中国指挥与控制学会会刊 
陆域战场作战环境复杂,作战要素多样,指挥通信、侦察感知、武器系统、特战单兵以及陆航机载终端等信息设备差异显著,当前与操作系统、硬件设备等基础环境耦合的研发模式,导致不同信息设备中的陆域指挥信息系统软件跨平台可迁移性差,服务器、指控端、手持端、火控端等功能软件作战使用模式不一致。同时,传统陆域指挥信息系统建设依赖于国外操作系统、软件产品及硬件芯片等,存在较大安全隐患,也制约了国产信息系统技术的发展[1]。为适应陆域装备自主可控建设需求,推进陆域指挥信息系统体系化建设,迫切需要开展面向国产异构计算环境的指挥信息系统软件平台设计研究,优化跨平台系统架构,解决指挥信息系统软件系统臃肿、功能重叠、运行效率低等问题,构建基于一套基础软件可适配系列化异构终端的跨平台指挥信息系统。
1 研究现状
2 跨平台基础软件需求分析
1)适配国产化操作系统,确保多终端应用软件协调运行
陆域指挥信息系统通常配置于各级指挥机构、作战单元、武器系统和单兵终端,运行于网络服务、桌面、分布式、嵌入式等不同操作系统,带来了软件产品运行机制各不相同的问题。例如,麒麟系统采用ELF可执行程序,元心系统采用SOP应用,AOS系统采用APP应用。陆域指挥信息系统亟须适配各类异构国产化操作系统运行机制,实现跨平台无差别运行。
2)强化国产化异构硬件适配,实现系统功能平稳移植和可靠运行
目前,国产主流硬件的性能和稳定性对比国外产品仍有差距,为实现指挥信息服务系统跨平台高效且稳定运行,需要针对现有国产化硬件架构进行统合分析,尤其是要加强人机交互稳定性、服务容错与可靠保障、异构硬件平台适配、共性软件库集成等方面的设计,支撑指挥信息系统功能软件平稳移植,提高国产化环境下指挥信息系统稳定性能。
3)统一多终端软件运行模式,满足不同场景下用户操作需求
陆域作战指挥层级多,兵种专业复杂,武器平台多样,传统陆域指挥信息系统大多根据各类作战节点装备特性独立开展设计,导致各类软件操作使用差异较大,其逻辑流程、操作方式、部署运维各不相同[5]。因此,亟须构建能够跨平台的基础软件,支撑服务器、桌面、机载终端、火控终端、手持终端等功能软件在统一信息服务环境下运行,满足各级作战人员实施网络化指挥、漫游式控制等现代作战需求。
3 面向国产异构环境软件平台总体架构
面向陆域作战一体化建设需求、多样化运用场景,为解决现役基础软硬环境差异大、难统一的问题,本文按照“架构开放化、支撑服务化、功能模块化”的设计思路,运用跨平台框架、软件中间件等技术,提出了适配国产化异构硬件和多种国产化操作系统,可实现跨平台软件集成的开放式软件平台框架,构建了以共性软件综合集成、跨平台应用开发和异构平台交叉编译为特征的基础软件平台,实现陆军指挥信息系统的多场景适配与跨平台运行,如图1 所示。
针对目前国产化CPU、操作系统、源程序编译环境、基础软件运行环境异构现状,设计了跨平台的中间适配层,为应用软件运行提供了多样化的跨平台中间件,封装数据访问、网络传输、基础库(文件读写、内存)第三方库,实现了统一API接口;基于B/S软件架构,设计了自适应的界面集成框架和跨平台服务集成框架,实现了一种界面、服务、数据分离的应用跨平台一致运行模式;开发跨平台交叉编译工具,实现了一套代码通过重新编译即可在多类国产硬件上运行。
4 实施途径
4.1 异构硬件平台交叉适配
