跨域协同信息自适应分发处理技术研究

齐涛涛，刘小龙，唐 政

跨域协同信息自适应分发处理技术研究

齐涛涛1，刘小龙2，唐 政1

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068；2 空军装备部驻西安地区第七军事代表室 710000）

针对跨域协同作战异构信息分发处理需求，设计自适应战术协同信息分发处理架构，开发基于语义语用的信息自动处理与交互模型，研究消息处理流程自动化编排方法，实现信息按需、高效地分发处理，提升多平台协同作战水平。

信息分发；消息交互与处理；消息处理流程

0 引言

随着战争朝着信息化、智能化、无人化发展，战场信息处理保障的要求也越来越高。大量传感器设备、无人作战平台等节点的广泛接入，数据链[1]网络内信息量呈指数级增长，对信息的快速准确处理与按需精准的分发成为亟待解决的技术难题[2]。随着美军“多域战”[3]、马赛克战等概念的提出，作战要求跨域联合、末端智能，为保证新作战样式下任务的达成，要求信息能够根据任务需求灵活、按需分发到各平台，实现多平台的态势共享、战术协同与精准火力打击。

然而战场末端环境复杂，干扰与被干扰成为常态，链路不稳定，突发意外情况多，任务多变，跨域多链异构信息难以快速应用，因此对信息的有效分发产生了很大影响。本文针对多平台跨域协同作战任务信息分发处理需求，通过研究战术协同信息分发处理架构、信息自动处理与交互技术、消息处理流程编排技术，提高信息按需、高效的分发处理能力和自动化流程编排处理能力，提升跨域多平台协同作战能力。

1 国内外研究现状

在未来跨域联合作战需求下，为了快速提升作战单元间跨域跨链信息互联互通、态势共享、战术协同等分发处理能力，美军开展Rosetta网关、通用链路集成处理（Common Link Integration Processing，CLIP）、异构电子系统体系技术集成工具链（SoS Technology Integration Tool Chain for Heterogeneous Electronic Systems，STITCHES）等项目研究，来提高战术信息的跨域多链信息分发处理能力。

1.1 Rosetta网关

Rosetta网关是一种面向对象的实时战术信息管理系统，它将传感器数据、导航数据以及从各个数据链来的各类信息流作为数据对象来管理。Rosetta网关的设计目标是共享各个数据链中格式化的数据信息。Rosetta结构如图1所示。

图1 Rosetta结构图

Rosetta网关基于面向对象的高速信息处理器，采用实时的结构化查询语言（Real-Time Structured Query Language，RT-SQL）和面向网关的转发规则（FROG）。各数据链作为实时的信息源在Rosetta中进行处理、检索，所有Link-16、Link-11、联合变量消息格式（Joint Variable Message Format，JVMF）、协同作战能力（Cooperative Engagement Capability，CEC）/数据分发服务（Data Distribution Service，DDS）、GPS的信息和传感器信息以文本文件形式储存。Rosetta采用了TCP/IP协议，分布式对象组件模型或套接字以及SQL调用。Rosetta网关的主要功能包括：坐标变换，链内/链间数据转发，链内/链间航迹相关，链内/链间航迹管理和链内/链间数据过滤。

1.2 CLIP

CLIP 是美国海陆空三军联合开发的一个功能强大的多数据链集成设备，可用于飞机、舰船、岸上指控站点和陆地战术单元[4]，能为不同格式的消息进行转换。CLIP 可将来自各数据链的不同格式消息转换成统一的、主系统能够识别的报文序列。相较其他多链集成设备或软件，CLIP 的集成范围被大大拓宽，不仅能集成Link-4A、Link-11、Link-16、Link-22等传统数据链，也能集成宽带数据、综合广播和WNW 等IP 网络。

CLIP的系统概念如图2所示。

图2 通用链路集成处理的系统概念

CLIP的主要功能包括：相关、转发、并发、过滤等多链处理；与数据链端机的接口形式可配置、可裁剪；支持监视、电子战、指控等任务需求；与主机系统的接口采用统一形式；内部采用通用处理格式，可同时与多条数据链交互战术数据。

