海上軍事信息物理融合系統框架研究

劉 鵬 韋廣立 陳 樹

（中國艦船研究院 北京 100101）

1 引言

一體化聯合作戰是未來軍事斗爭的主要形式，各類軍事資源的高效協同調度使用是實現軍隊一體化聯合作戰能力的重要基石［1］。C4KISR系統是各軍兵種聯合作戰的粘合劑，盡管理念十分先進，但當前研究在許多關鍵技術上仍亟待突破。現有的C4KISR系統還沒有實現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生的影響未被足夠重視，嚴重影響了“傳感器到射手”能力的實現，制約了一體化聯合作戰效能發揮［3］。

CPS概念考慮計算信息系統與物理世界的深度融合，即物理對象、計算機硬件/軟件的協同分析與協同設計［4］，為解決現有C4KISR系統問題提供了一種有效手段。本文從系統集成的角度，探索海軍信息物理系統融合框架，首先介紹相關領域的研究現狀，然后結合海軍軍事資源實際部署、通信連接和組織使用的特點，提出了海上軍事信息物理系統體系結構和部署結構，最后進行了總結與展望。

2 研究現狀

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，后經過不斷發展，在不同應用領域均取得了一定成果。CPS強調把計算過程與物理過程緊密地融合到一起，其核心是實現3C（Computa?tion，Communication，Control）融合，即在感知的基礎上，有機融合網絡化的可控、可信、可擴展的具備計算、通信和控制能力的物理設備系統，以安全、可靠和實效的方式監測或控制物理實體，實現系統的實時感知、動態控制和信息服務［5］。其基本概念框圖如圖1所示，圖中虛線框內為物理域，其他均屬于信息域［6］。MCPS則是CPS在軍事領域的應用。

2.2 CPS/MCPS框架研究

與其他系統一樣，體系框架也是CPS系統研究和開發的基礎，一個合理的體系框架對于CPS系統的影響幾乎可以說是決定性的。當前對于CPS的研究主要集中在工業領域，且隨應用領域的不同，體系框架也呈現出不同的特點。如文獻［7］從嵌入式系統網絡化的角度提出了一種CPS體系結構原型，該體系結構原型滿足CPS的幾個本質特征如：及時性、分布性、可靠性、容錯性、安全性、可擴展性和自治性，但未用具體的案例分析體現原型系統的特征，實用性無從驗證。文獻［8］中給出了一種類似于計算機總線結構的CPS體系結構，該體系非常簡單，對各個功能模塊沒有具體進行描述，由于采用的簡單總線結構，顯然難以適應大規模分布式系統的需求；文獻［9］中在原來計算機網絡五層體系結構的基礎上增加了CPS層，提出了（cyber-physi?cal internet，CPI）的概念；文獻［10］通過分析智能交通系統（ intelligent transportation system，ITS）與CPS的現狀，并結合交通系統的特點，構建了交通信息物理融合系統（transportation cyber-physical system，T-CPS）基本架構，詮釋了T-CPS各層次的功能及特點，討論了T-CPS的若干關鍵技術，但機理分析欠深入。此外也有少量的專門針對軍事信息物理系統架構的研究，如文獻［11］提出了一種面向服務的MCPS架構，但既未結合實際應用場景進行分析。通過對研究現狀的分析發現，國內外對CPS體系架構的研究還處于探索階段，尚未形成統一的CPS體系架構，現有的CPS/MCPS架構缺乏對海上作戰環境下無線窄帶寬、平臺高機動性等復雜條件的支持。為此，本文從一體化作戰的需求出發，借鑒已有的CPS/MCPS框架，結合海上作戰環境特點，設計與之相適應的MCPS融合框架。

3 MCPS框架設計

3.1 MCPS特點分析

從面向組成的角度出發，MCPS包含了涵蓋岸海空天潛廣大空間內的偵察傳感、通信網絡、交通網絡、指控單元、武器單元以及之間的互聯。從面向流程的角度出發，MCPS的組成要素又可以抽象為由感知、通聯、決策、打擊四個環節構成的閉環。由于其特殊的使命任務和發展歷史［12］，海上作戰軍事信息域和物理域融合在側重點、組成元素、組織使用模式等方面體現出突出的領域特性，具體如下：

