毛明， 劉勇， 胡建軍

(中國北方車輛研究所, 北京 100072)

坦克裝甲車輛綜合電子信息系統(tǒng)的總體設計研究

毛明， 劉勇， 胡建軍

(中國北方車輛研究所, 北京 100072)

車輛綜合電子信息系統(tǒng)(簡稱車電)是坦克裝甲車輛平臺信息化的基礎和核心，直接影響坦克裝甲車輛信息化水平和戰(zhàn)術性能。由于對其兼具信息化總體和車電功能系統(tǒng)雙重角色的內涵認識不清晰，車電發(fā)展受到一定制約。闡明了車電系統(tǒng)本質內涵，得出“坦克裝甲車輛綜合電子信息系統(tǒng)的關鍵在于綜合”的結論，并通過梳理、分析車電技術的發(fā)展進程，凝煉了傳感綜合、顯控綜合、席位綜合、處理綜合與信息綜合等重點，提出車電系統(tǒng)的關鍵技術、總體設計流程及仿真建模方法，為坦克裝甲車輛綜合電子信息系統(tǒng)發(fā)展提供借鑒。

兵器科學與技術； 坦克裝甲車輛； 綜合電子信息系統(tǒng)； 架構； 任務； 綜合

0 引言

聯(lián)合作戰(zhàn)，特別是機械化與信息化深度融合是包括坦克裝甲車輛在內的武器裝備發(fā)展的緊迫內在需求，綜合電子信息系統(tǒng)是實現(xiàn)武器裝備信息化的物化表現(xiàn)，也已成為武器裝備最重要的系統(tǒng)之一。如果將發(fā)動機比作“心臟”，那么綜合電子信息系統(tǒng)就可以比作裝有一定“知識”，并具備一定“聰明程度”的“大腦”。綜合電子信息系統(tǒng)的發(fā)展不僅得益于信息技術本身的飛速發(fā)展，而且也得益于武器裝備需要處理的信息越來越多和武器裝備對質量、空間的限制越來越苛刻。綜合電子信息系統(tǒng)率先在飛機上(簡稱航電)得以蓬勃發(fā)展[1-2]，隨后在坦克裝甲車輛(簡稱車電)、艦船、導彈上陸續(xù)得到重視和發(fā)展。車電是坦克裝甲車輛平臺信息化的基礎和核心[3]，是實現(xiàn)坦克裝甲車輛由機械化向信息化跨越式發(fā)展的基本技術途徑，是新型坦克裝甲車輛的主要技術特征和重要標志。車電對外通過射頻連接戰(zhàn)場上各級、各類通信與環(huán)境感知設備[4]，對內綜合坦克裝甲車輛本身的火力、防護、機動等系統(tǒng)以及乘載員的顯示和操控信息，既是戰(zhàn)場信息的基本感知單元和信息源，也是協(xié)同作戰(zhàn)體系形成機動力、防護力、打擊力和持續(xù)作戰(zhàn)能力的橋梁和樞紐。車電既是實現(xiàn)坦克裝甲車輛信息采集、傳輸、處理、存儲和顯控的電子信息平臺，也是信息綜合運用的核心所在；不僅包含計算機、總線、顯示器等硬件，還包含控制策略、輔助決策、任務規(guī)劃等軟件[5]。車電既可以成為火力、機動力、防護力的“倍增器”，也可能將是系統(tǒng)復雜、價格昂貴的“花架子”，更糟糕的甚至成為可靠性差、讓人束手無策、虛警不斷的“麻煩制造者”。

車電技術是借鑒航電技術同步發(fā)展的，與航電發(fā)展歷程[6-9]類似，車電技術經(jīng)歷了分立式、聯(lián)合式到綜合化的發(fā)展歷程。

早期，坦克裝甲車輛信息系統(tǒng)采用分立式系統(tǒng)結構[10]，由于缺乏統(tǒng)一的總線技術和核心計算機技術，各個電子設備分離安置，未實現(xiàn)互聯(lián)互通。因此，車輛上互聯(lián)電纜繁多，質量大，且乘員要面對的顯示和控制裝置繁多，操作復雜。