1.3 STITCHES

STITCHES[5]是可以安装在任何平台上的软件补丁，其作用类似于国际翻译和软件集成工具。STITCHES项目通过在系统之间自动生成极低时延和高吞吐量中间件来快速集成跨作战域的异构系统，而无需升级硬件或破坏现有系统软件。这种工具链并不强制使用通用接口标准，相反，它基于现有的部署能力快速创建所需的链接，这样就避免为了因实现互操作而升级的需要。DAPAR声称STITCHES能够连续几十年建立的不同平台，实现互操作性与数据共享。STITCHES能够自动产生消息翻译程序以及粘合代码，从而在新的子系统与现有组件间、相同规格的不同版本间进行互操作。STITCHES工具链能够自动产生两种主要的功能：消息的翻译与数据流的控制，如图3所示。

总之，针对跨域多链信息自适应分发存在的问题，Rosetta网关主要采用实时信息管理的方式，实现多链信息的转发。CLIP可将来自各数据链的不同格式消息转换成统一的、主系统能够识别的报文序列，实现多链之间信息的转换处理以及转发。 STITCHES不需要多种链路使用通用接口标准，相反，它基于现有的部署能力快速创建所需的链接，实现消息的转化与分发处理。

图3 异构多类消息转换对比图

2 跨域自适应战术协同信息分发处理架构

针对未来作战节点跨域互联，作战空间陆、海、空、天等全域覆盖，作战要素资源柔性聚散等信息保障需求，为解决异构数据链系统架构不开放、信息接口兼容性差导致信息集成应用能力弱的问题，开展战术信息分发处理架构研究，突破基于任务的自适应信息分发架构、基于任务优先级的自适应信息分发控制方法、分布式信息资源管控等技术，构建网络化、虚拟化、分布式信息资源池和算法库，自主选择合适的信息分发策略，实现异构数据链之间的信息转发共享，支撑作战能力形成。

2.1 基于任务的自适应信息分发逻辑架构

集中式指挥控制的信息处理存在链条过长、层级多、主要依靠人工决策、响应速度慢、“侦—控—打—评”循环运转速度难以提高等问题；分布式作战具有灵活、鲁棒性强、成本低的优势。根据美军杀伤链的理念，将散布在广域作战空间的平台、武器、传感器资源进行解耦，虚拟化形成资源池，柔性组合，灵活调度，构建分布式作战杀伤链，其核心技术在于不同平台、资源和信息能够按需使用。

由于分布式作战任务多种多样，信息响应时间从分钟级、秒级到毫秒级；信息要素种类、属性、特点等因素对信息分发控制的时间延迟、信息的精准性发送也有影响。因此针对不同的任务特点，构建基于任务的自适应信息分发架构，满足信息资源、平台、战术功能的松耦合性，实现根据任务的变化灵活调度与组织应用能力，如图4所示。

图4 基于任务的自适应信息分发处理架构

基于任务的自适应信息分发架构包含应用层、信息处理层、虚拟化层，应用层满足不用作战任务的需求；信息处理层链接底层各平台和应用层，提供应用实现所需的功能，它主要是根据应用的需求，将应用能力分解到应用功能，应用功能分解成信息支撑，然后针对信息需求进行建模形成消息，对消息进行按需分发、自动化处理实现信息处理到应用能力之间的联动；虚拟化层将各类计算存储、网络资源、平台、传感器、武器等要素资源虚拟化和统一调度管控。在应用层的任务牵引下，采用基于任务的自适应信息分发处理架构，实现作战任务—应用能力—应用功能—消息支撑—消息分发处理—作战要素调度的支撑。

2.2 自适应消息分发控制流程

消息的自主化、智能化分发流程需要考虑作战场景下的作战任务要求、参与该作战任务的平台角色等因素，同时还应考虑信息的属性特点、当前的链路状态、网络带宽情况等多方面的因素。