1）裝備/設備更加智能化、信息化，實體裝備與邏輯功能的劃分邊界變得模糊，邏輯功能的實現不再局限于某個特定的裝備，而是分布在不同的實體裝置內實現。信息技術促使海上作戰資源能夠動態化可重新組織和重新配置。

2）信息流的快速性、全局性促使作戰體系呈現地域廣袤化，節點互聯化、信息共享化、協同廣泛化的特點，使得其成為真正意義上點點相關，環環相扣，物理域和信息域緊密耦合，大范圍多層次聯動的不可分割的整體。

3）信息流促使作戰動態過程加快，動態特性更加復雜。從發現、識別、決策到打擊需要一定的時間消耗和兵力火力調動控制，信息流的傳播速度遠快于物理世界的調動和控制，而信息發揮作用又必須受制于物理世界的制約，使得海上作戰體系呈現出時間和空間上的多重復雜性。面對事件時，信息流和物理世界的反應時間不同步使得時敏性成為對系統動態特性的重要影響因素。

4）信息技術促使對抗性更加劇烈。信息技術在驅動海上作戰體系消除戰場不確定的同時，因時敏性對系統動態行為的決定性影響，也在加劇著戰場環境的隨機性、不可預知性。對其體系發揮效能造成極大的沖擊，對體系實時發現、實時決策、實時控制提出更高的要求。

由于當前學術界對CPS的研究主要集中于工業領域，對于軍事領域CPS的研究還不夠充分，當前MCPS融合研究的研究仍面臨如下幾個方面的挑戰：

1）裝備節點部署的廣域性機動性：MCPS要素涵蓋陸海空天潛電廣大空間內機動部署的各種裝備實體。

2）資源功能配屬的聚合性解耦性：MCPS實現對分布式部署的作戰資源和模塊化配屬的要素功能在面向任務時的有機聚合，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：在系統各節點間的通信大量依靠無線通信鏈路，在對抗的戰場環境下，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化的應用障礙）和可用性的問題（可用頻率、可用時間窗等）。交通網絡同樣面臨可用性等制約因素（通過限制、運輸時長等）。

3.2 MCPS體系結構設計

基于MCPS的特點及CPS的概念和特性，結合海上作戰的特征，本文設計了如圖2所示的面向服務的MCPS體系結構。

圖2 面向服務的MCPS體系結構

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

1）資源層。該層是MCPS的基礎支撐層，它實現了物理世界的交互，并通過其內的網絡資源實現不同資源的聯通。資源層與CPS概念中的傳感器、執行器以及控制與網絡相對應，其具體組成元素包括感知資源、計算資源、數據資源、網絡資源等等。需要說明的是這里組成元素如感知資源、計算資源等并非僅對應于CPS中的某一個單獨的概念，而是具備多種能力的綜合體，比如感知資源除能感知戰場態勢外，其本身也是能根據任務需求而調度的一種戰術/戰略資源。

2）服務層。服務層向下實現對各類資源的有序組織和調度管理，對上提供封裝好的各類應用支撐服務，是實現資源層及上層應用的“粘合劑”。根據作用對象的不同，服務層又主要分為核心服務層和應用支撐層兩個層次，其中核心服務層包括資源接入、任務監控、任務調度、資源態勢等，主要是根據各類應用支撐服務的需求，結合通信、資源等特性對資源層進行統一組織調度、異構系統通聯等工作，并監控其運行情況；應用支撐服務層主要是基于核心服務層提供的對資源的管理服務，包括存儲服務、傳輸服務、時空服務等，針對各應用專業領域，提供專業服務。服務層實現信息域與物理域的直接交互，對物理域的運行情況進行實時監控和控制（在軍事領域，絕大部分情況是通過給出提示信息，通過有關人員人工進行控制，但這僅僅是增加了一個步驟，并不影響整體邏輯流程）。

3）應用層。應用層利用服務層提供的應用支撐服務，結合有關的專業處理流程等，將作戰業務處理能力包裝成軟件或服務，直接為各種作戰活動提供支撐。應用層通過服務層實現與物理層的交互。

