基于功能软件包的作战系统集成优化设计

马永龙海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉430064

基于功能软件包的作战系统集成优化设计

马永龙
海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉430064

为适应水面舰艇使命任务多元化需求，减少舰艇作战系统规模扩大与载舰总体资源有限的矛盾，提出一种基于功能软件包的作战系统集成优化设计方法，以提升基础资源集成共用和信息开放共享的程度，提高可靠性和生命力，支持根据作战任务灵活使用。介绍功能软件集成架构，描述功能软件包设计和系统集成管理技术，并开展原理验证试验。试验结果表明，基于功能软件包的作战系统集成优化设计技术可行，满足作战系统功能层面要求，为作战系统电子武器装备集成提供了可行的解决方案。

作战系统；集成优化；功能软件包

0　引言

海上战争向多维空间对抗发展，对水面舰艇提出了使命任务多元化需求。为同时满足多项使命任务需求，舰艇作战系统配置的电子武器装备种类不断增加，规模日益扩大，与有限的载舰吨位、空间、人员保障以及全寿命期维护和升级之间的矛盾日益突出，急需开展系统集成优化设计。

目前，针对水面舰艇集成优化需求，在舰船总体层面开展了顶层设计理念和原则、总体布置、隐身性与装备形态等研究［1-2］；在作战系统层面开展了开放式体系结构、任务流程、设计流程等研究［3-5］；在电子武器装备层面开展了射频前端共用［6-7］、武器共架发射等研究［8-10］。

在作战系统开放式体系结构下，基于共用基础软硬件资源，针对应用软件层面的集成优化，本文拟提出一种基于功能软件包的系统集成优化设计方法。本文将构建功能软件集成框架，对作战系统所属功能进行细化分解，设计典型的功能软件包，提出系统集成管理方法；并在作战系统原理验证环境下，对基于功能软件包的系统集成优化设计方法的技术可行性进行原理验证。

1　系统体系结构优化设计

作战系统开放式体系结构和基础软硬件的标准化、通用化，是基于功能软件包的系统集成优化的基础。

在传统作战系统体系结构中，是以雷达、电子战、导弹、鱼雷、舰炮、作战保障等分系统为集成单元，各分系统间的基础资源难以共用、信息共享程度低，不能支持功能灵活部署和重构。借鉴面向服务的舰艇作战系统集成框架［3］等研究成果，对作战系统体系结构进行优化设计，如图1所示。

图1　作战系统体系结构优化示意图Fig.1 An optimized architecture of combatsystem

作战系统体系结构优化后，主要分为信息获取、显示控制与计算处理、武器发射控制与发射3大部分。信息获取部分包括雷达、电子战、通信等射频设备的天线（阵面）及信号收发处理控制，以及声呐等设备基阵及信号收发处理控制、光电等设备光学探头/传感器及信号收发处理控制，此部分应利用射频、光频集成共用相关研究成果［7］，开展集成优化；武器发射控制与发射部分，包括各类舰空导弹、反舰导弹、鱼雷、舰炮、干扰弹的发射控制以及发射装置及弹药，此部分应利用武器共架发射相关研究成果，开展集成优化［8-10］；显示控制与计算处理，主要包括作战系统各类传感器、指挥控制、武器及作战保障设备的显示与人机交互、信息处理、辅助决策和解算处理控制，主要依托电子信息装备实现相应的功能。

本文主要针对体系结构中显示控制与计算处理部分，研究在通用基础软、硬件上，基于功能软件包的作战系统集成优化设计方法。

2　功能软件包设计与集成

作战系统显示控制与计算处理对应传感器、指挥控制、武器交战、作战保障等不同的应用，集成优化需对各类应用构建功能软件集成框架，按照集成框架为不同的应用设计功能软件包、作战系统设计集成管理软件和对各应用的功能软件包进行统一的集成管理。

