作战系统互操作性与XML的应用研究

1 引 言

在海上信息化战争中，多兵种联合作战将在海、陆、空、天、电磁五维空间展开，过去各军兵种“烟囱式”的作战体系已经不能适应新的瞬息万变、错综复杂的战场环境。当今世界各国都非常重视军事信息系统的互连、互通和互操作问题。海军C4ISR系统实现一体化最本质的要求是，各系统之间必须是互连的、信息必须是互通共享的、应用上必须是互操作的。

互连的目的是为了解决通信子网的异构性问题，产生一个对作战任务而言单一的通信子网，它与C4ISR系统的网络特性密切相关。互通要解决端系统之间的通信及协作问题，产生一个对作战任务“透明”的系统。互操作则使整个C4ISR系统成为一个整体，各分系统间相互提供一致的服务支持，并有效地协同工作。显然，互连是互通的基础，互连、互通又是互操作的前提，而互操作则是最终目标。XML技术的应用将有助于改进作战系统的互操作性。

2 互操作性

2.1 定义

美国国防部军事术语词典从作战和技术两个层面给出了互操作性的定义。

作战互操作性是指系统、设备或部队向(从)另一系统、设备或部队提供(获得)服务的能力，基于这些能力使得它们之间能有效地协同工作。

技术互操作性是指通信电子系统之间或通信电子设备的各组成单元之间直接进行满意的数据和信息交换的能力。技术互操作性是作战互操作性的基础，它从技术的层面来考察互操作性，规定的是系统(而不是组织)之间的关系。

从工程实现角度，互操作性主要强调系统间应用的互操作能力，主要包括：作战文电的联合生成、传送、修改、反馈，作战态势图的联合生成、显示、更新，系统间的协同标绘等，最终的目标是实现联合作战的能力。

系统间达到大规模和一致的互操作要求统一的管理、构造和操作实践，仅靠技术革新(XML或其他)是不够的，还必须同时关注追求组织互操作性(如图1)，知识/感知层提供技术互操作性到组织互操作性的过渡。

图1 技术互操作性和组织互操作性

2.2 信息系统互操作性级别

信息系统互操作性级别是美国国防部C4ISR工作组的工作成果，它开始于1993年，发布于1998年。LISI分析了信息系统之间存在的普遍的互操作需求，根据系统间信息交互的复杂性、交互的特点以及需要完成的功能，定义逻辑上应用于系统之间交互和共享信息的“成熟度”的5个互操作性级别。如表1，每个较高互操作级别与下一级别相比，都提供了更好的系统交互性能[1]。

表1 LISI定义的5个互操作性级别

LISI是对信息系统互操作性进行定义、评估、测量和评定的一个过程，采用了一种通用的参考框架和性能测量，应用于整个信息系统的生命周期。

2.3 互操作性属性

LISI渐进的级别越来越代表了复杂的用户能力和支持这些能力的相关计算环境。在每个成熟等级内，有许多因素影响着信息系统互操作的能力。LISI把这些因素分成4个关键属性：过程(Procedure)、应用(Application)、基础设施(Infrastructure)和数据(Data)，一起简称为PAID。PAID提供了一种方法学来对LISI内每个渐进复杂性级别的信息与服务的交换中所需的特征集进行定义与识别。如图2所示，为了彻底对互操作性进行评估，有必要把PAID应用到LISI的每个级别(0～4)。

图2 LISI的互操作性属性

互操作性的数据属性的重点是由系统处理的信息，该属性对数据格式(语法)及其内容或含义(语义)进行处理。它包括所有的数据形式，它们支持每一级系统操作——从操作系统和通信基础设施到最终的用户应用程序。数据属性包含了所有各种信息样式和格式：自由文本、格式化文本、数据库、视频、声音、图像、图形等。因此，数据属性可以理解为是获得系统互操作性的最关键的方面。

3 XML与互操作性

可扩展标记语言XML(eXtensible Markup Language)是无处不在的互联网技术之一。XML标准常用于：1)开发者建立数据和接口；2)团体进行交流的标准化数据共享和转换；3)用户获得改进的互操作性[2]。

1998年W3C发布XML 1.0标准，如今围绕XML已经出现了非常多的标准和产品(图3)。XML推动了以Web Service为代表的第3次Web技术革命(TCP/IP/HTTP/XML/SOAP)。

