水下作战指挥系统体系结构及工程管理技术

陆铭华

(海军潜艇学院,山东青岛 266001)

1 水下作战指挥系统概述

水下作战指挥系统是水下指挥信息系统的重要组成,主要使命是对水下兵力作战指挥决策和水下作战平台自主指挥决策,系统接收水下战场情报信息、传感器探测信息和兵力兵器状态信息,根据上级作战意图和作战命令,完成战场态势分析、作战环境预报、作战任务规划、实时战术决策、作战推演评估和武器优化使用等指挥决策任务。构成水下作战指挥系统的核心是作战应用软件,即用于完成作战指挥任务的各类软件构件,作战应用软件构件按照系统功能需求由各类作战指挥功能组件构成,与通信系统、传感器系统、武器系统、计算支持平台、人机交互系统和作战数据库系统有机结合,形成特定型号的水下作战指挥系统,部署至各级岸基指挥所、水下有人/无人作战平台和水中进攻/防御武器,对提高水下作战能力起着决定性作用。

水下作战指挥工程由水下作战指挥系统研制所必需的作战需求工程、作战模型工程、作战软件构件工程、综合集成工程等组成,采用现代先进管理技术规范化作战需求建模开发、作战模型可靠性验证、作战软件构件测试和作战指挥系统综合集成管理,是确保水下作战指挥工程的顺利实施、建设质量和可持续性改进的必经路径,是提高水下作战指挥工程管理水平的关键。

2 水下作战指挥系统体系架构

2.1 水下作战指挥系统体系结构发展现状

水下作战指挥系统主要有三种类型:一是岸基水下作战指挥系统,是联合作战指挥系统中承担对潜和无人水下平台作战指挥的功能系统,具有作战任务规划、作战方案生成、作战能力计算和实时作战指挥功能,可根据需要部署至国家联合指挥中心、战区/军兵种指挥所和海上联合机动编队/航母编队;二是潜艇作战指挥系统,是潜艇作战系统中承担潜艇编队/单艇作战指挥的功能系统,具有战场态势分析、海洋环境预报、战术方案生成、攻防行动决策、武器使用决策和战术机动计算等功能,可装备于弹道导弹核潜艇、攻击型核潜艇和常规潜艇;三是水下无人平台/水中兵器自主决策支持系统,是水下无人作战平台/智能水中兵器自主控制系统的“大脑”,具有自主航路规划、信息分析处理、智能行为推理、自主避险和自主攻防等功能,已广泛应用于远程智能鱼雷、智能巡航水雷和水下无人平台,美国等西方国家已将此类系统列装并应用于实战。

水下作战指挥系统从体系架构上,可分为集中式作战指挥系统、分布式作战指挥系统和一体化作战指挥系统,第一代水下作战指挥系统采用集中式体系结构,即以指控系统为核心采用串行接口或1553B总线将作战系统通信、导航、传感器和武器系统接入指控系统,此类系统所有信息交互和武器控制均集中于指控系统显控台,由于受到通信带宽、通信速率、接入设备数量等影响,限制了作战指挥系统的信息处理能力、可靠性、可扩展性和可灵活部署性。第二代水下作战指挥系统采用了以太网为核心的分布式体系结构,除了作战系统各类战位显控设备接入网络,增加了传感器换能器、导航设备、通信设备、武器控制设备等直接接入网络,实现作战系统所有信息资源的共享,大幅度提高了信息处理能力。此类体系结构存在的问题,一是操纵、动力、生命系统等重要设备未接入网络,无法实现全系统信息共享;二是有关分系统独立建立网络,信息只在网内共享,信息资源没有得到充分利用;三是军用加固计算机计算能力和存储能力有限,制约了系统能力进一步提升。

