基于SOA和CPS的潜艇作战系统体系结构框架研究

胡习霜

（江苏自动化研究所，连云港222061）

0 引 言

潜艇作战系统是一个非常复杂的综合信息系统。它集指挥、控制、通信、情报、侦察、预警、探测等为一体，各个子系统都相当复杂，各自有自己的用户接口、数据库，甚至运行于不同的平台上［1－2］。

网络化体系作战是未来信息化战争的主要作战样式，将潜艇融入网络化体系作战对潜艇作战系统提出了更高的要求。多任务需求决定了潜艇作战系统及作战软件必须具有一定程度的灵活性、重用性；潜艇成为分布式网络化部队中的一个节点，潜艇应具有更强的交互能力，采用开放式体系结构，具有标准并与平台无关的接口，能够灵活地融入作战网络。而各个子信息系统之间的信息交换和信息融合越来越频繁，要求信息资源能够实时共享；战场信息资源必须能够互联、互通和互操作，各个信息系统之间能够进行互操作并得到整个战场信息的统一视图；系统必须能快速地进行柔性重构，以适应战场情况和部队编成的迅速变化。所有这些要求未来潜艇作战系统必须是支持分布性、自治性、移动性、交互性以及自适应的分布式系统。

利用面向服务的体系结构（SOA）对组织内分布、异构的应用和数据资源进行有效的封装和集成，利用服务组合快速构建跨组织的复杂应用，以适应环境、客户需求和业务流程的变化，成为近年来分布式系统的主流趋势。美军很早就大力发展面向网络中心战的全球信息栅格（GIG），实现作战信息共享和一体化指挥控制，开发了面向服务的以网络中心企业服务网（NCES）和体系公共操作环境（SoSCOE）为代表的基础信息系统，同时美军还采用面向服务的体系结构构建作战应用系统，如网络使能指挥能力系统 （NECC），在新发布的美国国防部体系结构框架DoDAF 2.0中也增加了服务视图。为适应网络化信息作战需求，近年来，国内也开展了面向服务的系统体系结构及其在在军事装备中的应用研究，取得了很大的进步［2－12］。

作为海战场隐蔽性要求极高的一种作战平台，与其他军事装备相比，潜艇作战系统服务化面临着如下诸多问题［10］：

（1）作战系统应用模式的多样性；

（2）通信环境的复杂性；

（3）作战系统的保密性强；

（4）指挥控制隐蔽性要求高；

（5）指挥控制服务访问的高可信要求。

随着SOA和信息物理融合系统［13］及相关技术的进步，为解决上述问题提供了新思路，也使得潜艇作战系统的服务化成为可能。

本文针对以上问题，在军事信息服务框架的基础上，利用SOA和赛博物理系统（CPS）设计了潜艇作战系统体系结构的物理框架和功能框架，给出了各框架的组成和结构，最后得出了结论。

1 军事信息服务、SOA及CPS

1.1 军事信息服务（MIS）

军事信息服务针对特殊应用的类Web服务，Web服务作为新兴的应用模式，具有松耦合、强自治以及跨平台调用等特点。Web服务的推出打破了在当今开放式网络环境下网站、应用、各种计算设备之间难以调和的状态，实现了“基于Web的无缝集成”，通过Web服务，能够实现不同位置的系统之间直接使用功能构件或服务进行相互调用。

军事信息服务与Web服务既有区别又有联系，二者的相同点是它们采用了相同的协议和技术规范，都强调服务的可重用、松耦合及可跨平台调用，但由于军事应用的特殊性，区别于 Web服务，军事信息服务还有安全可靠、实时高效、受服务拥有者和服务中心双重管理等属性。因此，一种广泛认可的军事信息服务的定义为：军事信息服务是指由分布在一体化战场信息平台上的各类军事信息资源（如各种侦察、探测设备、信息处理资源、通信资源、存储资源、火力打击武器等）以及各种军事信息系统构成的，遵循Web服务的技术规范，以独立于平台的方式进行描述和封装的，具有独立行为逻辑和军事应用能力的功能单元［5］。

1.2 面向服务的体系结构

面向服务的体系结构（SOA）是1个组件模型，它将不同的服务（应用程序的功能单元）通过定义良好的接口和协议联系起来，对服务的操作包括发布、查找、绑定和调用等。SOA的显著特点是服务具有松耦合、抽象、可重用、组件化、独立于平台和协议等特性。在SOA中，一般包括服务请求者、服务注册者和服务提供者3种角色。Web服务是SOA的实现技术之一，基于 Web服务的SOA使用 WSDL（Web服务描述语言）来描述服务，使用UDDI（一般性描述、发现、集成）来发布、查找服务，使用SOAP（简单的对象入口协议）来调用服务。

