C4ISR互操作框架及信息关系模型研究*

伍江华 潘小群

(中国舰船研究院 北京 100192)

1 引言

C4ISR系统的使命是通过数据共享、信息互操作获取信息优势,实现指挥决策的功能。获取信息优势的互操作能力是未来信息系统的基石。现代作战从传统单平台作战发展到联合作战,使得传统的C4ISR系统“烟囱”式体系结构难以满足作战要求。“烟囱”式体系结构主要考虑系统的内部互通、互连、互操作,没有充分考虑到与外部系统的连接和互操作,从而产生信息孤岛现象,使复杂系统之间难以实现互操作性。而一个开放式、一体化的C4ISR系统互操作架构是解决信息孤岛和实现系统互操作的基础。

系统互操作性在不同组织有不同的定义,IEEE从四个方面描述:两个或多个系统以及系统内元素交换信息和使用信息的能力;在一起工作的设备做有用功能的能力;在异构网络中系统或构件交换和使用信息的能力等。DoD和GIG把互操作定义为两个能力,即系统、武器和单元提供接受服务的能力,以及使用这些服务使它们有效一起操作的能力。

在前面的定义基础上,可以将C4ISR系统互操作性定义为:在互操作体系结构框架下,系统或系统组成元素之间信息交换和信息使用能力,以及在信息交换和使用基础上完成、获取和提供服务的能力。所以,合理的系统体系结构框架是实现系统互操作的基础,信息流和信息关系是完成系统互操作的保障,本文从研究C4ISR系统的互操作框架出发,研究和探讨了C4ISR系统的信息流和信息关系。

2 相关工作

在现有的研究系统互操作模型中,主要是研究C4I系统和M&S系统之间的互操作,以及概念设计到技术设计之间的转换。文献[1～2]描述了目前的几个主要互操作模型:信息系统互操作的层次模型(Levelsof Information System Interoperability—LISI)、组织互操作成熟模型(Organization Interoperability Maturity Model—OIM)、NATO C3技术体系结构互操作参考模型(NATO C3 Technical A rchitecture Reference Model for Interoperability—NC3TARM)、概念互操作模型(Levels of Conceptual Interoperability Model—LCIM)和复杂系统互操作模型(System of Systems Interoperability Model—SOSIM)。其中,LISI模型将系统划分为独立层、连接层、功能层、领域层和企业层,标识了影响每一层的互操作能力因素和组成的四个属性(过程、应用、基础设施和数据)和定义了每一层的交换数据和服务;其关注技术的互操作性和系统间互操作性的复杂性,而没有探讨环境和组织的问题如共享处理的互操作需求。OIM扩展了LISI模型,但是没有关心建造系统的组织。NC3TARM主要关注技术的互操作性和建立互操作的程度。SOSIM描述了系统的系统互操作模型,从程序管理、系统构建和系统操作的三个层次上描述了互操作模型和数据关系。LCIM从系统概念层上描述了系统概念层上互操作模型,在概念设计和技术设计之间建立一种关系,关心交换数据和接口文档的有效性。

3 系统互操作框架

3.1 系统互操作框架

武器系统的开放体系结构(Weapons System Open A rchitecture)、OFP开放系统体系结构(Operational Flight Program Open Systems A rchitecture)、波音公司开发的 C3I开放系统的体系结构[3～5]是以平台为中心的。随着信息技术发展,C4ISR体系结构向着以数据为中心基于服务基于能力应用的分布式架构发展。

图1 互操作架构

分层思想能够有效分解C4ISR系统的复杂性,并且有利于对其体系结构的理解、实现和标准化。在分析前面的体系结构、DIICOE基础上,从粗粒度的角度,提出一个以数据为中心面向网络基于能力应用C4ISR系统互操作框架(如图1所示)。该架构是一个基于构件的C4ISR体系结构的框架模型,使“数据独立与硬件,应用独立于数据”,从而实现系统的“即插即用”。

该体系结构强调了系统“交互和互操作”思想,这里的交互和互操作主要体现了下面3个方面的观点。

1)横向观点:系统互操作体系结构面临着很多技术难题,最重要的一点是如何实现开放、异构系统之间的结构互联、信息互通和服务互融。所以,必须有必要借鉴传统“烟囱式”体系结构研究的成功经验,在对系统体系结构进行分层的基础上,考虑在横向方向的交互(即对等层交互),并且要保证这种横向交互的开放性。在横向交互上本质上是协议的交互。

2)纵向观点:一个特定系统应用服务的构造,常常是由上至下各层服务功能的定制与组合,这实际上是通过系统各层的纵向交互(即相邻层交互)来实现。同时,系统上层功能的实现往往需要借助于其下层所提供的服务,这种“服务提供/服务使用”关系也是通过纵向交互来完成。因此,在基于网络面向能力的互操作体系结构必须高度重视纵向交互。纵向交互本质上是服务的交互。

