曹延华 任昊利

1.装备学院航天指挥系,北京101416 2.装备学院装备发展战略研究所,北京101416

未来基于信息系统的体系作战强调网络信息体系,各个作战单元高度协同,共享信息,对指挥控制系统和武器平台的一体化水平要求非常高,使得指挥控制系统建设成为武器装备建设的重点内容之一.指挥控制系统是综合电子信息系统的重要组成部分,它将各类异构的、动态的传感器节点、武器平台节点、指控节点和其他软硬件资源有机融合,能够对各类战场信息进行搜集、存储、传输、处理、分发,并对各类信息资源进行一体化的组织、管理,支持作战节点随遇接入、即插即用,支持信息的实时共享、作战节点的动态部署和作战行动的全面协作[1−3].体系作战要求指挥控制系统能够“在正确的时间把正确的信息传递给正确的用户”,从而确立信息优势和决策优势,目前的指挥控制系统还不能很好满足以上要求,在理念上需要突破,技术上需要找到解决办法[4].数据分发服务(Data Distribution Services,DDS)是一个基于发布／订阅模型的通用数据分发规范,发布／订阅(Publish／Subscribe)通信规范具有匿名通信、按需分发数据、一对多通信等特性,能够很好地满足大型分布式系统松耦合结构的需求,适合于网络或栅格环境下的信息分发共享[5−8,11−12].本文针对指挥控制系统的信息按需分发问题,结合网络信息体系环境下指挥控制系统的特点和需求,提出了一种基于DDS技术的指挥控制系统.

1 基于DDS的指挥控制系统设计

1.1 指挥控制系统需求

未来的指挥控制系统应满足战术环境下信息传输、处理与应用的作战使用需求以及适应各军兵种协同作战的要求,支持战术级信息的实时交换与分发,实现战术信息的实时信息互传与共享应用[9−10,13−15].信息分发还必须满足按需、实时性、可靠性、容错性、动态配置、可扩展性等要求.具体包括:

1)模块化,即插即用.系统松耦合,可以裁剪组合,能够灵活动态配置,实现即插即用,随遇接入.

2)互联、互通、互操作.系统可支持不同的通信体制、数据类型和操作系统,数据信息能够无缝连接.

3)强实时性.由于战术级的信息往往直接关系到指战员的生命安全以及战局的胜负,因此,需要在很短的时间内(通常为几秒)传送到用户那里.

4)可靠高效.未来战场环境的用户种类繁多,通常信息需要同时发送给多个用户,战术通信链路带宽较低,直接使用单播或广播模式往往会占用大量带宽且传送效率低.因此,信息分发需要组播支持,这样既保证一份数据能同时发往多个用户,又保证网络中任何一条链路上只传送单一的数据包,从而节省网络带宽,提高数据传送效率,减少网络拥塞的可能性.

5)按需获取和分发数据.要在未来作战中实现“5个恰当”,即:在恰当的时间、以恰当的形式、通过恰当的路径,将用户所需要的恰当信息传送给恰当的人员,最重要的是根据用户需要,建立灵活的信息获取和分发机制,在大量信息存在的情况下实现信息灵活、按需的分发.

1.2 指挥控制系统框架

基于DDS的指挥控制系统的核心理念是把信息系统建设成栅格型结构,从而构建一个以数据为中心的信息分发服务总线,为作战系统提供统一的数据分发、处理机制.各个信息系统可以在总线上“即插即用”,总线为各系统提供标准接口,这样,系统之间就形成了一种松耦合关系,如图1所示.

DDS是中间件,它可以屏蔽掉操作系统之间的差异,使系统互联互通,通过引入发布/订阅机制使各信息系统可以实现按需获取信息,这种机制也从客观上使总线实时性能良好,支持强实时性.

“发布”代表着信息提供,“订阅”代表信息获取.发布者将其提供的数据以“主题”的形式通知给“全局数据空间”,“全局数据空间”进行匹配确认后就将建立起通信信道,此时的信息传输是点对点的传输,因此,能够保证实时性.这里的“主题”和“全局数据空间”是指信息分发服务总线定义的专有名词,“主题”是要发布/订阅的信息的代号,“全局数据空间”是一个分布式的虚拟的数据空间,发布者和订阅者都通过全局数据空间进行交换数据,实现匿名通信.各种应用层的电子信息装备(传感器、数据库、信息系统和指挥控制系统)可以独立开发,通过总线提供的标准接口接入总线,实现综合集成,如图2所示.

