舰艇作战系统信息模型研究

井小沛，汪厚祥

(海军工程大学电子工程学院，湖北 武汉 430033)

0 引言

随着海军舰艇作战系统发展的日益更新，应用领域的迅速扩展，作战需求的不断提高，其软件规模和复杂性急剧扩大，自动化程度越来越高，作用也日益重要。因此，舰艇作战系统所受到的威胁也越来越多。目前，舰艇作战系统信息安全面临的主要威胁有内部窃密、信息截取和攻击等。对此，需采取必要的技术手段防止敌方的入侵和破坏，还要对从内部对已经入侵的行为采取必要的措施，探测内部的非法恶意操作和外部的网络入侵企图，对已实施的入侵及时发出警报并做出反应。因此，建立舰船作战系统入侵检测机制就十分必要。为了更好地建立入侵检测机制，必须进行舰船作战系统模型研究，通过对舰艇作战系统体系结构进行研究，明确舰艇作战系统体系结构的内涵，提出舰艇作战系统体系结构的概念框架，建立反映系统信息结构和信息处理的模型，这对入侵检测机制的建立极其重要，这也是本文研究的目的。

1 舰艇作战系统功能组成

舰艇作战系统主要采用分布式结构［1］，用分布式计算机系统来完成作战指挥和武器控制功能。在分布式系统中，将小型机或微机构成的处理机分布在多处，并将相应的功能分配到每一处处理机。例如，搜索雷达、声呐、跟踪雷达、各种口径火炮、舰艇导弹等，皆各有自己的信息处理机。通过数据总线把分布于各处的本地资源变为系统的全局资源，使系统任一部分所具有的信息，通过标准化、通用化的硬件设备、软件及接口，为系统的相互备用创造条件。典型的舰艇作战系统结构组成如图1所示。

图1 舰艇作战系统组成示意图Fig.1 The system structure of naval ships combat systems

根据舰艇作战系统的组织结构，可以分析出一般舰艇作战系统的主要任务如下［2］:

1)对空战，即击毁敌人的飞机以及由飞机、水上、水下或陆基平台发射的空中目标。

2)对海战，即击毁或者打击敌人的战斗舰艇和商船。

3)反潜战，即击毁或者打击敌人的潜艇。

4)电子战，即探测无线电波并对其分类，对敌目标实施电子战。

5)指挥和控制部队以及己方舰艇的通信和与通信相关的设施。

本文将以舰艇对空防御功能为例，详细介绍舰船作战系统对空防御功能的信息建模设计实现过程。

2 舰艇作战系统信息模型设计与实现

作战系统所包含的信息一方面是组成单元(子系统、装备、设备等)本身的信息，另一方面是在组成单元构成整体即在作战系统集成的过程中产生的新信息(应该包含要素之间、子系统之间、层次之间、系统与环境之间合理有效的信息联系、信息交换、信息操作)［3］。

作战系统包含的信息相当丰富，建立信息模型的目的是为了实现信息共享和更好地用于集成。作战系统信息模型主要刻画信息结构和信息处理。

2.1 信息模型的组成

信息模型主要分为数据模型和动态模型2种［4］。数据模型又称静态模型，侧重于描述系统的状态。即描述系统中对象的类型、特性以及对象之间的关系。当然，除了描述之外，还定义了这些对象一致的名称。动态模型侧重于描述对信息的处理，如处理模型和工作流程图表，数据流模型，以及对象生存周期历史。

2.2 舰艇作战系统信息模型

在舰艇作战系统信息模型的研究过程中，主要研究内容包括:

1)作战系统信息分类，定义元数据，也就是数据类型。

2)信息的表示方法。用面向对象的方法描述各种数据类型及其属性、相互关系。

3)信息流程的描述方法。

2.3 舰艇作战系统信息模型设计与实现

1)数据模型的建立

UML建立数据模型的具体步骤包括:准备工作、定义实体并分类、定义联系及定义属性［5］。建立模型之前要明确建模的目的和范围，收集相关信息和原材料。这里首先把消息报文作为建模的入口。

1个消息报文由若干个信息单元组成，1个信息单元由若干个数据项组成。可以用UML类图表达上述简单结构和关系［6］。消息报文、信息单元和数据项的组合关系如图2所示。

图2 消息报文、信息单元和数据项的组合关系Fig.2 The relation of message，information unit and data item

信息单元有很多种，因此信息单元可以作为1个抽象类，每个具体的信息单元都通过泛化关系成为信息单元的子类，并继承其特征。在图3的类图中暂时仅画出了7种典型的对空防御功能所需的信息单元:导航数据、航迹数据、声呐数据、目标指示命令、敌我识别命令、敌我识别反馈和通告。

图3 信息单元的类图Fig.3 The class diagram of information unit

数据项的种类更多。我们把前述7种信息单元用到的一部分数据作为数据项的子类画在类图中。其中数据值是一类具有共同特征的数据项，可以用单位(如m，kn，(°)等)和有效性(该数据项是否有效)这2个属性来表示。

数据值的子类包括角度、距离、速度、温度、相对湿度、信噪比等。角度、距离和速度作为抽象类，其子类比较多。例如，角度的子类包括航向、方位、仰角、纵摇角、横摇角、经度、纬度、目标相对航向、目标绝对航向等。并且它们都继承了父类的“数量单位”和“数据有效性”2个属性。数据值的类图如图4所示。

图4 数据值的类图Fig.4 The class diagram of data value

经以上分析可得到对空防御信息模型中的数据模型，如图5所示。它主要由目标对象及其属性、跟踪对象及其属性以及作战参数等内容构成。通过数据模型的建立，可以更好地了解对空防御过程中所需数据信息的属性和结构。

图5 CSMXP数据(部分信息单元)的数据模型Fig.5 The data model of CSMXP data

2)动态模型的建立

动态信息模型的建立可以使用UML顺序图。顺序图的主要目的是显示出一个特定交互涉及到的系统各部分之间事件的顺序。在顺序图中，参与者之间的消息传递隐含了它们的链接。顺序图描述用例的行为。通常与活动类的实例及它们的消息(信号的实例)一起建立，用于描述系统中活动类之间的消息［7］。

舰艇对空作战预警信息流程如图6所示。

根据对空作战的信息流程图，构建出对空作战的顺序图，图中详细描述对空作战预警过程中信息的流向以及各功能部件的作用，如图7所示。

图6 对空作战预警信息流程Fig.6 The flow chart of air defense information

模型中，操作通过指控系统像导弹发出预警指令，导弹进入准备工作，然后目标的各项数据通过电子对抗系统、红外警戒系统以及雷达系统等进入导弹控制中心，导弹自控系统将数据计算后反馈给操作员，操作员再根据情况对数据进行修正并将修正后的数据传回给导弹自控系统。

图7 对空预警防御顺序Fig.7 The sequence diagram of air defense

3 结语

舰艇作战系统是一个庞大的系统，系统功能复杂，信息流非常巨大，通过对舰艇作战系统的分析研究，从数据模型和动态模型2个方面建立了舰艇作战系统的信息模型。模型的建立不但有助于提高舰艇作战系统建模水平、优化舰艇作战系统，提高舰艇作战系统的开发效率，还有助于掌握舰艇作战系统信息模式，更好地了解系统特点，分析出系统的威胁来源。这为建立舰船作战系统入侵检测机制提供了宝贵的资源，为更合理更科学的分配检测器，提高检测效率，加强舰艇作战系统的安全提供了坚实的基础。

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