不同的作战场景下信息的交互具有很大区别，空战、水下、陆战等场景信息交互都有很大的差异；作战任务的不同对信息分发的类型、信息分发的频次、时机等都有很大影响，例如协同探测任务需要目标信息、平台状态等，而不需要发送交战信息；在协同作战时，不同平台承担的作战任务不同，对信息的需求也有很大区别，承担打击类任务的平台对于目标的位置、特点信息要求很高，而对于其他态势信息需求就相对较弱。

信息分发控制时，信息特点的不同、信息发送的优先级顺序也有很大区别，信息的特点如信息的类型、时延要求、生存周期、置信度和精度等，同样类型的信息由于信息的表示精度不同，准确度、可靠性的不同优先级也有差异，不同类型的消息发送优先级差异也很大，指挥控制信息、交战信息、定位与识别消息、情报消息等优先级不同。在消息发送时还应根据当前的链路状态、网络带宽情况进行适应性裁剪，当链路状态比较好，带宽比较充足的时候，信息内容应该尽可能地全部发送；而当链路状态受限时，消息应该适应性地裁剪，将消息最核心的部分发送，以满足战术的需求。

信息的智能化分发与控制需要考虑作战场景、任务特点、平台角色、信息特点、链路特点、网络状况等多种因素，只有充分考虑各个因素，才能实现在正确的时间将特定的消息发送给需要的平台，以支撑作战平台战术任务的执行，达到信息的智能化、按需分发。自适应信息分发控制流程图如图5所示。

图5 基于任务的自适应信息分发控制流程

信息分发控制模块提取所接收到消息的特点、属性、主题内容，根据消息的属性调用消息的优先级算法，同时考虑不同平台角色的差异对信息的需求，将所要发送的消息送入发送队列，当消息发送时，根据链路状态、网络带宽对消息进行自适应裁剪，在任务场景的制约下实现消息的自适应分发。

2.3 分布式信息资源管控技术

针对跨域战场资源是分散的、异构的情况，不同资源的描述方式不同，不同资源产生的数据格式也是不同的，即使两个资源的数据格式相同，同样的数据代表的语义也不同，即不同资源的观测数据的语法和语义都是异构的。为了满足对战场分布式信息资源的管控需求，首先必须实现对战场分布式信息资源的统一表征与一致理解。因此，需要一套专门的资源表征框架，统一地描述资源的数据，消除这些异构性，从语法和语义上进行映射和转化，将不同资源的数据以应用能够理解的方式，以同构的语义和语法开放给应用层，为实现战场分布式信息资源的管控奠定技术基础。

采用多层次资源模型的理念，从资源模型这个角度将上层应用与传感器资源解耦合。与竖井式应用中资源和实体紧耦合、固定地关联在一起，不同的资源模型和实体模型由不同的业务角色来创建。资源模型是与具体任务无关的，而实体模型是面向具体应用的。作战人员只需要关注战场中的数据对象和应用逻辑，底层资源只需要描述资源以及传感器网的工作状态。上下层模型通过资源和实体的绑定关系进行关联。这是一种松耦合的关联，当底层的资源和上层任务关联后，资源就可以观测或者控制传感器的具体属性值，原本无意义的传感器数据也变成了具备具体应用意义的战场态势感知数据。作战应用场景中的实体模型可以关联下层不同资源模型，这意味着从模型的角度实现对传感器资源的控制和调度，它是要素级协同控制的基础。分布式信息资源管控模型如图6所示。

图6 分布式信息资源管控模型

3 基于语义语用的信息自动处理与交互方法

为了实现作战信息的高效交互，支撑侦察—判断—决策—行动（Observation—Orientation—Decision—Action，OODA）环路的信息闭环，开展基于语义语用的信息自动处理与交互技术研究，突破基于作战意图的语义语用抽象建模、跨域异构信息的交互方法、任务驱动的自适应信息处理与交互生成等关键技术，支持面向作战意图的自适应战术功能实现。

3.1 基于作战意图的语义语用抽象建模

针对战术信息理解的一致性问题[6]，研究基于语义语用的消息建模方法，实现对消息语义语用建模。在上层作战应用需求牵引下，消息的格式以及数据元素之间的排列实现对消息语法层面的表征，消息的数据元素项的基本含义对消息语义层面的表征，消息所支撑的作战应用的功能实现对消息语用层面的表征，如图7所示。

