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《系統(tǒng)仿真學報》2016年第一期

摘要：

針對傳統(tǒng)電子信息系統(tǒng)面向任務的定制開發(fā)模式導致異構(gòu)資源集成困難和重用率低的問題，提出基于面向服務網(wǎng)絡(luò)化的仿真應用軟件構(gòu)建方法。利用信息注冊、、訂閱、分發(fā)等網(wǎng)絡(luò)中心化核心服務構(gòu)建的全局服務總線對服務進行動態(tài)調(diào)度，可提高信息資源共享能力；對業(yè)務應用軟件服務制定標準描述規(guī)范，業(yè)務服務可靈活重組，服務提供者與服務請求者之間以松散耦合的方式實現(xiàn)系統(tǒng)集成，形成面向服務的系統(tǒng)開發(fā)平臺，并為相關(guān)課題成果的集成與試驗驗證提供支撐。

關(guān)鍵詞：

網(wǎng)絡(luò)中心化；面向服務；作戰(zhàn)仿真；軟件架構(gòu)

隨著電子信息指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)所承擔的使命任務的不斷發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模越來越龐大，結(jié)構(gòu)越來越復雜，對系統(tǒng)的研制要求也越來越高。而傳統(tǒng)的系統(tǒng)研發(fā)模式是面向任務、各軍兵種獨立開發(fā)的定制模式，系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)資源尚未能充分地共享和重用[1]，研發(fā)質(zhì)量和效率較低。另一方面，由于缺乏標準統(tǒng)一的描述規(guī)范，以及各仿真硬件平臺、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的差異，導致采用不同技術(shù)標準的異構(gòu)仿真資源之間難以集成，無法滿足針對不同任務進行靈活組合、高效運作的要求。針對新一代大系統(tǒng)的建設(shè)要求，迫切需要構(gòu)建新一代綜合電子信息系統(tǒng)頂層設(shè)計、集成試驗與測試評估的總體研發(fā)環(huán)境，適應電子信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展和系統(tǒng)集成設(shè)計與試驗驗證的需要。隨著網(wǎng)絡(luò)中心化、SOA[2-3](ServiceOrientedArchitecture的簡稱，即面向服務的體系架構(gòu))等信息技術(shù)的發(fā)展，利用通信系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)，把分散的各作戰(zhàn)資源、數(shù)據(jù)資源、計算資源連接起來，采用服務化軟件技術(shù)統(tǒng)一軟件形態(tài)，軟件按照服務化規(guī)范相互協(xié)同運作，以松散耦合的方式實現(xiàn)服務資源的調(diào)用，形成面向服務的大系統(tǒng)開發(fā)試驗平臺，支持新一代大系統(tǒng)的概念研究、頂層設(shè)計、開發(fā)、集成聯(lián)試和測試評估等研制的全過程。

目前廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)運行支撐平臺是基于HLA/RTI的，在資源動態(tài)共享和C4ISR系統(tǒng)的集成和互操作方面存在不足。文獻[4]介紹了一種面向服務的組合仿真技術(shù)，支持異構(gòu)資源靈活重用，構(gòu)建了面向服務的結(jié)構(gòu)體系仿真環(huán)境，但它不適用部署在柵格網(wǎng)分布式的C4ISR的作戰(zhàn)仿真應用場景。文獻[5]提到從仿真體系結(jié)構(gòu)角度入手，開發(fā)面向服務的仿真體系結(jié)構(gòu)。該文雖提到利用信息柵格技術(shù)和面向服務技術(shù)，但對作戰(zhàn)仿真服務方面未進行深入探討。文獻[6]提出了一種面向服務的戰(zhàn)場環(huán)境保障信息集成框架，并實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，但主要涉及衛(wèi)星信息保障方面，信息集成的系統(tǒng)框架并非建立在柵格網(wǎng)基礎(chǔ)之上，無法用于分布式大規(guī)模的系統(tǒng)資源節(jié)點的部署，并不具有即插即用、資源柔性重組的特性。本文針對網(wǎng)絡(luò)化電子信息戰(zhàn)的作戰(zhàn)需求和新一代大系統(tǒng)的建設(shè)需求，利用網(wǎng)絡(luò)中心化和面向服務的技術(shù)，將指控業(yè)務應用進行功能要素服務化，通過信息柵格與核心服務機制可快速構(gòu)建面向服務的系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。

