网络化作战指挥控制系统软件体系结构研究*

王刚，岳韶华，李延磊，付强，余晓东

(空军工程大学防空反导学院，陕西西安 710051)

0 引言

分布式网络化指挥控制(command and control，C2)系统是未来指挥控制系统的发展趋势，是网络化作战系统适应空防体系对抗需要、建立扁平式指挥体系的基础［1］。其中，战术级指挥控制系统是网络化作战条件下分布式指挥控制系统的核心环节和重要支撑，既保证了战术层次逻辑上实时高效集中指挥控制和物理上作战单元节点指控中心的接替备份，又最大限度地保证了所属火力单元指控节点的分散式指挥控制，大大提高了网络化作战系统的抗毁能力和作战指挥效能。

指挥控制系统软件作为战术级指挥控制系统的核心和灵魂，实现了战术级网络化作战系统的指挥、控制、通信和作战管理功能［2-3］。由于在指挥控制对象的数量和类型、系统内信息处理的容量和类型以及作战模式上都大大增多，战术级指挥控制系统软件的复杂性也大大增加。一方面从功能上对于网络化作战战术级指挥控制系统软件的指挥控制、信息处理、辅助决策、节点管理等提出了更高的要求，另一方面对指挥控制系统软件的设计、开发以及软件的可靠性和可维护性提出了更高的要求。

需求分析与软件体系结构设计是软件生命周期的2个关键活动，其中网络化作战需求分析和软件功能需求分析是网络化作战战术级指挥控制系统软件设计、开发的前提和基础;软件体系结构则确定了指挥控制软件系统的整体结构、层次划分以及不同部分之间的协作等核心内容。因此，本文首先系统分析网络化作战战术级指控系统作战需求和软件功能需求，在此基础上，深入探讨网络化作战战术级指挥控制系统软件体系结构的分析和设计。

1 网络化作战指控系统需求分析

1.1 作战需求分析

分布式网络化作战战术级指挥控制系统主要完成多型混编火力单元网络化作战指挥控制、情报信息处理、指挥信息处理、作战指挥辅助决策、模拟训练、系统维护等功能。

指挥控制对象包括战术级传感器、火力单元级多型传感器、火力拦截设备、通信设备、电子对抗设备等。分布式网络指挥控制系统网络包括传感器层、网络指控层、网络火力层和网络通信层4部分。

(1)传感器层包括各型预警探测传感器、跟踪传感器等，主要负责区域空情信息的组网和分层处理。

(2)网络指挥控制层完成指挥信息处理、实时/非实时辅助决策以及分布式指挥控制功能。

(3)火力层主要包括多型混编火力拦截武器系统控制。

(4)网络通信层主要完成网络节点间的通信规划与路由控制功能。

拦截武器平台所属传感器——跟踪雷达，配属于特定的武器系统，具有信息获取和拦截制导双重功能，使得传感器层和火力层有所重叠。由于武器系统作战任务优先级高，因此，武器平台所属传感器资源一般不用于综合配置，但可以相互之间进行高精度信息组网，提高组网协同交战能力，通过深度交链，形成战术级体系作战能力。

在组网作战状态下，必须要依靠网络化战术级指挥控制系统的各级指控节点相互协作，实现对网内的各种受控对象进行统一的协调与控制，才能有效地完成复杂空情下的网络化作战任务［4］。因此，网络化作战指控系统相对于传统的指挥控制系统，除具有传统的指挥控制、信息处理功能外，还具有以下特点:

(1)指控中心节点可动态转移的网络化结构，生存能力较强;

(2)一体化设计，可相互替代;

(3)实现了跟踪雷达信息的共享，数据处理的精度和实时性更高;

(4)提供了多种协同工作状态，作战指挥控制及辅助决策更加复杂;