2.2 一体化网络水下作战指挥系统分布式结构

一体化网络和指挥扁平化是未来水下作战指挥系统的发展方向,采用一体化网络实现各类作战指挥资源的交互控制是实现扁平化指挥的物质基础。与海上、岸基作战指挥系统相比,水下作战指挥的特点是高度的集中控制,水下作战平台实行指挥所与战位两级指挥,指挥权高度集中于指挥员,采用一体化网络可以将水下平台上所有资源接入网络,实现各种信息资源的共享,有利于指挥员直接指挥各类水下作战平台和直接控制水中兵器,提高作战系统的作战效率,满足水下作战指挥的特殊要求。针对水下作战平台,基于一体化网络的水下作战指挥系统通过高速有线网络和无线链路,将水下平台各种资源接入网络,包括通信、导航、声呐、雷达、电子干扰、指控、鱼雷、导弹、水声对抗以及操纵、动力、生命系统等,并通过数据链实现联合作战节点与海上联合机动编队、航母编队、岸基指挥系统联网,实现各类资源特征级信息共享。图1为基于一体化网络的潜艇作战指挥系统体系架构。

图1 基于一体化网络的潜艇作战指挥系统分布式结构

采用一体化网络的体系架构的优点是:一是为扁平化指挥提供了技术手段,实现了指挥所与战位的信息共享,确保指挥员对作战系统乃至全艇各类资源有效掌控和快速应对,减少了信息处理、信息传输的中间环节;二是作战系统多功能显控台可以接收各类传感器、通信、导航、武器系统、动力系统及全艇性系统的信号级特征信息,使得决策级信息融合有了可靠的信息和数据保障,大幅度提高了决策结果的可信度;三是基于一体化网络系统提供的公共网络环境、计算平台和存贮平台,为指挥决策提供了高性能计算能力、大容量数据存储能力,为复杂指挥过程决策方案优化、智能推理决策和实时在线仿真提供了技术保障;四是作战系统通用多功能显控台为各类显控需求提供通用平台支持,并可以根据作战模式进行灵活的功能重组和功能热/冷备,任务计算由通用计算平台提供支持,显著提高了作战指挥系统的适应性。

2.3 基于组件技术的水下作战指挥系统应用软件体系结构

软件体系结构是作战指挥系统应用软件设计与开发的基础,软件体系结构是20世纪90年代开始形成了比较严格的定义,IEEE 1471-2000给出的软件系统体系结构定义是“系统的构件、构件之间的关系、构件与环境的关系以及指导系统设计和演化的准则。”组件技术是将复杂大型软件系统功能分解为独立的单元即软件组件,利用组件之间建立的统一的严格的连接标准,实现组件间服务与信息交互,依据组件技术规范开发的软件组件可实现代码级重用,可根据特定系统的功能需求有选择性地灵活构建系统,从而大幅度降低软件开发的复杂度。采用基于组件技术的软件开发规范,实现作战指挥系统应用软件体系结构成为目前最可行的一种方法,软件组件技术是面向对象方法基础上而产生的类、对象、封装、继承、多态性等概念,能够将各种作战模型封装并以类的形式提供应用,并具有重用、组合和即插即用的显著特点。

水下作战指挥系统应用软件体系结构分为系统层、平台层、服务层、构件层和应用层。系统层部署操作系统、数据库系统,提供底层操作系统级支持;平台层主要由一体化网络链接的各种运行软件部署平台,支持软件运行、数据存储、信息交互、并行计算等;服务层部署各类通用中间件,为系统集成和应用软件构件提供服务,包括数据订阅/发布、时间服务、数据服务、打印服务、安全服务、显示服务等;构件层部署各类应用软件构件,主要包括作战决策类构件和作战仿真类构件;应用层部署系统应用软件集成框架和实时在线仿真引擎,即根据作战指挥系统战术决策和仿真计算的功能需求,集成调用各类应用软件构件,完成作战决策和在线仿真任务。基于组件技术的水下作战指挥系统应用软件体系结构如图2所示。

