海上军事信息物理融合系统框架研究

刘 鹏 韦广立 陈 树

（中国舰船研究院 北京 100101）

1 引言

一体化联合作战是未来军事斗争的主要形式，各类军事资源的高效协同调度使用是实现军队一体化联合作战能力的重要基石［1］。C4KISR系统是各军兵种联合作战的粘合剂，尽管理念十分先进，但当前研究在许多关键技术上仍亟待突破。现有的C4KISR系统还没有实现信息域与物理域的密切融合［2］，信息处理与物理过程的相互作用产生的影响未被足够重视，严重影响了“传感器到射手”能力的实现，制约了一体化联合作战效能发挥［3］。

CPS概念考虑计算信息系统与物理世界的深度融合，即物理对象、计算机硬件/软件的协同分析与协同设计［4］，为解决现有C4KISR系统问题提供了一种有效手段。本文从系统集成的角度，探索海军信息物理系统融合框架，首先介绍相关领域的研究现状，然后结合海军军事资源实际部署、通信连接和组织使用的特点，提出了海上军事信息物理系统体系结构和部署结构，最后进行了总结与展望。

2 研究现状

2.1 CPS/MCPS基本概念

CPS概念最早由美国国家自然基金委员会于2006年提出，后经过不断发展，在不同应用领域均取得了一定成果。CPS强调把计算过程与物理过程紧密地融合到一起，其核心是实现3C（Computa⁃tion，Communication，Control）融合，即在感知的基础上，有机融合网络化的可控、可信、可扩展的具备计算、通信和控制能力的物理设备系统，以安全、可靠和实效的方式监测或控制物理实体，实现系统的实时感知、动态控制和信息服务［5］。其基本概念框图如图1所示，图中虚线框内为物理域，其他均属于信息域［6］。MCPS则是CPS在军事领域的应用。

2.2 CPS/MCPS框架研究

与其他系统一样，体系框架也是CPS系统研究和开发的基础，一个合理的体系框架对于CPS系统的影响几乎可以说是决定性的。当前对于CPS的研究主要集中在工业领域，且随应用领域的不同，体系框架也呈现出不同的特点。如文献［7］从嵌入式系统网络化的角度提出了一种CPS体系结构原型，该体系结构原型满足CPS的几个本质特征如：及时性、分布性、可靠性、容错性、安全性、可扩展性和自治性，但未用具体的案例分析体现原型系统的特征，实用性无从验证。文献［8］中给出了一种类似于计算机总线结构的CPS体系结构，该体系非常简单，对各个功能模块没有具体进行描述，由于采用的简单总线结构，显然难以适应大规模分布式系统的需求；文献［9］中在原来计算机网络五层体系结构的基础上增加了CPS层，提出了（cyber-physi⁃cal internet，CPI）的概念；文献［10］通过分析智能交通系统（ intelligent transportation system，ITS）与CPS的现状，并结合交通系统的特点，构建了交通信息物理融合系统（transportation cyber-physical system，T-CPS）基本架构，诠释了T-CPS各层次的功能及特点，讨论了T-CPS的若干关键技术，但机理分析欠深入。此外也有少量的专门针对军事信息物理系统架构的研究，如文献［11］提出了一种面向服务的MCPS架构，但既未结合实际应用场景进行分析。通过对研究现状的分析发现，国内外对CPS体系架构的研究还处于探索阶段，尚未形成统一的CPS体系架构，现有的CPS/MCPS架构缺乏对海上作战环境下无线窄带宽、平台高机动性等复杂条件的支持。为此，本文从一体化作战的需求出发，借鉴已有的CPS/MCPS框架，结合海上作战环境特点，设计与之相适应的MCPS融合框架。

3 MCPS框架设计

3.1 MCPS特点分析

从面向组成的角度出发，MCPS包含了涵盖岸海空天潜广大空间内的侦察传感、通信网络、交通网络、指控单元、武器单元以及之间的互联。从面向流程的角度出发，MCPS的组成要素又可以抽象为由感知、通联、决策、打击四个环节构成的闭环。由于其特殊的使命任务和发展历史［12］，海上作战军事信息域和物理域融合在侧重点、组成元素、组织使用模式等方面体现出突出的领域特性，具体如下：

1）装备/设备更加智能化、信息化，实体装备与逻辑功能的划分边界变得模糊，逻辑功能的实现不再局限于某个特定的装备，而是分布在不同的实体装置内实现。信息技术促使海上作战资源能够动态化可重新组织和重新配置。

2）信息流的快速性、全局性促使作战体系呈现地域广袤化，节点互联化、信息共享化、协同广泛化的特点，使得其成为真正意义上点点相关，环环相扣，物理域和信息域紧密耦合，大范围多层次联动的不可分割的整体。

3）信息流促使作战动态过程加快，动态特性更加复杂。从发现、识别、决策到打击需要一定的时间消耗和兵力火力调动控制，信息流的传播速度远快于物理世界的调动和控制，而信息发挥作用又必须受制于物理世界的制约，使得海上作战体系呈现出时间和空间上的多重复杂性。面对事件时，信息流和物理世界的反应时间不同步使得时敏性成为对系统动态特性的重要影响因素。