1概述

1.1網(wǎng)絡(luò)中心化網(wǎng)絡(luò)中心化[7]在軍事領(lǐng)域是指通過柵格化網(wǎng)絡(luò)，將戰(zhàn)場上的傳感器、武器平臺、指控系統(tǒng)、作戰(zhàn)部隊等作戰(zhàn)要素和資源之間實現(xiàn)資源共享和協(xié)同作戰(zhàn)，形成體系作戰(zhàn)能力的過程[8]。網(wǎng)絡(luò)中心化仿真采用以網(wǎng)絡(luò)為中心、面向服務的體系結(jié)構(gòu)，建立在統(tǒng)一的信息柵格基礎(chǔ)設(shè)施之上，使用標準體系結(jié)構(gòu)和組件模型。網(wǎng)絡(luò)化不僅僅是通過網(wǎng)絡(luò)將C4ISR系統(tǒng)各部分連接起來，更重要的是建立一體化的信息獲取、傳輸、處理、分發(fā)和利用的過程，形成具有軍事行動價值的傳遞鏈，實現(xiàn)信息優(yōu)勢-決策優(yōu)勢=作戰(zhàn)行動優(yōu)勢的轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)中心化系統(tǒng)具有如下特征[9]：1)柔性重組能夠通過通用化、構(gòu)件化、組合化以及分布式的結(jié)構(gòu)形態(tài)，達到高度的可塑性、柔韌性和適應性，使各個相對獨立、分散配置的功能構(gòu)件相互連接在一起。2)按需服務利用共用的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和信息注冊、、訂閱和分發(fā)服務，系統(tǒng)各組成部分可根據(jù)任務需要訂閱和分發(fā)信息，共享戰(zhàn)場態(tài)勢。3)即插即用能夠利用通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和接入、注冊、等服務，各功能域的系統(tǒng)及裝備可以快速接入，系統(tǒng)自動識別，無需繁瑣的配置。4)協(xié)同運用與同步基于共享戰(zhàn)場態(tài)勢，形成系統(tǒng)間交互的協(xié)同工作環(huán)境，實現(xiàn)系統(tǒng)資源和要素之間的動態(tài)協(xié)同。在時間域、空間域和功能域的同步，支持分布式聯(lián)合決策與指揮控制，最終實現(xiàn)作戰(zhàn)單元的行動同步。

1.2面向服務美軍全球信息柵格(GIG)采用面向服務的體系結(jié)構(gòu)，通過開發(fā)網(wǎng)絡(luò)中心機構(gòu)服務(NCES)，對上層的各種軍事業(yè)務應用提供支持，并最終實現(xiàn)跨系統(tǒng)的信息共享、軍事應用的快速建立和綜合集成[10]。SOA架構(gòu)能夠適應信息系統(tǒng)規(guī)模大、應用背景復雜、組織結(jié)構(gòu)分散等特點，是美軍GIG提供核心服務和領(lǐng)域應用服務能力的基礎(chǔ)。目前SOA技術(shù)通常稱為服務計算技術(shù)，其技術(shù)體系為服務計算解決動態(tài)、多變、復雜的系統(tǒng)設(shè)計、軟件應用開發(fā)、多業(yè)務整合等解決方案。SOA主要包括3個組成部分：服務提供者(ServiceProvider)，服務(ServiceBroker)和服務請求者(ServiceRequester)[4]。服務提供者將其服務功能的描述信息向服務并注冊，同時控制服務的訪問和維護。服務則是管理服務目錄信息，便于服務請求者的查找。服務使用者通過在服務的目錄中進行查詢操作確定服務。一旦綁定確定其可獲得的服務，立即激活服務。SOA的主要特點有[11]：1)松散耦合；2)粗粒度；3)標準化接口。按照不同功能粒度[12]進行劃分封裝成不同服務，通過定義標準的描述規(guī)范，使得異構(gòu)平臺可進行靈活快速組合，有利于應用系統(tǒng)的組織和開發(fā)。本文主要研究對預警探測、情報處理、指控決策等仿真軟件的服務化開發(fā)、集成、調(diào)用的技術(shù)，按照指揮控制系統(tǒng)組成要素，實現(xiàn)作戰(zhàn)態(tài)勢、作戰(zhàn)籌劃、指揮協(xié)同、輔助決策、分析評估等指控服務功能的注冊、、搜索、調(diào)用，支持各種指控軟件不同層次的服務化集成要求，統(tǒng)一指控軟件服務構(gòu)建環(huán)境標準規(guī)范，搭建基于服務的指控軟件構(gòu)建環(huán)境。

2作戰(zhàn)仿真應用軟件架構(gòu)設(shè)計

作戰(zhàn)仿真驗證平臺服務于系統(tǒng)仿真實驗和驗證方法，通過構(gòu)建較為逼真的仿真系統(tǒng)及其運行環(huán)境，建立相應的系統(tǒng)資源仿真模型及其交互模型，在系統(tǒng)實驗和驗證過程中，加載系統(tǒng)典型作戰(zhàn)應用案例，為相關(guān)課題提供仿真實驗環(huán)境。

