舰载作战系统数据集成设计与度量方法

董晓明 姚 晋 秦 克

中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

0 引 言

舰艇作战系统总体设计与集成可以分为网络集成、数据集成和应用集成3个层次，其中数据集成设计工作贯穿于作战系统的方案设计、技术设计和集成测试等各个阶段，其在作战系统体系结构的设计中处于核心位置，在系统集成堆栈中具有承上启下的作用。数据集成有助于确保作战系统各模块之间的数据共享和信息交换，提高模块的重用和互操作性，最终实现作战系统的应用集成和能力集成。

对数据集成设计来说，最重要的是接口，接口设计是作战系统集成设计的重点，包括数据格式、接口协议和信息传输机制等。在传统的舰艇作战系统研制过程中，需要通过大量的Word文档来定义各个系统设备两两之间信息交换的接口，易造成不同的接口协议内容重复、理解不一致等问题，并且还增加了根据接口协议进行软件开发、集成测试的难度。

从最初的C4ISR发展到后来的DoDAF（国防部体系结构框架），美国国防部采取分阶段的办法来指导体系结构的构建和系统集成，首先是开发数据模型，然后是基础设施，最后是应用［1］。

美国国防部开发的核心体系结构数据模型（CADM）是一个用来组织和描绘体系结构信息结构的手段，对于每个体系结构产品，其都要求必须根据CADM来定义体系结构数据，利用IDEF1X描述数据类型以及其相互关系［2-4］。从DoDAFV1.0的CADM到V2.0的DM 2，美国国防部体系结构框架的核心是以数据为中心，更加重视采用通用化和标准化的方法描述体系结构数据。为了更好地进行信息交换，大多数数据都可以转换为XML格式，从而进行更好的人机交流或更充分的自动化数据交换。

美军一贯重视采用信息基础设施支持异构系统的信息共享和互操作能力。最新型的DDG 1000级多用途驱逐舰就是采用全舰计算环境（TSCE）作为作战系统的重要基础，通过全舰计算环境基础设施而形成一个开放、虚拟的计算环境，所有计算资源统一调度管理，能为其他应用组件和功能领域提供服务。目前，美军已全面转向面向服务架构（SOA），同时大量采用商用成熟技术（COTS）实现开放架构的系统。

本文的研究目标是运用建模与仿真技术支持作战系统的数据集成设计和评估，图1所示为整体的研究思路及主要研究内容之间的关系。通过开展基于可扩展标记语言（XML）的作战系统数据建模，以模型驱动的思想为指导初步建立新的作战系统数据集成方法和框架，开发辅助设计工具并建立作战系统元数据注册库，以数据模型为中心进行数据集成设计和体系结构度量，并能支持快速生成仿真系统，从而为下一步基于仿真的效能评估打下基础。

1 作战系统接口设计和数据集成

1.1 存在的问题

作战系统的接口设计首先需要考虑两个方面的问题，一是接口信息如何表示，二是如何建立接口连接。

图1 主要研究内容之间的关系Fig.1 Relationshipsbetween contents of thispaper

作战系统接口信息的发展过程为信号级—数据级—元数据级，表示信息的层次越来越高，越来越接近人的理解，并逐步实现数据与元数据的分离。

在接口设计过程中，最直观的表现就是信息格式的定义。目前的方法是在接口协议中使用文字描述，而没有对信息进行建模。对分系统的开发者来说，元数据埋藏在程序代码的字里行间，接口协议的微小改变或者软件实现的任何失误都会给调试与维护带来很大的麻烦。为了提高数据集成的水平，要求元数据像真实数据一样被集成，就必须实现数据与元数据的分离。未来，更会朝着面向语义的信息迈进。

作战系统接口连接的发展趋势是点对点连接—两两之间网络连接—无连接（总线），接口双方建立连接的层次越来越高。所谓点对点连接，是建立在电缆直连上的物理层连接；网络连接是双方在发送报文之前建立的网络套接字逻辑连接；而无连接则是指信源在发布消息之前，不需要专门去考虑建立连接的事情，只需根据应用的需要在合适的时刻把合适的消息发布出去即可（计算环境或基础设施负责提供网络连接和路由）。

作战系统的接口设计与集成方式仍然存在着一些问题。首先是接口信息没有模型化，数据与元数据没有分离。由于作战系统的协议内容主要是文字描述，因而容易造成理解上的歧义，导致集成测试的问题较多。其次，是接口复杂。作战系统的分系统（设备）两两之间接口众多，其中部分是采用模拟信号连接，多数是通过数字接口与网络连接。例如，某型舰载作战系统有十几个分系统，上百个对接口关系，那么整个系统的研制过程便会形成几千份技术文件和图纸，设计周期长达8～12年。作战系统设计和试验阶段的工作内容主要是集中在这些接口的设计、协调与测试上，不仅工作量大，维护难度也大，而且这种数据集成设计还会造成分系统为紧耦合，不利于实现应用集成和互操作。

