基于组件化指挥信息系统仿真验证技术

徐文元，李 皓

（中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094）

0 引言

指挥信息系统即指挥自动化系统，美军称作C4ISR系统，是网络化、信息化作战的“神经中枢”，是“兵力倍增器”[1]，它的装备质量在很大程度上将直接影响一场战争的胜负。指挥信息系统涉及到指挥控制、情报侦察、预警探测、通信导航、电子对抗、综合保障以及作战人员等多种军事资源的分布、异构的复杂军事信息系统[2]，呈现领域多、结构复杂[3]、功能多样、信息交互频繁、实时性要求高等特点。另外，随着计算机技术的飞速发展和国际环境的复杂化，指挥信息系统研制具有装备迭代快、试验类型多且并发性高等特点，给仿真[4]验证环境的研发带来前所未有的挑战，难以满足“即插即用、高度共享、快速响应、联合运行”等仿真验证要求。美军研发了多套支撑C4ISR系统论证分析、设计、开发、验证和评估的涵盖装备全流程的联合仿真平台及系统，包括 3J（JSIMS、JMASS、JWARS）、Flames、EADSim等，具有共享、可复用、互操作以及模型可信度较高等特点。在C4ISR仿真验证技术方面，国内也开展了一些研究，相关单位也建立了C4ISR系统仿真验证环境，包括 SIM2000、COSim、DWS等，对有关关键技术进行了初步研究，但相对于国外来说，这些工作还不是很系统化、标准化，规范化。在研究和建设仿真验证环境时，存在多个项目间共享级别低、重复研发严重，模型开发不规范，模型可信度不高、环境试验复杂等问题。

因此，本文从如何快速搭建指挥信息系统验证环境、缩短研发周期；如何提高试验验证的可信度[5]，提升指挥信息系统验证水平，实现交付装备向交付战斗力转换出发，设计了组件化、跨平台的指挥信息系统仿真验证环境系统框架，并研发了一套典型的适用于本单位多专业指挥信息系统仿真验证环境，该环境在多个项目中得到了成功应用。

1 指挥信息系统仿真验证环境框架设计

1.1 系统物理结构设计

基于本系统验证环境，可支持指挥信息系统开展指标论证分析和系统功能仿真验证。其中，指挥论证分析主要采用人不在回路的运行模式，基于作战想定，进行多样本仿真推演和分析评估，对指挥信息系统的指标给出定量分析，其物理架构见图1；系统功能仿真验证采用人在回路的运行模式，基于作战想定和试验大纲，进行系统功能、接口、性能、业务流程以及余量、容量、强度仿真验证，对指挥信息系统提出定性和定量分析，其物理架构见图2。

1.2 系统逻辑结构设计

图2 人在回路物理结构

指挥信息系统验证环境逻辑结构要针对以下几个问题：1）多个试验项目之间无法共享；2）面对多变需求无法快速响应；3）研发周期长且进度难以控制，难以适应并发度高的情况；4）验证环境支撑国产操作系统；5）系统验证可信度无法保证。

在设计指挥信息系统仿真验证环境的体系架构时，应遵循以下原则：

1）验证环境要采用组件化的开发方式，以便对各功能模块进行灵活组装和部署，从而根据验证需求快速构建验证环境，便于功能模块的重复利用，提高共享度和试验环境的研发效率；

2）验证环境要对模型组件化、系列化封装，提供模型统一管理和维护，提高试验的可信度；

3）验证环境要对数据进行统一记录、存储，提供数据访问接口，便于应用分析和评估；

4）验证环境要可移植性，支撑Windows和国产操作系统（比如中标麒麟）等操作系统，适应各种试验要求，提升试验研发效率；

5）验证环境要根据各种试验要求，可对环境进行裁剪，以满足试验进度要求和质量要求；

6）架构设计既要充分利用已有成果，又要兼顾未来建模与仿真技术的发展需求。

结合指挥信息系统验证要求，基于组件化架构设计方法，建立了一个面向多专业领域的可裁剪的试验验证环境架构[6]，具体如下页图3所示。

该体系结构由5个层次构成，自底向上分别是基础层、资源层、中间件层、应用支撑层和应用层。

图3 指挥信息系统仿真验证环境逻辑架构

其中，基础层主要为上层提供运行环境，包括服务器、计算机以及网络等；资源层主要用来存储和管理模型和数据，为上层应用提供资源；中间件层主要用来提供外部系统集成、模型调度管理以及态势显示等中间件，为上层提供通信、显示等通用功能接口；应用支撑层主要基于中间件，形成面向系统论证分析和试验验证功能，为应用层可组装功能集；应用层利用资源层、中间件层、应用支撑层提供的模型和工具，根据系统试验模板，进行适应性裁剪，形成论证分析系统或试验验证系统。图3左侧的标准规范集用于仿真验证环境建设和使用的标准规范，用来规范组件开发、想定制作等工作。系统架构各层组成以及功能如下：