2.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖所示，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)由軟件環(huán)境和硬件環(huán)境組成，由下至上分別描述如下：硬件環(huán)境包括計算機設(shè)備、計算機外設(shè)、計算機輔助設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、綜合顯示設(shè)備、話音設(shè)備、通信設(shè)備等硬件平臺；基礎(chǔ)環(huán)境包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等等基礎(chǔ)軟件，是應用系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)和前提條件；運行環(huán)境包括MSVC++6.0，MSOffice2003，地圖與態(tài)勢信息處理平臺等；數(shù)據(jù)平臺包括地圖顯示專用數(shù)據(jù)、平臺軟件專用數(shù)據(jù)、非實時海量數(shù)據(jù)、裝備性能數(shù)據(jù)、試驗配置數(shù)據(jù)、試驗檔案數(shù)據(jù)等，其為仿真軟件的開發(fā)、運行與應用提供完備的底層數(shù)據(jù)支持；核心服務包括注冊發(fā)現(xiàn)服務、接入服務、訂閱分發(fā)服務、資源監(jiān)視服務、時鐘服務和數(shù)據(jù)傳輸服務等。基于網(wǎng)絡(luò)中心化核心服務將分布在網(wǎng)上各節(jié)點的作戰(zhàn)業(yè)務軟件、作戰(zhàn)模型、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)、作戰(zhàn)規(guī)則等指揮業(yè)務功能與相關(guān)數(shù)據(jù)進行服務化組織，形成共享和服務能力，是構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中心化信息共享和服務體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；共性支撐提供構(gòu)建仿真實驗系統(tǒng)所需的仿真共性功能，包括仿真控制、劇情產(chǎn)生、資源管理、數(shù)據(jù)訪問、圖形顯示、數(shù)據(jù)管理等；應用軟件包括專用仿真組件模型和通過動態(tài)調(diào)用服務組件形成可獨立運行組合應用軟件。專用仿真組件模型一般包含情報處理模型、威脅估計、目標分配、態(tài)勢生成等。

2.2服務集成框架業(yè)務服務利用面向服務網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)支撐功能，通過集成網(wǎng)上各類服務資源，按照作戰(zhàn)任務和流程進行組織運用，使系統(tǒng)具有高度靈活性和可擴展性。業(yè)務服務以標準的服務形式對外提供。服務是一個自足的、完成某項業(yè)務功能、接口標準的軟件，接受一個或多個請求，返回一個或多個應答。業(yè)務應用軟件根據(jù)功能要求和業(yè)務流程提供基礎(chǔ)業(yè)務服務和組合業(yè)務服務，這些服務建立在核心服務的集成運行框架內(nèi)，各類網(wǎng)絡(luò)化應用使用這些基本或組合業(yè)務服務來實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)中心化的作戰(zhàn)需求。服務集成框架如圖2所示，按面向服務的建模方法把各個作戰(zhàn)業(yè)務功能封裝成服務，并通過全局服務總線集成、動態(tài)調(diào)度，達到服務提供者和服務請求者關(guān)系松耦合，可靈活重組。服務容器中集中了服務提供者的服務功能，仿真作戰(zhàn)應用服務主要包括引導計算、目標分配、威脅估計、情報處理、態(tài)勢生成等專用仿真組件，以及動態(tài)調(diào)用的組合應用軟件。全局服務總線，使服務調(diào)用者能夠調(diào)用服務。在服務調(diào)用者發(fā)起服務調(diào)用時，負責將服務調(diào)用傳遞到對應的服務，然后把服務結(jié)果回傳到服務調(diào)用者。全局服務總線包括服務運行平臺以及資源注冊、資源發(fā)現(xiàn)、資源目錄、資源監(jiān)視等核心全局服務。

2.3仿真運行流程作戰(zhàn)仿真驗證平臺建立相應的仿真資源模型及其交互模型，構(gòu)建系統(tǒng)仿真運行環(huán)境進行實驗驗證等流程圖如圖3所示。仿真資源節(jié)點首先通過注冊服務錄入目錄存儲在數(shù)據(jù)庫中。仿真運行環(huán)境準備就緒之后，資源節(jié)點通過接入服務首先依據(jù)注冊在數(shù)據(jù)庫中的目錄信息進行資源合法性校驗，若通過校驗，則成功接入系統(tǒng)成為仿真資源實體，并將該資源提供的服務按照服務描述規(guī)范封裝成標準服務模塊，錄入服務資源池(服務容器)。同時，系統(tǒng)支持仿真資源節(jié)點隨時快速接入和退出，滿足即插即用的要求。用戶端通過需求描述提取服務請求，通過訂閱服務在服務器的數(shù)據(jù)庫中建立信息交互關(guān)系，并進一步將訂閱請求上報至發(fā)現(xiàn)服務。發(fā)現(xiàn)服務解析訂閱請求報中的訂閱相關(guān)條件(典型的訂閱條件包括服務類型、服務提供者、服務名稱等)，通過服務總線調(diào)用服務資源池中的服務進行匹配運算。若查找到符合條件的服務，則返回服務定位結(jié)果到分發(fā)服務。分發(fā)服務讀取數(shù)據(jù)庫中的信息交互關(guān)系表，將對應的服務結(jié)果或者服務地址反饋給用戶端。核心服務中的時鐘管理服務部署在分布式大規(guī)模的仿真平臺中資源和用戶端，保證信息服務在時間軸上的邏輯推進的時鐘同步，從而確保信息的準確和即時性。