XML文档本质上是保存信息的结构化载体，具有可扩展、自描述的性质，并且结构、内容和表现分开。XML实现了数据独立性，与编程语言、操作系统或者传输协议无关。XML已经成为一种流行和通用的数据格式，使用这种数据表示格式使数据具有良好的可共享性和重用性。

图3 XML协议簇

3.1 XML与数据建模

数据就是对事实的描述，信息是对数据的有效解释。我们发现数据元素的过程决定了当前它们之间的关联方式及定义方式，从而在将来可以识别和使用这些数据，这个过程就称为数据建模。数据建模提供了描述真实世界信息需求的方法和手段，便于相关人员的理解和沟通；同时，使数据库设计者能够根据这些信息需求定义来实现数据库。在美国国防部发布的体系结构框架规范(DoDAF)中，要求对于每个体系结构产品，都必须根据CADM(Core Architecture Data Model)来定义体系结构数据，利用IDEF1X描述数据类型及其相互关系，目的是促进C4ISR的互操作性[3]。

数据模型具有自顶向下的4个层次：分类、概念上的、逻辑的和物理的。E-R(实体-关系模型)、IDEF1X、UML和XML等都是有效的建模方法，它们对于不同的层次各有优劣。通常还要权衡2个因素：一方面是获取绝对精确的定义，另一方面是便于与用户沟通。

无论是需要长期存储的永久性数据，还是在子系统之间传输的消息，都适用于XML文档来表示。同时，XML Schema(模式)定义和描述XML文档的结构和数据类型，也就是说具有数据建模的能力，提供对XML文档结构及内容的约束和解释。另外，其他数据建模方法也可以很方便地映射为XML实现。例如,首先借助UML的图形化能力建立概念模型和逻辑模型以便于沟通用户，然后映射为XML模式，最终采用XML表示数据。如图4所示是逻辑模型的一部分，采用XML模式表示“目标指示”命令的结构； 图5是一个XML文档表示目标指示命令的示例。

图4 XML模式表示“目标指示”的结构

图5 XML文档表示目标指示命令

3.2 XML与接口

2个系统交换数据的能力依赖一定的接口连接，通常将数据转换成统一的中间格式，提供了有限的互操作能力。通过接口连接的系统在数据交换中可能存在潜在的精确性或数据丢失。使用互操作性执行数据交换不需要转换到中间格式，如军用文电消息格式，这是互操作性与接口连接之间的重要区别。集成需要解决互相连接的部件间的兼容性问题，试图允许通用资源、数据的共享，而不需要从一种格式转换到另一种格式。XML语言具有如下几个突出的优点：

• 不仅可以表达数据的内容，而且可表达数据的结构；

• 针对特定的应用，开发人员可创建特定的数据类型；

• 以XML为中介，可以在不同的系统之间交换异构的结构化数据；

• 有助于结构化数据和非结构化数据的集成。

正是XML语言具有的这些优点，使得它本质上十分适合作为不同应用之间的数据交换格式[4]。如图6所示，使用基于XML的数据交换格式(DIF)，有助于减少系统两两之间的成对的接口。从(a)到(b)的转变，代表了未来作战系统集成设计的方向，对于缩短作战系统研制周期及增强互操作性具有重要意义。

图6 系统间的数据接口形式

以典型导弹驱逐舰为例，其作战系统由多个分系统构成，包括导航系统、雷达、指控系统、通信系统、舰舰导弹、舰空导弹、舰炮、电子战系统以及辅助设备等[5]。系统(设备)两两之间的内部接口众多，其中部分采用模拟信号连接，多数通过数字接口和网络连接。各种应用程序之间使用自定义的协议交换信息，涉及到很多种信息单元格式。作战系统技术设计阶段和系泊航行试验阶段的工作内容，主要集中在这些接口的设计、协调和测试，工作量大、头绪繁多。

如果把XML作为接口设计的基础，以XML为核心来实现信息的处理、传输和存储，将使很多工作得到简化并提高系统集成的效率。例如，借助XML模式可以得到精确的数据模型，一个XML Schema(.xsd文件)即可替代接口协议中对数据的各种文字描述，并有助于消除歧义；对数据内容有效性的判断(XML文档是否符合模式的定义)可以自动完成，从而节省大量检查数据有效性的代码。

