面向软件定义的C4ISR 系统资源建模方法研究 *

张兆晨，毛少杰，闫晶晶，毛晓彬

（中国电科第二十八研究所 信息系统工程重点实验室，江苏 南京 210046）

0 引言

未来智能化作战［1-2］要求C4ISR（command，control，communication，computer，intelligence，surveillanie，reconnaissance）系统具备即时构建、敏捷适变能力［3-4］。美军提出“马赛克”战略，目标是通过作战要素分布式组合运用，实现系统能力快速聚合［5-8］，构建形成自适应杀伤网［9］。软件定义技术［10-11］是实现“马赛克化”系统构建模式［12］的一种有效途径。美国战略与国际问题研究中心CSIS（center for strategic and international studies）在2022 年《软件定义战争：国防部构建向数字时代转型的架构》［13］报告中指出，在装备数字化基础上，通过软件集成传感器/武器，按需定义系统功能/流程，能够使得大型复杂系统部署成本更低、作战决策更高效、目标打击更精准。实现软件定义的C4ISR 系统构建，其首要问题是建立一套全新资源表征方法和模型，规范系统“元要素”构建，支持资源可识别、可定义、可组合。

1 资源建模基本原理

软件定义的C4ISR 系统构建的技术原理是通过引入控制层将任务层和资源层解耦，以编程方式灵活调度资源能力满足作战任务需求，其基本过程是：

（1） 资源组合规划。任务层向控制层下发能力需求，控制层获取资源层的资源状态及可共享的能力参数，并将资源可共享的能力与系统能力需求匹配，形成资源组合方案。

（2）资源组合运行。C4ISR 系统资源的组合运行主要表现为信息流交互。控制层依据资源组合方案，向资源层下发信息流控制指令，实现系统构建运行。

（3）资源运行监控。控制层采集资源状态信息，分析系统能力需求与当前能力水平的差距，控制层生成系统调整策略和信息流控制指令，下发资源层执行，持续保障任务完成。

因此，可定义的资源模型对下对接资源实体，抽象资源可被感知、可受控的参数；对上为控制层提供资源规划、信息流控制等模型参数，建模的基本原理如图1 所示。

图1 可定义的资源建模原理Fig. 1 Definable resource modeling principle

基于以上原理，提出可定义的系统资源表征建模过程，如图2 所示。首先构建资源概念模型，定义资源基本概念，从多视角建立分类框架；然后分析模型要素，分析支持软件定义的资源参数框架，形成模型框架；接着构建参考模型，结合各类资源特点，对接控制层对其感知、管控要求，建立可定义的资源模型参数；最后实例化建模，结合典型任务场景，设计资源组合关系，基于参考模型对各类资源具体参数进行实例化模型构建，验证模型可行性。

图2 可定义的资源建模过程Fig. 2 Definable resource modeling process

2 构建资源概念模型

2.1 定义资源基本概念

资源是构建C4ISR 系统和形成指控能力的基础组件。未来马赛克化系统构建模式要求能够对跨域、多层级、多粒度资源组合运用。因此，可定义的资源形态应当包括软硬件结合的系统、平台、功能部件以及软件系统、功能模块等。

2.2 构建资源分类框架

美国战略与国际问题研究中心2021 年的《作战网络与未来力量》［14］报告将未来作战网络分为传感、通信、处理、决策和行动5 类要素，本文资源分类比其考虑更精细。分别从作战、系统、技术3 个视角［15］建立分类框架。

（1） 作战。基于OODA 的作战指挥流程分析，系统资源需要涵盖传感探测、情报处理、决策控制、火力打击资源。

（2） 系统。C4ISR 系统在功能组成上包含应用层、服务层和基础支撑层。应用层包括指挥系统以及传感器、武器应用端系统；服务层包括情报处理、指挥控制等业务服务系统；基础支撑层包括通信网络、计算存储设施。因此可抽象提出传感探测、情报处理、决策控制、火力打击资源，以及通信、计算环境资源。

