航空聯(lián)合試驗使能體系架構框架(JTEA)

楊廷梧

(中國飛行試驗研究院 飛行試驗測試航空科技重點實驗室，陜西 西安 710089)

為了能更好地理解航空聯(lián)合試驗使能體系的內容，首先要了解兩個名詞，即軟件架構和框架。這兩個詞主要是為了解決復雜軟件系統(tǒng)問題而出現(xiàn)的。軟件架構是一系列的抽象模式，用于指導大型軟件系統(tǒng)各個方面的設計；軟件框架是一個基本概念上的結構，用于解決或者處理復雜問題。

軟件架構(Software Architecture)，主要是關于軟件如何設計的重要策略，軟件架構決策涉及到如何將軟件系統(tǒng)分解成不同部分、各部分之間的靜態(tài)關系和動態(tài)交互關系等，即“從整體到局部”。這些架構決策最終體現(xiàn)在開發(fā)的軟件系統(tǒng)之中。

軟件框架(Software Framework)，是一種特殊的軟件，不能提供完整無缺的解決方案，而是為構建解決方案提供良好的基礎，即“先通用后專用”。框架是半成品，即系統(tǒng)或子系統(tǒng)的半成品，框架中的服務最終被應用系統(tǒng)直接調用。

本文所介紹的聯(lián)合試驗使能體系架構框架，包括了這兩方面的內容。

1 需求背景

隨著信息技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的形態(tài)也發(fā)生了很大的變化，網(wǎng)絡戰(zhàn)正在成為高技術戰(zhàn)爭的一種日益重要的作戰(zhàn)樣式，現(xiàn)代作戰(zhàn)系統(tǒng)中，一體化作戰(zhàn)網(wǎng)絡成為軍工武器研制的必然趨勢。而隨著 C4ISR(Command，Control，Communication，Computer，Intelligence，Surveillance，Reconnaissance)、空地一體化、?？找惑w化、全球信息格柵(Global Information Grid，GIG)等以網(wǎng)絡為中心的大武器系統(tǒng)(System of System，SoS)的出現(xiàn)，現(xiàn)有試驗與評估方式已無法滿足大武器系統(tǒng)試驗與評估需求(如圖1所示)。目前，這類復雜武器系統(tǒng)的試驗與評估理論與方法，還處于研究探索之中。

圖1 多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)模式

這種空地一體戰(zhàn)、空海一體戰(zhàn)等多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)模式的變化，不僅對各國軍事發(fā)展產生了深遠影響，也對武器裝備系統(tǒng)的試驗能力提出了更高的要求。

2 國外的應對方法

美國對于試驗與評估非常重視。美國國防部專門為試驗與評估設立了多種持續(xù)投資計劃，這些計劃中比較典型的有三個，如圖2所示。這三類計劃相輔相成，缺一不可，具有很強的邏輯相關性。

圖2 美國國防部針對試驗與評估設立的投資計劃

第一，試驗與評價/科學與試驗(Test Evaluation/Science and Technology，T&E/S&T)計劃。它主要是針對未來新型武器裝備試驗與評估所需要的科學試驗方法研究進行投資的，比如CTM、MBSE等試驗與評估新方法。

第二，試驗與評價核心投資計劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)。新型試驗與評估方法必然需要新的測試技術，即核心技術，如iNET、TENA等核心技術。

第三，聯(lián)合任務環(huán)境試驗能力(Joint Mission Environment Test Capability，JMETC)計劃。新型試驗方法，要求滿足試驗要求的試驗環(huán)境，比如基于分布式LVC-DE的試驗環(huán)境等試驗測試基礎設施。