4）信息技术促使对抗性更加剧烈。信息技术在驱动海上作战体系消除战场不确定的同时，因时敏性对系统动态行为的决定性影响，也在加剧着战场环境的随机性、不可预知性。对其体系发挥效能造成极大的冲击，对体系实时发现、实时决策、实时控制提出更高的要求。

由于当前学术界对CPS的研究主要集中于工业领域，对于军事领域CPS的研究还不够充分，当前MCPS融合研究的研究仍面临如下几个方面的挑战：

1）装备节点部署的广域性机动性：MCPS要素涵盖陆海空天潜电广大空间内机动部署的各种装备实体。

2）资源功能配属的聚合性解耦性：MCPS实现对分布式部署的作战资源和模块化配属的要素功能在面向任务时的有机聚合，资源配属和功能配置均受物理因素制约。

3）通信交通资源的有限性可用性：在系统各节点间的通信大量依靠无线通信链路，在对抗的战场环境下，通信链路面临带宽受限（过多的软件部署对带宽资源的消耗是服务化的应用障碍）和可用性的问题（可用频率、可用时间窗等）。交通网络同样面临可用性等制约因素（通过限制、运输时长等）。

3.2 MCPS体系结构设计

基于MCPS的特点及CPS的概念和特性，结合海上作战的特征，本文设计了如图2所示的面向服务的MCPS体系结构。

图2 面向服务的MCPS体系结构

该框架将MCPS分为三层：分别为资源层、服务层和应用层，每一层分别包括若干功能模块，为整个MCPS提供不同层面的支撑：

1）资源层。该层是MCPS的基础支撑层，它实现了物理世界的交互，并通过其内的网络资源实现不同资源的联通。资源层与CPS概念中的传感器、执行器以及控制与网络相对应，其具体组成元素包括感知资源、计算资源、数据资源、网络资源等等。需要说明的是这里组成元素如感知资源、计算资源等并非仅对应于CPS中的某一个单独的概念，而是具备多种能力的综合体，比如感知资源除能感知战场态势外，其本身也是能根据任务需求而调度的一种战术/战略资源。

2）服务层。服务层向下实现对各类资源的有序组织和调度管理，对上提供封装好的各类应用支撑服务，是实现资源层及上层应用的“粘合剂”。根据作用对象的不同，服务层又主要分为核心服务层和应用支撑层两个层次，其中核心服务层包括资源接入、任务监控、任务调度、资源态势等，主要是根据各类应用支撑服务的需求，结合通信、资源等特性对资源层进行统一组织调度、异构系统通联等工作，并监控其运行情况；应用支撑服务层主要是基于核心服务层提供的对资源的管理服务，包括存储服务、传输服务、时空服务等，针对各应用专业领域，提供专业服务。服务层实现信息域与物理域的直接交互，对物理域的运行情况进行实时监控和控制（在军事领域，绝大部分情况是通过给出提示信息，通过有关人员人工进行控制，但这仅仅是增加了一个步骤，并不影响整体逻辑流程）。

3）应用层。应用层利用服务层提供的应用支撑服务，结合有关的专业处理流程等，将作战业务处理能力包装成软件或服务，直接为各种作战活动提供支撑。应用层通过服务层实现与物理层的交互。

3.3 MCPS部署结构

分布于陆海空天潜电的大量机动平台构成MCPS的重要组成部分，这些分布式部署的机动平台需要根据任务进行动态有机聚合，且功能不一，在战场对抗环境下通常需面临带宽受限甚至可用性等问题。现有CPS普遍采用分层分布式的部署结构基于有线网络，尽管相对于完全分布式已经减少了大量的通信流量，但应用于海上作战通信环境时仍无法接受。本文针对该情况，提出如图3所示的MCPS部署结构，并对其信息流程进行了优化。

图3 MCPS部署结构

MCPS部署结构的主要特点在于岸基侧与移动平台侧采用不同的接入处理方式。岸基侧由于采用有线网连接，无须考虑带宽限制问题，故直接采用经典的分层分布式方式部署，该设计较为经典，有大量参考材料，故不再详述。而在移动平台侧，则采用编队内分布、对外按需互通的方式：移动平台首先进行编队内组网，在编队内进行资源共享和管理，实现局域网内的信息物理融合，在必要时（如通信带宽充足且有关业务需与岸基有关节点互通物理设备状态和控制命令等信息时），根据当前业务需要，通过编队接入节点按需与岸基互通业务相关的物理设备状态和控制命令等信息。MCPS部署结构通过区分岸基和移动平台侧的不同联通方式，在保证岸基侧信息物理域高效融合的同时，也适应移动平台侧动态组织性和带宽受限的情况，同时也确保移动平台编队作为行动小组内部的高效协同。

4 结语

由于海军作战环境的特殊性，其MCPS融合框架也应当与其自身的特点相适应，本文基于海军作战环境的实际特点设计的MCPS体系结构和部署结构，对于实现海军作战体系物理域与信息域的深度融合、协同设计具有一定的参考价值。随着军用资源种类日益丰富和底层物理设备感控能力的提升，以及上层信息系统功能的急剧增加，军事物理域与信息域的深度融合、协同设计能力将逐渐成为海军作战力量再次形成质变式提升的阶梯。

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