2.1功能软件集成框架

按照基础硬件、基础软件和功能软件3个层次，构建功能软件集成框架，如图2所示。

基础硬件层包括显示控制、计算处理、信息传输等设备，遵循标准化和通用化原则。显示控制设备通过加载不同的基础软件和功能软件，支撑雷达、指挥控制、武器等不同应用的信息显示和人机交互控制；计算处理设备提供可扩展的、高性能的计算处理功能，通过加载不同的基础软件和功能软件，支持传感器信息处理与控制，指挥控制系统融合处理、威胁判断、辅助决策，武器解算与控制等功能应用；信息传输设备包括网络交换机、网络管理等设备，提供安全、可靠的数据传输通道，支撑数据、语音、图像等多业务一体化传输，满足各系统间的信息交互需求。

基础软件包括操作系统（含硬件驱动程序）、通信中间件等软件。操作系统包括运行于硬件层计算机之上的各种类型的操作系统，包括TCP/IP协议和各类外围设备驱动程序。中间件是位于操作系统和应用软件之间的软件，实现各种类型操作系统和应用程序之间的消息通信和资源共享，如数据分发、CORBA、显示中间件、消息中间件等。

功能软件开发、部署在基础软件之上，分为通用功能软件和专用功能软件。通用功能软件指多个传感器、指挥控制、武器等会使用到的软件功能，如显示控制框架、时间同步、态势标绘等；专用功能软件指传感器、指挥控制、武器等各功能系统专用的处理软件，如雷达信息处理，指挥控制系统威胁判断、辅助决策，武器系统火控解算等功能软件以及各武器的显示控制插件模块。

针对显示控制功能，设计显示控制集成框架，基于统一的接口与规范，规定了用户界面应用程序的整体结构，并规定了不同的显示控制界面插件载入集成框架的方式。按照作战系统显示信息内容和形式、人机交互控制对象等特点，将显示控制集成框架分为图形信息显示、表页信息显示、图标显示、人机控制等插件模块，分别对应各分系统原有的显示和人机交互控制功能。

图2　功能软件集成框架Fig.2 integration architecture of function software

针对计算处理功能，采用计算资源虚拟化技术，支撑异构的功能软件，满足不同电子武器装备多样化的计算处理需求。基于高性能的处理平台，利用虚拟机监视器软件完成硬件虚拟化，在一个处理硬件上创建多个虚拟机，可以分别部署Windows，VXworks等不同的操作系统和功能软件，提高资源利用率，并可支持故障时的功能备份重构。

2.2功能软件包

基于上述功能软件集成框架，将作战系统的各种功能软件分类，形成功能软件包，支持作战系统的集成优化。按照“显示控制与处理分离”的思想，功能软件包分为显示控制功能软件和处理功能软件2大类。在显示控制功能软件中，分为显示控制框架、表页显示、图形显示、状态显示、公共信息显示、人机交互控制显示、重要信息提示显示等；处理功能软件包括信息处理和控制解算处理2大类。在上述功能软件中，通用功能软件，如显示控制框架、时间同步、导航、海图、态势标绘等，形成通用功能软件包，与基础软件一起在各基础硬件设备上统一部署。专用功能软件，按不同的应用方向分类形成功能软件包，支持灵活的扩展。例如：雷达目标图形显示、目标表页显示、工作状态显示、系统工作模式和参数设置、雷达信号与数据处理、时间能量资源管理等，形成雷达功能软件包；武器交战进程显示、状态显示、人工控制、诸元解算、航路规划等，形成相应武器的功能软件包。作战系统从各雷达、声呐、指挥控制、导弹、舰炮等系统的功能软件包中提取相应的软件模块，按照功能软件集成框架，加载到相应的基础硬件设备。

2.3系统集成管理

基于功能软件包的作战系统集成优化，需要系统层面对基础硬件、其他基础软件和应用软件的统一分配、管理与部署，主要包括状态监控、计算资源虚拟化、功能软件部署、安全控制等。作战系统通过资源管理软件，实现以上功能。

状态监控管理为用户提供对系统中显示控制设备和计算处理设备进行资源监视的功能，包括各台设备主机的网络连接状况、各设备的资源消耗情况和各设备上功能软件的运行状态，同时提供分系统查看和按位置查看等多种分类显示模式。监控管理中的状态信息实时显示，反映系统中设备的当前运行情况。