3.3 MCPS部署結構

分布于陸海空天潛電的大量機動平臺構成MCPS的重要組成部分，這些分布式部署的機動平臺需要根據任務進行動態有機聚合，且功能不一，在戰場對抗環境下通常需面臨帶寬受限甚至可用性等問題。現有CPS普遍采用分層分布式的部署結構基于有線網絡，盡管相對于完全分布式已經減少了大量的通信流量，但應用于海上作戰通信環境時仍無法接受。本文針對該情況，提出如圖3所示的MCPS部署結構，并對其信息流程進行了優化。

圖3 MCPS部署結構

MCPS部署結構的主要特點在于岸基側與移動平臺側采用不同的接入處理方式。岸基側由于采用有線網連接，無須考慮帶寬限制問題，故直接采用經典的分層分布式方式部署，該設計較為經典，有大量參考材料，故不再詳述。而在移動平臺側，則采用編隊內分布、對外按需互通的方式：移動平臺首先進行編隊內組網，在編隊內進行資源共享和管理，實現局域網內的信息物理融合，在必要時（如通信帶寬充足且有關業務需與岸基有關節點互通物理設備狀態和控制命令等信息時），根據當前業務需要，通過編隊接入節點按需與岸基互通業務相關的物理設備狀態和控制命令等信息。MCPS部署結構通過區分岸基和移動平臺側的不同聯通方式，在保證岸基側信息物理域高效融合的同時，也適應移動平臺側動態組織性和帶寬受限的情況，同時也確保移動平臺編隊作為行動小組內部的高效協同。

4 結語

由于海軍作戰環境的特殊性，其MCPS融合框架也應當與其自身的特點相適應，本文基于海軍作戰環境的實際特點設計的MCPS體系結構和部署結構，對于實現海軍作戰體系物理域與信息域的深度融合、協同設計具有一定的參考價值。隨著軍用資源種類日益豐富和底層物理設備感控能力的提升，以及上層信息系統功能的急劇增加，軍事物理域與信息域的深度融合、協同設計能力將逐漸成為海軍作戰力量再次形成質變式提升的階梯。

［1］童志鵬.綜合電子信息系統（第2版）——信息化戰爭的中流砥柱［M］.北京：國防工業出版社，2008：237-281.

［2］胡詩，毛杰.海上編隊協同作戰規則推理技術研究［J］.艦船電子工程，2017，5：109-113.

［3］National Security Agency（NSA），（U）Global Information Grid-InformationAssurance Capability & Technology Roadmap（2004）.26 October 2004.

［4］劉祥志，劉曉建，王知學等.信息物理融合系統［J］.山東科學，2010，23（3）：56-60.

［5］何積豐.Cyber-physical systems［J］. 中國計算機學會通訊，2010，6（1）：25-29.

［6］KROGH B H，LEE E A，MOK A.Cyber-physical sys?tems executive summary ［EB/OL］. （2008-10-25）［2016-10-25］.http：//precise.seas.upenn.edu/events/ic?cps11/doc/CPS-Executive-Summary.

［7］Tan Ying，Goddard S，Lance CPerez.A prototype archi?tecture for cyber-physical systems［C］//ACM SIGBED Re?view，2008.

［8］ Wang Yunbo， Mechmet C Vuran， Goddard S.Cy?ber-physical systems in industrial process control［C］//ACM SIGBEDReview，2008.

［9］Anis K，Andersson B.A vision of cyber-physical internet//Proc of the 8th Int Workshop on Real-Time Networks（RTN’09）.Proto，Portugal：CISTER，2009.

［10］孫棣華，李永福，劉衛寧，等.交通信息物理系統及其關鍵技術研究綜述［J］. 中國公路學報，2013，26（1）：144-155.

［11］鄧蘇，王嶸，王志飛，等.軍事信息物理系統架構及動態資源調度穩定性研究［J］.指揮與控制學報，2016，2（4）：309-314.

［12］孫欣.海上編隊協同作戰若干問題的探析［J］.艦船電子工程，2013，33（12）：10-13.