图1 基于DDS的指挥控制系统信息分发服务总线示意图

图2 指挥控制系统信息分发服务示意图

信息分发服务总线的这种架构支持一对多、多对一、多对多节点间的通信,对于指挥人员和作战人员来讲不用关心信息是谁来提供、提供给谁,只需要根据不同的任务启用订阅/发布功能模块即可,这样就使得不同的人员可以专注于自己的任务.

DDS规范定义多个QoS策略,控制应用程序间如何、何时发布数据的多个方面,应用程序使用它指定其对服务质量的要求.参与者指定它们需要服务哪些行为,服务描述如何实现这些行为.这些策略可应用于各个DCPS实体(主题、数据写入者、数据读取者、发布者、订阅者、域参与者),尽管并非所有策略对所有类型实体有效.指挥控制系统通过配置QoS策略实现对信息的筛选和过滤,从而实现信息的按需获取.

异构的信息系统通过DDS中间件集成,DDS屏蔽掉数据格式、操作系统之间的异构性,信息发布者把信息(数据)发布到全局数据空间,QoS策略保障用户可以按需获取信息.共享的信息(数据)包括:基本信息、指挥控制信息、情报信息、文电信息等,基本信息(例如,战略情报信息)存放在持续服务的数据库里,指挥控制信息由指挥控制系统给出,实时情报信息由雷达等传感器获取并给出,文电信息由各类用户给出.信息系统集成、数据共享、消息传递关系示意图如图3所示.

图3 信息系统集成、数据共享、消息传递示意图

1.3 基本原型系统

通过一个简单的原型系统,进一步基于DDS的技术实现信息传递、共享以及异构系统的接入和综合集成.如图4所示,一个嵌入式单片机连接了一个传感器电路和以太网,传感器以一个确定的频率采集数据,单片机将当前的传感器数据作为一个参数调用,并用一个简单的“写入”发布数据包.网络中还连接了一个工作站,在工作站上,应用程序创建了一个回叫程序,直接接收数据并通过应用程序显示.由于使用了DDS中间件,操作系统之间可以通过网络传递数据.

1.3.1 创建数据类型

①建立一个IDL文件,在IDL文件中定义传感器的数据类型—Sensor.如图5所示.

它包含3个成员,其中int nDeviceID;//@key为设备标识,同时也为关键字; float fTempValue;为当前传感器采集到的数据值;double dTime;为当前时间.

图4 基本原型系统示意图

②使用DDS的代码生成器生成Sensor相关的代码,这些代码中有Sensor主题,Sensor-DataReader数据读出器,SensorDataWriter数据写入器等对象.

③将生成的代码加入当前的DDS应用程序中.

图5 创建数据类型

1.3.2 发布数据

①建立域参与者;②注册主题数据类型;③建立主题;④建立发布者;⑤发布数据,5个步骤,示例代码如图6所示.

1.3.3 创建监听器

DDS服务不断地监听指定的主题,当它监听到主题时,使用该主题的监听器回调函数,从数据读出器中读出数据进行处理.

构建一个CSensorListener类,用于监听Sensor主题.示例代码如图7所示.

1.3.4 订阅数据

①建立域参与者;②注册主题数据类型;③建立主题;④建立订阅者;⑤建立数据读取者的数据监听器;⑥订阅,6个步骤,示例代码如图8所示.

1.4 性能测试与验证

通过试验来测试提出的信息分发方法的性能.首先测试响应时间,实时操作系统以每秒钟200个字节的速率发布数据,工作站响应的时间曲线如图所示,消息量达到563,937M 时响应时间约为275µs,如图9所示;其次测试吞吐量,随着消息量的不断增长,每秒钟发送消息的量呈指数增长,说明系统性能良好,如图10所示.试验结果表明,本文提出的信息分发方法在响应时间和吞吐量方面性能良好,能够满足战术级指挥控制系统数据分发的需求.

图6 发布数据示例代码示意图

图7 创建监听器

图8 订阅数据示例代码示意图

图9 响应时间

图10 吞吐量

2 结论

本文基于DDS技术设计了指挥控制系统框架,研究了信息分发服务总线问题.通过基本原型系统验证表明,所提出的方法和使用的技术能够满足任务需求.未来的指挥控制系统应该是栅格化信息系统,其基本要求是随遇接入型、信息保密性、实时分布式和高效智能化.DDS技术具有强大的综合集成能力、异构系统接入能力、信息共享能力和实时数据传递能力,是实现这些基本要求的一种优选方案.