隨著坦克上裝載的電子設備種類和數(shù)量不斷增加，互聯(lián)接口、布局布線越來越復雜[11],為了解決系統(tǒng)間信息交互能力不足和擴展能力較弱的問題[12]，美軍M1A2和德國豹Ⅱ等以計算機為中心的聯(lián)合式車電系統(tǒng)[13]設計漸漸成為主流。其特點在于通過統(tǒng)一總線網(wǎng)絡實現(xiàn)子系統(tǒng)間的互聯(lián)互通[14]，但各系統(tǒng)的資源和功能仍然相互獨立。

信息化戰(zhàn)爭和技術的發(fā)展使坦克承擔的任務進一步多樣化和復雜化，感知能力、打擊手段和防護技術日益電子化、智能化。為解決光電、射頻設備占用空間與質量持續(xù)增長、經(jīng)濟成本居高不下、維護困難等突出矛盾，信息系統(tǒng)進一步發(fā)展為綜合式系統(tǒng)結構[15]。綜合式信息系統(tǒng)是一個高度開放的實時計算系統(tǒng)，致力于支持不同重要程度級別的系統(tǒng)任務程序，適合構造一種規(guī)?？勺兊南到y(tǒng)[16-17]。它以交換式高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為主傳輸通道，利用分層和分區(qū)來隔離信息系統(tǒng)組件和軟件[18]，使不同的應用程序駐留在通用的硬件平臺上，能夠有效支撐系統(tǒng)數(shù)字化、模塊化、標準化、通用化的硬件體系架構，并通過裁剪或擴展功能模塊，滿足武器裝備執(zhí)行各種任務的需求。綜合式車電系統(tǒng)架構具有以下優(yōu)勢：采用開放式的標準化體系架構，減少了標準化模塊種類和備用部件數(shù)量，降低了維護成本；開放式體系更易于系統(tǒng)集成、維護和技術升級；軟件與硬件分離，方便移植和重用[19]；支持不同安全性需要；能夠優(yōu)化計算、通信和I/O資源，通過統(tǒng)一規(guī)劃分配系統(tǒng)資源，實現(xiàn)資源共享、減少部件數(shù)量等[20]。

我國車電技術經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，使裝甲裝備初步實現(xiàn)了統(tǒng)一指控、態(tài)勢共享、協(xié)同攻防、綜合保障等信息化功能， 隨著車電地位和作用的顯著提升，坦克裝甲車輛各分系統(tǒng)數(shù)字化、自動化水平明顯提高，車電技術的發(fā)展到了一個轉型升級的關鍵時期。本文試圖闡明對車電系統(tǒng)本質內涵的認識，提出車電系統(tǒng)的關鍵技術和總體設計流程及仿真建模方法，為車電技術的進一步發(fā)展提供參考。

1 車電系統(tǒng)的組成與本質內涵

車電系統(tǒng)往往表現(xiàn)為總線拓撲結構圖，如圖1所示為美國M1A2主戰(zhàn)坦克車電系統(tǒng)的拓撲示意圖。

圖1 美國M1A2主戰(zhàn)坦克車電系統(tǒng)的拓撲示意圖[21]Fig.1 Topological graph of vetronics system of M1A2 main battle tank[21]

從總線拓撲結構圖的形式，人們往往簡單地將車電系統(tǒng)理解為信息采集、傳輸、處理、存儲和顯控的電子系統(tǒng)，認為只要掌握計算機或總線等電子信息技術就能勝任車電系統(tǒng)的設計，特別是美國未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)(FCS)由波音公司和國際科學應用公司而不是通用動力公司作為總承包商牽頭集成更是強化了這一偏見。