传统陆域指挥信息系统硬件装备编配规模广,存量大,为解决非自主可控硬件芯片与新研的国产化信息系统混合使用问题,开发了交叉编译工具,实现了一套主代码可在多种平台运行。精简陆域指挥信息系统软件版本,实现了指挥装备、武器平台、机载终端、单兵终端等软件一体设计、一体开发、跨平台运行,为统一陆域指挥信息系统技术体制提供支撑。异构硬件平台交叉适配过程如图2 所示。
交叉编译工具主要由统一交互界面、自动脚本生成、工程构建工具和编译工具链组成。统一交互界面使用可视化向导,帮助开发者录入必要的信息,自动生成交叉编译工程;自动脚本生成根据平台的不同在构建脚本中加入特殊参数,满足跨平台编译需求;工程构建工具通过跨平台构建工具对源代码进行目录结构管理和脚本自动构建,帮助开发者选择合适的目标机环境和编译套件,集成编译工具链(gcc/g++、ld、objdump、nm等一系列工具),实现一键编译并导出目标程序。
4.2 跨平台中间适配层
针对不同国产操作系统底层基础软件运行库及接口差异,陆域指挥信息系统软件平台提供跨平台中间适配层,为指挥信息系统在服务器、指控端、机载终端、火控终端、手持终端运行提供了协调一致的基础支撑环境,如图3 所示。其中,软件运行库主要包括软件运行所必需的数据类型对象库、事件框架库、多线程并发库、文件读写库、XML/JSON支撑库、IO输入/出库、TCP/IP网络编程库等,适配各类国产操作系统,为指挥信息系统软件提供跨平台支持。跨平台中间件是在软件运行库的基础上,通过中间件开发解决消息分发、消息异步通信和异质平台、异质数据库的统一访问、统一存取和对象化存储等问题,下面分别以信息传输分发和数据库统一访问为例进行说明。
4.2.1 信息传输分发中间件
陆域战术通信具有层级复杂,手段多样,对抗性强,带宽较窄,拓扑动态变化等特点,指挥信息系统迫切需要构建满足各类通信链路统一接入和数据可靠收发的信息传输分发中间件,为上层应用屏蔽部队各级复杂的通信链路,提供统一、透明的数据传输接口,对下适配各种协议栈,具备跨平台信息传输分发能力,并为战术网络通联态势展现和链路自动优选功能提供支撑。
信息传输分发中间件借鉴开源消息队列原理,在物理网络之上构建“虚拟网络”管理层,由物理信道、协议栈、传输调度总线、监控运维和应用接口五部分构成见图4 ,并具有以下特点。
1)信息传输分发中间件适配有线、无线、长波、短波和卫星等多种物理链路信道。
2)信息传输分发中间件支持传输协议的拥塞算法调整、应用的协议报头压缩等,传输协议除了TCP和UDP协议外,可实现短报文、长报文、指控链、数据链、实时传输、流媒体等协议扩展。
3)信息传输分发中间件作为传输调度总线,通过逻辑地址支撑智能组网,提供可靠通信服务、分布式队列服务和群组服务,同时提供图形化的节点管理、监控配置等管理运维功能。
4)信息传输分发中间件可以为窄带宽、弱连接的网络通信类应用、跨网络数据交换类应用、高并发低时延的消息通讯类应用和分布式协同类应用等提供可靠传输、请求响应、发布订阅、群组通信和网络状态查询等服务。
4.2.2 数据库统一访问中间件
随着陆域指挥信息系统业务功能不断扩展,作战数据来源增多,结构多样,体量激增,关系型/非关系型数据、集中/分布式存储、国产/非国产软件带来了数据访问的复杂性。在上层应用和数据存储层之间,需要构建统一数据访问中间件,实现各类数据访问请求的统一代理,如图5 所示。
数据库统一访问类中间件类似于商用关系数据库的分布式查询引擎,由查询计划器、查询协调器、查询执行器和状态缓存组件三部分组成。
1)查询计划器负责解析指挥信息系统软件的SQL查询请求,构建节点执行树,生成分布式查询计划片段。