面對復雜武器系統(tǒng)比如 C4ISR系統(tǒng)的試驗與評估，該如何進行試驗和評估？顯然傳統(tǒng)的試驗與鑒定模式(即獨立試驗模式)已無法滿足其要求。美國20世紀90年代與我國現(xiàn)在的狀況一樣，試驗設施與測試系統(tǒng)相互獨立，地理上分散，管理上分割，根本上無法開展這種大型武器系統(tǒng)(SoS)的試驗。正因為如此，CTEIP投資了FI2010工程計劃，開始了試驗與訓練使能體系架構(Test and Training Enabling Architecture，TENA)的研究，如圖 3所示。TENA的目的是要將所有美國國土上(包括各軍兵種、工業(yè)部門與相關的大學)的試驗設施、測試系統(tǒng)、仿真資源以及與國防試驗相關的重點實驗室，通過公共體系架構與公共基礎設施連在一起，形成一個有效的、統(tǒng)一的整體。當需要執(zhí)行試驗任務，可以隨時從統(tǒng)一的資源池中選擇該任務所需的一切資源，在較短的時間內形成所謂的“邏輯靶場”，用以完成所指定的試驗任務。從圖3可以看出，TENA是以中間件、TENA倉庫和邏輯試驗場數(shù)據(jù)檔案庫為公共基礎設施，鏈接靶場資源應用程序、TENA 工具、TENA實用程序和非TENA系統(tǒng)。

圖3 TENA架構概覽

TENA架構是一種通用架構，為試驗和訓練試驗場低成本的互操作性、可重用和可組合提供了一種有效的技術途徑，可以連接試驗場、訓練場、實驗室和各種建模與仿真資源，構建試驗任務所需的聯(lián)合試驗環(huán)境；TENA又是一種靈活架構，可根據(jù)試驗任務的需要，實現(xiàn)試驗資源的隨意組合和重復使用。

由TENA架構構建的聯(lián)合任務試驗環(huán)境，既可以用于單一復雜武器系統(tǒng)的試驗與評估，也可以用于大型武器復雜武器系統(tǒng)的試驗與評估；既可以用于真實試驗，也可以用于虛擬試驗。

經過不斷地改進和完善升級，TENA成功地應用于“千年挑戰(zhàn)2002”、“聯(lián)合國家訓練能力”、2005 和2007年的大型聯(lián)合演習。尤其在2016年太平洋阿拉斯加聯(lián)合軍事演習中，取得了巨大成功。

FI2010工程計劃是一項長期發(fā)展的任務。美國計劃到2025年將美國所有國土上的包括衛(wèi)星、飛機、海上所有的設備全部連在一起。

3 我國試驗評估存在的問題

按照美國對試驗與評估階段的劃分，一般分為三個階段：第一階段叫獨立試驗模式，第二個階段叫聯(lián)合試驗與評估，第三階段叫試驗與訓練一體化模式。我國試驗技術還處于第一階段，正在向第二階段轉型。由于聯(lián)合作戰(zhàn)這種戰(zhàn)爭模式已廣泛應用，對于試驗評估來說，尤其是對于航空武器裝備試驗與評估來說，我們面臨著許多難題。以航空為例，主要存在以下問題。

3.1 復雜體系試驗問題

(1)航空武器裝備性能試驗要求突出復雜環(huán)境和近似實戰(zhàn)條件的考核，現(xiàn)有能力無法完全支撐。

現(xiàn)有裝備試驗多為簡單背景下的指標驗證，存在驗證不充分問題，要突出復雜環(huán)境和近似實戰(zhàn)條件下的考核，需要被試飛機、配試飛機以及試驗設施和測試設備(雷達、經緯儀、引導系統(tǒng)、遙測等)等多類、多型設備設施具有高效的信息共享能力、有效的組網(wǎng)能力、統(tǒng)一協(xié)同的指揮控制能力，現(xiàn)有能力無法完全支撐。

(2)新型航空武器裝備及裝備體系復雜、先進，完全依靠真實試驗已難以滿足要求。

試驗對象從單機向多機協(xié)同方向轉變，聯(lián)合試驗條件、復雜對抗、復雜自然環(huán)境的試驗環(huán)境完全依靠真實試驗已難于滿足要求，需要構建真實—虛擬—構造 分 布 式 ( Live-Virtual-Constructive Distributed Environment)聯(lián)合試驗環(huán)境，以滿足體系試驗與評估的需要。