1）基础层提供运行环境，包括服务器、计算机以及网络等；

2）资源层用来存储和管理模型、数据，包括作战模型、装备模型、环境模型、作战想定数据、装备数据、作战数据、评估数据和仿真数据；

3）中间件层包括仿真代理、界面调度框架、仿真引擎、二/三维显示中间件、DDS商用中间件等组成；

4）应用支撑层由导演台、环境部署工、数据记录解析工具、测试评估工具以及系统类、装备类和平台类模拟器组成。其中导演台提供能够编辑交战双方的兵力编成、兵力编组、兵力的设备与武器配备、初始位置及状态属性，制定作战行动计划，对典型作战任务的流程进行编辑，显示海图，进行态势标绘和战场环境设置；环境部署工具提供支持将各类模型或数据快速部署到各个仿真节点，以验证系统模型的正确性和运行环境的可用性，验证组件内的模型是否正确运行，包含验证环境构建、验证过程控制、输入激励数据编辑、系统或模型状态监视、部署方案和系统资源管理；数据记录解析工具提供网络数据记录、存储、基于XML数据解析以及数据显示、编辑；测试评估工具提供基于采集的数据进行命令响应时间、打击精度等评估分析；系统类模拟器提供指挥和控制功能模拟器；装备类模拟器提供情报侦察、预警探测、通信导航、电子对抗等装备模拟器；平台类模拟器提供空中、水面、水下平台模拟器；试验管理系统提供试验过程规划、监控和质量管理功能；

5）应用层主要基于试验目标，采用试验部署工具进行组装形成论证分析系统、试验验证系统。

2 系统实现的关键技术

2.1 基于XML作战协议通用对接技术

指挥信息系统仿真验证的一个重要工作就是报文接口对接，但是由于装备不同、同一装备研制时间不同，作战协议的格式也不同，若是通过硬代码方式对接报文，不同的装备，接口对接代码也不一样，导致代码重复开发、多个版本维护困难且效率低下。为此，提出了基于XML[7]的作战协议接口对接方法，屏蔽了代码与具体报文格式的关系，实现通过配置文件适应协议的变化需求。首先，因为协议前N个字节的格式是固定的，通过对其进行解析，获取发送和接收方IP地址，用于定位协议的类型以及报文是否分包；然后，对N字节后的数据区进行抽象，包括字段的名称、类型、大小以及属性信息，其中类型包括整型、字符串、离散、BCD、控制字等，属性信息包括有效位、精度、单位等；最后，基于抽象模型，将协议定义为XML文件，通过记录的二进制文件与抽象模型进行数据解析，以此辅助完成接口对接。其中，作战报文抽象模型示例如下：

2.2 基于内存数据库的数据解析与交互技术

应用层通信协议是指由程序开发者定义的在不同端系统上的应用程序进程之间传送报文的格式。试验验证系统中数据是在应用协议的基础上进行传递，基于内存数据库的数据解析与交互技术可自动解析应用层通信协议，并提供基于内存数据库的数据交互高速缓存器。该技术包含基于内存数据的格式定义工具，支持用户动态的修改应用程序进程之间传送报文的格式；具有报文格式动态解析功能，即可将用户动态定义的报文格式自动解析成应用程序可识别和传送的报文格式。提供的基于内存数据库的数据交互高速缓冲器，是为数据接收和发送设置的共享内存。该缓存器具有如下功能：当应用程序进程通信模块接收到来自其他系统的信息时，首先将原始信息（字符串）存入消息缓存器，之后通知应用程序的处理模块从消息缓存器中取出需要进行处理的信息；当应用程序需要发送消息时，首先将格式化数据转换成字符串并将字符串存入缓存器，之后通知消息发送模块从缓存器中取出该数据，并发送。基于内存数据库的数据解析与交互技术为试验验证系统数据解析、实时数据存储提供了一套高效、可靠性的管理机制。

2.3 指挥业务模型动态组合

由于试验验证系统中存在大量完成不同业务的独立的处理模型，而这些业务模型需在不同的试验验证系统中发挥作用。原有的业务模型开发技术，难以支持模型的重用和自动组合。指挥业务模型的动态组合技术，将独立的处理模型开发为独立的处理模块，之后经模块动态调度技术完成独立模型的重用和模型新组合的重用，降低了试验验证系统的开发成本，提高了开发效率。业务模型的动态组合技术在实现模型重用，自动组合的同时，还可在触发器与模型之间建立动态的关联关系，为支持该关联关系的动态建立，业务模型的动态组合技术还为仿真软件的开发提供业务应用注册，业务应用调用接口。基于上述技术开发仿真软件时，模型的重用，自动组合，定时调用的业务应用和外部事件调用的业务应用，均可通过动态配置来实现其功能，这就很大程度增加了模型组合和调用的灵活性，进而提高了软件的开发效率。