2)查询协调器把查询计划交由集群中空闲的查询执行器来执行,并负责收集各个查询执行器的执行结果,最后将结果汇总后返回给查询客户端。
3)查询执行器负责将SQL中的一些谓词下推到各个数据源中执行,从数据源中读取满足条件的数据,并返回给协调器。
4)状态缓存组件用来收集查询引擎的各组件健康状况,并将这些状态持续地传递到查询引擎,确保查询协调器在执行查询任务时有可用的查询执行器。
4.3 跨平台服务集成框架
针对陆军车上/车下、在线/离线、集中/分散不同战术场景下系统软件“弹性”组织的运用需求,本文面向多种异构硬件设备和国产软件环境,设计开发了一种面向微服务的跨平台服务集成框架,降低了各类战术信息服务的耦合程度,提升了服务组件独立集成和更新的能力,实现了服务的即插即用、按需的信息共享、柔性的重组抗毁,为陆域作战力量化整为零、灵活组合的战术运用提供技术支持,跨平台服务集成框架如图6 所示。
服务集成框架主要包括分布式服务目录、战术服务控制器、战术服务代理等功能组件。其中,战术服务控制器具有服务发现与自动识别功能,提取有效服务信息如服务名称、服务访问地址和服务依赖,对服务进行管理和控制,负责开辟进程空间,分配运行资源,实现服务实例之间进程隔离;战术服务控制器根据服务配置启动业务服务并向服务目录上报服务信息,服务目录通过哈希链表的数据结构进行存储,便于快速查询和更新;战术服务控制器能够实时监控服务的状态,一旦检测到服务的CPU或内存占用过高便自动停止当前服务进程,启动另一个服务实例;服务集成框架开放统一的服务请求入口,服务请求通过战术服务代理进行访问路由;战术服务代理接收到请求后,向分布式服务目录查询服务具体的访问地址,获取后,将请求转发给对应的业务服务。
4.4 多模态自适应人机交互框架
多模态自适应人机交互框架是指基于浏览器内核的界面资源加载和展现机制,同时提供包含键鼠、语言、触摸等操作模式的人机交互技术,该技术能够屏蔽基础软硬件差异,支持一套代码多端运行的跨平台运行能力,具备页面动态自适应、地图二三维一体联动、作战态势聚合展示等功能能力。多模态自适应人机交互框架如图7 所示,可满足陆军战术边缘环境对战术信息处理设备、便携式终端、火控信息处理设备等多种模式下协调一致的自适应交互需求,为陆域作战部队“乘车机动、下车战斗、漫游操作”等战术运用提供基础支撑。
多模态人机交互框架从上至下可分为界面视图层、业务处理层、公共逻辑层和数据模型层。界面视图层提供桌面/平板/手持主界面组件,依据不同平台可提供不同的主界面风格,主界面可以随意变化,不影响用户组件使用。业务处理层用于完成指挥控制逻辑处理和事件响应,各个业务组件相互解耦,功能独立。公共逻辑层为界面框架抽象出的公共处理部分,包括组件生命周期管理、扩展管理、布局管理、路由管理等模块,实现业务元素的统一配置与管理,为上层应用提供从开发、集成到运行的全生命周期支撑。数据模型层用于人机交互框架和组件的所有数据管理,包括前端数据缓存、界面/数据交换管理和前后端数据交换,通过数据模型双向绑定机制,实现界面数据的实时更新。
5 结束语
本文基于陆域多兵种一体化作战指挥需求,面向服务器、计算机、机载终端、火控终端、手持终端等系列化异构硬件环境,开展了可支撑跨平台软件开发集成、多种典型场景作战运用的国产化指挥信息系统软件平台设计,提出异构硬件平台适配、跨平台中间适配层、跨平台服务集成框架、多模态自适应人机交互框架等创新技术,为陆域指挥信息系统的异构软件集成部署、跨平台协同运行、多场景灵活运用提供了基础支撑。