1.2 通用数据交换格式

两个系统交换数据的能力依赖于一定的接口连接，通常，将数据转换成统一的中间格式能提供有限的互操作能力。使用数据交换格式（DIF）有助于减少系统两两之间成对的接口（pairwise interfaces），这是未来作战系统集成设计的趋势之一，对于缩短作战系统研制周期并增强互操作性具有重要意义［5］。

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模式定义（XSD）可以得到精确的数据模型，一个XSD文件即可替代接口协议中对数据的各种文字描述，有助于消除歧义，另外，对XML格式数据内容有效性的判断也可以自动完成，从而能节省大量检查数据有效性的软件代码。也就是说，通过作战系统数据模型可以解决上节提到的第一个问题。

1.3 基于总线的集成

系统开发的重点不是构件而是接口，必须确保每个功能模块都能很好地工作并交换信息。与其管理数百个成对的接口，交换数千种专用信息，还不如采用新的软件体系结构并转移到“发布/订阅”环境，使合适的用户得到合适的信息。

数据分发服务（DDS）是对象管理组织（ObjectManagement Group，OMG）有关分布式实时系统中数据分发的一个规范（2004年12月发布），该规范标准化了分布式实时系统中数据发布、传递和接收的接口与行为，定义了以数据为中心的发布/订阅机制，从而形成了一条实时数据总线。

系统集成体系结构的发展方向之一，是由两两之间的点对点连接转变为总线连接。对于SOA来说，通常采用企业服务总线（ESB）来实现应用连接和信息传输。ESB的核心功能包括：自动匹配服务提供者和服务消费者、不同传输协议之间的转换及不同消息格式之间的转换。

2 作战系统数据建模及元数据管理

2.1 基于XM L的作战系统数据建模方法

作战系统数据集成涉及两种类型的数据：第一种是原始数据，即系统所需要的实际信息；第二种是元数据（metadata），用于为原始数据提供上下文环境。对于集成而言，元数据很关键，它表达的是所集成数据的意义。对数据交换起决定作用的是数据元素的结构特征，当数据从一个进程转移到另一个进程时，收到数据的进程必须完全理解数据的格式、可能的值域以及数据之间的关系。

UML（统一建模语言）、XML、IDEF1X和E-R（实体—关系模型）等都是有效的建模方法，其数据模型具有自顶向下的3个层次，即概念的、逻辑的和物理的。与数据模型的层次对应，数据建模的过程也可以分为3个阶段进行［6］：

第1阶段，在概念模型层次主要使用UML类描述数据模型的静态结构。其主要目的是借助UML定义一致的事物名称和术语，实现不同用户群体之间准确的沟通。

第2阶段，使用XML模式描述结构与数据类型，相当于逻辑模型的层次。第1阶段使用UML建立的概念模型能够很方便地映射为XML模式，既可手工完成，也可以利用工具自动完成。XML模式提供对XML文档的结构和内容的约束与解释。

第3阶段，考虑具体的数据如何表示、存储和传输。XML文档本质上是保存信息的结构化载体，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，都适于用XML文档表示。

2.2 元数据注册库与数据模型模板

UML和XML也是元数据的两大标准，用来规范化、标准化元数据的表示与交换，从而实现跨平台、跨工具的元数据共享。元数据的标准化关系到信息的发现与资源的共享，是有效利用信息资源的保障。国外在元数据方面已进行了大量研究，目前存在的元数据标准就有几十种［7-8］。美国国防部建立了DoD元数据注册系统（https：//metadata.dod.mil/），其中包括与国防信息基础设施公共操作环境（DII-COE）相关的XML元素、属性等元数据定义，减少了不兼容性问题，增加了系统的互操作性、可重用性和集成能力。

在一家组织机构或一群组织机构内部，每当必须协调一致地使用数据时，就需要建立元数据注册系统（Metadata Registry，MDR）进行元数据的管理。元数据管理是指对元数据的浏览、添加、删除、修改、下载和查询等数据管理的基本操作，元数据注册系统是存储和维护元数据定义的中枢部位。

为了明确定义元数据注册库的结构，借鉴了高层体系结构（HLA）的对象模型模板（OMT）方法。HLA的核心思想是互操作和重用，要求采用对象模型来描述联邦和联邦成员以及相关的数据。HLA对象模型是通过填写对象模型模板完成。HLA 1.3的对象模型模板由9个表格组成［9］，需要专门的对象模型开发工具（OMDT）来完成OMT的设计。IEEE 1516版本的对象模型模板有较大的变化，同时还使用了更为通用的XML文档来表示［10］。基于对象模型模板，HLA仿真程序设计人员按照其规定的格式创建联邦和联邦对象模型，即可完成数据建模，并在运行时在基础设施（RTI）的基础上实现数据集成。