图2 基于组件技术的水下作战指挥系统应用软件体系结构

实时在线作战仿真引擎在一体化网络和公共计算环境支持下,提供作战能力仿真实验计算、作战方案仿真推演评估和作战决策行为仿真优化支持,为基于人工智能技术的智能化作战指挥决策提供了强大的仿真支持平台。实时在线仿真技术的应用可以显著提高作战指挥决策的科学性和智能化程度,水下平台在预先战斗准备阶段,可以通过作战方案推演评估,进一步优选战术想定和作战预案;在战斗航渡阶段,辅助完成隐蔽航渡计算指定、突破反潜封锁区优化决策、战术机动方案优化计算等支持;在阵地战斗对抗阶段,能够根据实际战场态势和信息,通过分阶段分时序快速仿真计算,优化鱼雷、导弹和水声对抗器材等硬软武器攻防使用决策,提高武器作战使用效果。同时仿真引擎可支撑嵌入式模拟训练,利用嵌入式技术将仿真训练信息注入一体化作战系统,驱动水下平台实现码头停泊状态和海上航行状态条件下基于实际作战岗位的模拟对抗训练,大幅度提高了模拟训练的针对性和有效性。

3 水下作战指挥工程管理关键技术

3.1 作战需求建模与开发管理

作战需求分析是水下作战指挥系统开发的依据,作战指挥系统软件与一般技术软件的最大区别,就是其直接为兵力作战行动和武器作战运用提供决策支持,作战软件来源于作战指挥活动的客观需求。由于缺少权威性的作战需求牵引,长期以来作战指挥软件研制往往取决于技术设计人员的主观认识,同时由于缺少标准化的需求分析建模工具和形式化描述方法,作战软件的需求分析没有得到有效的规划和管理,可追溯性差,通过建立专用化作战软件需求分析平台和形式化描述方法,进一步提高作战需求分析的权威性、可理解性和可追溯性,对提升作战软件研制质量将起到事半功倍的作用。

作战需求论证与建模工具为军事人员提供规范化和标准化的作战需求获取和分析手段,其功能包括军事概念定义、作战行动过程描述、作战规则描述和作战数据需求等视图,以文字、图形和表格等形式将作战需求中的作战任务及要素给出标准化、规范化描述,并能够依据模板为军事人员快速生成标准的作战需求文档,实现军事人员与技术人员对军事问题理解的一致性。应用作战需求论证与建模工具生成的作战需求形成作战应用软件需求库,需求库管理系统为作战需求的存储、修改与版本管理提供规范化的服务,同时可以用于作战需求的评审、确认与版本升级提供支持。

作战需求论证建模过程一般可分为六大步骤:知识收集、概念模型结构化描述、概念模型形式化描述、概念模型验证、概念模型入库、模型建模流程VV&A管理。军事概念模型是作战需求的一种重要表达形式,作战需求论证的建模过程指明了军事概念模型建模工作的内容和步骤,可以提高军事概念模型的建模效率,指导并规范军事概念模型的建模工作。整个建模过程是以数据为中心,确保所有视图之间的统一。模型建模流程VV&A管理工作贯穿模型建模的整个过程,能够提高军事概念模型的可信度,尽早发现建模过程中存在的问题和错误,减少重复工作,提高工作效率。图3给出了作战需求论证建模步骤与结构。

图3 作战需求论证建模流程与结构

3.2 作战模型建模验证与组件开发测试管理

水下作战指挥系统研制的核心是水下作战指挥模型和作战应用软件组件,作战模型是软件组件实现的基础,如何提高作战模型和软件组件的可靠性和可用性是水下作战指挥系统研制管理工作的核心环节,将作战模型研究与作战软件组件开发置于同等重要的地位,必须建立通用化作战模型测试平台和组件开发测试平台,所有作战模型都必须进行实际作战条件下的测试验证,确认作战模型逻辑关系、数学原理和流程控制的正确性,才能转入作战软件组件的开发阶段,确保水下作战指挥系统作战模型和软件组件的可靠性。