基于SOA的军事信息系统集成的过程就是以服务驱动为核心理念，按需分配和使用系统资源，将信息技术从传统的“以系统为中心”转向“以服务为中心”，从而实现服务的快速组合和重用，达成系统的综合集成。

1.3 赛博物理系统

赛博物理系统（CPS）是一个崭新的研究领域，其定义还在不断发展与完善之中。各领域学者和机构从各自不同的角度给出了不同的定义。一般认为，CPS是通过计算、通信与控制技术的深度融合，实现计算与物理资源紧密结合与协调使用的新一代智能系统，见图1。何积丰院士指出：“CPS，从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理系统，它通过计算进程和物理进程的相互影响和反馈循环来实现相互之间的深度融合，并利用实时交互来增加或扩展新的功能，最终实现以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。CPS的最终目标是实现信息世界和物理世界的完全融合，构建一个可控、可信、可扩展并且安全高效的CPS网络，并最终从根本上改变人类构建工程物理系统的方式”。

图1 CPS系统模型

CPS的基本特征有：实时性、分布性、高可靠性、强安全性、多样性、自治性。这些特性正好与面向服务的潜艇作战系统需求非常吻合。

CPS一般是由感知设备（如传感器）、计算设备（如分布的处理节点）和信息传输网络（如 WSN，Internet等）所组成的复杂多维系统。如图2［13］所示，典型的CPS系统中主要包括3类组件，即传感器、控制器和执行器。传感器主要用于感知物理世界中的各种信息，并通过模／数转换器将各种模拟量物理信息转化成能被计算机处理和网络传输的数字信息；控制器一般为分布式结构，接收由传感器采集并通过网路传输的数字化和离散化的物理信息，经过处理后以输出指令的形式反馈给执行器执行；执行器接收控制器的执行信息，控制和调整对物理对象的状态和行为，以适应物理世界的动态变化。

图2 CPS体系结构的一般形式

嵌入式系统使得“物”具有了智能，传感器给远程操控人员装备了“眼睛”，信息传输网络为信息共享提供了通道，CPS的目标是赋予人工系统神经和智慧，实现计算资源与物理资源的有机和深度融合，实时感知和控制物理过程，从而形成一个为人服务的信息物理系统。SOA提供了服务组件模型，便于将系统中各种资源封装成服务，具有与操作系统、开发平台、编程语言和中间件的无关性，从而实现了异构系统之间的重用和互操作。鉴于SOA和CPS的互补特点，设计了一种基于SOA和CPS的潜艇作战系统体系结构框架。

2 体系结构框架

美军指挥控制通信计算机情报监视侦察（C4ISR）体系结构框架2.0中将体系结构定义为：系统各部件的结构、它们之间的关系以及制约它们设计和随时间演化的原则与指南［11］。体系结构框架就是规范体系结构设计和开发的基础理论和方法，同一领域的体系结构设计必须遵循统一的体系结构框架。基于多视图的方法，各应用领域发展了一系列的体系结构框架，尤其以美军C4ISR体系结构框架最为典型，它通常由作战视图、系统视图和技术视图组成。

体系结构作为复杂系统的最基本要素，是研究、设计和开发系统的基础，只有建立科学合理的体系结构，才能够满足系统的各种性能要求。作为一种复杂系统，潜艇作战系统的综合集成通常由物理集成、数据集成和功能集成等组成。本文结合应用实际，将物理集成映射为物理框架，将数据集成和功能集成统一到1张视图中，称之为功能框架，因此，本文所提出的体系结构框架包含物理框架和功能框架。

2.1 基于CPS潜艇作战系统体系结构的物理框架

传统军事信息系统的物理框架采用C／S模式或C／S与B／S混合的模式［10］，而基于CPS的潜艇作战系统体系结构的物理框架如图3所示。

图3 基于CPS的潜艇作战系统体系结构物理框架

在基于CPS的潜艇作战系统体系结构的物理框架中，通信网络将六大分系统（即预警探测分系统、信息处理分系统、通信分系统、作战指挥与辅助决策分系统、效能评估与仿真分系统和武器发控分系统）连接在一起，各分系统内的资源都被封装成服务，并在各自服务注册中心进行注册和管理。预警探测分系统中的传感器主要用于监测战场环境和敌方动向，并将异常信息经信息处理分系统融合处理后，由通信分系统传输给作战指挥和辅助决策分系统，作战指挥和辅助决策分系统将武器控制参数传给武器发控分系统，由武器发控分系统的执行器控制武器的发射，效能评估和仿真分系统可以对作战效能进行评估并根据评估结果确定下一步作战行动。另外通信分系统还负责与外界我方兵力的协同，效能评估和仿真分系统还具有作战模拟训练的功能。