3.2 未來試驗需求問題

未來的聯(lián)合作戰(zhàn)、試驗/訓練一體化發(fā)展模式，要求航空武器裝備具有一體化試驗創(chuàng)新平臺。目前我國已開始著手推進聯(lián)合作戰(zhàn)、試驗訓練一體化模式，這就要求在試驗全過程中具有統(tǒng)一協(xié)調、統(tǒng)一控制和統(tǒng)一管理的互操作能力。應盡快開展面向一體化試驗-訓練作戰(zhàn)需求的聯(lián)合使能體系架構研究，為航空裝備研制提供體系協(xié)同的聯(lián)合試驗平臺，以促進基于體系作戰(zhàn)節(jié)點的裝備能力提升。

3.3 試驗需求問題

這幾年新型號測試參數(shù)大幅增多，使得傳統(tǒng)體系架構變得異常復雜；試驗測試系統(tǒng)中各設備來自于不同的制造商，無法實現(xiàn)有效的管理和控制。如波音公司空客300到空客380的測量參數(shù)已經增加到4萬個，這么大的參數(shù)量需要同步進行采集，對于測試系統(tǒng)來說要求非常高。首先，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)構架已無法勝任新型機種的測試任務；其次，海量參數(shù)測量同步性是新型航空武器裝備試驗的首要條件。

3.4 試驗一體化問題

試驗設施各自獨立、互不相關，航空裝備研制各階段試驗無法有效銜接和同步分析。目前從設計所、各試飛站到試飛院的設計仿真試驗、風洞試驗、車臺試驗、地面載荷試驗、飛行試驗等各研制試驗設施之間、試驗設施與測試系統(tǒng)之間、測試系統(tǒng)之間等缺乏標準的接口規(guī)范與屬性描述等，各試驗內容、試驗信息無法進行相關性、耦合性和同步性分析，試驗信息和資源的可重復利用性差，造成了試驗資源的極大浪費。

4 聯(lián)合試驗體系架構框架(JTEA)

4.1 聯(lián)合試驗體系的概念

目前，聯(lián)合試驗還沒有統(tǒng)一的定義。最早是由美國提出的多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)試驗而來，后來簡稱為聯(lián)合試驗。隨著研究的深入，其內涵和外延也發(fā)生了變化。通常認為它主要包含兩層含義：其一是指被試對象的多樣化；其次是指聯(lián)合任務試驗環(huán)境能力(Joint Mission Test Environment Capability)。普遍認為是后者。

為實現(xiàn)聯(lián)合任務試驗環(huán)境能力，需要構建聯(lián)合試驗體系架構(Joint Test Evaluate Architecture，JTEA)。通常體系架構也稱體系視圖。JTEA應包括試驗需求體系、分布式LVC聯(lián)合試驗結構體系、技術體系、試驗運行體系和試驗網(wǎng)絡安全體系。聯(lián)合試驗體系的構建借鑒了擴展C4ISR體系概念，一般有如下體系。

(1)試驗需求體系。

未來的武器裝備或裝備體系對試驗體系提出了哪些要求，需要從無數(shù)具體要求中抽象、提煉出更高層次需求，而不是試驗具體要求。主要包括：互操作性、可組合性與可重組性，實現(xiàn)各種試驗異構系統(tǒng)、多種試驗資源的有效共享。

(2)分布式LVC聯(lián)合試驗結構體系。

它是標準化的、開放式的網(wǎng)絡結構體系，以TENA架構為基礎，實現(xiàn)全國范圍內試驗場、試驗機構、半物理仿真實驗室以及試驗理論與方法研究中心有效連接。依據(jù)試驗任務需要，可靈活建立“邏輯試驗場”。

(3)技術體系。

它主要包括聯(lián)合試驗流程與試驗指南、構建試驗網(wǎng)絡系統(tǒng)的標準與規(guī)范、數(shù)據(jù)處理分析的準則等。一般要求是盡量采用成熟、商用標準與約定。