(5)实现了与武器系统的深度交链，增强了对武器系统的控制能力，大大提高了系统整体对抗能力。

1.2 软件功能需求分析

网络化作战的本质是战场信息的共享和利用，特别是高精度、高速率、高实时性的跟踪雷达信息，正是由于跟踪雷达信息的异地可用性，使得网络化作战系统具备了数据支援、干扰定位等多种战术级网络化对抗手段。因此，网络化作战对网络指挥控制软件系统的集成功能提出了更高的要求。除了网络系统的物理集成，还需要高度的信息源集成和信息集成［5］。

(1)分布式信息源集成

利用分布式人工智能技术，以集成化方法构造在广度信息对抗空间中高效运作的信息资源集成体系结构，从软件上将分布式信息源集成为相互协作、优势互补的分布式信息获取体系，以满足网络化作战环境中激烈的信息对抗要求。

(2)信息集成

信息集成是指根据网络化作战需求，优化信息流程，实现信息流的动态管理，将各种信息收集起来，然后进行分类、整理、抽取、融合，获取有用的信息，提高信息可信度、可用度，最终为火力资源提供有力的信息支持。

分布式网络指挥控制系统的综合集成必须要依靠分布式网络指挥控制系统软件来实现，而首先就是要建立良好的分布式网络指挥控制系统软件体系结构。

2 网络化作战指控系统软件体系结构

2.1 指控节点分析与设计

指控节点是网络化作战指控系统的基本单元。基于上述网络化作战指控系统作战需求分析，建立如下分布式网络指挥控制系统指控节点体系架构，如图1所示。

为适应网络化作战中心节点转移和动态节点管理的需求，对分布式网络指挥控制系统指控节点进行如下设计:

(1)指控节点的一体化设计

由于在网络化作战系统内同时存在指挥信息、情报信息、节点状态等信息，指控中心节点动态转移对于各种信息的连续性和一致性提出了很高的要求，加之网络通信的不稳定性和通信速率的限制，实现指控中心节点动态转移功能具有较大的难度。

为此，对网络化作战指控节点软件进行一体化设计。采用相同的软件结构和软件配置。指控节点根据人工干预或自动判断当前节点的地位(中心节点或受控节点)，启用相应的指挥控制界面、使能与作战地位匹配的作战指挥控制功能等。

(2)分布式信息处理设计

分布式信息处理是指指挥、情报信息的分布式处理和存储。

为保证在受控节点升级为指控中心节点时能够不间断接替进行作战指挥，软件系统对影响作战指挥的主要信息采用分布式对等信息处理和存储方式，主要包括:指挥信息、情报信息和网络状态信息，确保中心节点转移后指挥、情报以及网络状态的连续性。

同时，为了降低网络流量，对网内信息格式进行优化处理，确保有重点、分时序信息传输。

(3)网络系统动态管理设计

为了动态管理入网、退网节点，达到“即插即用”，应在网络指挥控制软件建立全网节点应答机制，建立网络节点加入、正常/异常退出等网络报文协议，保证全网配置信息一致并实时通报和系统更新，保证作战指挥、射击指挥的正确性，系统具备根据信道情况和预先设定的顺序启动某节点作为指控中心节点的能力。

图1 指控节点体系架构Fig.1 Architecture of C2node

2.2 软件层次化分析与设计

诺贝尔奖获得者赫伯特.西蒙曾论述到:“要构造一门关于复杂系统的比较正规的理论，有一条路就是求助于层级理论。……我们可以期望，在一个复杂性必然是从简单性进化而来的世界中，复杂系统是层级结构的”。对于分布式网络指挥控制软件这样复杂的系统，分析层级和运用层级，是分析和构建分布式网络化指挥控制软件的基本原则。同时，软件体系结构的层次性是软件重用性和可移植性的基础。软件“重用”即同一个软件(模块)应用于多个系统，这使得新系统软件开发成本大大降低，使维护费用适度降低。

对于指挥控制系统而言，首先，各种指控系统之间高度的功能通用性，从高层次的应用通用性(作战指挥)到通用保障功能(自动报文处理)，直到更通用的功能(如人机界面)，这些领域都含有大量通用的子功能基础，为软件跨系统重用提供了充分的潜在空间。其次，面向对象分析、设计和编程的应用大大方便了指控系统用程序的移植重用。