通过分析现有的作战系统接口协议文档，可抽象得出作战系统接口协议的数据模型模板（DMT），也即描述作战系统的数据模型所需要的数据——元数据。

数据模型模板由XSD文件表示，其中定义了作战系统的型号项目、二级系统、上网节点、接口规格、消息报文、信息单元、数据字段等元素之间的结构关系，以及用来约束每个元素的详细信息，例如，数据字段的名称、类型、长度、最大值、最小值等［11］。这些元素构成了DMT的7个表，按照模板填写即可得到作战系统的数据模型。

2.3 作战系统接口协议辅助设计软件

本文在作战系统数据建模与元数据管理技术研究的基础上，设计并实现了作战系统接口协议辅助设计软件。该软件的设计目标是将现有及未来的作战系统接口协议相关数据模型化，利用元数据管理技术辅助作战系统接口协议的设计，从而提高作战系统研制开发的效率。

作战系统接口协议辅助设计软件的主要功能是构建作战系统元数据注册库，软件采用浏览器/服务器结构和XML技术，提供基于Web表单的用户界面。用户通过客户端浏览器填写表单，利用AJAX技术提交作战系统接口协议元数据，并操作管理元数据注册库，然后，服务器便根据用户的请求完成数据库的访问，并处理、返回数据。通过XML数据库实现作战系统元数据的统一管理，根据元数据注册库的内容，借助可扩展样式表语言转换（XSLT）技术，即可生成作战系统接口协议文档。

数据模型模板是整个软件设计的核心，其决定了用户界面（表单）的样子和元数据注册库的结构，因而也就决定了后面进行样式转换的输入。

建立元数据注册库之后，该软件便可利用元数据开展作战系统数据集成设计。除了能转换生成多种格式的接口协议文档外，还可提供元数据的统计信息，以及转换生成作战系统进行接口信息仿真开发所需的数据模型文件和源代码框架等，从而辅助实现数据模型驱动的度量与开发。

3 数据模型驱动的度量与开发

数据模型在作战系统的集成与仿真开发方面起着很大作用。基于模型驱动的方法，数据模型的修改能自动反映到设计的各个阶段，例如，更新接口协议、更新度量统计数据、更新仿真模型、更新仿真系统的实现代码等。

3.1 基于数据模型的作战系统体系结构模块化度量评估方法

体系结构的分析和评估是一个较新的研究领域，许多研究组织提出了众多结构化的评估方法，可以分为两类：定性分析方法和定量分析方法［12-13］。体系结构定量分析方面的工作目前仍处于成形阶段，比较常见的是针对系统规模、复杂度、控制层次（扇入和扇出）、耦合度、环复杂度和复用度等指标的测度［14-15］。

美国国防部体系结构框架（DoDAF）的发展与体系结构评估技术密切相关，可以说，体系结构的度量是DoDAF的根本要求。DoDAF给出了一些有助于项目经理识别和定位风险的基于体系结构的指标，例如，项目完成情况、体系结构的规模、复杂度和互操作性，以及稳定性等方面的指标。一个完整的体系结构描述应该包括通过定义性能度量（MOP）来评估信息系统的效果与进步，并在作战视图中说明效能度量（MOE）。

目前，针对作战系统体系结构评估的研究比较缺乏，在设计过程中，大多是依靠经验判断和定性分析。然而任何工程学科都必然要经历从定性到定量的认识过程，本文的目标是借鉴计算机体系结构量化研究方法和软件工程方法，通过定量的测度来提供作战系统体系结构的评估机制，从而指导、优化设计。

首先，以数据集成为重点，研究提出作战系统体系结构的度量。针对作战系统体系结构的模块化特性，尝试选取了分系统数量、节点数量、接口数量、信息单元数量和作战流程环复杂度这5个直接度量，并衍生得出4个比例度量，包括功能分布性、集成复杂度、数据耦合度和信息能力成熟度等，具体的分析可参见文献［16］。

其次，结合数据模型研究获取度量值的方法，也就是测量的具体方法。在作战系统数据建模的基础上，作战系统接口协议辅助设计软件提供了项目数据的统计功能，可以从作战系统元数据注册库中获得详细统计信息，自动进行度量的计算，从而实现基于模型的体系结构度量。

