大型綜合電子信息系統軟件體系結構設計

劉秀文，楊永華

(1.中國電子科技集團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、情報偵察、預警探測、通信導航、電子對抗、綜合保障以及作戰人員等多要素的復雜電子信息系統。由于系統組成復雜、設備異構、分布廣域、系統間信息交互頻繁等特點，對系統的實時性、互操作性、協同性和可靠性等提出了更高的要求，導致系統設計和開發成為一項艱巨的任務。

在C4ISR系統設計和開發過程中，體系結構起著重要作用，它是保障系統之間可集成和可互操作的關鍵，也是系統頂層設計與開發的有效方法和指導系統進行演化的有效途徑。體系結構技術和方法已經成為美軍作戰概念研究、體系構建、系統分析、設計、驗證、能力評估和采辦決策等重要手段，有力支持了軍隊轉型和信息化裝備體系的建設［1］。

1 系統結構總體設計

1.1 體系結構定義

體系結構是系統各部件的結構、它們之間的關系以及制約它們設計和隨時間演化的原則和指南。綜合電子信息體系結構是一個抽象的概念，一個特定電子信息系統的體系結構需要通過它的體系結構描述才能表現出來并為人所知。

體系結構框架是綜合電子信息系統體系結構描述的規范，為理解、比較和集成體系結構提供統一標準。美軍從1996年開始相繼制定了多個版本的C4ISR體系結構框架和美國國防部(Department of Defense，DOD)體系結構框架，推出了綜合電子信息系統一體化技術體系結構，定義了綜合電子信息系統技術參考模型和各層采用協議標準［2］。

1.2 大型電子信息系統特點

大型綜合電子信息系統研制是一項規模龐大的系統工程，具有以下特點:

① 接入的情報信源多，來自陸、海、空、天、電多種傳感器，種類繁多、數據量大;

②情報處理差異性大，既有實時性的以雷達航跡為主的態勢情報處理，也有以圖像和文字情報為主的目標情報處理和情報整編處理;

③不同形式情報信息關聯性強，態勢情報、目標情報和動向情報雖然處理模型各異，但在情報內容上有關聯性，需要信息共享和綜合印證;

④需要充分兼容已有系統成果，導致系統在操作系統(Linux，Windows)、平臺與程序語言方面(VC，Java，C 等)存在著多樣性。

因此系統軟件架構設計技術是系統研制首先要解決的關鍵技術，需要搭建一個兼容性、開放性的系統平臺架構，以解決系統在需求變化適應性、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難題，提高系統的可靠性和擴展性。

2 系統軟件體系結構總體設計

針對系統設計所面臨的問題，采用分層與面向服務的體系結構(Service-Oriented Architecture，SOA)相結合的體系結構，以解決系統中在操作系統、平臺與程序語言方面的跨平臺調用等兼容性問題和系統集成問題;采用工作流中間件技術、持久化訪問技術，以應對用戶業務流程的可變性問題;采用持久化訪問技術以及基于消息中間件的訂制/推送技術，以解決不同形式情報信息的共享與異類信息處理之間的松耦合問題。

情報應用層處于模型的頂層，實現系統客戶與系統交互，系統中大部分功能由情報應用層來體現。情報應用層存在2類構件:①用戶業務處理界面，包括一些窗體，接收用戶輸入，并從業務服務子層提取信息，將信息以各種方式展現;②用于維護某些處理過程的用戶信息的構件，以及工具類構件，如數據庫管理、系統管理等。

服務層中的業務服務子層集中了系統各種業務服務邏輯，包括態勢、情報整編應用和接收分發應用，處理系統中各類業務規則。系統中大部分對處理能力的要求及其他非功能性的要求均由該層實現。該層接收情報應用層發來的請求，按照確定的業務規則，由相應的服務構件進行處理，并將結果提交情報應用層;負責本系統與外系統的接口，完成與外部系統的交互。

服務層中的基礎服務子層提供了對系統中基礎服務的支持，包括地理信息系統服務、通信服務、文電服務和密碼服務等。

服務層中的核心服務子層提供了工作流管理、公共訂制推送和持久化對象訪問服務。工作流管理中的工作流引擎用以維持整個系統級的業務流程運行;訂制/公用信息推送中的信息發布服務/數據搜索為各業務分系統共享其他分系統業務數據及基礎情報數據提供了實現機制;持久化對象訪問服務為系統中各個應用(程序)訪問系統的數據庫數據及其他文件數據提供實現機制。

數據資源層包括系統的各種業務數據與工作數據，還隱含包括了數據庫管理系統及其訪問接口。

3 系統軟件體系結構關鍵技術

3.1 分層與SOA相結合的體系結構

在對用戶需求進行詳細分析、試驗驗證的基礎上，采用基于核心服務引擎的分層體系結構與SOA相結合的軟件體系結構作為設計和實現系統的指導思想，如圖1所示。開放的SOA架構一方面可以屏蔽不同開發商采用不同開發語言，實現業務服務和數據服務的統一調用和系統集成，另一方面能更好地將不同系統提供的業務服務進行管理。

圖1 系統軟件體系架構

系統選用IBM的 WebsphereND、InforBus/Q來構建系統的SOA架構，以實現態勢、整編、目標各主要應用分系統之間數據共享模式的統一和業務服務的統一組織調度。

WebsphereND的負載均衡能力允許在同一時刻有多個實例運行，處理并發用戶請求。系統開發之初就考慮了組件的重用，因此，無論Java、.Net或打包應用都可以通過web服務進行服務的組織和調度，實現了系統的協同工作，使其達到復用度高和擴充性好，并盡可能利用已有資源的目的。采用消息總線InforBus/Q實現內部的消息交換，實時態勢訂制推送服務負責消息推送方和訂制方的注冊、訂單管理和在線離線管理。

