软件定义指挥控制系统架构设计方法

软件定义指挥控制系统架构设计方法

李彩东 王清晨 张露

北方自动控制技术研究所 山西省太原市 030000

摘要：近年来，我国的指挥控制系统有了很大进展，在指挥控制系统中，软件发挥着重要的作用。为增强指挥信息系统韧性，提升资源使用效费比，必须把有限资源投入到对系统韧性影响最为显著的重要节点上。本文就软件定义指挥控制系统架构设计方法进行研究，以供参考。

关键词：软件定义；指挥控制系统；体系结构；控制器

引言

从指挥信息系统发展历程看，在需求牵引和技术推动下系统一直在适变、演进，其发展已历经单点、单线、区域到网络化和服务化四代，目前正在向着智能化方向发展，系统支撑的作战样式从防空作战、军种作战到军种联合作战、全域联合作战。智能化、高端战争对指挥信息系统提出了更高要求，系统的适变和演进将由外在转向内生，达到自感知、自调整和自适应，即自主适变。研究指挥信息系统适变、演进的方法和技术、探寻指挥信息系统未来发展方向，是指挥信息系统自身发展的需要。

1指挥控制系统架构设计

国外，指挥控制系统架构设计方面，指挥控制系统设计方法主要包括模型驱动方法（MBSE）、原型技术和快速应用开发（RAD）等。架构分析方面，澳大利亚的国防科技组织的信息科学实验室从安全架构的描述、攻击与漏洞以及比较与评估3个方面对安全架构的分析技术进行了系统阐述，但未给出一个可用的、完整的和综合的安全架构分析方法；挪威科技大学基于仿真软件，提出了复杂自控系统的结构分析工具SaTool。指挥控制系统设计分析工具方面，美国DavidsonTechnologies公司研制了指挥控制过程分析工具（C2PAT），通过对系统指挥控制流程、信息元素以及它们交互关系的建模分析，评估了指挥控制系统的成本、性能和效能（系统响应、信息质量和生存能力）等，从而辅助相关人员在开发系统前确定系统的规模、复杂度、优化的功能结构、系统代价以及与其他系统的关系；一些公司推出了支持军事信息系统体系结构开发的商用软件开发工具。项目研究方面，美军开展了适应性指挥控制架构研究，其项目着眼于多兵种联合作战的资源动态规划组织问题，通过组织的三阶段设计方法进行作战资源的动态规划组织。国内，指挥控制系统架构设计方面，研究主要集中于系统结构分析、系统需求分析和系统设计等方面。其中，系统结构分析方面，对现行系统结构分析后，提出了基于多层DeBruijn网的分布式信息融合系统结构及其构造方法，既满足了作战指挥系统固有的层次结构需求，又通过将每层节点利用DeBruijn网进行侧连接使得信息融合节点间的广泛信息共享成为可能。综上，国内外针对指挥控制系统的设计方法研究虽然取得了一些理论基础，但针对软件定义相关的指挥控制系统及软件定义指挥控制系统架构设计方面的研究仍较薄弱。

2软件定义指挥信息系统的装备形态

指挥信息系统一般由探测感知、情报处理、指挥控制和通信网络等功能分系统组成，装备形态包括固定、车载、机载和舰载等多种模式。软件定义系统除上述分系统外，还增加了资源管控分系统。与资源控制平面相对应，资源管控分系统一般是由资源管控单元、多个管控代理组成的分布式系统。管控单元部署在指控中心，管控代理部署在下级指控、情报处理、探测感知和火力打击等节点。车载、机载和舰载模式下，管控单元一般是计算机装载管控软件的设备，管控代理一般以软件构件或板卡的形态存在。

3指挥信息系统韧性过程和度量

韧性综合体现了系统抗干扰能力和恢复能力，能够全面的表征系统抵抗攻击、受损降级、适应攻击、快速恢复的过程，成为近年来研究的热点。初始情况下（时间0~t0），指挥信息系统预测潜在攻击并做好准备工作，功能水平保持正常，处于P0；t0时刻，攻击发生，系统在韧性作用下，功能水平变化过程可以分为降级和恢复两个阶段：降级阶段（时间t0~td）：t0时刻，指挥信息系统遭受攻击，受损节点功能水平开始降级，有可能导致整个系统的功能水平也降级。过程中，系统需要抵抗攻击、吸收攻击并适应攻击，td时刻，系统功能水平降低至最低点P1。恢复阶段（时间td~t1）：td时刻，指挥信息系统开始采取恢复措施，系统功能水平逐渐回升，直至到初始状态，或者达到新的稳定状态。t1时刻，系统恢复到稳定状态后，又进入一个新的周期，继续做好预防下一个潜在攻击的准备。指挥信息系统遭受攻击后降级（或恢复）过程中功能水平变化曲线可以表示为关于时间的函数，一般可用线性函数、指数函数或三角函数三种类型的函数来表达。同样，系统恢复过程中系统功能水平变化情况，也可用上述三种函数表达式表示，当表示恢复过程时，则st为系统功能水平恢复开始时刻，pt为恢复持续时长。为分析指挥信息系统不同节点对指挥信息系统韧性不同的影响作用，首先需要对指挥信息系统韧性进行定量的计算。现有研究中关于复杂系统韧性的定量计算，不同学者根据研究目的和侧重点，提出了不同的方法，主要分为确定型度量和概率型度量两大类。为确保被攻击时，指挥信息系统仍能持续保障关键作战任务完成，系统应具备很高的韧性，也就是说系统应该在规定的时间内从受损状态恢复至可以保障任务完成的功能水平。

4基于控制器能力包的软件定义指挥控制系统架构

1）匹配控制器能力包。针对作战任务分解出的每个叶子作战任务，根据作战任务能力指标，搜索匹配的控制器能力包，具体包括作战资源、作战活动和信息资源等内容。若存在对应的控制器能力包，则可直接使用该能力包完成作战任务；若不存在对应的控制器能力包，则需通过搜索作战资源进行实现。采用控制器能力包方式进行搜索时，根据能力指标要求可能会搜索出多个符合条件的控制器能力包，因此需对控制器能力包进行选优。控制器能力包选优主要包括2种方式：a）用户筛选：用户从候选能力包中选择最符合要求的能力包，即由用户选择可实现作战任务的作战资源。b）辅助筛选：在无法直接选择控制器能力包的情况下，通过一些规则进行筛选。例如，采用加权求和方法通过明确各指标的权重来计算、选择全部属于某一个域的作战资源形成的能力包等。需说明的是，对于所有子任务均需通过能力包来实现的情况，用户需整体考虑任务实现方式，如各能力包之间是否可以互连互通、子任务的局部最优是否整体最优等，因此整体实现方法主要依托用户来筛选。2）作战资源搜索。对于某项子任务，当不存在控制器能力包实现时，需通过搜索作战资源动态构建实现方式。作战资源搜索的输入为作战任务的任务名称、任务描述和任务指标等内容，匹配作战资源的内容主要包括作战资源的名称、描述和指标等。通过作战任务与作战资源的语义匹配，可输出可实现作战任务的作战资源集合。

结语

指挥信息系统的结构日益复杂，应用功能不断增多，组成单元形态各异，系统规模趋于庞大，正发展成为典型的复杂系统。针对软件定义指挥控制系统架构设计需求，本文分析了以控制器能力包为核心的软件定义指挥控制系统架构组成及设计方法。后续研究将侧重于不同控制模式下的控制机制具体实现方法及控制器的资源优化分配方法相关研究。

参考文献

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