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摘要 针对软件定义指挥控制系统面向任务的自主适变特点，分析了软件定义以及软件定义指挥控制系统研究现状，研究了软件定义指挥控制系统数据组成及其关系，提出了基于控制器能力包的软件定义指挥控制系统架构设计方法以及控制视图设计方法，从而为规范软件定义指挥控制系统架构设计，以及提升未来网络信息体系的自主适变能力提供指导。 0 引言 为提升基于网络信息体系的联合作战能力，多域作战和智能化作战将成为未来一体化联合作战的发展方向，而将人工智能、大数据和云计算等技术应用于未来一体化联合作战也将成为趋势。为适应未来多域作战和智能化作战，面向任务即时重构与自主调优已成为构建指挥控制系统的基本要求，而基于软件定义的自主适变指挥控制系统为此提供了有效途径。 基于软件定义的自主适变指挥控制系统以软件定义方法进行自主适变指挥控制系统的架构设计、系统集成与部署应用，通过分离系统的业务逻辑和资源的控制逻辑，构建自主控制平面，使系统在部署和运行过程中能够自主感知任务和环境变化，自主地动态编成并调整系统的架构、功能、性能和业务流程，持续保障作战任务，同时不断获取和学习动态可编成的知识，使系统自适应能力持续增长，从而支持软件定义的自主适变指挥控制系统设计。由于现有的指挥控制系统架构设计方法无法满足软件定义的自主适变系统的建设需求，因此亟需开展基于软件定义的自主适变指挥控制系统架构设计方法研究，为未来指挥控制系统实现即时重构与自主调优能力提供支撑。 1 研究现状 1.1 软件定义 近年来，软件定义网络（SDN）作为以软件和网络型体系结构为理论基础的技术思想受到关注，其潜在应用领域也越来越广泛。软件定义网络旨在以改变传统的控制和数据转发逻辑来实现对网络流量的灵活精细管理，其体系逻辑结构分为基础设施层、控制层和应用层3个层次。软件定义网络原理主要是将传统网络的控制功能集中起来，并将数据的转发和控制进行分离。网络系统的上层应用通过集中控制的网络进行工作而无需考虑底层具体设施状况，底层设备可透明化存在。 目前，软件定义网络架构受到了工业界、学术界和运营商等广泛关注和研究。2011年，在斯坦福大学Nick Mckeown教授等的推动下，成立了致力于软件定义网络架构与技术的规范和发展工作的开放网络基金会（ONF）。目前，软件定义网络已广泛应用于数据中心网络、园区网络和广域网等场景，有效提高了相关网络的网络性能与可管理性。 信息系统架构研究领域中，学者们将软件定义网络与信息系统架构进行结合，提出使用软件定义网络来解决大型复杂信息系统中的信息管理和控制问题。例如，文献将软件定义卫星网络分为数据平面、控制平面和管理平面，并采用智能动态超时启发式算法来解决流量表的管理问题。 文献研究了基于分层分域控制的空间信息网络体系结构，从分层角度将空间信息网络体系分为空间层、平流层和地面层3个部分，并从分域角度将每层分解为多个域，而每个域则由一个网络控制器控制。此外，该文献将空间信息网络控制架构分为应用层、控制层和基础设施层。通过控制层可实现实时优化路由表和部署细粒度的管理策略，达到更灵活的通信和协议配置，实现空间信息网络拓扑的动态重构、空间网络资源的全局分配和全局优化以及空间任务的快速接入和切换。 1.2 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Davidson Technologies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，如IBM公司的System Architect（SA）和Rhapsody，Intelligile公司的MAP以及Vitech公司的CORE等。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，文献对现行系统结构分析后，提出了基于多层De Bruijn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De Bruijn 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；文献从空军信息系统的体系结构、功能结构、软件和硬件结构等概念出发，利用Petri网的理论和方法，对空军信息系统结构进行了形式化描述与分析，为研究和优化空军信息系统的结构问题提供了思路和方法；文献分析了雷达综合保障系统的功能需求，提出了雷达综合保障信息系统的结构体系，并对雷达综合保障信息系统应包括的内容、功能和要素，以及各个子系统协调工作等问题进行了探讨；文献针对有人/无人机协同作战提出了指挥控制结构和行动计划设计，将问题分为平台编组方案、任务调度方案生成、平台编组方案调整和任务方案调整4个问题，并给出问题的适应性设计方法。 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。本文针对软件定义的自主适变系统的建设需求，开展了基于软件定义的自主适变指挥控制系统架构设计方法研究。 2 软件定义指挥控制系统数据分析及架构 软件定义指挥控制系统架构的主要数据元素包括任务、能力、资源和控制器等。图1给出了软件定义指挥控制系统架构数据元模型，其中灰色区域为核心数据要素。