（3） 技术。面向跨军种、跨代系统之间互联互通互操作需求，需要一类交互适配资源。

综上，C4ISR 系统资源包括以下类型：

（1） 传感探测（observer，O）资源：侦察探测战场空间各类目标特征的功能载体，其形态主要为软硬件结合的系统、平台、功能部件。

（2） 情报处理（processor，P）资源：能够对多个信源的目标信息进行关联、融合的功能载体，其形态主要为软件系统、软件模块。

（3） 决策控制（decision maker，D）资源：生成作战方案并对作战力量实施指挥控制的功能载体，其形态主要为软件系统、软件模块。

（4） 火力打击（actor，A）资源：根据控制指令，执行目标打击行动的功能载体，其形态主要为软硬件结合的系统、平台、功能部件。

（5） 通信（communication，C）资源：能够对信息传输、转发的功能载体，分为有线通信资源、无线通信资源，其形态主要为软硬件结合的系统、平台、功能部件。

（6） 交互适配（link，L）资源：实现两个资源之间信息协议转换的功能载体，其形态可以是软硬件结合的设备，也可以是功能软件。

（7） 计算环境（running，R）资源：为系统运行、计算存储提供基础软硬件的功能载体，包括操作系统等基础软件以及计算存储硬件，其形态主要为软硬件结合的平台。

3 分析资源模型要素

为保证资源模型的全面性，同时满足可定义的技术要求，模型要素一方面沿用传统资源模型基础参数，包括标识、组织、任务、状态等；另一方面，围绕软件定义资源之间的信息流实现能力组合运用，从信息流受控、能力开放共享的方面提出可定义的资源特有参数，包括信息流控制、能力要素控制、交互能力控制参数。模型框架如图3所示。

图3 资源模型框架Fig. 3 Resource model framework

下面主要针对可定义的资源参数进行描述：

（1） 信息流控制参数。描述业务信息的产生资源向业务信息的使用资源发送相关业务信息的控制参数，控制参数用［起始资源ID，目的资源ID，起始资源端口号，目的资源端口号，应用协议，信息流类型］表示，支持转换为计算机代码，实现可编程控制。需要说明的是，只有产生、使用业务信息的资源才具备该类参数。

（2） 能力要素控制参数。描述可被控制层感知、能够与其他资源共享与协作的能力参数，用功能/性能指标描述。针对不同类型资源，具体共享的能力参数不同，将在资源参考模型中进行描述。

（3） 交互能力控制参数。描述可被控制层配置的资源之间信息交互接口参数，包括通信接口、应用接口等。

4 构建资源参考模型

在模型要素框架的指导下，结合资源分类框架中的各类资源特点，构建资源参考模型。其中，基础参数与模型框架一致，本章节主要结合各类资源信息流控制需求、能力共享方式等，针对支持可定义的参数进行详细描述。

4.1 O 资源

O 资源参考模型如图4 所示。

图4 O 资源模型Fig. 4 Observer （O） resource model

可通过控制层对O 资源产生的目标探测信息流进行控制，实现与其他资源的协作，因此，信息流控制参数是可定义的参数之一，具体参数见第3 节。

O 资源可与其他资源共享协作的能力主要是目标探测能力。目标探测能力的控制参数包括探测范围（如探测距离、方位角度范围等）、探测精度（如方位角精度、速度精度等）、探测效率（如天线转速、最大跟踪目标数等）、工作方式（如扫描、跟踪等）、工作频段等。

交互能力控制参数用［接口类型，接口速率，传输协议，应用协议］表示。由于O 资源形态主要是软硬结合的部件，因此，接口类型包括以太网接口、串口、并口等。若采用IP 方式通信，则还应当包含IP地址参数。