图7 消息的语义语用建模

通过信息的交互，实现平台之间协同完成OODA的闭环，消息的内涵包含语义层面和语用层面。以目标监视消息为例，数据元素项在消息格式的约束下形成消息，消息内元素项的含义是语义层面，目标消息通过精度、纬度等元素项进行组合实现对目标位置的传递，通过其他元素实现目标出现时间、速度、属性等信息的分发，实现了对目标语义的表征。目标消息通过一定的流程进行分发，支撑决策平台根据收到的目标信息做出决策命令，执行平台接受到命令后控制武器，打击平台根据火控信息实现对目标的攻击，经过OODA过程实现目标信息的语用层面的能力。

3.2 异构信息的交互方法

美军现有通用数据链（Common Data Link，CDL）、Link-16、Link-22等多种数据链，针对异构信息的格式、内容、周期等差异性大、难以快速应用的问题，美军STITCHES项目提供了良好的解决方案。为实现异构信息集成，一种方法是开发适于所有平台与系统的通用接口[7]，但是这种方法由于复杂性、工作量等原因难以实现。而STITCHES项目不要求子系统使用通用标准或全局标准，通过软件进行异构信息的转换和处理，从而解决了异构平台（如不同武器系统）交互的问题。

异构系统集成时消息协议之间的转换方法如图8所示。消息标准集成与转换方式可分为本地消息标准、全局消息标准和采用的增量标准。采用的增量标准进行互操作时易于添加新的消息。

对异构信息模型进行分解，以数据元素为基本单位，含义一致的数据元素建立转换关系，形成转换节点，从而实现消息之间的转换关系，节点之间具有转换关系的形成边，不具有直接转换关系的没有边，从而形成多源异构消息标准之间的转换图。当异构电子系统需要交互的时候，首先通过消息转换图寻找最优路径；然后采用自动化的方法，实现异构标准消息内容的转换，从而实现自动化的信息交互能力。

图8 异构链信息转换处理

4 面向任务的消息处理流程自动编排技术

为了实现美军杀伤链快速构建，跨域信息分发处理能力，提升数据链消息处理实时性，研究基于事务的消息处理机制，面向任务的消息处理流程技术，支持数据链消息处理流程高效、自动化。

4.1 基于事务的消息自动处理流程技术

针对数据链消息标准缺乏详细、明确的信息处理流程以及规范化的信息处理机制，很难保证消息实现的一致性的问题，采用基于事务处理机制，对信息处理步骤给出明确要求，保证信息处理流程的一致性[4]。

采用基于功能—信息—事务关系模型的消息处理方法，即通过事务实现信息的收、发和处理。采用事务处理方法，表示协同信息智能交互处理流程，将数据链消息的产生、发送、接收、删除一个生存周期抽象为发送准备、发送、接收、删除与清除、特殊处理五个事务，描述功能实现中消息处理所处的不同状态，五个事务的序贯处理构成消息处理流程基本步骤，如图9所示。

图9 消息自动处理流程研究

4.2 面向任务的消息处理流程编排技术

针对异构电子信息系统消息异构、消息协议复杂的问题，如何针对不同的任务特点，快速、准确地实现对异构消息的处理，是亟待解决的问题。根据消息的组成特点，将消息分解为复合消息和原子消息，原子消息根据一定的逻辑关系组成复合消息。消息处理流程的构建是指将消息处理流程的组成元素构建成为消息处理流程的拓扑次序的过程。消息处理流程本质上是一个由节点和有向箭头构成的链条关系，其中的节点组成消息处理流程，其类型和数量可能存在差异，而有向箭头便是这些组成元素之间的逻辑次序的表型。消息处理流程的构建是根据具体的业务需求约束关系，设计合适的构建算法得到消息处理的流程结构关系，如图10所示。