3)构件思想和构件观点:构件定义了其功能描述及交互接口,而将这些功能的实现封装起来,这样,实体构件的具体实现技术的改变不会影响其功能。互操作框架的每一层都为它上面的层提供一些标准的构件,互操作体系结构借鉴了软件体系结构的研究思路,采用交互连接件来对构件之间的交互关系(横向协议交互和纵向服务交互)进行建模。

3.2 各层次的功能

该参考模型是一个基于构件的C4ISR体系结构的框架模型,相邻的层次之间通过连接件、接口和一套标准的数据协议实现互操作。针对不同的具体系统应用,只要在不同的层次中针对不同的应用进行相关的功能裁减、组合、适配,以及相关的服务匹配,可以实现具体系统的应用。同时考虑到新旧系统的兼容性、互操作性和移植性,在专用支撑层和基础设施层增加了中间件和数据共享环境。整个参考模型划分为五个层次:基础设施、计算环境、公共支撑层、专用支撑层和使命应用。

1)基础设施层解决系统的互连和信息传输问题,主要包含C4ISR系统之间物理连接的通信网络系统(数据链、卫通、光纤网、局域网等)、所涉及的操作系统(UNIX、Window序列、VxWork等)与专用数据库系统(共享数据库、战术数据库等)以及相关互通的软件等。

2)计算服务层是解决系统互通中数据计算和处理,是一个公共计算环境,为公共支撑层提供一些基本的操作和处理,为其它层以及基于普适计算环境的应用提供基础的系统服务。普适计算环境是系统架构开放性的基础,是实现系统即插即用的枢纽,提供与硬件联系的接口,也使其它的应用服务不依赖硬件的特性。

3)公共支撑服务层解决系统互通的信息共享服务和表示问题,为绝大多数公共应用提供所需要的基础服务软件,这些服务独立于具体的应用,是建立系统的基础。因此,公共支撑层包括一个开发工具集来辅助开发人员进行使命应用软件的开发。公共支撑层提供对专用支撑层的支撑如图形处理和态势显示。

4)专用支撑服务支撑层是解决系统的互操作问题,是具体系统应用的核心,是开发和运行各种特定应用软件的支撑工具,倾向于具体的特殊使命域应用如指挥决策、信息分类、信息组织等。同时提供信息的服务质量要求。

5)使命应用主要是C4ISR系统的具体使命应用如武器系统、指挥系统和战场协同管理等。

另外,在参考模型中系统管理为C4ISR系统提供一些资源分配、系统配置、软件管理和系统安全防护等有利于C4ISR互操作的措施。中间件是解决旧系统与新系统之间兼容性和互操作问题,是实现C4ISR系统与遗留系统、以及与外部仿真系统互操作的纽带,提供相互之间的数据转换、处理和计算等,如利用CORBA中间件来实现基于HLA的仿真系统与C4ISR系统的集成和互操作等;数据共享环境为C4ISR系统提供一些数据管理、数据访问、数据发布和处理支撑如数据的发布/订阅机制、数据库访问方式等。

3.3 体系结构与集成模型关系

C4ISR互操作框架对C4ISR系统集成提供了指南和服务。该框架包含了系统集成的架构。C4ISR系统集成分为物理集成、数据集成和功能集成[6～8]。物理集成也称网络集成,解决系统的物理上互通问题;数据集成是解决系统在互通中共享数据处理和表示问题;应用集成也称功能集成主要解决专用应用问题。

所以从互操作框架与系统集成的关系和两者解决的主要问题上看,在互操作框架中,基础设施主要解决系统的互连问题,对应着系统的物理集成;计算环境和公共支撑层解决系统数据共享问题,对应着系统集成的数据集成;专用支撑层和系统应用解决系统的互操作问题,对应着系统集成的功能集成。所以互操作框架支撑着系统集成的开发和使用,并提供相关的技术服务和策略。

4 互操作信息流

4.1 信息流分类

图1描述了一个通用的C4ISR系统互操作参考模型,提供框架的层次结构关系,明确了下层对上层提供具体的支撑,但是没有描述各个层次间的信息流和相关的服务。参考模型是一个基于构件的参考模型,每个层次中,构件为系统提供服务,构件同构件之间通过连接件实现信息流交换。在该框架中相邻的层次之间通过相关的接口(接口、PORT、角色)和连接部件来实现互通互连互操作,流经连接部件的内容就是相关的信息流。在互操作框架模型中,信息流在不同的层次中具有不同的使命和特点,并需要不同的信息服务质量。

图2 信息互操作模型

从不同的角度来看,信息流可以分为不同的类型。从互操作性的角度来看,从上到下信息流分为:使命信息、格式信息、共享信息、协议信息和比特流信息(如图2所示),表现形式为态势、知识、信息、数据和比特(如图2右边所示)。

1)使命信息是使命应用系统为了完成具体的使命任务时,下发和接收的信息,如指挥信息、控制信息、决策信息、情报信息等。这类数据信息具有可靠性的特点。

2)格式信息是专用支撑层依据使命信息类型采用统一的、无歧义性的专用数据格式描述的信息。该类信息的特点是可用性。

3)共享信息是系统可共享、可读、可运行、可移植性的数据,该数据是遵循统一的数据规范如XM L标准、EJB标准或CORBA标准所表述的通用数据信息,该信息能够被普适计算环境所识别和使用。该信息特点具有共享性和可执行性。