计算资源虚拟化管理为计算处理设备创建、销毁虚拟机，对分配的虚拟机提供应用迁移和故障恢复等功能。由于虚拟主机都运行在计算处理设备的物理主机之上，其物理资源负载状况会直接或间接影响虚拟机的运行，因此在系统的运行过程中需有应用迁移、故障恢复等功能，使系统中的物理主机实现负载均衡。应用迁移功能确保在计算处理设备的物理主机资源紧缺的时候能将其运行的部分虚拟机迁移到其他物理主机上，从而保证这些虚拟机都有足够的硬件资源来支撑其运行。故障恢复功能为计算处理设备的虚拟机建立一个备份，以在原虚拟机所在的物理主机发生故障后，能在另外一台物理主机上恢复虚拟机的运行。

功能软件部署管理首先按功能基础框架，将不同的功能软件包分类提取软件模块，导入软件资源库，并进行版本管理、分类管理、更新管理、配置管理；然后根据集成优化需求，为各功能软件分配相应的显示控制、计算处理设备，将相应软件远程加载到已分配硬件上部署运行。

安全控制管理可以为系统软件资源提供访问控制手段，并完成用户安全配置管理。用户在系统中使用显示控制设备进行人机交互操作时，需要登录认证，认证的过程在安全管理模块进行。安全角色认证是指对用户输入的用户名、密码进行认证，对用户角色和操作权限进行授权，只有用户输入的信息都正确才能启动。软件启动后，会根据该用户的角色动态加载对应的操作界面；安全管理模块将自动记录应用软件的使用情况，包括时间、使用者姓名、应用软件名以及认证结果等信息，并提供用户认证信息、角色权限的管理和配置。

3　集成优化原理验证

针对前述基于功能软件包的系统集成优化设计方法，以作战系统雷达、指挥控制、导弹武器等典型应用为背景，构建原理验证系统，开展技术可行性原理验证。

3.1验证系统构建

原理验证系统由雷达、指挥控制、导弹武器的显示控制和计算处理等组成，如图3所示，形成作战系统对空方面作战的任务通道。

图3　原理验证系统组成示意图Fig.3 Composition ofprinciple verification system

验证系统显示控制基础硬件采用商用PC机与液晶显示器的配置组合，基础软件包括操作系统和运行支持软件，操作系统统一采用Linux，运行支持软件由显示控制应用软件运行所需要的各类库文件组成；计算处理基础硬件采用基于X86架构的机架式/刀片式服务器承载信息级计算处理的需求，基础软件包括操作系统、驱动程序和中间件，操作系统统一采用Linux，驱动程序实现操作系统与硬件设备之间的正常通信。

验证系统功能软件包括通用功能软件包、雷达功能软件包、指挥控制功能软件包、导弹武器功能软件包。通用功能软件包含时间同步、数据记录、海图显示、态势标绘等软件模块，默认部署于各显示控制台。雷达功能软件包含雷达扫描、航迹显示、目标信息表页、设备状态、任务资源使用、设备操控等模块，以及航迹处理等模块，前者默认部署于雷达1显示控制台，后者部署于任务处理服务器。指挥控制功能软件包括：态势图形、目标表页和批号对照、系统状态、传感器管理、目标管理、目标指示、作战干预等模块，以及目标融合、威胁判断等模块，前者默认部署于指挥控制台，后者部署于任务处理服务器。导弹武器功能软件包含：导弹目标运动显示、打击目标列表、交战控制和干预、工作状态和交战状态等模块，以及导弹诸元解算等模块，前者默认部署于导弹武器控制台，后者部属于任务处理服务器。

3.2验证系统信息流程

原理验证系统信息流程设计如图4所示。

1）态势驱动设备通过系统协议规定格式向雷达任务处理模块发送目标模拟航迹等信息。

2）雷达任务处理模块向雷达显示控制台、指挥控制台发送原始航迹信息。

3）目标融合处理模块进行目标融合和属性识别，并向指挥控制台、威胁判断处理模块发送融合目标信息。

图4　原理验证系统信息流程Fig.4 Flow chartof information process in principle verification system