图10 消息处理流程自动编排过程

先获取任务场景对信息处理的约束，在此基础上当有消息到达时，将消息的组成元素进行分解，分析元素之间的制约、流程关系，根据消息组成元素之间的关系构建消息处理拓扑关系图，调用消息处理流程编排算法给出消息编排结果；当外部约束如链路带宽或者网络节点拓扑关系有变化时，需要重新构建消息处理流程拓扑关系，调用消息处理编排算法对消息处理过程进行重新编排；如任务场景约束发生变化，就需要根据任务场景需求对消息处理流程进行编排。

5 跨域协同异构信息分发处理流程例证

构建以下实验室仿真环境，4个水下节点和1个水上节点，水上节点（节点5）通过节点1与水下节点网络进行通信。水下节点由上位机和下位机组成，上、下位机之间通过网线连接，节点之间通过空气声模拟水声进行组网。节点1是网关节点，实现水上水下信息的分发处理。连接关系如图11所示，在Win7开发环境下，验证水上水下跨域信息分发处理技术。

水上消息采用固定格式消息，水下消息采用固定格式、可变格式相结合的方式，以不同的链路状态，为实现空对水下平台的指挥控制能力，通过消息的抽象建模，制定消息元素，设计消息处理协议，包含水下命令消息、水下航迹消息、水下平台状态消息。

节点1收到水上节点5的命令消息并转发命令消息，水下其他平台接收到命令信息通过解码、处理，收到消息后执行相应的命令，实现指挥控制功能。水下其他平台互相报告自身位置、系统状态以及水下航迹消息，水下节点1将水下态势信息转发给水上节点5平台，实现水下态势信息的共享。

从水上水下跨域协同作战需求出发，分析需要的作战能力（如指挥控制能力），根据能力需求分析应用功能需求和信息需求（指挥控制功能），根据信息应用需求和应用功能通过建模，设计消息（命令消息），实现对作战能力需求表征。平台之间通过消息（命令消息）分发处理流转，接收平台根据命令做出响应，实现指挥控制需求，这一过程验证了信息分发处理流程。

构建了适用于水下作战的消息元素字典表征框架模型，设计了一种适配水声信道的可变结构消息模型、异构信息分发控制与处理技术，实现了水下弱连接条件下可靠精准通信定位识别，以及水下态势共享、精确指挥控制等典型消息的战术应用功能，打通了水上水下跨域协同作战的信息通路。

6 结论

本文通过设计基于任务的自适应信息分发处理架构，给出信息分发控制流程，构建分层分级的资源管控模型和基于作战应用的语义语用抽象模型，提出了面向任务的消息流程自动编排方法和流程，实现信息跨域分发处理，有效提升跨域协同作战水平。

[1] 骆光明. 数据链[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[2] 朱孟平，宋自林. GIG信息分发管理[J]. 指挥指挥控制系统与仿真技术，2005（4）：66-69.

[3] 庞娟，文苏丽．美国陆军多域作战概念发展分析[J]．情报交流，2019（12）：54-57.

[4] 孙杰，刘亮. 美军数据链多链集成应用研究[J]. 现代导航，2017（4）：308-312.

[5] Dr. Evan Fortunato. STITCHES SoS Technology Integration Tool Chain for Heterogeneous Electronic System[R]. 2016.

[6] 解放军总装电子信息基础部．功能建模语言IDEFO的句法和语义：GJB5242——2004[S]．北京：解放军总装备部，2004.

[7] 唐政，齐涛涛，麻锐，等. 声电异构链路信息自动交互处理方法研究[J]. 现代导航，2019（4）：279-282.

Research on Technology of Information Adaptive Distribution Service

QI Taotao, LIU Xiaolong, TANG Zheng

To suit the requirement of coordinated combat heterogeneous information distributing, it is done by designing on the architecture of information adaptive distribution processing technology, developing automatic information interaction and processing based on semantic pragmatics and studying the method of automatic orchestration of message processing flow. It will provide the ability to efficiently distribute information and enhance the level of multi-platform coordinated operations.

Information Distributing; Information Interaction and Processing; Message Processing Flow

E91

A

1674-7976-(2022)-04-284-08

2022-04-25。

齐涛涛（1991.05—），陕西商洛人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为数据链总体技术。