水下作战指挥系统作战模型主要包括数学模型、逻辑模型和仿真模型等类型,作战模型建模工具实现了作战模型的可视化设计、建模与验证,可支持作战实体建模、作战任务分解、作战行为建模、作战流程描述等模型设计工作,并具有战术决策模型注册、打开、修改、删除、保存等管理功能。作战模型VV&A应贯彻于作战软件全生命周期,在作战软件研制的每一个阶段都需要对应的VV&A工作,应具备定义VV&A流程、VV&A方案、VV&A计划、验证结果确认、VV&A分析等功能。

水下作战指挥系统作战应用软件各部件是以软件组件形式存在,是作战应用软件的基本单元,组件开发是作战软件实现的基础。作战软件组件是基于作战模型开发,建立作战软件组件开发与测试系统便于从战术决策模型快速生成组件原型,大幅度提高作战软件的开发效能和可靠性。作战软件组件开发与测试系统应具有组件创建、复杂数据类型定义、组件组装、复合组件结构设计等功能,并提供与组件设计开发相关的组件名称、关键字、开发者、使用许可、版本号、历史追溯、编程信息、密级管理等功能。作战软件组件开发与测试系统应具有组件可视化表达、接口设计和人机界面设计功能,并提供丰富的原子组件单元测试和复合组件综合测试的功能。

3.3 作战指挥系统综合集成与全生命周期质量管理

水下作战指挥系统的研制质量长期受制于标准化和规范化管理水平低,从需求分析、模型研究、组件开发和系统测试缺少标准化技术平台和规范化管理要求,为了提高水下作战指挥工程研制管理的标准化和规范化水平,必须强化“需求分析标准化、模型验证规范化、组件开发平台化、产品测试系统化”的设计思想,加强全过程质量管理和监控,形成水下作战指挥工程“四个库”研发模式,即需求库、模型库、组件库和产品库,从源头上抓住需求分析环节,从过程中抓住模型研究和组件开发,从应用上抓住产品质量管理和用户应用新需求,形成螺旋式上升的软件研发方式。

水下作战指挥系统综合集成是在软件组件基础上,形成集成应用的作战应用软件功能系统,在面向服务的仿真架构下,以真实显控台为基础,建立实际的作战仿真运行环境,具备作战应用软件系统的综合集成、系统联调和动态仿真验证能力,并具备系统仿真联调试验功能。按照作战软件全生命周期工程化管理的要求,以实现型号项目作战应用软件的需求库、模型库、组件库和产品库规范化、标准化管理为目标,构建针对特定型号的水下作战应用软件需求、模型、构件以及软件维护、软件升级、历史追溯等功能于一体的工程化软件管理系统。

按照国际项目管理机构(PMI)理论体系,软件项目管理基于PDCA(计划、执行、检查、改进)实现过程管控,依据GJB 5000A-2008提出的软件研制能力成熟度模型要求,构建水下作战指挥系统作战应用软件开发全生命周期工程化管理系统,对于规范开发过程,降低研制成本、缩短开发周期、提升软件质量等方面具有重要的现实意义和经济价值。水下作战指挥系统作战应用软件全生命周期工程化管理系统,是以软件管理平台为基础,针对特定型号潜艇作战软件研制管理的要求,借助需求管理、数据库管理、建模仿真等工具,实现需求管理、项目管理、系统管理、质量管理、体系仿真和统计报表等功能集,对软件研发周期内的需求、质量、进度、成本进行系统性管控,从根本上转变作战应用软件研制模式、测试验证能力、质量管理方法和可持续升级,实现作战指挥工程全生命周期的有效质量管理。

4 结束语

水下作战指挥系统及作战应用软件的研制是一项复杂系统工程,采用一体化网络技术和组件技术构建水下作战指挥系统体系架构和作战应用软件体系结构,对提高水下作战指挥系统的作战能力具有重要价值。水下作战指挥工程涉及作战需求获取与确认、作战模型开发与验证和作战软件配置与质量控制等工程管理关键技术,基于软件工程项目管理的基本途径,建立标准化和规范化的作战应用软件需求库、模型库、构件库和产品库管理系统,有利于提高水下作战指挥系统研制管理的科学性,实现研制模式转变和可持续发展。