(4)試驗運行體系。

試驗運行體系主要包括三個階段：試驗前、試驗中與試驗后階段的工作。試驗運行體系也稱試驗執(zhí)行體系，主要是指“邏輯靶場”運行過程中所需的一切試驗要素，有參與者角色、運行過程中五個過程、試驗規(guī)劃、試驗執(zhí)行、分析與總結等過程。

(5)試驗網(wǎng)絡安全體系。

試驗網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，在信息化條件下各種攻擊和威脅貫穿于信息獲取、信息處理和分析、決策全過程，因此試驗網(wǎng)絡的安全性至關重要。應建立試驗網(wǎng)絡安全體系，以保障試驗網(wǎng)絡信息服務與管理。

聯(lián)合試驗使能體系架構(JTEA)，以對象模型為公共通信語言，將試驗中數(shù)據(jù)交互轉換為對象模型的發(fā)布/訂閱，并將數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一交由底層通信環(huán)境-中間件管理，以實現(xiàn)匿名的訂閱/發(fā)布機制。

4.2 聯(lián)合試驗平臺

采用通用、統(tǒng)一的架構和標準體系將航空試驗資源有效的連接起來，構建覆蓋航空裝備試驗使用范圍的基于空基、天基、地基與海基一體化試驗網(wǎng)絡，統(tǒng)一控制、統(tǒng)一管理，形成規(guī)范、靈活、可重用、可重組與可互操作的通用試驗平臺。

4.3 聯(lián)合試驗的軟件框架

對于大系統(tǒng)，尤其是多軍種聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)，試驗軟件系統(tǒng)非常復雜。軟件框架，本著先通用后專用的思路，逐步建立包括基于需求想定和模型的試驗規(guī)劃、任務推演、綜合評估、并行計算、運行管理和綜合監(jiān)控等軟件系統(tǒng)，利用試驗網(wǎng)關/中間件將試驗所需的實驗室資源、虛擬試驗平臺、空中試驗資源、地面試驗資源有效連接到一起，開展試驗和評估。

4.4 聯(lián)合試驗愿景

武器裝備戰(zhàn)技性能鑒定、作戰(zhàn)效能以及裝備體系能力評估，已成為提高裝備及裝備體系作戰(zhàn)能力的核心技術，因此應盡快開展試驗理論、試驗體系和試驗核心技術研究以及試驗公共基礎設施建設，并加大投資力度，統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施，以推動并實現(xiàn)一下四個轉變。

一是推進實現(xiàn)從真實試驗向虛-實組合試驗方法的轉變。由于新型武器裝備先進性和復雜性持續(xù)增加，真實試驗已難于滿足試驗與評估全部要求，真實試驗應逐步向虛-實組合試驗方向發(fā)展。

二是推進常規(guī)試驗環(huán)境向逼真的戰(zhàn)場環(huán)境轉變。試驗環(huán)境從真實大氣環(huán)境向復雜電磁環(huán)境轉變，武器裝備設計符合性試驗應向作戰(zhàn)效能評估轉變。

三是開展試驗理論、試驗體系與試驗方法研究，促進試驗模式從獨立試驗模式向聯(lián)合試驗模式轉變。試驗對象由單一裝備逐步轉變?yōu)槎嘌b備協(xié)同或聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡，則必須對現(xiàn)有試驗設計方法、試驗流程和試驗系統(tǒng)集成技術與方法進行轉型與升級，并開展聯(lián)合試驗指南與操作規(guī)程研究。

四是建立聯(lián)合試驗集成環(huán)境。統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施逐步建立基于分布式LVC-DE聯(lián)合實驗環(huán)境，即將地理上分散的試驗設施與測試系統(tǒng)、虛擬/仿真實驗室等資源，采用國防專用網(wǎng)絡，通過聯(lián)合試驗使能體系架構形成統(tǒng)一可重用、可靈活組合與可互操作、共享的國防試驗公共資源。

聯(lián)合試驗最終目標，是基于JTEA體系架構將地理分散的國防試驗設施、被試對象、支持設施/設備等，通過公共基礎設施構成空天地一體化試驗網(wǎng)絡系統(tǒng)。美國一體化試驗網(wǎng)絡如圖4所示。