网络化指挥控制系统软件的质量不仅关系到网络化作战系统的实用性、灵活性和完备性，而且直接影响到系统的可靠性和扩充重组能力。为此，采用多层次、组件化/模块化和面向对象设计方法，将网络指挥控制系统软件进行层次化分析和设计。

网络指挥控制系统软件可分为4个层次，由系统软件平台、支撑软件平台、指挥控制通用软件平台和分布式网络化指挥控制专用软件平台组成，如图2所示。

(1)指挥控制通用软件平台

指挥控制通用软件平台由具有一般指挥控制系统通用功能的软件组件(服务)构成。主要包括:通信控制软件、报文管理软件、数据融合软件、数据库操作软件、空情想定制作软件等。

(2)分布式网络化指挥控制系统软件专用平台

分布式网络化指挥控制系统软件专用平台由与网络化作战密切相关的作战应用软件组件(服务)构成，主要包括:人机交互软件、指挥信息处理软件、作战辅助决策软件、组网控制软件、作战训练软件、系统维护软件等。

2.3 面向服务架构的软件集成分析与设计

目前，指挥控制系统正处在逐步向网络化方向发展的转型时期，其组织应用模式、技术体制将发生巨大的变化。通过采用基于服务架构的指控服务包，动态构建网络化作战指控系统的方式，可以解决战术级指控系统对不同火力单元指控节点在技术层面上实现一体化的难题［6］。采取指控服务包动态构建一体化、网络化指控系统的方式，可以实现指控系统的动态重构和混编组网，从而实现由树状、金字塔式的指挥结构向扁平化、网络化的指挥结构转变。

图2 网络化指挥控制系统软件层次结构Fig.2 Architecture of network-centric C2system

(1)基于服务架构(service oriented architecture，SOA)的指控系统构建

面向服务架构的网络化作战指控系统实质上是以分布在网络上的各种指挥控制服务为基础，并依据实际任务的需要，将所需的各种服务进行有机组合，并通过松耦合的方式实现服务间的互相调用、交互和协同，从而构成能进行互联互通互操作的网络化、一体化指控系统［7］。一个基于服务架构的网络化作战指控系统的构建框架如图3所示［8-9］。利用分层模式的描述方法有利于支持未来系统设计过程中的逐级抽象、具有较好可扩展性、支持系统复用等优点。

(2)指控服务包运用模型

指控服务包是指控网格中可以被发现的功能单元，是面向特定服务功能的服务集合。针对指控服务包的特点以及网络化作战指控系统的构建思路，给出一种指控服务包的应用模型，如图4所示。各种指控服务包部署在指挥信息系统网格相应的节点上，并提供标准的访问接口供用户调用，各级指控系统依据具体的任务需求，使用所需的指控服务包动态构建相应的指挥控制逻辑功能。这些指控服务包可能隶属于不同的层次，存在于不同的地域，但都是网格上的某个节点，都可以通过标准的接口随时随地地进行访问。只要具有相应的权限调用这些信息服务，那么就可以按指挥控制流程的要求，将这些服务进行有机组合，以满足网络化作战指挥控制的需求。

图3 基于服务的指控系统架构Fig.3 Architecture of C2system based on SOA

指控服务包是不间断运行的，网络化作战单位通过“按需服务”获得这些服务，然后实现在通用平台上的“即插即用”。一旦不需要该服务，则解除绑定。当系统中有新的资源或功能时，它将同样被封装为指控服务包供使用者调用。这种基于SOA构建的通用指控系统，通过实时的网格信息共享，以及灵活的动态构建模式，有效地加快了指挥作战的节奏，提高了面向联合作战任务的灵活性，增强了网络化作战节点之间的协同作战能力和指挥能力。

2.4 指控系统软件通信协议层次化分析与设计

分布式网络化指挥控制系统软件通信协议的设计是分布式网络化指挥控制系统软件体系结构设计的一个重要组成部分［10］。综合考虑组网雷达、指控节点的工作特点，传输目标信息的实时性要求，传输指挥命令信息的可靠性要求，协议的可扩充性要求等，进行通信协议的分层设计。

