面向服務的作戰仿真軟件架構范文

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《系統仿真學報》2016年第一期

摘要：

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

關鍵詞：

網絡中心化；面向服務；作戰仿真；軟件架構

隨著電子信息指揮作戰系統所承擔的使命任務的不斷發展，系統規模越來越龐大，結構越來越復雜，對系統的研制要求也越來越高。而傳統的系統研發模式是面向任務、各軍兵種獨立開發的定制模式，系統設計開發資源尚未能充分地共享和重用[1]，研發質量和效率較低。另一方面，由于缺乏標準統一的描述規范，以及各仿真硬件平臺、網絡環境的差異，導致采用不同技術標準的異構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。針對新一代大系統的建設要求，迫切需要構建新一代綜合電子信息系統頂層設計、集成試驗與測試評估的總體研發環境，適應電子信息系統轉型發展和系統集成設計與試驗驗證的需要。隨著網絡中心化、SOA[2-3](ServiceOrientedArchitecture的簡稱，即面向服務的體系架構)等信息技術的發展，利用通信系統和計算機系統，把分散的各作戰資源、數據資源、計算資源連接起來，采用服務化軟件技術統一軟件形態，軟件按照服務化規范相互協同運作，以松散耦合的方式實現服務資源的調用，形成面向服務的大系統開發試驗平臺，支持新一代大系統的概念研究、頂層設計、開發、集成聯試和測試評估等研制的全過程。

目前廣泛采用的網絡運行支撐平臺是基于HLA/RTI的，在資源動態共享和C4ISR系統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，支持異構資源靈活重用，構建了面向服務的結構體系仿真環境，但它不適用部署在柵格網分布式的C4ISR的作戰仿真應用場景。文獻[5]提到從仿真體系結構角度入手，開發面向服務的仿真體系結構。該文雖提到利用信息柵格技術和面向服務技術，但對作戰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場環境保障信息集成框架，并實現了原型系統，但主要涉及衛星信息保障方面，信息集成的系統框架并非建立在柵格網基礎之上，無法用于分布式大規模的系統資源節點的部署，并不具有即插即用、資源柔性重組的特性。本文針對網絡化電子信息戰的作戰需求和新一代大系統的建設需求，利用網絡中心化和面向服務的技術，將指控業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建面向服務的系統軟件開發平臺。

1概述

1.1網絡中心化網絡中心化[7]在軍事領域是指通過柵格化網絡，將戰場上的傳感器、武器平臺、指控系統、作戰部隊等作戰要素和資源之間實現資源共享和協同作戰，形成體系作戰能力的過程[8]。網絡中心化仿真采用以網絡為中心、面向服務的體系結構，建立在統一的信息柵格基礎設施之上，使用標準體系結構和組件模型。網絡化不僅僅是通過網絡將C4ISR系統各部分連接起來，更重要的是建立一體化的信息獲取、傳輸、處理、分發和利用的過程，形成具有軍事行動價值的傳遞鏈，實現信息優勢-決策優勢=作戰行動優勢的轉變。網絡中心化系統具有如下特征[9]：1)柔性重組能夠通過通用化、構件化、組合化以及分布式的結構形態，達到高度的可塑性、柔韌性和適應性，使各個相對獨立、分散配置的功能構件相互連接在一起。2)按需服務利用共用的通信網絡基礎設施和信息注冊、、訂閱和分發服務，系統各組成部分可根據任務需要訂閱和分發信息，共享戰場態勢。3)即插即用能夠利用通信網絡基礎設施和接入、注冊、等服務，各功能域的系統及裝備可以快速接入，系統自動識別，無需繁瑣的配置。4)協同運用與同步基于共享戰場態勢，形成系統間交互的協同工作環境，實現系統資源和要素之間的動態協同。在時間域、空間域和功能域的同步，支持分布式聯合決策與指揮控制，最終實現作戰單元的行動同步。

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構，通過開發網絡中心機構服務(NCES)，對上層的各種軍事業務應用提供支持，并最終實現跨系統的信息共享、軍事應用的快速建立和綜合集成[10]。SOA架構能夠適應信息系統規模大、應用背景復雜、組織結構分散等特點，是美軍GIG提供核心服務和領域應用服務能力的基礎。目前SOA技術通常稱為服務計算技術，其技術體系為服務計算解決動態、多變、復雜的系統設計、軟件應用開發、多業務整合等解決方案。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范，使得異構平臺可進行靈活快速組合，有利于應用系統的組織和開發。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、集成、調用的技術，按照指揮控制系統組成要素，實現作戰態勢、作戰籌劃、指揮協同、輔助決策、分析評估等指控服務功能的注冊、、搜索、調用，支持各種指控軟件不同層次的服務化集成要求，統一指控軟件服務構建環境標準規范，搭建基于服務的指控軟件構建環境。

2作戰仿真應用軟件架構設計

作戰仿真驗證平臺服務于系統仿真實驗和驗證方法，通過構建較為逼真的仿真系統及其運行環境，建立相應的系統資源仿真模型及其交互模型，在系統實驗和驗證過程中，加載系統典型作戰應用案例，為相關課題提供仿真實驗環境。