图1 软件定义指挥控制系统架构数据元模型 基于图1中的软件定义指挥控制系统架构数据关系，分析得出软件定义指挥控制系统架构视图主要包括全视图、能力视图、作战视图、资源视图和控制视图5类共21个模型。软件定义指挥控制系统架构视图模型组成如表1所示。 表1 软件定义指挥控制系统架构视图模型组成
由表1可知，5类视图相互关联并具有导出和支撑关系，构成了完整的架构体系。其中，能力视图和作战视图是整个体系结构的核心，可作为资源视图、控制视图的基本依据；全视图概括性描述了整个体系结构开发的目的、范围、背景、有关词汇和相关分类字典等，可为其他4类视图的描述提供信息。 控制视图中，可根据资源类型，使用控制器对资源进行控制，也可根据资源地域分布进行分类控制。指挥人员根据战场环境变化和指挥控制系统发展需求，更改控制机制，并利用控制机制对各类资源进行管控。 鉴于目前对能力视图、作战视图和资源视图研究较多，本文主要从控制器能力包着手，分析软件定义指控系统架构设计过程，并重点介绍控制视图相关模型设计方法。 3 基于控制器能力包的软件定义指挥控制系统架构 根据上述数据要素，本文对软件定义指挥控制系统架构设计涉及的描述模型以及模型间的开发顺序进行了分析。基于控制器能力包的软件定义指挥控制系统架构设计模型如图2所示，先进行任务分解、任务流程和任务指标等方面的描述，再针对任务信息流转关系和任务指标，从控制器能力包列表中搜索匹配的能力包，并确定相应的控制器能力包描述，最后得到可实现该任务的任务领域。
图2 基于控制器能力包的软件定义指挥控制系统架构设计模型 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。控制器能力包搜索与筛选过程如图3所示。
图3 控制器能力包搜索与筛选过程 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。例如，对于情报侦察任务，搜索到的作战资源包括侦察卫星、预警雷达、预警机和情报中心等。作战资源搜索过程如图4所示。
图4 作战资源搜索过程 4 控制视图 4.1 控制器清单（CoV-1） CoV-1主要描述了控制平面的组成关系。软件定义的核心是建立一个与资源和应用解耦的控制平面，考虑全域资源环境下控制平面的可扩展性和管控效率，可采用混合式架构方式来设计中心控制+分布代理的可编程调度管控机制。控制平面将管控逻辑转换为管控命令，下发至资源层的管控插件和资源，从而实现动态可编程调度。控制器设计时，需考虑资源层的管控插件，明确管控插件部署位置，进而指导资源交互关系描述（SV-2）设计。CoV-1可采用图形和表格形式进行描述。 1） 图形方式 图5给出了CoV-2单中心模式中控制器组成关系示例。单中心模式下的总控台控制所有的资源管控代理，可用于资源管控代理数量不多且总控台控制能力较强的情况。
图5 CoV-2单中心模式中控制器组成关系示例 CoV-2多中心模式包括集中式、分布式和混合式控制方式。CoV-2多中心模式中控制器组成关系示例如图6所示。图6（a）中，多中心-集中式模式下的总控台下放管控权限，形成多个控制分中心，每个控制分中心管控若干个资源管控代理。控制分中心的数量由资源管控代理规模、资源管控代理域、管控数据处理需求、管控响应时间需求和硬件成本等决定。控制分中心可按控制规模划分为多个层级，若某控制分中心同时并发管控的资源代理过多，无法满足响应时间和处理速度等要求，可在该控制分中心下设其他分中心，进而控制资源管控代理，满足响应时间和处理速度等要求。末端资源管控代理的数量由资源管控需求、控制中心覆盖范围、控制中心管控资源类型和控制中心处理能力等指标综合确定。 图6（b）中，当总控台控制的资源分布于多个域时，可采用多中心-分布式模式。该模式不设总控台，按域设置多个控制分中心分别控制下设的资源管控代理，其优点是可降低管控代价并提高管控效率。需说明的是，图6（b）中的虚线表明分中心是孤立的，体现了分布式的同步关系和接替关系。 图6（c）中，多中心-混合式模式下，可根据管控资源的分布情况，在资源集中的域采用集中式控制模式，在其他域采用分布式控制模式，从而降低控制中心的部署代价，提高控制中心对资源管控效率。需说明的是，图6（c）中的虚线表明控制分中心不是孤立的，体现了分布式的同步关系和接替关系。