4.2 P 资源

P 资源参考模型如图5 所示。

图5 P 资源模型Fig. 5 Processer （P） resource model

可通过控制层对P 资源产生的情报处理信息流进行控制，实现与其他资源的协作，因此，信息流控制参数是可定义的参数之一，具体参数见第3 节。

P 资源可与其他资源共享协作的能力主要是情报处理能力。情报处理能力的控制参数包括处理速率、处理精度、处理规模。

交互能力控制参数用［接口类型，接口速率，传输协议，应用协议］表示。由于P 资源形态主要是软件，因此，接口类型包括文件共享、数据库共享、消息队列等。

4.3 D 资源

D 资源参考模型如图6 所示。

图6 D 资源模型Fig. 6 Decision maker （D） resource model

可通过控制层对D 资源产生的方案计划、指挥控制等信息流进行控制，实现与其他资源的协作，因此，信息流控制参数是可定义的参数之一，具体参数见第3 节。

D 资源可与其他资源共享协作的能力主要是态势处理、决策和行动控制能力。态势处理能力的控制参数包括态势生成速率、态势更新周期、态势目标容量、态势分析准确率等。决策能力的控制参数包括方案/计划生成时间、任务规划目标容量等。行动控制能力的控制参数包括控制距离、控制容量、指令生成时间等。

交互能力控制参数与P 资源类似。

4.4 A 资源

A 资源参考模型如图7 所示。

图7 A 资源模型Fig. 7 Actor （A） resource model

可通过控制层对A 资源产生的武器状态等信息流进行控制，实现与其他资源的协同，因此，信息流控制参数是可定义的参数之一，具体参数见第3 节。

A 资源可与其他资源共享协作的能力主要是目标瞄准能力、杀伤能力。目标瞄准能力的控制参数包括火控雷达探测范围、探测精度（如距离精度、方位角精度等）、探测效率（如最大跟踪目标数、扫描周期等）、工作方式（如搜索、跟踪等）、工作频段等。杀伤能力的控制参数包括杀伤范围、杀伤效率、杀伤类型等。

交互能力控制参数与O 资源类似。

4.5 C 资源

C 资源参考模型如图8 所示。

图8 C 资源模型Fig. 8 Communication（C）resource model

由于C 资源主要是对信息转发、传输等，不涉及业务信息的产生、使用，以及业务能力的共享，因此，支持可定义的参数主要是交互能力控制参数，包括有线通信能力、无线通信能力、组网能力。有线通信能力的控制参数用［接口类型，接口速率，传输协议］表示。由于C 资源形态主要是软硬结合的部件，因此，接口类型包括串口、并口等。若采用IP方式通信，则还应当包含IP 地址参数。无线通信能力的控制参数包括通信距离、工作频段、带宽、传输速率、传输协议等。组网能力的控制参数包括路由协议、IP 地址等。

4.6 L 资源

L 资源参考模型如图9 所示。

图9 L 资源模型Fig. 9 Link （L） resource model

由于L 资源主要是对信息协议转换，不涉及业务信息的产生、使用，以及业务能力的共享，因此，支持可定义的参数主要是交互能力控制参数，包括协议转换能力、信息接口能力。协议转换能力的控制参数包括转换协议类型、协议转换平均速率。信息接口能力的控制参数用接口类型、接口速率、传输协议表示。由于L 资源的形态是软硬件结合的设备或功能软件，因此，接口类型包括串口、并口、文件共享、消息队列等。若采用IP 方式通信，则还应当包含IP 地址参数。

4.7 R 资源

R 资源参考模型如图10 所示。

图10 R 资源模型Fig. 10 Running （R） resource model

由于R 资源主要是支撑软件系统运行，不涉及业务信息的产生、使用，因此，支持可定义的参数主要是能力要素控制和交互能力控制参数，不存在信息流控制参数。

能力要素控制参数包括硬件支撑能力、软件支撑能力。硬件支撑能力的控制参数包括服务器类型（如固定、车载等）、CPU 属性（如主频、核数等）、内存属性（如内存容量、频率等）、磁盘属性（如存储量等）。软件支撑能力的控制参数包括BIOS（basic input output system）类型、操作系统类型、数据库类型、基础数据类型等。