2.4服務仿真試驗仿真實驗界面如圖4核心服務信息中心所示，左側(cè)樹控件顯示的接入系統(tǒng)的服務節(jié)點和仿真實體，右側(cè)上面列表顯示的是各服務節(jié)點提供的服務名稱、編號、服務狀態(tài)、服務調(diào)用者等信息。右側(cè)下方以文本形式顯示各節(jié)點、仿真實體狀態(tài)，以及分別可提供的服務和調(diào)用的服務。

3關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1建立服務標準規(guī)范SOA技術(shù)把業(yè)務邏輯與具體技術(shù)分離開來，將功能模塊封裝為服務，通過網(wǎng)絡(luò)中心服務架構(gòu)對服務、數(shù)據(jù)等資源實現(xiàn)調(diào)度集成。建立起面向服務的作戰(zhàn)仿真應用軟件架構(gòu)有如下幾個問題需要解決：1)明確服務的多種形態(tài)及描述方法[13]；2)確定服務的粒度劃分原則；3)梳理指控系統(tǒng)核心業(yè)務流程；4)建立服務分類體系。此外，基于通用指揮控制模型研究分析作戰(zhàn)籌劃的要素組成，對作戰(zhàn)任務、作戰(zhàn)計劃要素、作戰(zhàn)能力、作戰(zhàn)輔助計算等進行服務化建模也是研究的重點。在建立各種計算模型的同時，還要注重理清各種要素模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)作戰(zhàn)籌劃全過程的服務化表示，為情況掌握、作戰(zhàn)籌劃、作戰(zhàn)指揮各階段提供通用的服務化支撐能力。

3.2服務資源的調(diào)用管理建立起服務標準規(guī)范以后，網(wǎng)絡(luò)中心化仿真環(huán)境中的仿真資源可以利用信息柵格基礎(chǔ)設(shè)施的注冊服務、發(fā)現(xiàn)服務和元數(shù)據(jù)目錄服務，實現(xiàn)以服務方式注冊、和共享資源。在統(tǒng)一的信息柵格基礎(chǔ)設(shè)施支撐下，指控系統(tǒng)與服務提供者通過服務調(diào)用的方式實現(xiàn)互操作。當指控系統(tǒng)需要通過仿真實現(xiàn)某些關(guān)鍵能力時，例如作戰(zhàn)計劃仿真推演評估，可以服務的方式提出請求，該請求信息包括仿真推演服務的特征信息；基礎(chǔ)服務層通過服務發(fā)現(xiàn)和服務調(diào)度功能，為指控系統(tǒng)定位具體調(diào)用的仿真推演服務資源，并通過仿真服務調(diào)用實現(xiàn)對該仿真資源的使用，最后該仿真推演服務返回推演結(jié)果。

3.3時間同步管理時間同步管理提供了仿真平臺中各資源、用戶在時間軸上的邏輯推進方法，保證各節(jié)點收到情報的正確性、即時性。由于柵格網(wǎng)上具有分布式的大規(guī)模仿真資源節(jié)點，需要開發(fā)分布式的時間管理工具，保證各節(jié)點與服務器保持時鐘同步的同時，有效避免死鎖和提高仿真服務推進的效率。用戶可通過訂閱中心訂閱柵格網(wǎng)上接入的資源提供的服務，在時鐘管理機制的保障下確保多個服務請求正確有序的反饋。

4結(jié)論

本文介紹了網(wǎng)絡(luò)中心化仿真環(huán)境中，將指控業(yè)務應用進行功能劃分形成標準統(tǒng)一軟件形態(tài)，利用信息柵格基礎(chǔ)設(shè)施與核心服務進行資源動態(tài)調(diào)度，各應用服務靈活重組，可以快速構(gòu)建面向服務的系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，支持新一代大系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)研制全過程。

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作者：程文迪 楚威 單位：中國電子科技集團公司第二十八研究所 信息系統(tǒng)工程重點實驗室