中国指挥与控制学会会刊 
随着信息技术和智能技术的发展,军用装备的信息化、智能化转型加快,加上体系对抗条件下的任务多样性发展,要求舰艇作战系统具备模块化、可组合、可重构等特性,保证系统需求可定义,硬件可重配,软件可重组,功能可重构,从而能根据任务需求和作战对象快速重构作战能力。为适应上述转变,舰艇作战系统须解决两方面因素的限制:一是硬件资源虚拟化及可编程调度控制;二是软件模块的标准化研制和规范化集成。随着云计算、大数据、虚拟化等技术的进步和软件定义技术的日益成熟,信息基础设施的通用化取得长足发展,在此情况下,舰艇作战系统越来越多的功能、性能主要由软件实现,使得软件定义舰艇作战系统成为可能。
针对上述发展需求,本文基于软件定义技术,提出了一种开放式、可重构的舰艇作战系统架构及一套基于该架构的系统设计与集成方法,以推进软件定义技术在舰艇作战系统研制中的应用,提升舰艇作战系统的多任务适应性和使用灵活性。
1 软件定义舰艇作战系统的内涵
1.1 软件定义技术发展
软件定义最早在1985年由互联网工程任务组在研究开放式可编程的IP路由器体系结构和协议中提出,可实现网络灵活控制,使网络作为管道变得更加智能[1]。软件定义是指用软件给硬件赋能,实现系统运行效率和能量效率最大化。
首先,软件定义将一体化硬件设施拆散成相对独立的若干组件,然后开发一系列面向这些组件的管控API(Application Programming Interface)接口,对整个硬件设施进行更灵活的管理以及开放、智能的管控服务。组件是软件定义系统中最小的可管理、可重构、可定义、可配置的功能单元/软件模块。这种功能单元既可以是对硬件功能的封装,也可以是对软件功能的抽象。
软件定义的核心是硬件资源虚拟化和管理功能可编程。硬件资源虚拟化是将硬件资源抽象为虚拟资源,然后由软件对虚拟资源进行管理和调度,其好处是:1)支持物理资源的共享,提高了资源利用率;2)屏蔽了不同硬件的复杂细节,简化了对资源的管理和调度;3)通过统一的调用接口对上层应用提供服务,方便程序设计;4)应用软件和物理资源在逻辑上分离,可各自独立地演化和扩展并保持整个系统的稳定。管理功能可编程主要表现在访问资源所提供的服务以及改变资源的配置和行为两个方面。用户可通过管控API接口,访问资源所提供的服务,更重要的是能够灵活管理和调度资源,改变资源的行为,满足不同应用对硬件的不同需求,从而意味着应用系统的行为可以通过软件进行定义,成为“软件定义的系统”[2]。
软件定义的系统将推动硬件资源向标准化方向发展,应用软件向个性化方向发展,系统功能向智能化方向发展,是适应需求多样性的一种对策。目前其已经应用到多个领域,主要包括软件定义网络(SDN,Software Defined Net)[1]、软件定义计算(SDC,Software Defined Calculation)[3]、软件定义存储(SDS,Software Defined Storage)[4]、软件定义雷达(Software Defined Radar)[5]、软件定义卫星(Software Defined Satellite)[6]、软件定义指挥信息系统(Software Definition Command Information System)[7]等,正在向软件定义一切(SDX,Software Defined Anything)发展。
1.2 软件定义舰艇作战系统
舰艇作战系统作为舰艇作战能力的核心载体,受各时期技术限制,历史上主要面向特定使命任务研制,系统结构和功能组合相对固定,适应需求变化的调整难度大,通用性差。随着现代战争向体系对抗演进,舰艇的使命任务和作战样式逐渐多样化,从而带来了舰艇作战系统应用功能的复杂化,系统组成的巨型化,运用场景的多样化。沿用传统的预先固定式设计模式,将使得舰艇作战系统配置复杂,种类繁多,组成庞大,必然会造成系统研制周期长,成本高,因此必须打破现有设计模式,向基于任务的作战要素动态管控转变。新系统须具备应用功能灵活配置,软硬资源弹性扩展,系统状态按需重组等特性。利用软件定义技术,实现舰艇作战系统面向多样化任务需求的灵活配置和重组已经成为必然趋势。