5 主要研究內容

圖4 美國空天地一體化試驗網(wǎng)絡示意圖

武器裝備試驗與評估(T&E)需要在近似戰(zhàn)場環(huán)境下開展對被試武器裝備戰(zhàn)術、技術性能、作戰(zhàn)使用性能和作戰(zhàn)效能影響變化等進行測試、考核與檢驗。因此，要對不同試驗場和試驗資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃和信息共享，就需要標準的對象模型、統(tǒng)一的通信機制、通用的系統(tǒng)架構。這是實現(xiàn)聯(lián)合試驗可互操作、可重用與可組合這三個最主要特性的先決條件。

聯(lián)合試驗主要研究內容如下。

5.1 聯(lián)合試驗關鍵技術

關于聯(lián)合試驗有關技術點比較多，以下介紹一些主要的技術點。

(1)聯(lián)合試驗體系架構研究。

如前所述，聯(lián)合試驗體系架構描述了試驗的需求、標準與規(guī)范、試驗執(zhí)行過程要求和試驗系統(tǒng)網(wǎng)絡結構等。如圖 5所示，域特定軟件框架(DSSA)用于支撐技術體系和運行體系。DSSA包括公共元模型、公共對象模型、公共基礎架構和公共過程模型等通用軟件組件。開發(fā)相應的JTEA產品線，構建軟件系統(tǒng)體系結構，最終組成復雜試驗網(wǎng)絡。

圖5 JTEA體系架構示意圖

(2)試驗框架核心服務技術研究。

試驗框架核心服務技術研究主要包括有配置管理、運行管理、回調管理、交互管理、時間管理和運行控制等，實現(xiàn)試驗資源的調度、試驗時間的協(xié)同、試驗信息的管理、試驗設備的控制、試驗數(shù)據(jù)的交互、試驗對象的配置、試驗任務的運行與試驗過程的監(jiān)控。

(3)試驗對象模型構建技術研究。

對象模型根據(jù)包含元模型的比例可以分為標準對象模型(也稱簡單對象模型)、復雜對象模型兩類。對象模型是可組合和可重用的。標準對象模型主要由元模型組成，復雜對象模型則由標準對象模型、元模型組合而成。構建對象模型一般有兩種方法，一種是利用通用的UML語言(Unified Modeling Language)；另一種是采用 TENA定義的 TDL語言(TENA Definition Language)。

構建JTEA對象模型，采用的方法是先建元模型，其次是標準模型，最后利用標準模型構建復雜對象模型。具體做法是把很多試驗對象分解出基本的標準對象模型，如：時空位置信息模型、時間編碼模型、空間參考模型、試驗消息模型、GPS模型、雷達擴展模型、應用管理對象模型、實體和跟蹤信息模型等。任何一套裝備，或是一套測試系統(tǒng)，都可以由這些標準的對象模型來進行組合。對航空試驗來說，典型的復雜對象模型包括有被試飛機、鐵鳥臺、模擬器、高性能計算中心、飛行仿真系統(tǒng)、航電仿真系統(tǒng)、虛擬測試平臺、光電測量系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)等。

(4)JTEA中間件與網(wǎng)關技術研究。

JTEA中間件，由信息管理服務和托管服務組成，是試驗資源的所有實例間交換的標準。中間件是邏輯靶場中使用的高性能、低延遲的實時通信基礎設施，在試驗任務執(zhí)行期間，用于邏輯靶場中所有對象的通信，它具有實現(xiàn)創(chuàng)建、管理、發(fā)布和刪除SDO、消息和數(shù)據(jù)流的功能；同時，它具有支持管理邏輯靶場中的對象服務，支持許多不同的通信策略。