2.1系統體系結構如圖1系統結構框架圖所示，系統軟件體系結構由軟件環境和硬件環境組成，由下至上分別描述如下：硬件環境包括計算機設備、計算機外設、計算機輔助設備、網絡設備、綜合顯示設備、話音設備、通信設備等硬件平臺；基礎環境包括操作系統、數據庫等等基礎軟件，是應用系統運行的基礎和前提條件；運行環境包括MSVC++6.0，MSOffice2003，地圖與態勢信息處理平臺等；數據平臺包括地圖顯示專用數據、平臺軟件專用數據、非實時海量數據、裝備性能數據、試驗配置數據、試驗檔案數據等，其為仿真軟件的開發、運行與應用提供完備的底層數據支持；核心服務包括注冊發現服務、接入服務、訂閱分發服務、資源監視服務、時鐘服務和數據傳輸服務等。基于網絡中心化核心服務將分布在網上各節點的作戰業務軟件、作戰模型、作戰數據、作戰規則等指揮業務功能與相關數據進行服務化組織，形成共享和服務能力，是構建網絡中心化信息共享和服務體系的關鍵環節；共性支撐提供構建仿真實驗系統所需的仿真共性功能，包括仿真控制、劇情產生、資源管理、數據訪問、圖形顯示、數據管理等；應用軟件包括專用仿真組件模型和通過動態調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、態勢生成等。

2.2服務集成框架業務服務利用面向服務網絡化的基礎支撐功能，通過集成網上各類服務資源，按照作戰任務和流程進行組織運用，使系統具有高度靈活性和可擴展性。業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。業務應用軟件根據功能要求和業務流程提供基礎業務服務和組合業務服務，這些服務建立在核心服務的集成運行框架內，各類網絡化應用使用這些基本或組合業務服務來實現其網絡中心化的作戰需求。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業務功能封裝成服務，并通過全局服務總線集成、動態調度，達到服務提供者和服務請求者關系松耦合，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、態勢生成等專用仿真組件，以及動態調用的組合應用軟件。全局服務總線，使服務調用者能夠調用服務。在服務調用者發起服務調用時，負責將服務調用傳遞到對應的服務，然后把服務結果回傳到服務調用者。全局服務總線包括服務運行平臺以及資源注冊、資源發現、資源目錄、資源監視等核心全局服務。

2.3仿真運行流程作戰仿真驗證平臺建立相應的仿真資源模型及其交互模型，構建系統仿真運行環境進行實驗驗證等流程圖如圖3所示。仿真資源節點首先通過注冊服務錄入目錄存儲在數據庫中。仿真運行環境準備就緒之后，資源節點通過接入服務首先依據注冊在數據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，系統支持仿真資源節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據庫中建立信息交互關系，并進一步將訂閱請求上報至發現服務。發現服務解析訂閱請求報中的訂閱相關條件(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，則返回服務定位結果到分發服務。分發服務讀取數據庫中的信息交互關系表，將對應的服務結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，左側樹控件顯示的接入系統的服務節點和仿真實體，右側上面列表顯示的是各服務節點提供的服務名稱、編號、服務狀態、服務調用者等信息。右側下方以文本形式顯示各節點、仿真實體狀態，以及分別可提供的服務和調用的服務。

3關鍵技術分析

3.1建立服務標準規范SOA技術把業務邏輯與具體技術分離開來，將功能模塊封裝為服務，通過網絡中心服務架構對服務、數據等資源實現調度集成。建立起面向服務的作戰仿真應用軟件架構有如下幾個問題需要解決：1)明確服務的多種形態及描述方法[13]；2)確定服務的粒度劃分原則；3)梳理指控系統核心業務流程；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籌劃的要素組成，對作戰任務、作戰計劃要素、作戰能力、作戰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聯關系，實現作戰籌劃全過程的服務化表示，為情況掌握、作戰籌劃、作戰指揮各階段提供通用的服務化支撐能力。

3.2服務資源的調用管理建立起服務標準規范以后，網絡中心化仿真環境中的仿真資源可以利用信息柵格基礎設施的注冊服務、發現服務和元數據目錄服務，實現以服務方式注冊、和共享資源。在統一的信息柵格基礎設施支撐下，指控系統與服務提供者通過服務調用的方式實現互操作。當指控系統需要通過仿真實現某些關鍵能力時，例如作戰計劃仿真推演評估，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；基礎服務層通過服務發現和服務調度功能，為指控系統定位具體調用的仿真推演服務資源，并通過仿真服務調用實現對該仿真資源的使用，最后該仿真推演服務返回推演結果。

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，保證各節點收到情報的正確性、即時性。由于柵格網上具有分布式的大規模仿真資源節點，需要開發分布式的時間管理工具，保證各節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結論

本文介紹了網絡中心化仿真環境中，將指控業務應用進行功能劃分形成標準統一軟件形態，利用信息柵格基礎設施與核心服務進行資源動態調度，各應用服務靈活重組，可以快速構建面向服務的系統軟件開發平臺，支持新一代大系統設計開發研制全過程。

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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 信息系統工程重點實驗室