软件定义的舰艇作战系统首先把显控、计算、存储、网络等硬件资源进行虚拟化整合,提供一组支持应用功能软件弹性配置的通用化硬件资源及可编程的管理调度接口,进而采用软件定义的方式灵活配置系统功能及组合关系,实现多种组合状态的应用功能按需部署、动态重构。因此,软件定义舰艇作战系统也具备其他软件定义系统的灵活性、可重构性、可扩展性和易维护性等典型特征。
1)系统具有面向任务按需配置的灵活性。灵活性是指系统能够被精确配置成各种不同状态的能力。面向多样化作战任务的灵活配置是未来舰艇作战系统的必备特性,没有灵活性,软件定义的优越性就会丧失。软件定义舰艇作战系统可充分利用开放式架构、硬件标准化、软件模块化、管理可编程等技术,实现物理资源的灵活调整、动态分配与可编程化配置,还可通过增减或替换软硬组件动态改变系统功能,且不会与系统中的其他组件产生冲突,整个系统可对外提供更为灵活高效和多样化的服务,从而可灵活构建并保持系统功能与作战任务的适应性,以保证部分设备故障时的任务连续性。
2)系统具有适应变化的可重构性。可重构性是指在不改变系统体系结构的条件下,系统功能可随着需求改变的能力。随着作战需求发展,未来舰艇作战系统应用场景既有独立作战,还有海上联合作战、有人无人协同作战等,舰艇作战系统要为指战员提供最优的解决方案来支持这种使用模式。软件定义舰艇作战系统可充分利用功能模块化、任务能力包和统一的模型与数据等技术,实现舰艇作战系统中功能软件的快速增减、应用服务的组合调整等能力。相比传统的集成方式,软件定义下的可重构功能模块颗粒度更细,动态调整能力更强,能够保证多样化作战需求下的系统灵活重构。
3)系统具有基于模块化的可扩展性。可扩展性是指系统能方便地增减软/硬件组件,以增强或降低系统性能的自适应能力。模块化指可通过API接口调用相互独立的软件或硬件组件。软件定义的舰艇作战系统采用硬件标准化、软件模块化、资源虚拟化等技术,实现了基础硬件与应用软件解耦,并支持应用与数据分离、显控与处理分离,从而能够支持软/硬件的标准化发展、独立升级和即插即用,将使得舰艇作战系统的功能增减更便捷,保证软件定义的应用范围由指火控向传感器、武器和基础保障等领域延伸。
4)系统具有基于可编程的易维护性。易维护性是指系统能方便地更换或屏蔽故障软/硬件组件,以增强系统的任务可靠性。软件定义舰艇作战系统可充分应用硬件标准化、管理功能可编程、系统状态监测等技术,能够在部分软/硬件故障时简化故障维护操作,甚至提供免维护的能力,从而大幅提高系统的任务可靠性,增强系统的服务效率。
2 软件定义的舰艇作战系统体系架构设计
软件定义的本质在于通过软件编程实现虚拟化、灵活化、多样化和定制化的硬件管理功能,进而对外提供定制化服务。支持软件定义的系统体系结构的核心是通过API管理接口解除软件和硬件之间的耦合关系,推动系统功能向组合化方向发展,实现应用软件与硬件的深度解耦。针对舰艇作战系统,为实现上述目标,可设计一种可行的系统体系结构,如图1 所示,系统体系架构分为资源层、服务层和软件定义层。
2.1 资源层
资源层包括网络、显控、计算与信号处理、存储等共用信息基础设施和探测资源、保障资源、武器资源、通信资源等非共用硬件资源,为作战系统各类业务应用提供显示控制、计算存储、通信网络、时空基准、探测感知、交战控制等硬件资源保障。
共用信息基础设施作为软件定义舰艇作战系统的核心运行平台,具有网络、显控、计算、存储和信号处理资源的统一调度和按需调配能力,各类资源包含基础硬件层和资源管理层。其中,基础硬件层以一体化网络设备、显控设备、计算处理设备以及信号处理设备为载体,为舰艇作战系统各专业的信息传输、计算处理、数据存储与共享、显控及人机交互等基础服务提供物理资源保障。资源管理层主要采用功能要素虚拟化管理的形式,通过显控、计算、存储、信号处理等资源管理软件,以API接口形式向基础硬件层搜索获取所需功能服务,实现对基础硬件层的组件调度,同时向服务层各类应用提供API调用接口,实现系统的软/硬件解耦。
非共用硬件资源主要指系统中尚需依赖硬件实现功能的探测传感器阵列、发射装置、通导天线等作战要素。
2.2 服务层
服务层以通用/专用软件功能集和工具集的形式,向软件定义层提供数据服务和应用支撑等各类服务。