事實上，總線拓撲圖(車電系統(tǒng)架構)只是車電系統(tǒng)的外在表現(xiàn)形式，而為什么要采用這個架構以及運行在其中的軟件才是內容。車電系統(tǒng)設計首先是一個總體頂層設計問題，涉及到對坦克執(zhí)行諸如進攻作戰(zhàn)、防守作戰(zhàn)、集結機動、潛伏監(jiān)視、演習訓練、維修保障等作戰(zhàn)訓練任務的理解，與上一級戰(zhàn)場指揮保障信息系統(tǒng)的協(xié)調，以及車長、炮長、駕駛員的協(xié)作分工和坦克各分系統(tǒng)的自動化信息化程度。因此，由于車電技術的加入，使得傳統(tǒng)意義上以戰(zhàn)術技術指標分配，性能、參數(shù)匹配，空間位置布置，各分系統(tǒng)機械、電氣、信息接口協(xié)調為主要工作的坦克總體設計(可以稱為“機械化總體”)必須發(fā)展成以任務綜合、功能綜合、信息綜合、顯示綜合與操控綜合為主的“信息化總體”。

車電系統(tǒng)的設計包括兩部分：一部分是基于任務管控的坦克總體信息設計與集成，完成人機之間和分系統(tǒng)之間任務、功能與信息的分解和綜合，設計車電系統(tǒng)架構、設計規(guī)范以及車電系統(tǒng)的集成；另一部分是各車電功能系統(tǒng)的設計，完成任務管理與輔助決策系統(tǒng)、通信與定位系統(tǒng)、以及執(zhí)行信息采集、傳輸、處理、存儲和顯示功能的通用電子平臺等軟硬件的設計。

基于任務管控的坦克總體信息設計與集成是“信息化總體”的主要工作內容[22]，必須由坦克系統(tǒng)總體設計人員來完成。其核心包括如下4個方面：

1)根據(jù)坦克作戰(zhàn)使命任務進行人機之間功能分配與信息設計。在規(guī)定的任務剖面下，人做什么，機器做什么，坦克乘員間如何分工，乘員操控的作業(yè)流程是什么，通過在車電頂層設計時與坦克需求方逐一明確這些問題，把坦克作戰(zhàn)使命任務落實到坦克乘員的操控使用上，以實現(xiàn)任務需求到技術需求的轉變。

2)坦克(人機中的機)任務、功能的分解和信息設計。需要坦克本身完成的任務、功能又如何分配到各分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)之間又如何協(xié)作協(xié)調。目前，主戰(zhàn)坦克有100多個獨立的電子部件，它們往往需要一些相同的信息，比如車速信號，發(fā)動機、傳動裝置、行動系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、光電對抗系統(tǒng)都需要，信息存儲、處理等資源是可以共用、共享，就像云計算一樣?？傮w設計的任務就是要在全面了解分析的基礎上提出各分系統(tǒng)之間功能的綜合和分配的要求，通過系統(tǒng)之間信息功能與接口設計，實現(xiàn)整車的電子信息要求到分系統(tǒng)技術要求的轉變。

3)根據(jù)整車電子信息功能和各分系統(tǒng)功能，設計整車信息系統(tǒng)架構，包括系統(tǒng)管理架構、軟件架構、硬件架構、網(wǎng)絡架構等，同步提出設計規(guī)范，明確部件之間、模塊之間、軟件與硬件之間、軟件與軟件之間的功能、物理接口和信息接口及其集成測試規(guī)范。

4)建模、仿真、集成與驗證，根據(jù)裝備作戰(zhàn)使命任務，搭建動態(tài)仿真測試驗證環(huán)境，實現(xiàn)對車電總體方案以及車電功能系統(tǒng)的仿真集成和驗證。

車電功能系統(tǒng)的設計是在上述4個方面的工作完成后開展的設計工作，核心是為完成坦克作戰(zhàn)使命任務提供信息服務，主要包括任務管理與輔助決策系統(tǒng)、通信與定位系統(tǒng)和通用電子平臺。

任務管理與輔助決策系統(tǒng)完成坦克的任務管理、輔助決策以及坦克本身狀態(tài)的綜合管理。它包含任務規(guī)劃、多源情報信息融合、輔助決策、系統(tǒng)綜合管理和乘員顯控等功能。

