浅谈海上一体化信息系统的体系结构

1引言

进入21世纪以来，随着信息技术的飞速发展，以信息化技术为核心的新军事变革加快了武器装备信息化、信息系统武器化的建设步伐，电子信息装备在现代化战争中日益发挥着重大作用和关键作用。

海军装备具有自身的特点，一方面，海军装备是以平台和各种各样的大小型武器设备的集合，只有多平台的联合与协同以及不同作战单元的作战能力的相互配合，融为一个具有全方位作战能力的整体，海军装备才能发挥出最大的作战效能;另一方面，海军部队具有较高的机动性和自我保障能力这两个基本特征，决定了海军部队可以预先部署、随时展开、灵活编成。以上两方面的特点决定了充分发挥海军部队战斗力的重要保障是具备一体化综合集成能力的信息系统。对海上一体化信息系统的体系结构进行研究的目的正是为海军应用集成从建模、开发、集成、部署、运行、监控、维护的完整生命周期过程管理提供基础支撑，将各独立作战要素和分系统进行综合集成和优化整合，聚合整个战斗群、单个平台、驻留在平台中的系统以及系统内部的组件和功能，使得信息系统能够以一种架构统一、符合开发技术规范的方式进行开发、维护、运行和扩展，真正发挥粘合剂和作战效能倍增器的作用。

2国内外的现状与能力需求

2. 1国内外的发展现状

为了推进一体化信息系统的建设，实现信息优势，美国国防部于1999年提出了全球信息栅格的概念，定义了UIU的顶层作战需求和概念，美国海军扩展了这些顶层需求和概念，开发了海上信息环境的概念，即海上力量网，将海上打击、海上盾牌和海上基地三个核心作战概念以及海上实验、海上作战和海上计划三个使能支柱无缝地连接起来，为联合互操作性以及网络中心战提供基础服务设施，能够将数据流无缝、及时地转变为可执行的信息，同时提供了战术、运行和策略级别的知识构建协议。海上信息环境的核心是开放式体系结构计算环境，它提供了能够适应和利用开放式系统的设计原理、标准和体系结构的框架，同时能够最大限度地利用商用产品的优势。例如，美国海军对宙斯盾系统的改进就采用了DACE环境，美国海军新一代驱逐舰DDU 1000的指控系统自始至终就是一个高度集成的、高性能的全舰计算环境，它架构在全舰计算环境基础设施之上，包括所有计算装置、运行在这些装置上的通用作战环境以及支持所有应用程序的一组通用服务，提供了一个单一的、通用计算基础设施，以支持舰艇和岸基所需的计算任务的执行，并为其他应用程序和支持功能提供服务。

目前，我国海军的水面舰艇、潜艇都已经装备了作战和指控系统，并且在新造的舰艇上装备了编队指挥系统，具有一定的信息获取和指挥控制能力，并且舰艇本身的作战系统和指控系统中各传感器、武器系统的互连已经从点对点的数据传递向网络化的方向发展。但是，目前的协同仅局限在信息传输的层次，缺乏面向作战任务的分布式信息加工、处理与指控支持能力，而且多种信息传输链路之间的互通、互联的配置较为复杂，缺乏柔性，信息传输与处理的流程也不能够按需灵活调整，还不能有效形成多平台之间的有效信息共享与任务协同，严重制约了海军各种新装备的战斗力。

以上的现状表明，我国海军在一体化信息系统的综合集成方面明显落后于其他的发达国家，信息的共享、交换和集成较为复杂，各作战单元之间的互联、互通、互操作性较差，作战协同指挥控制的能力不足，信息传输的实时性和服务质量得不到保证。此外，美国海军2006年发布的《未来海军战斗群的C4ISR国防规划》中对未来海军战斗群的C4ISR明确提出了组成性和适应性的要求，即通过将现有子系统进行集成和重新配置，从而长期服务于作战需求，并且能够迅速扩充现有的子系统以适应敌方临时、灵活的军事行动，预计到2020年，美国海军将能够实现这一目标。这些新的军事需求对我国海军信息系统综合集成提出了更加严峻的挑战。

2.2能力需求

新的军事需求使得我国海军的海上信息系统除了必须支持低层次的互联、互通、互操作性之外，还必须具备下列能力:

1)系统集成的能力:能集成各类、各型舰船的电子信息系统，并且能够以最短的磨合周期，明确集成目标系统的瓶颈、优化方案、能力指标，做到对目标系统的功能和性能的掌控。

2)配置与组合的能力:通过对现有子系统的集成进行更深层次的配置，以较长期优质高效地服务于当前的作战，使新目标系统的信息流、任务流能比简单集成的系统中的集成度更高。