统计信息在HTML页面中是以表格的形式显示，所有统计信息都是根据元数据注册库的内容通过样式转换而生成。本文根据度量的需求，设计出了相应的XSLT文件，然后以XSLT文件和元数据注册库的XML文档作为XSLT引擎的输入，即可得到项目度量的值。如果用户提交了新的元数据，这些统计数据就会随之改变。

3.2 模型驱动的作战系统接口仿真开发

作战系统效能评估需要强大的分布仿真能力，未来仿真开发的规模和工作量会越来越大。模型驱动的仿真开发技术能有力地支持仿真系统的快速开发，提高系统设计效率。

作战系统的仿真是一个循序渐进的过程，随着仿真规模的扩大，所涉及的子系统增多，接口关系越来越复杂。实现仿真系统的基本问题是有效的消息交互，而基于XML数据模型的作战系统仿真开发技术能有效解决这个问题。本文从分析典型的物理消息格式和传输方式入手，设计了作战系统通用消息解析器以及通用消息仿真界面。

3.2.1 物理消息格式

前面主要关注的是采用XSD文件描述的逻辑数据模型。在具体的编程环境中，当分系统需要发送或接收消息报文时，就必须要考虑消息的物理表达方式，也就是物理消息格式。一般来说，物理消息格式可以分为3种：XML、CWF和TDS。CWF（Custom W ire Format）是一种对定长消息的格式定义，消息本身不包含任何格式信息，接口双方必须事先规定每个字段的起始位置和长度，例如，TCP/IP报文或者自定义的二进制消息报文。TDS（Tagged/Delimited String）是由标记或分隔符将消息元素分开的文本字符串，必须定义字段名和分隔符的识别规则，例如，常见的CVS（逗号分隔的字符串）格式。XML格式则是自定义的，既定义了消息元素的分隔，也定义了消息元素的字段名称。

3.2.2 物理消息的传输

作战系统数据集成设计一方面要考虑物理消息的格式，另一方面还要考虑物理消息的传输协议，如DDS或HTTP/SOAP。用户数据是作战系统接口协议定义的若干信息单元，在消息报文的传输过程中，会依次添加应用层、传输层、网络层和数据链路层的协议头，接收端则需要反向层层剥离协议头，最终得到用户数据。

3.2.3 通用消息解析器

应用程序之间使用特定的消息格式进行信息交换，就需要针对其物理消息格式实现专门的消息解析程序，如果消息格式有变化，消息解析程序也必须随之修改，因而会带来较大的开发负担。

设计通用消息解析器的目的是降低与接口信息有关的软件开发维护成本，其基本思想是，不同的物理消息格式首先转换为一种通用的消息格式，然后，通用消息解析器再根据逻辑数据模型对消息进行解析，即可得到用户数据。图2所示为通用消息解析器的设计结构。

图2 通用消息解析器的结构Fig.2 Structure of the commonmessage parser

通用消息格式采用的是XML形式，要做到消息的表达与开发平台和编程语言无关。XML格式的消息包含了数据和元数据，虽然比较冗余，但表达十分清晰，更重要的是XML通用消息格式可以根据相应的XSD逻辑数据模型进行有效性验证。由于有关消息结构和内容的所有约束都定义在了XSD文件中，因此，解析器的代码可大大简化，没有必要再去对信息单元的每个数据字段进行有效性检查，直接取得其值即可进行处理和显示。

通用解析器软件的实现方案有两种：第1种是一边解析XML通用消息格式，一边解析XSD文件，对照着逻辑数据模型，将消息中的数据取出来。这种方式的优点是动态、灵活，消息格式的变化只需要修改XSD文件，解析器本身可保持不变，缺点是解析器的代码复杂，动态解析数据模型的负担较重，会影响消息的解析效率。

第2种方案是根据XSD逻辑数据模型转换生成解析器的代码，在执行的时候直接解析XML消息从而得到数据。这种方案虽然效率较高，但XSD文件改变之后需要重新生成解析器的代码。

目前，这两种方案均已初步实现并已应用于某作战系统模拟器的开发中。

4 结 语

对舰载作战系统来说，集成优化设计特别重要。为了提高作战系统的数据集成能力，未来的作战系统将采用商用成熟技术构建一个开放的集成环境，同时改进作战系统的设计方法，降低研制风险和成本，提高系统集成的效率和水平。

数据集成设计最重要的是接口，在系统设计中，应尽量减少专用接口和数据格式。实现系统之间的信息交换是互操作性的关键，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集成技术，实现信息交换方式从点对点向总线的转变，可使作战系统的数据集成和互操作能力提高至新的水平。

为了使建模与仿真在作战系统的研制中更好地发挥作用，有必要逐步建立完善基于仿真的设计体系。通过模型的重用产生备选设计方案，快速实现仿真系统，并在进行仿真试验评估之后修改模型，生成新的方案，如此迭代反复。

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