交互能力控制参数与O 资源类似。

5 资源实例化建模

5.1 典型场景

结合典型防空作战场景，运用Model Designer 体系结构设计工具，对各类资源参考模型进行实例化建模。红方作战节点包括指挥所、情报中心、地面雷达站、战斗机，通信节点包括地面路由节点、地面电台站。红方地面雷达对蓝方来袭目标进行预警探测，将探测信息送到情报中心，情报中心进行情报处理，发送给指挥所，指挥所生成控制指令，控制战斗机对目标实施拦截。业务逻辑关系如图11 所示。

图11 作战节点的业务逻辑图Fig. 11 Operational node business logic

5.2 资源组合关系设计

依据作战节点业务逻辑，基于资源参考模型，分析各节点上部署的资源类型以及资源的物理、逻辑组合关系。节点资源部署如表1 所示。

表1 节点资源部署Table 1 Resource deployment list on node

资源逻辑组合关系包括指挥控制关系、情报保障关系，如图12所示。存在逻辑组合关系的资源主要业务是信息产生、处理相关资源，包括O，P，D，A类资源。

图12 资源逻辑组合关系图Fig. 12 Resource logical combination

在资源物理组合关系包括有线IP 组网连接关系、无线电台连接关系、软件部署关系，如图13 所示。以战斗机为例说明物理组合关系，机载指控系统软件部署在机载计算环境上，机载计算环境、导弹系统、协议转换系统、交换机、机载电台通信系统之间通过有线IP 组网连接，机载电台通信系统与地面电台站的电台通信系统通过无线电台网连接。

图13 资源物理组合关系图Fig. 13 Resource physical combination

5.3 资源实例化模型构建

本案例选取指挥所的指控系统、地面雷达站的雷达系统、地面路由节点的路由器、战斗机的协议转换系统资源为示例，对支持可定义参数进行实例化说明。

指挥所的指控系统是D 类资源，其模型如表2所示。信息流控制参数配置指挥所指控系统向机载指控系统发送控制指令。能力要素控制参数支持对态势更新周期、航路规划时间、指挥引导容量等指挥控制能力的配置。交互能力控制参数配置指控系统软件与机载指控系统外部资源的信息交互接口。上述参数的配置，能够实现基于软件定义方式的指控资源之间能力组合运用。

表2 指控系统模型Table 2 Command and control system（D）model

地面雷达站的雷达系统是O 类资源，其模型如表3 所示。信息流控制参数配置雷达系统向情报处理系统报送雷情。能力要素控制参数支持对探测距离、跟踪目标数、工作方式等目标探测能力的配置。交互能力控制参数配置雷达系统与情报处理系统外部资源的信息交互接口。上述参数的配置，能够实现基于软件定义方式的探测资源与处理资源能力组合运用。

表3 雷达系统模型Table 3 Radar （O） model

地面路由节点的路由器是C 类资源，其模型如表4 所示。交互能力控制参数支持地面路由节点的有线通信能力和组网能力的配置，包括有线接口类型、接口速率、传输协议、地面网络组网的路由协议、IP 地址。上述参数的配置，能够实现基于软件定义的通信资源交互能力在线控制。

表4 路由器模型Table 4 Router （C） model

战斗机的协议转换系统是L 类资源，其模型如表5 所示。交互能力控制参数包括协议转换能力、信息接口能力。协议转换能力控制参数支持指挥所指控系统与战斗机的机载指控系统、导弹系统之间的应用协议转换配置。信息接口能力控制参数支持协议转换系统与外部资源信息交互接口的配置。

表5 协议转换系统模型Table 5 Protocol conversion system （L） model

6 结束语

本文以C4ISR 系统资源灵活组合运用为目标，基于软件定义技术理念，以资源能力共享和受控使用为核心，创新提出一套可定义的资源表征方法及参考模型，能够为未来马赛克化的系统资源构建提供有效指导。