3.2 面向情報處理業務的工作流管理

設計了面向情報處理業務的工作流管理軟件，主要目標是對偵察指控、情報加工、情報分發以及其組合的業務過程中各步驟(或稱活動、環節)發生的先后次序及各步驟相關的相應人力或信息資源的調用等進行管理。可以根據用戶的需求，隨時通過修改流程模板來實現定制，無需修改業務軟件，提高應用系統的靈活性和伸縮性，從而實現業務過程設計的自動化。工作流管理原理圖如圖2所示。首先根據業務需要進行可視化工作流程設計，將設計好的流程導入工作流引擎，應用程序通過調用工作流引擎進行相應的業務處理。業務流程管理軟件作為獨立的軟件部署在各業務處理席位上，能夠使業務過程按照流程模版自動執行［3］。

圖2 工作流管理原理

3.3 基于集群計算的異構數據持久化訪問

為了解決數據庫結構變化的適應性問題，采用數據持久化方法，將對數據表的操作映射為對業務對象的操作，消除了應用程序和數據庫表結構的緊耦合。持久化訪問客戶端負責為其他業務應用程序組件提供對象訪問接口，包括:存儲、增加、刪除、修改和查詢獲取，以中間件方式提供給各個業務分系統調用，接收各業務應用程序組件提出的對象請求，并通過軟件總線提交持久化訪問服務端。持久化訪問服務是持久化訪問子系統的核心，通過數據字典和對象映射規則庫實現對象關系映射的持久機制，執行實際的關系數據庫操作，實現對象的存儲、刪除、修改和查詢獲取功能，根據請求完成對象的訪問操作，并將處理結果集通過軟件總線遞交給持久化訪問客戶端，由持久化訪問客戶端返回給提交請求的業務應用程序組件［4］。持久化對象訪問構件體系結構如圖3所示。

圖3 持久化對象訪問構件體系結構

在多用戶并發訪問時，若將持久化服務部署在單一服務節點上，當用戶達到一定數量時，該服務節點成為系統的瓶頸，而且若該服務器宕機，系統就陷于癱瘓狀態。為了減少單一服務器的負載，同時減少服務器宕機引起的損失，將持久化服務部署到多個服務器上，以提高系統的可靠性。同時引入集群負載均衡機制，使得各處理節點在處理任務的過程中均衡地負載，當負載較重時，可以隨時增加節點，將用戶的調用請求分發到其他節點上，提高系統的可靠性，縮短系統的響應時間。

3.4 基于消息中間件的信息訂制/推送技術

針對系統的多平臺、多語言、消息主題的種類多且信息交互復雜、系統部署可能動態調整等特性，設計了訂制/推送軟件，解決應用之間的消息通知與消息傳遞［5］。

訂制/推送系統是要把推送者發布的消息正確地推送到對這個消息感興趣的所有的客戶端即訂制這個消息的客戶端。訂制/推送軟件通過訂制服務端接收各個應用程序的信息訂制要求，并按照要求將滿足訂制要求的數據庫變化消息按照某種格式推送給訂制客戶端。通過訂制/推送軟件，減少了各應用程序之間的耦合，某一應用程序可以近實時獲得其他應用程序產生的最新數據，以供關聯分析;不需要定時去檢查主題的更新，相關主題就可以推送到主題的訂制方，其工作原理如圖4所示。

由于系統軟件使用的開發語言、運行平臺各不相同，為了解決消息的異構傳輸以及傳統點對點通信的復雜配置問題，采用消息總線技術。消息的發布方和消費者都注冊于消息總線上，消息按需分發，提供java版和com版2類客戶端開發包，以解決跨平臺、跨語言調用問題。

圖4 信息訂制 /推送工作原理

4 結束語

通過系統運行，證明系統在軟件體系架構上的設計是成功的，克服了傳統C/S架構的種種缺點，是對大型復雜綜合電子信息系統新體系架構的一種探索和驗證。通過設計基于核心服務引擎的分層與SOA相結合的軟件體系結構，搭建了兼容性、開放性的系統平臺架構，可支持各種操作系統、平臺與程序語言，實現了應用之間以及應用與數據之間的松耦合［6］。工作流管理能夠支持各種業務流程自動化，且能夠通過改變流程模板以靈活、方便地支持新的業務流程，實現了對用戶業務流程變化的適應性。基于集群計算的異構情報數據持久化訪問技術，將對數據庫的操作轉換為對持久化對象的操作，實現了業務應用與數據訪問的松耦合。消息的訂制 /推送機制，實現了各應用程序之間的信息按需訂制與推送，以及不同情報處理業務之間的信息共享。消息的發布方和接收方可以隨時增減，即插即用，系統部署的靈活性大大提高。

［1］伍江華，張仁茹.C4ISR系統體系結構及其關鍵技術［J］.艦船科學技術，2011，33(6):34 － 37.

［2］陸 敏，黃湘鵬，施未來.軍事信息系統體系結構框架研究進展［J］.通信技術，2011，44(3):77－79.

［3］張敏輝.SOA架構的工作流管理系統的研究與應用［J］.計算技術與自動化，2012，31(1):126 －128.

［4］李彥平.基于SOA的持久化對象訪問技術研究［J］.無線電工程，2009，39(7):26－28.

［5］范喜全，何明利，匡鏡明［J］.計算機工程與設計，2006，27(24):4 720 －4 723.

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