4)协议信息是遵循一定的通信协议标准(如TCP/UDP协议簇)所表示的数据信息。该数据是基于通信网的数据信息。特点是可信性。

5)比特流是通信系统传输的比特流数据,该数据是一种透明传输的数据。该数据的特点是:无差错性、实时性和透明性。

4.2 信息流服务质量

图2描述了系统互操作的信息流模型,以及模型中相邻层次之间的信息流,依据信息流的作用和使用目的对信息流进行了归类和划分,以及信息流需要提供的服务质量,明确对等层对信息流质量要求和服务质量。信息流的服务质量是系统互操作时信息流被使用时系统对每个层次提出的服务质量和服务等级。信息流和服务质量描述如表1所示。

表1 互操作模型层次间信息服务质量

在系统的互操作模型中,每一层次所需要的信息和信息流质量是不相同。从纵向来看,相邻层之间提供的信息有一定的信息质量要求,主要是数据信息可靠性、准确性。从横向看,对等层的数据要求信息质量也是不相同,并要求其为对方提供相关的服务质量。如作战命令从上到下每一层次要求不同:正确性、格式化、实时性等以及可理解性;从水平方向上看,在基础设施层,需要数据无差错传输,要求数据没有错误,但是由于信道传输问题,在该层需要一定的容错功能和纠错能力,同时该层需要向上提供正确数据信息,从而保证上层的数据计算。

4.3 “V”信息关系模型

在系统体系结构中,信息关系从信息流程、信息空间和信息服务三个角度来分析。

1)信息流程

图3 C4 ISR系统信息处理的通用过程

从C4ISR系统的信息流程来看(如图 3所示),C4ISR系统中信息经历信息获取、信息传输、信息处理和信息利用的四个过程。在这个过程中,其实是一个以通信网络为支点的V字模型。信息获取过程是一个组织过程,信息处理和信息利用就是将比特变成数据、将数据变成有用信息,甚至到态势的过程。

2)信息空间

从C4ISR系统的信息空间来看,系统分为物理域、信息域和认知域。在这个过程中,数据的表现形式是数据到态势的认知过程。在该过程中,以物理域为联系,形成一个“V”模型。在物理域中,C4ISR系统各个组成部分通过网络实现保密、无缝隙和可靠地连接;在信息域中,系统具有收集、访问和保护信息能力、共享信息和协同作战能力,通过对信息进行处理获取信息优势;在认知域中,系统具有共享高质量战场态势能力;从而实现数据到信息、知识和态势的转换。

3)服务

从服务角度来看,在C4ISR系统互操作框架中信息关系模型本身是一个集信息组织、应用和验证于一体的二维信息处理的关系模型。该信息关系模型可以抽象为一个“V”模型(如图4所示)。“V”模型包含着两个过程:(1)信息组织过程;(2)信息使用和信息质量的验证过程。

信息组织过程是一个信息组织发送过程。信息发送者依据战场中的态势,通过决策,根据不同的使命应用和请求命令,组织相关信息,并对信息进行分类,依据不同的使命,使用不同的格式来表示,并在信息流加入相关的服务质量属性(无差错、可靠性、优先级等),最终能够通过网络传输的过程。即依据具体的使命要求,执行相关的使命任务,相关的构件依据相关的使命指令组织相关的信息流,并按照使命任务的特点,框架模型从使命层到基础设施层,在信息流中加入具体的信息质量属性,然后通过通信网络传送给相关的系统。这些信息的组织过程如图5所示。

图4 “V”信息关系模型

图5 信息流组织过程的顺序图

信息使用和信息质量验证过程:该过程是信息组织使用过程的逆过程,该过程主要是通过比特形成数据、信息、知识和态势的整个战场态势获取过程。在此过程中,信息接收方通过网络接收到网络比特数据,信息基础设施层根据比特数据在网络中传输的要求,对信息流进行校验和纠正,验证了信息的可靠性后并进行处理形成系统可用的数据信息,为普适计算机层提供可信的信息流;普适计算层根据系统的要求,进行相关计算和处理,形成系统共用的信息;公共支撑层依据要求,对数据进行统一表示和描述,形成共享数据;专用支撑层依据共享数据,组织成不同的使用应用数据报文,从而达到系统的应用。该过程中依据信息性质和质量特性进行使用、处理和验证。对等层之间的信息质量关系是框架模型中描述的关系。

5 结语

本文从高层的角度探讨了C4ISR系统的互操作框架,从系统的角度分析了架构中每个层次完成的功能和层次之间的关系,以及各个层次间的信息流和信息关系模型。该框架对C4ISR系统的研制、开发和集成有着重要的指导作用,能够缩短系统研制和开发时间,能够提高C4ISR系统数据信息共享能力和系统互操作性。

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