数据服务层主要提供实时作战数据、先验数据库及智能应用等数据共享服务功能。基于实时数据订阅/分发的软件为各类业务应用功能软件提供实时信息交互服务;基于数据库管理与查询的软件为各类业务应用功能软件提供各类先验数据库的统一访问与管理服务;基于智能应用大数据支撑的软件为各类智能应用功能软件提供作战数据抽取、汇聚、分析、挖掘等综合化数据服务。以上软件构建形成舰艇作战系统的数据共享服务环境,实现各种信息的按需流动。
通用支撑层为软件定义层各类显控、处理应用功能软件提供日志记录与读取、台位识别、数据备份与恢复、显示模式转换、电子海图显示与标绘、状态监测与健康管理等标准化组件,提高舰艇作战系统计算处理、信号处理及显示交互的标准化程度。为支撑协同和联合作战,通用支撑层还提供多平台之间信息加解密、传输协议解释、时空基准转换等组件,支撑舰艇作战系统与上级指挥信息系统、协同兵力的互联互通。
2.3 软件定义层
软件定义层以显控和处理组件调度软件为支撑,支持灵活构建警戒探测、信息保障、作战指挥、交战控制等领域应用功能,并支撑各领域功能的灵活配置和重组,实现面向不同作战任务的作战能力灵活定义和动态重构。
组件调度层分为显控组件调度管理软件和处理组件调度管理软件。其中,显控组件调度管理软件主要为各类显控组件的加载、注销、调度、备份等提供统一的API调用接口;处理组件调度管理软件主要为各类计算处理、信号处理组件的加载、注销、调度、备份等提供统一的API调用接口。
应用生成层主要根据应用系统配置需求,通过配置索引,基于服务层提供的数据共享服务、通用支撑服务以及组件调度层提供的显控和处理API调度接口,定制实现警戒探测、信息保障、作战指挥、交战控制各功能域的专业化信号处理、计算处理和显示操控等功能,并响应各功能域应用指令,执行特定业务逻辑,为各种作战能力的形成提供支撑。
能力生成层可根据不同作战任务和作战对象的作战需求,实现与作战需求对应的各类警戒探测、信息保障、作战指挥、交战控制等应用软件的部署、运行、重构等,形成与反潜、反舰等不同作战任务相匹配的任务系统,确保舰艇作战系统在任务层面的高性能、高效能和灵活性等优势。
3 软件定义舰艇作战系统的设计与集成方法
由于舰艇作战系统是一个系统之系统,其研制过程与各分系统研制过程并行、交叉进行,两者是一个相互迭代且无法割裂的整体,最终收敛形成舰艇作战系统。舰艇作战系统在实际研制过程中,会不断遇到分系统内部、分系统间的迭代和集成问题,为此,需要为系统集成提供一个开放的集成实施环境,并贯穿整个舰艇作战系统研制过程。基于此,为进一步支撑基于软件定义的舰艇作战系统实现和应用,本文提出了一种“分系统+作战系统”的两层分布式舰艇作战系统设计与集成方法,如图2 所示。
该方法首先依据软件定义系统的灵活性和可重构等特性,制定了舰艇作战系统各项研制规范和标准,约束面向软件定义的舰艇作战系统研制过程;其次,针对软件定义舰艇作战系统研制需求,明确了系统的集成方案;最后,基于软件定义系统的特性,提出了一种基于软件定义的舰艇作战系统使用模式。
3.1 面向软件定义的舰艇作战系统设计与集成规范
面向软件定义的舰艇作战系统设计与集成规范主要包括设计和集成两个方面。
1)设计规范。用于说明面向软件定义的两层分布式舰艇作战系统设计和开发约束,并向分系统承研单位提供开发指引。主要包括人机交互设计规范、信息共享设计规范、显控/处理资源共用规范、显控/处理组件配置规范、软件开发说明、网络接入规范等,下发至各分系统研制单位,规范分系统承研单位的标准化软/硬件组件开发。
2)集成规范。用于指导面向软件定义的两层分布式舰艇作战系统的集成过程,便于测试认证标准功能组件。主要包括显控集成规范、计算集成规范、存储集成规范、系统重构规范等,指导分系统进行集成、测试,形成稳定的软/硬件组件,并进行入库管理。
3.2 面向软件定义的舰艇作战系统设计集成过程
将软件定义技术应用于系统研制,可以方便地实现软/硬件的解耦、显控与处理分离以及数据与应用的分离等,能较好地支撑软/硬件功能的并行研制,因此,在面向软件定义的舰艇作战系统设计与集成方面,适于首先由各分系统并行开展软/硬件组件开发和领域组件集成,待测试固化状态后,再进行作战系统层级的一体化集成。针对舰艇作战系统实际研制情况,其设计和集成可分为以下几个过程:
1)系统方案论证。除基于威胁分析确定系统的使命任务和功能性能,明确系统体系结构,分解形成对分系统/设备的技术要求等传统内容外,面向软件定义的系统方案论证还需对分系统的硬件标准化、软件组件化、信息交互等提出规范化要求,形成一整套的技术要求,以指导分系统和系统方案设计。
2)系统方案设计。以技术要求为指导,采用先作战系统、后分系统的方式迭代进行,明确系统功能和功能顺序,细化性能实现途径及相互支撑关系,并分配给各分系统和主要设备,以最终确定系统的组成配置、人员编配、内外接口、使用方式等。与此相对应,面向软件定义的系统方案设计需更进一步地明确共用信息基础设施的共用模式、软件组件设计与运行要求、信息交互与共享方式、各任务能力包功能配置需求等内容,以支撑面向任务的系统按需配置与灵活重组。
3)系统技术设计。验证方案阶段确定关键技术,确定功能上的相互关系、作战系统和分系统性能参数、组成设备间的互联要求,采用先设备、后分系统、再作战系统的顺序,明确设备、分系统和作战系统技术状态。为适应软件定义要求,在技术设计的前期,作战系统需形成人机交互规范、软件开发规范和信息共享规范、资源共用规范、功能配置规范、网络接入规范等,下发至各分系统以指导开展技术设计、软/硬件组件开发等。在此期间,作战系统需会同分系统通用评审确定应用功能组件和各类处理功能组件等,检索组件库中是否有满足需求的通用可移植组件,若有则直接提取使用,快速完成产品研发。在技术设计的后期,作战系统需形成显控组件集成规范、计算组件集成规范、存储组件集成规范和系统重构规范等,指导分系统进行领域内软/硬件组件的集成、测试,形成稳定的软/硬件状态,并入组件库管理。
4)系统集成验证。为区分传统的集成模式,应细化与软件定义相关的显控、计算、网络等方面的集成测试,在分系统完成领域内软/硬件组件开发、集成与测试的基础上,舰艇作战系统通过显控应用集成联调、处理应用集成、一体化网络集成联调及作战系统陆上联调试验等进行系统的集成测试,最终实现整个系统的集成,固化系统状态,建立作战系统基线。
5)系统设计鉴定。与传统的设计鉴定检验系统功能、性能相比,还应增加与软件定义相关的系统重构和资源共用等的性能测试与评定。
3.3 面向软件定义的舰艇作战系统应用模式
面向软件定义的舰艇作战系统通过面向任务的能力包设计,在共用信息基础设施支持下,在显控/信号处理/计算/存储资源管理软件、数据共享服务、通用支撑服务等软件支持下,动态完成显控、信号处理、计算、存储资源的分配,以及显控、信号处理、计算组件的加载调度和信息共享通道的构建,与探测、保障、指控、武器等领域相关非通用设备按需组合,形成面向不同作战任务的任务能力包。通过基于软件定义的任务能力包灵活部署和调度,对作战要素进行统筹配置和管理,形成面向不同作战任务的作战系统,实现系统的快速构建。面向软件定义的舰艇作战系统使用模式示意图如图3 所示。
系统在有明确的作战对象时,可在接受任务后,按需构建相应的作战任务系统。没有明确的作战对象时,可按功能最全的任务能力包配置。任务执行过程中,可随时根据接收的外部信息或本艇对目标探测、识别结果,基于软件定义快速切换作战系统,实现系统重构,并可通过任务扩展,实现多任务综合作战,提升面向作战对象的系统功能的自动重组能力。
4 结束语
随着信息技术和智能技术的发展,舰艇作战系统越来越多的功能和性能由软件来保证,在网络、显控、计算等信息基础设施的通用化发展助推下,在一组通用的信息基础设施上按需配置和调整所需的软件组件成为可能,从而也为软件定义舰艇作战系统创造了条件,并逐步应用于工程实践。随着舰艇作战系统使命任务的多样化发展,舰艇作战系统必将向面向任务的系统实时重构转变,从而对传统的预先固定式研发模式带来了挑战。基于此,本文提出了一种面向软件定义的开放式、可重构的系统架构,并给出了一种支持软件定义的舰艇作战系统两层分布式设计与集成方法,能够较好地适用于采用开放式架构和共用信息基础设施的舰艇作战系统,可有效支撑舰艇作战系统向基于软件定义的动态重构转变,提升了舰艇作战系统的多任务适应性和使用灵活性,对促进舰艇作战系统装备的信息化和智能化转型具有一定的借鉴意义。