3.3 XML与软件体系结构

系统开发的时候，重点不是构件而是接口和信息交换。当然，肯定需要有人来设计构件和子系统，也需要有一个好的外观。但是最重要的是每个功能模块能够很好地工作并交换信息。XML和Web服务成为集成及互操作性的范例，与其管理数百个成对的接口和交换数千种专用信息，不如采用新的软件体系结构并转移到“发布—订阅”环境，使合适的用户得到XML中的信息。就像一条总线而不是点对点的连线。如果这种方法在军用和商用软件开发中得到更广泛的应用，用户就能够获得更多的互操作性。

由于XML文件特别适合“发布—订阅”模式的运行环境，基于XML的数据交换可以用于新的作战系统软件体系结构。系统与系统之间实现共享XML文件的途径很多，例如XML文件可以放在通过战术网络访问的数据库中，或者“推”给用户，或者由用户在需要的时候“拉”回来。

数据分发服务采用以数据为中心的发布—订阅机制，提供了一个与平台无关的数据传输模型，确保正确有效地传输信息给适当的接收者。它允许应用程序实时发布其拥有的信息，并订阅其需要的信息，较好地处理了不可靠网络通信中数据的自动发现、可靠性和冗余性等问题[6]。

3.4 相关研究和应用

未来怎样做到更好的信息交换？当然，总会需要一些人工交换，人与人之间的交流和人对机器的控制仍然存在。然而大多数信息交换都可以转换为XML格式，从而进行更好的人对机器的交流或者更充分的自动化数据交换。

例如，对于美军及其联军来说，美国消息文本格式(USMTF)是联合兵力之间交换信息的标准格式，该标准给出了一种定义消息的方式。XML-MTF小组已经创建了XML-MTF Schema和文档规范给美国军方和联合兵力使用。这些现存的格式都已经支持XML，而这仅仅是第一步，因为更困难的工作是如何连接数据库、减少所使用的消息和数据元素的数量，并通过XML传递这些信息。

因此，美军当前和开发中的系统必须既有消息传递又有数据库接口。美国空军还要求所有的系统必须有XML接口。同样地这也只能是第一步，因为真正需要完成的是减少两两之间的接口，使它们支持XML只是个开始。

为了促进数据共享和互操作性，美国国防部国防信息系统局(DISA)建立了DoD元数据注册库(MDR)，XML Gallery是其中的关键部分，其中包括DII-COE相关的XML元素、属性等元数据定义。公共操作环境(DII-COE)是1993年美国国防部组织建立的联合开发基础体系结构。DII-COE设计的目的是减少美国国防部系统的不兼容性问题，增加系统的互操作性、可重用性和集成能力。获得授权的软件开发者访问MDR即可获得有关生成和使用XML数据的指南，保证在使用XML表达信息时保持一致的词汇和语法。

4 结 论

未来的海上战争正在实现从平台中心作战向网络中心作战的转变，多平台、多节点相互封闭、纵向的作战体系向开放的、横向的作战体系转变。未来的作战系统必须以互操作性为目标，才能支持联合作战和信息作战，获取战场的主动权。

对未来的系统来说，集成和互操作性特别重要。因此在系统设计中应该尽量减少专用接口和数据格式，广泛采用成熟商用技术COTS和标准，从而降低风险和成本，提高系统集成的效率。实现系统之间的信息交换是互操作性的关键，XML技术提供了一个比较理想的选择。应用基于XML的信息表达方式和数据格式，有助于减少成对的两两系统之间的接口。同时， 采用以数据为中心的发布—订阅机制，实现信息交换方式从点对点向信息总线转变，使作战系统的综合集成和互操作能力提高到新的水平。

[1] 王小非主编．海上网络战[M]．北京：国防工业出版社，2006.

[2] JOSEPH J,MOLITORIS. Use of COTS XML and web technology for current and future C2 systems[J]. IEEE,2003: 221-226.

[3] DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 1.5, Volume III: Architecture Data Description[S].DOD,2007,4.

[4] 徐享忠，王精业，蒋海滨．基于XML的数据交换格式及其应用[J]．计算机工程与设计,2003,24(5)：77-80.

[5] 闵绍荣．舰艇作战系统功能划分方法[J]．中国舰船研究，2007,2(5)：24-29.

[6] RTI Data Distribution Service: The Real-Time Publish-Subscribe Middleware User’s Manual V 4.1[G]. Real-Time Innovations, Inc,2006,5.