信息传输状态分为实时状态与非实时状态。

(1)实时状态

数据信息与控制信息组合成报文，按照跟踪传感器工作周期(整数倍)传输，信息的长度尽可能少。

(2)非实时状态

根据需要不定期传输控制与状态信息，此时要利用数据链路层链路探询与应答报文检测链路连通性。数据信息、状态显示信息的传输无需回复;对于重要的一次性信息，如控制指令等需要采用状态回复机制，增强信息传输可靠性。

图4 指控服务包运用模型Fig.4 Model of C2system service application

通信协议可以分为3层:数据链路层协议、表示层协议和业务层协议。

(1)数据链路层协议

针对组网设备数据传输特点，为有效地利用有限通信资源，缩短通信延迟时间，制定简洁短小的数据链路层协议。

(2)表示层协议

报文由若干子信息块组合构成，信息语句长度及组合形式报文标识码唯一确定。对重要的状态位及语句编号采用双位表示，提高信息的可靠性。

(3)业务层协议

定义控制关系和发送控制指令及回传确认的机制。对于有明确定义的回复报文，接收端在接收到控制指令后以约定的报文回复确认;对于没有明确定义回复报文的控制指令，接收端以回传当前状态作为回复，以便发送端及时了解指令执行情况。

3 结束语

技术决定战术，指挥手段决定指挥方式。随着信息技术的日益发展，分布式网络化指挥控制系统将成为未来指挥控制系统的发展趋势。

作为网络指挥控制系统核心和灵魂的分布式网络化指挥控制系统软件，既保证了网络化作战系统逻辑上实时高效集中指挥，又保证了物理上作战单元级指控中心的备份，大大提高了网络化作战系统的抗毁能力和作战指挥效能，已经成为网络化作战指挥的“效能倍增器”。因此，加强和重视分布式网络化指挥控制系统软件体系结构研究，提高分布式网络化指挥控制系统软件的可靠性、可维护性和可重用性，保证分布式网络化指挥控制系统软件分析、设计和开发全过程的质量，是信息化作战条件下指挥控制系统建设的紧迫需求，是作战指挥手段历史发展的必然。必须要坚持需求牵引、技术创新的发展原则，妥善处理好当前与长远、战术与技术、全局与局部、作战与训练的关系，把分布式网络化指挥控制系统软件的建设建立在立足现有装备手段、实现优化作战指挥的基础之上，最大限度地挖掘分布式网络指挥控制系统的潜能。

［1］ 李春立.提高指挥效能应向软件要效益［N］.解放军报，2006-11-21(11).LI Chun-li.Enhance Commanding Efficiency from Demanding Software for Benefit［N］.Liberation Army Daily，2006-11-21(11).

［2］ Stephen J Andriole.指控系统工程先进技术［M］.刘山，姜海格，康立军，译.北京:国防工业出版社，2005.Stephen J Andriole.Advanced Technology for Command and Control Systems Engineering［M］.LIU Shan，JIANG Hai-ge，KANG Li-jun，Translated.Beijing:National Defense Industry Press，2005.

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［4］ 武思军，宋晋敏.多层反导武器指控系统体系结构及信息需求［C］∥2006军事电子信息学术会议论文集，2006:1046-1050.WU Si-jun，SONG Jin-min.Architecture and Information Demand on Multi-Layer Anti-Missile Command and Control［C］∥2006 Military Electrical Information Learned Disquisitions，2006:1046-1050.

［5］ 王刚.区域防空反导网络化作战系统综合集成研究［D］.西安:空军工程大学大学，2003.WANG Gang.Study on Meta-Synthesis and Optimization of Zone Air Defense Networked Warfare System［D］.Xi＇an:Air Force Engineering University ，2003.

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［8］ 皇甫先鹏.基于服务的指挥控制能力包的构建方法研究［D］.长沙:国防科技大学，2008.HUANG-FU Xian-peng.Research on Command and Control Capability Package Construction Method Based on Service［D］.Changsha:National University of Defense Technology，2008.

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