2.2 基于SOA的潜艇作战系统体系结构的功能框架

基于SOA的潜艇作战系统实质上是将分布于潜艇作战系统六大分系统中的各种应用功能服务化，并依据实际作战任务需求，将各种松耦合的应用服务通过本地或远程调用来实现服务间的互相调用和组合，进而实现各分系统之间的互联、互通和互操作，形成一体化的潜艇作战系统。本文采用分层模式设计了潜艇作战系统体系结构的功能框架，如图4所示。

该框架的设计思路是根据服务的用途和力度，将框架划分为物理资源层、数据层、支撑服务层和应用层。数据层主要包括通信协议、消息格式、数据类型和各种数据库等，用户遵照接口规范来定义和使用通信协议、消息格式、数据类型，就可以在不知道服务内部实现机制的情况下使用各种服务。

支撑服务层包括存储管理、信息分发、人机交互、资源共享、信息安全服务和服务管理等。其中，信息分发服务采用了基于SOA的订阅／发布机制，与传统基于请求／响应模式的客户／服务器模式相比，可以提高系统的实时性；服务管理包括与服务生命周期相关的各种服务，对服务的封装、注册、发现、监控、选择和组合进行管理，其中监控服务用于对候选服务的QoS数据进行实时采集和监控，为服务选择提供支持；资源共享服务主要是指与各种作战应用数据共享、软件共享相关的服务，如目录服务、数据转换服务等；人机交互服务主要是各种显示资源的管理、数据的输入输出和操作等，显示资源包括表页、图像和视频等；信息安全服务主要包括访问控制服务、信息加密服务、身份认证服务、入侵检测服务等。

图4 面向服务的潜艇作战系统体系结构功能框架

应用层是指与作战系统最终功能紧密相关的1组服务，潜艇作战系统的应用层服务主要包括信息融合服务、目标综合识别服务、作战指挥服务、作战评估服务、仿真与推演服务、武器控制服务、通信保障服务、导航定位服务、时间统一服务等。

这些作战系统应用服务通过相互调用、交互和组合，实现作战资源的实时、安全、无缝集成和共享，并基于作战任务进行各应用服务的选择与组合，从而使系统能够完成各种作战任务。

3 比较分析

把设计的体系结构框架与文献［2］和［12］从研究对象、服务定义、框架内容、设计理念、设计技术、实时性、多注册中心和验证与评估等方面进行比较，结果如表1所示。

表1 3种体系结构框架对比表

与文献［2］与［12］相比，本文引入了军事信息服务的概念，将它的内涵、外延及尊姓协议进行了清楚明了的定义，从而更适合潜艇作战系统的描述和设计。同时本文所设计的潜艇作战系统体系结构框架除了包括分层功能框架外，还包括物理框架，可以更全面、更实用地指导面向服务的潜艇作战系统的设计，且将数据集成与功能集成融为一体，更体现了DoDAF 2.0中以数据为中心的理念。

随着Web服务及SOA的应用和研究的深入发展，服务的应用方式和策略逐渐规范，形成了服务封装与描述、注册、发现、选择、组合和执行等全过程流程及相关技术，本文所提出的构建流程可为研制面向服务的潜艇作战系统奠定基础。

在潜艇作战系统运行过程中，各服务之间的信息交互频繁，且系统实时性要求高，因此对服务的实时性和效率方面要求很高。

本文所设计的体系结构框架在通信协议上参考了CPS，从而克服了面向业务流程的Web服务只有单向对象流、执行效率一般的不足，可以满足潜艇作战指挥和武器发控的实时性要求，同时，由于系统包含多个分布式注册中心，使得系统也更为灵活、安全和可靠。

4 结束语

本文基于军事信息服务，设计了潜艇作战系统体系结构的物理框架和功能框架，并与已有框架作了对比，进而结合SOA构建了潜艇作战系统，可以最大限度地屏蔽不同应用程序和异构系统之间的耦合差异性，实现新旧应用功能软件、异构系统的有机集成，从而扩展了潜艇作战系统的柔性、可扩展性和可靠性。后续还将深入研究具体实现技术，如服务的描述与封装，服务管理中的注册、发现、选择、组合等方法，信息安全保证措施和原型系统开发等。

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