3)作战模型与流程的可管理能力:能插入可用的新作战模型，对现有的作战能力进行调整，从而更好地应对敌人的具体行动以及目标，甚至能够迅速组合现有的子系统、作战模型和流程，使得整个系统能够完成过去各个子系统所不能完成的使命。

4)数据集成与管理的能力:建立信息资源的透明访问，并利用基于发布/订阅模型的分布式实时数据传输技术，提供硬实时和实时系统所需要的延迟可控的纯数据传输服务。同时，通过数据集成技术，能够分析采集到的大量目标数据，为战区指挥员提供关于战场区域态势的决策支持。

5)协同支撑的能力:海上信息系统能够对地理上分散的联合部队实施一体化的指挥和控制，实现战场态势透明化、作战资源一体化、指挥控制快速化和辅助决策智能化，从而提高整个海战场的综合作战效能。

上述的能力需求以互联、互通、互操作性为基础，但其形式已经远远超出了当前的基础能力，这些能力的实现已经不能仅仅依赖于对某型舰船的改造或升级所能达到。它们的实现依赖于信息系统的体系结构，即需要从信息系统的体系结构方面进行综合考虑，体系结构在其中将发挥着重要的作用。

3海上一体化信息系统的体系结构

体系结构的定义方法很多，一般认为，体系结构包括系统的组成结构及其相互关系，是指导系统和设计和发展的原则。体系结构框架是用于规范体系结构设计的指南。随着国防信息化水平的提高，美军越来越重视体系结构框架工作，经过多年的体系结构研究工作，作为总结性成果之一。通过这几个版本的体系结构¡框架的顶层文件的制定，美军基本确定了在美军国防装备电子信息系统中采用的系统体系结构框架。从近十几年的发展状况来看，体系结构设计已经成为美军进行武器装备体系设计的重要手段，并有力的支持了信息化武器装备体系的建设，日益显现出显著的优点和巨大的潜力，在装备顶层设计、实现现役和新研系统的综合集成等方面都发挥了重大作用。

进行体系结构研究的目的正是为了满足信息系统以一种架构统一、符合开发技术规范的方式运行和接入应用系统，用于组织、消费和管理海军应用中服务的生命周期，对公共消息总线服务、插件式构件接口，以及服务组合描述机制进行标准化的要求，为海军应用集成从建模、ร开发、集成、部署、运行、监控、维护的完整生命周期过程管理提供基础支撑。

3. 1体系结构的总体框架

面向服务的体系结构是一个强有力的技术体系结构，倡导以服务及其组合为基础构造应用的开发模式，把业务逻辑与具体实现分离开来ฝ，使能标准化、松藕合和透明地应用集成，从而提高应用系统的互操作能力、敏捷性和集成能力。美国海军在面向服务的体系结构方面正在进行着积极的探索，项目有可组成的部队网、部队网交战包、可扩展的战术框架、组织服务总线以及联合协同实施交战。这些研究项目的共同目标是，以服务为基础，提供作战能力的聚合，提高系统资源的综合利用率。例如，可组成的部队网体现了从巨大的、网络特有的信息资源中迅速选择最适合解决某个问题或提供具体信息的能力，初步的试验结果表明该能力大大增加了作战的效能，在反潜战和进攻性对空中，资源的利用率提高了4000，针对大规模袭击，战区空中与导弹防御的杀伤力增加了4000、遗漏减少了5000，交战区的拦截范围增加了10000，所保护的陆上区域百分比增加了十倍。

目前，我国正在积极进行面向服务的系统集成方面的研究，如何将广域分布的、自治的、能力各不相同的各种资源进行按需组织和管理，构造灵活敏捷的海上战斗群信息系统，有机地整合已有资源、集成新增资源以满足联合作战的需求，从而实现动态的、跨自治域的资源共℉享与协同，并提高资源的综合利用率就成为了一个突出的、函待解决的现实问题。海上一体化信息系统的体系结构的总体框架，已❦是一个分层体系，主要的层次包括服务集成支持框架、数据集成框架和业务流程组合框架。