图6 CoV-2多中心模式中控制器组成关系示例 2） 表格方式 除了图形方式描述控制器组成关系外，还可使用表格方式对CoV-2中进行描述。CoV-2描述如表2所示。 表2 CoV-2描述
4.2 控制机制描述（CoV-2） CoV-2展现了总控台/控制中心以及资源管控代理等对资源进行控制的过程，可采用图形或文本形式描述。软件定义指挥控制系统是一个以各种作战资源和作战力量为节点，以各种指挥关系、组织关系和运行机制为边，并由这些节点和边链接而成的网络。具体而言，软件定义指挥控制系统是由具有自适应、自调整和自协同特性的，可支持侦察探测类、情报处理类、指挥控制类和信火打击类等任务资源的，并按一定指挥控制关系、组织关系和运行机制组成的有机整体。 根据使命任务的范围和类型，软件定义指挥控制系统运行过程的控制机制分为单中心和多中心2个类别。 图7给出了单中心控制机制描述示例，具体过程为: 1) 指挥控制任务分解后，将任务下达给控制中心，控制中心根据任务的类型和指标进行能力包的查找，若找到能力包则确定管控对象（能力包中的资源），并下达管控命令至对应的资源管控代理。2) 资源管控代理收到管控命令后可进行资源调整，根据任务来调整资源之间的接口关系和通信关系等，同时调整信息服务方案和信息服务关系。3) 资源管控代理将调整后的资源实施方案下发给各管控资源，由资源管控插件接收资源实施方案，并指导资源按管控方案调整实施。
图7 单中心控制机制描述示例 图8给出了多中心-分布式控制机制描述示例，具体过程为：1) 任务分解后，将控制任务下达给控制中心，控制中心根据任务的类型和指标进行能力包查找，若找到能力包则可确定管控对象（即能力包中的资源），并下达管控命令至对应的资源管控代理。2) 资源管控代理收到管控命令后进行资源的任务调整，根据任务来调整资源之间的接口关系和通信关系等。3) 资源管控代理将调整后的资源实施方案下发给各管控资源，由资源的管控插件接收资源实施方案，并指导资源按照管控方案调整实施。
图8 多中心-分布式控制机制描述示例 多中心-集中式控制方式与多中心-分布式的控制方式类似，不同之处是在任务接收前增加了总控台的控制，多中心-混合式的控制方式可参考图6（c）的控制方式。 4.3 控制器能力包描述（CoV-3） CoV-3反映了当前指挥控制系统存储的能力包，包括名称、描述、作战资源、输入信息类型、输出信息类型、指标和指标值。这些能力包可作为匹配任务实现的依据。 能力包的指标应与任务的指标在同一个层次，可通过任务指标与能力指标之间的匹配得出能力包对任务的实现程度。当一个子任务需要多个能力包时，则需要根据任务指标度量方法搜索能力包集合。本文以探测能力包描述为例，采用表格形式对CoV-3模型进行描述。探测能力包描述示例如表3所示。该表展示了能力包的信息类型和指标等内容，可与具体任务要求进行匹配。 表3 探测能力包描述示例
此外，还可采用网络图形式对CoV-3进行展示。图9给出了能力包描述示例。图中，探测能力包分为作战资源层和信息资源层，其中，作战资源层包括侦察卫星与预警雷达，侦察卫星执行侦察活动，预警雷达执行目标跟踪活动；信息资源层对应具体的系统资源，如X侦察卫星、Y预警雷达和信息中心等。能力包约束条件为：一个能力包的最小集合需包含一个作战资源、作战资源的一个作战活动及其相应的服务与信息资源集合。一般来说，一个能力包可以单独实现一个子任务。
图9 能力包描述示例 4.4 控制器与作战任务关系（CoV-4） CoV-4描述了控制器支持的任务，可采用矩阵形式进行描述。CoV-4描述模板如表4所示，其中，控制器数据来自CoV-2；任务数据来自OV-2；●表明控制器支持相关任务的部署。 表4 CoV-4描述模板
4.5 控制结构关系（CoV-5） CoV-5展现了多个控制器的交互关系，采用表格形式进行描述，主要包括控制器之间传递的数据类型、数据容量、时效性和保密性等要求。CoV-5描述模板如表5所示，其中，控制器数据来自CoV-2。 表5 CoV-5描述模板
5 结束语 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，提出了软件定义指挥控制系统的控制视图组成及设计方法。此外，从控制机制方面，分析了单中心控制机制和多中心的控制机制，以期为软件定义指挥控制系统顶层设计提供指导。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。 相关文献推荐：
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