網(wǎng)關用于非JTEA系統(tǒng)即未經改造的遺留試驗設施和測試系統(tǒng)等接入JTEA架構時的信息傳輸，具有協(xié)議轉換和信息、數(shù)據(jù)轉換與傳輸功能。其次，為實現(xiàn)靶場應用程序和系統(tǒng)之間互操作、重用和組合功能，網(wǎng)關必須對互聯(lián)系統(tǒng)雙方的信息格式、對象模型、通信方法、時間理解、試驗事件理解等都能充分支持和兼容。這也是一般通用意義上的網(wǎng)關所不具有的功能。

(5)試驗資源管理和數(shù)據(jù)倉庫技術研究。

從試驗任務、計劃、數(shù)據(jù)、對象、客戶等多個方面進行動態(tài)資源管理，支持邏輯試驗靶場重組、運行與結束。開展試驗資源信息的儲存、管理、調用、回放、安全、分析、監(jiān)視等技術研究，支持更包容、更開放、更高效的數(shù)據(jù)倉庫技術研究。

JTEA數(shù)據(jù)倉庫包含與JTEA所有相關的信息，它是一個大型、統(tǒng)一、安全的數(shù)據(jù)庫之數(shù)據(jù)庫，通過統(tǒng)一接口將不同類別的信息服務于試驗全過程。JTEA倉庫可能有許多物理數(shù)據(jù)庫，如關系數(shù)據(jù)庫、面向對象數(shù)據(jù)庫、分層數(shù)據(jù)庫以及倉庫數(shù)據(jù)文件。它屬于JTEA體系架構的公共基礎設施之一。請注意，JTEA數(shù)據(jù)倉庫與邏輯靶場數(shù)據(jù)檔案庫不一樣。

(6)能力試驗方法研究。

能力試驗方法(CTM)是以LVC-DE分布式試驗環(huán)境為基礎，可用于各種類型的武器裝備試驗與評估的一種新型試驗方法。它不僅適用于單件裝備試驗，也適合裝備體系試驗。CTM包括一套完整的試驗程序和操作方法，可根據(jù)具體試驗任務進行剪裁，同時也提供大量分析工具，幫助用戶對復雜試驗環(huán)境進行定義、確定試驗指標、設計試驗事件與評估試驗結果。

借鑒CTM能力試驗方法，開展復雜武器系統(tǒng)試驗方法研究。按照以下6個階段，研究試驗規(guī)程。

① 制定試驗與鑒定策略。包括能力和體系說明文件、鑒定策略、試驗體系對抗背景、細化能力交叉對照表。

② 描述試驗。建立試驗概念，提出任務需求，細化鑒定策略、技術評估。

③ 規(guī)劃試驗。進行試驗設計，完成 LVC-DE分析，制定試驗規(guī)劃。

④ 構建LVC-DE。設計LVC-DE布局，建立/配置LVC-DE組件，集成LVC-DE。

⑤ 管理試驗的執(zhí)行。制定試驗事件管理計劃，管理試驗事件的執(zhí)行。

⑥ 鑒定能力。分析數(shù)據(jù)，鑒定系統(tǒng)對體系的貢獻率，鑒定體系作戰(zhàn)效能。

5.2 軟件系統(tǒng)

JTEA軟件系統(tǒng)主要包括四類：靶場應用程序類、公共基礎設施類、JTEA工具類和JTEA實用程序類，如圖6所示。

圖6 JTEA軟件組件及其關系

具體來說主要有中間件/網(wǎng)關、規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、記錄、存儲、回訪、分析、處理、瀏覽與管理等方面的軟件。JTEA軟件系統(tǒng)以DSSA公共軟件組件為基礎，開發(fā)JTEA軟件系統(tǒng)公共基礎設施、靶場應用程序、JTEA實用工具和JTEA實用程序等各類軟件，支持JTEA體系架構完整、協(xié)調的有效運行機制。

6 結束語

航空聯(lián)合試驗使能體系架構框架能夠大大提高試驗設計的科學性和試驗結果的可靠性，有效擴展試驗邊界，降低試驗風險，縮短試驗周期，并能夠統(tǒng)籌設計、研制、試驗鑒定全流程的試驗資源，共享試驗信息，有效支撐武器裝備研制和使用能力提升。