3.2服务集成支持框架

全面利用面向服务的潜能还需在软件服务的基础上，对聚合服务或组合服务提供支持，进一步构建完整的、面向服务集成的技术体系和系列标准。因此，在现有的基础上，有必要对SOA模型进行扩展，以资源服务化为基础，通过服务的发布、发现、聚合、调用、安全、信任等相关机制，为海上战斗群的资源聚合和自主协同提供强有力的支持，满足联合作战的需求。同时，也应该注意到，仅仅通过制定标准并不能充分支持基于SOA的集成，原因在于从根本上说标准是现有技术的规范化和统一化，固然有助于解决不同层次的互操作性问题，但对现有技术本身的不足无能为力。海上战斗群C4ISR系统作为基于广域网的分布式计算系统，在面向服务的协同架构下，对开放动态的网络计算环境和不断变化的作战需求的适应性方面有很高的要求。而目前已有的基于SOA的软件开发技术和运行支撑技术还不能完全满足这方面的要求，特别是在对作战系统的动态配置和再配置以及自适应的演化方面待深入研究。需要从下面几个方面展开研究:

1)构建服务的主体化模型。将舰船和岸基资源进行抽象和封装，将被动的、静态的资源转变为主动的、动态的自主服务单元，从而有效地屏蔽和适应资源的多样性和动态成长性的特点，使之能够对外提供透明一致的资源服务，为实现资源的按需聚合和自主协同奠定基础。

2)构建SOA扩展模型，支持服务的按需集成。根据任务的需求，运用局部信息，实现服务特征信息的汇聚、组织和综合利用，形成满足任务需求的相对稳定的视图，支持任务的完成。服务信息描述、发布与发现方法以及各种服务的组织调度机制等是实现服务按需集成必须解决的关键技术问题。

3)构建分布式协同执行机制，支持服务间的自主协同。在执行任务时，需要根据任务的需求选择和请求自主服务单元，实现自主服务的动态绑定。

4)信任管理与访问协商技术。访问控制一直是确保信息系统安全性的主要技术手段之一，可靠高效的访问控制对于保护服务环境仍至关重要。

上述四个方面分别在不同的层次上为服务的按需集成提供了有力的支持，描述服务集成的支撑框架，从应用的需求出发，完成对相关服务的汇聚、组织和管理，实现服务的透明化、一体化，进而达到服务的按需集成与自主协同。

3. 3数据集成框架

数据集成框架旨在建立一个数据共享与交换的高可用环境，支持异构数据链的统一管理，提供无线通信中对数据的实时传输与数据质量保证的有效管理控制手段，实现底层数据操作与应用的分离，增强应用间共享与交换数据的透明性与统一性。

数据集成框架主要包括数据服务和数据传输服务。数据服务包括数据订阅分发服务、统一数据访问服务、存取控制服务和服务质量管理服务。数据分发订阅分发服务以服务的形式提供从应用中收集数据和对数据进行分发的机制;统一数据访问服务和存取控制服务提供统一的数据访问、存取控制接口，以一致的方式进行不同数据库操作;服务质量管理对数据服务质量进行综合管理，支持服务质量的定制。

数据传输服务主要对无线通信进行控制管理，保证实时数据及时发送，包括信息收发、无线通信链路管理、实时数据分发、链路状态监控和综合控制与管理等。

3. 4作战业务流程组织框架

业务流程组织框架主要包括业务流程服务以及联合作业支持。作战业务流程服务需通过对流程进行定义、执行、管理和协调，将业务流程中工作如何组织协调在一起的规则进行抽象，分离了业务处理逻辑、业务交互逻辑和执行者，主要包括流程定义、流程仿真、流程建模、运行引擎和管理工具等几个模块，

联合作业支持则主要包括联合作业定义、联合作业部署、联合作业管理、联合作业评估4个功能模块。主要对编队级作业提供专用的联合作战支撑，以联合态势感知、联合目标识别、联合攻击为主要支撑内容。

因此，可以利用用于网络服务的来完成现场可配置的作战业务流程编制服务。作业流程组织的对象是基础作业组件，基础作业组件包括控制信息、数据信息、作战模型、服务或任务等。显示出了工作流引擎与上述四者的关系，以及工作流引擎的主要行为，即引用模型、维护控制信息、使用数据信息、分解任务列表。

4结语

建设具备一体化综合集成能力的海上信息系统是一项复杂、艰巨的系统工程，涵盖了多种系统和资源，涉及到多种理论和技术，如何更好地运用这些技术，提高信息系统综合集成的灵活性、适应性、动态性、开放性，为海军电子信息装备建设提供技术支撑，还有许多问题有待深入挖掘和研究。只有加强体系结构和顶层设计的研究，才能够建立一个陆、海、空、天、信息的多维的信息化装备体系，才能够有效地配置和管理作战资源，才能够快速提升信息系统的整体作战效能。