元構成整體即在作戰系統集成的過程中產生的新信息(應該包含要素之間、子系統之間、層次之間、系統與環境之間合理有效的信息聯系、信息交換、信息操作)［3］。

作戰系統包含的信息相當豐富，建立信息模型的目的是為了實現信息共享和更好地用于集成。作戰系統信息模型主要刻畫信息結構和信息處理。

2.1 信息模型的組成

信息模型主要分為數據模型和動態模型2種［4］。數據模型又稱靜態模型，側重于描述系統的狀態。即描述系統中對象的類型、特性以及對象之間的關系。當然，除了描述之外，還定義了這些對象一致的名稱。動態模型側重于描述對信息的處理，如處理模型和工作流程圖表，數據流模型，以及對象生存周期歷史。

2.2 艦艇作戰系統信息模型

在艦艇作戰系統信息模型的研究過程中，主要研究內容包括:

1)作戰系統信息分類，定義元數據，也就是數據類型。

2)信息的表示方法。用面向對象的方法描述各種數據類型及其屬性、相互關系。

3)信息流程的描述方法。

2.3 艦艇作戰系統信息模型設計與實現

1)數據模型的建立

UML建立數據模型的具體步驟包括:準備工作、定義實體并分類、定義聯系及定義屬性［5］。建立模型之前要明確建模的目的和范圍，收集相關信息和原材料。這里首先把消息報文作為建模的入口。

1個消息報文由若干個信息單元組成，1個信息單元由若干個數據項組成。可以用UML類圖表達上述簡單結構和關系［6］。消息報文、信息單元和數據項的組合關系如圖2所示。

圖2 消息報文、信息單元和數據項的組合關系Fig.2 The relation of message，information unit and data item

信息單元有很多種，因此信息單元可以作為1個抽象類，每個具體的信息單元都通過泛化關系成為信息單元的子類，并繼承其特征。在圖3的類圖中暫時僅畫出了7種典型的對空防御功能所需的信息單元:導航數據、航跡數據、聲吶數據、目標指示命令、敵我識別命令、敵我識別反饋和通告。

圖3 信息單元的類圖Fig.3 The class diagram of information unit

數據項的種類更多。我們把前述7種信息單元用到的一部分數據作為數據項的子類畫在類圖中。其中數據值是一類具有共同特征的數據項，可以用單位(如m，kn，(°)等)和有效性(該數據項是否有效)這2個屬性來表示。

數據值的子類包括角度、距離、速度、溫度、相對濕度、信噪比等。角度、距離和速度作為抽象類，其子類比較多。例如，角度的子類包括航向、方位、仰角、縱搖角、橫搖角、經度、緯度、目標相對航向、目標絕對航向等。并且它們都繼承了父類的“數量單位”和“數據有效性”2個屬性。數據值的類圖如圖4所示。

圖4 數據值的類圖Fig.4 The class diagram of data value

經以上分析可得到對空防御信息模型中的數據模型，如圖5所示。它主要由目標對象及其屬性、跟蹤對象及其屬性以及作戰參數等內容構成。通過數據模型的建立，可以更好地了解對空防御過程中所需數據信息的屬性和結構。

圖5 CSMXP數據(部分信息單元)的數據模型Fig.5 The data model of CSMXP data

2)動態模型的建立

動態信息模型的建立可以使用UML順序圖。順序圖的主要目的是顯示出一個特定交互涉及到的系統各部分之間事件的順序。在順序圖中，參與者之間的消息傳遞隱含了它們的鏈接。順序圖描述用例的行為。通常與活動類的實例及它們的消息(信號的實例)一起建立，用于描述系統中活動類之間的消息［7］。

艦艇對空作戰預警信息流程如圖6所示。

根據對空作戰的信息流程圖，構建出對空作戰的順序圖，圖中詳細描述對空作戰預警過程中信息的流向以及各功能部件的作用，如圖7所示。

圖6 對空作戰預警信息流程Fig.6 The flow chart of air defense information

模型中，操作通過指控系統像導彈發出預警指令，導彈進入準備工作，然后目標的各項數據通過電子對抗系統、紅外警戒系統以及雷達系統等進入導彈控制中心，導彈自控系統將數據計算后反饋給操作員，操作員再根據情況對數據進行修正并將修正后的數據傳回給導彈自控系統。

圖7 對空預警防御順序Fig.7 The sequence diagram of air defense

3 結語

艦艇作戰系統是一個龐大的系統，系統功能復雜，信息流非常巨大，通過對艦艇作戰系統的分析研究，從數據模型和動態模型2個方面建立了艦艇作戰系統的信息模型。模型的建立不但有助于提高艦艇作戰系統建模水平、優化艦艇作戰系統，提高艦艇作戰系統的開發效率，還有助于掌握艦艇作戰系統信息模式，更好地了解系統特點，分析出系統的威脅來源。這為建立艦船作戰系統入侵檢測機制提供了寶貴的資源，為更合理更科學的分配檢測器，提高檢測效率，加強艦艇作戰系統的安全提供了堅實的基礎。

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