4）威胁判断处理模块向指挥控制台发送所有目标威胁判断结果。

5）威胁判断处理模块向导弹武器控制台、武器解算处理模块发送高威胁目标信息。武器解算处理模块可提前进行预解算，生成预计拦截点、剩余反应时间等参数。

6）武器解算处理模块按设定的周期向指挥控制台、导弹武器控制台发送预计拦截点、剩余决策时间等解算结果。指挥控制台可结合态势信息，显示预解算参数信息，支撑指挥员决策；导弹武器控制台可显示高威胁目标，提示操作员做好交战准备。

7）指挥控制台向导弹武器控制台、武器解算处理模块、目标融合处理模块发送目标指示。

8）目标融合处理模块向武器解算处理模块、指挥控制台、导弹武器控制台发送已决策打击的目标信息。

9）武器解算处理模块进行解算，向指挥控制台、导弹武器控制台发送诸元和交战状态信息。

3.3验证项目与实施过程

1）功能软件集成试验。

在构建的原理验证系统运行环境下，利用资源管理设备将通用功能软件包和雷达、指挥控制、武器系统专用功能软件包导入软件资源库，为各应用软件分配硬件设备资源，并远程加载部署，在态势驱动下，检查是否正常运行。

2）基于角色的显示控制界面动态加载试验。

以基于任务—角色的访问控制技术为基础，建立用户—角色—界面对应关系矩阵。选取情报操作、武器控制2类用户角色对应的用户作为验证对象，测试以不同用户登录并进行身份认证授权后，其加载的显示控制界面是否与用户—角色—界面矩阵内容相匹配，当用户退出当前显示控制界面时，是否能正常清除用户信息。

3）状态监控和故障恢复试验。

在系统运行中，通过资源管理设备监视各功能应用所在计算处理设备的资源使用情况（状态）和各功能软件的运行状态。模拟雷达、指挥控制或武器的功能软件故障，检查功能软件切换时间和武器通道恢复时间，验证冗余热备份设计的典型武器通道的抗毁性。

3.4验证结论

通过本试验，验证了基于功能软件包的作战系统集成优化设计的技术可行性。基于开放式体系结构和共用基础硬件，以功能软件包的形式导入不同应用，按照功能软件集成框架，构建作战系统显示控制和计算处理功能；可以根据用户角色和权限定义，自动加载相应的显示控制界面；能够监视系统运行状态，在部分模块运行故障时，能够通过功能软件的迁移实现故障恢复。

4　结语

本文提出了一种基于功能软件包的作战系统集成优化设计方法，提出了功能软件集成框架，描述了作战系统传感器、指挥控制、武器等不同系统的显示控制和计算处理功能软件包的设计与集成管理方法，并开展了原理验证试验。

在作战系统体系结构优化和通用基础硬件的支持下，采用基于功能软件包的集成优化方法，可以：提高不同分系统间显示控制和计算处理硬件资源的集成共用和信息开放共享程度；支持战损、故障时的功能快速迁移和重构恢复，提高可靠性与生命力；可按需调整基础资源分配和功能软件部署，提高作战使用灵活性；支持新功能应用的快速植入，提高系统扩展升级能力；有利于装备批量建造时系统快速集成，降低建造成本和周期。

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［责任编辑：易基圣］

In tegration and optimization of the combat system design based on a package of function software

MAYong long Wuhan Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Wuhan 430064，China

In order to meet the demand of multi-mission operation of surface ships and to reduce the contradiction between the growth of combat system equipment and ship's overall limited resources，a combat system integration and optimization scheme based on a package of function software is presented in this paper.The proposed scheme enhances the level of resource integration and improves the reliability and viability of the system；meanwhile，it also supports operational flexibility during combat.Specifically，this paper presents the integration architecture of the function software，introducing the design of the function software package as well as the system integration management technology.Then，theoretical verification tests are conducted，whose results show that the proposed integration and optimization scheme is both effective and feasible.In brief，it satisfies the functional demand of the combat system and provides a novel solution for the integration of combat systems.

combat system；integration and optimization；package of function software

U674.7+03.5

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.04.016

2015-05-13网络出版时间：2015-7-29 9:23:49

国家部委基金资助项目

马永龙，男，1974年生，硕士，工程师。研究方向：舰船电子信息系统。E-mail：qhq@mail.ustc.edu.cn