3 指挥信息系统验证环境应用案例

在系统试验阶段，为验证支撑指挥信息系统规定的功能、接口、流程、性能指标等内容，具体包括：系统各设备/软件实现及系统接口的正确性验证；功能实现正确性验证；信息流程及运行的正确性验证；性能指标的满足程度验证，基于组件化研发平台[8]，构建了指挥信息系统验证应用实例，如图4所示。

图4 跨平台试验验证系统构建实例

指挥信息系统验证环境由导演台、数据记录解析工具、测试评估工具、环境部署工具和试验管理系统等仿真应用支撑环境以及空中、水面、水下平台模拟器和时统、导航、雷达模拟器[9-10]（以下简称装备类模拟器）、指挥模拟器、无线通信模拟器组成。该系统的网络部署采用多层网络结构，实现各个模拟器与被验证系统之间的通信，其中装备类模拟器和指挥模拟器通过有线网与被验证系统进行通信；空中、水面、水下平台模拟器通过无线模拟网与被验证系统进行网络通信；仿真应用支撑环境通过仿真网与模拟器、被验证系统通信；按照实际要求划分了多个VLAN。采用多层网络结构设计，使得各种作战、仿真数据相隔离，保持了数据的“纯净”，提高了系统验证的准确性[11]。

在验证过程中，导演台通过仿真系统网，向验证系统和模拟器注入剧情信息，被验证系统根据需要通过平台类模拟器向导演台反馈指挥控制命令[2]，控制实体装备的运行数据；装备类模拟器、指挥模拟器通过有线网完成与装备的指挥信息、情报信息以及作战状态交互；平台类模拟器通过无线模拟网（无线通信模拟器）与验证系统完成指挥信息、情报信息以及作战状态交互；数据记录解析工具记录和存储运行过程中的网络数据，用于测试评估。

指挥信息系统验证环境构建步骤包括试验需求分析和方案设计、验证环境研发、试验数据准备、试验环境检验、系统验证试验、试验总结分析等，其过程的合理性和有效性，可参考文献[12]构建评估模型进行评估，各过程活动主要内容如下：

1）根据试验计划，开展需求分析和方案设计，首先，从验证环境组成、功能、接口、质量、文档、进度等方面进行需求分析，明确资源复用、功能组成、内外部接口、数据、计算机资源、人机界面等方面的需求，同时开展方案设计，包括验证环境系统组成、功能分配、接口协议、部署设计、网络设计、运行流程、软件架构等，形成方案设计报告，作为环境研发的依据。

2）根据方案设计报告中的复用情况分析表，从模型库中选择直接复用或者改造的组件，通过一体化标准模拟器开发与集成平台构建验证环境。

3）在试验开始前，需要准备基础数据、作战想定，其中基础数据支撑被验证系统和验证环境运行的基本性数据，包括地图数据、通信参数等；作战想定确定了作战仿真系统所研究军事问题的范围，明确了仿真的目标和对象，给出了作战仿真系统的初始态势和前提条件，设定了仿真边界条件和相应约束，描述了参与仿真的各个实体及其基本属性信息等，为整个试验运行提供态势数据。

4）在环境使用前，根据方案设计报告，由质量方组织对环境是否能正常运行、版本、功能性能的满足性进行确认测试，提供验证结果的可信度。

5）在试验环境确认后，根据试验设计的测试用例，在验证环境中开展功能、接口、流程、性能指标等验证试验。在验证过程中，根据评估要求，记录和存储网络运行数据，并对相关指标进行评估分析。

6）在试验结束后，根据试验过程数据记录，基于试验通过评估准则，分析本次试验是否通过，并总结分析本次试验过程的问题，提出装备研制的改进需求以及存在的问题，为今后试验或者其他项目研制提供经验。

4 结论

指挥信息系统仿真验证作为系统交付最后一道关卡，需提高仿真验证环境的质量和可信度，才能保障指挥信息系统质量，减少装备实战风险。本文针对试验验证环境共享度低、可信度低，模型开发不规范以及使用效率低等问题，提出了基于组件化指挥信息系统的仿真验证环境构建方法。另外，本文提出了指挥信息系统验证应用实例，并描述了指挥系统验证环境的使用流程，为实践应用提供参考。但是随着试验由内场向外场转换，系统性能指标验证要求进一步提升，在本方案的基础上需要从以下两个方面进一步研究和提升，一方面，在试验中产生了大量的试验数据，包括文本、图片和视频数据，如何从这些数据进行挖掘分析，提出定量指标改进建议；另一方面，为满足系统外场试验，如何基于内场系统试验环境扩展到外场系统试验，进行一体化设计，快速形成内外场系统一体化验证环境。