通信與定位系統(tǒng)完成坦克與戰(zhàn)場指揮與控制信息系統(tǒng)之間和坦克內各乘員之間的通信、坦克本身的定位。包含通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)等，實現(xiàn)車際之間以及車內乘員間的通信與位置服務。

通用電子平臺為任務管理與輔助決策系統(tǒng)、通信與定位系統(tǒng)以及火力、機動、防護等各分系統(tǒng)提供通用化、模塊化的信息采集、傳輸、處理、存儲、顯示的軟硬件服務環(huán)境。包含任務信息管理網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡、通用處理計算機、乘員終端等，實現(xiàn)信息傳輸、處理、存儲和顯控等通用服務。

從以上關于車電系統(tǒng)設計的主要內容可以看出，車電系統(tǒng)的本質是對坦克作戰(zhàn)使命任務的解析與管理，以及實現(xiàn)各分系統(tǒng)信息采集、傳輸、處理、存儲、顯示的集中統(tǒng)一管理。車電系統(tǒng)的設計既是坦克總體設計的核心，也是車電功能系統(tǒng)的軟硬件設計，其設計水平直接關系到坦克綜合作戰(zhàn)效能。隨著未來戰(zhàn)爭朝著聯(lián)合作戰(zhàn)、體系對抗、透明戰(zhàn)場等形態(tài)的演進，任務管理越來越復雜，信息越來越多，車電系統(tǒng)的設計也越來越復雜，總體設計的層級也會越來越高。

2 車電系統(tǒng)的關鍵在于綜合

車電系統(tǒng)的根本是適應裝備信息化、智能化作戰(zhàn)使用的需求，適應裝備空間質量的要求，適應裝備維護保障的要求，為此，需要從坦克裝甲車輛任務出發(fā)分析車電系統(tǒng)總體設計的綜合重點，從車電系統(tǒng)功能需求研究車電體系架構，并明確支撐車電系統(tǒng)綜合的關鍵技術。

2.1 車電系統(tǒng)總體設計的綜合重點

車電系統(tǒng)總體設計核心思想是基于對坦克作戰(zhàn)任務的理解，來分解、分配、設計坦克信息的功能與接口，重心在于使坦克裝甲車輛乘員能簡潔、全面、快速地感知戰(zhàn)場、理解態(tài)勢、掌握平臺、使用武器，達到正確決策，準確完成任務的目標。為了支撐這一目標，首先需要做好傳感綜合、席位綜合、顯控綜合和信息綜合，使乘員在合理任務負荷情況下快捷發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤目標；其次通過處理綜合，使各功能系統(tǒng)有效協(xié)調運行，高效完成乘員意圖。

2.1.1 傳感綜合

隨著戰(zhàn)場環(huán)境日益復雜，車輛任務與功能逐漸增加，戰(zhàn)場感知手段多樣化，使得傳感器日益增多，必須通過傳感綜合[23]來滿足總體空間和質量的約束。傳感綜合包括了射頻綜合與光電綜合。

1) 射頻綜合

為了適應未來戰(zhàn)爭中對探測與通信的需求，必須加裝兼具戰(zhàn)場態(tài)勢感知、近程防護、電子對抗、敵我識別、寬頻譜智能協(xié)同通信的各類射頻傳感器。而目前傳統(tǒng)車輛內部的傳感器都是單獨安裝，如果按照功能累積的思路、架構進行發(fā)展，車外獨立安裝的天線數(shù)量及車內處理單元數(shù)量將會成倍增加[24]。

首先是射頻前端與處理的集成。通過射頻天線、射頻前端收/發(fā)通道、信息處理與控制等資源的共用，實現(xiàn)雷達、電子對抗、通信導航及敵我識別多任務的統(tǒng)一管理、控制和調度。

其次是射頻資源的規(guī)劃、頻譜共用與復用。綜合射頻系統(tǒng)涉及多種頻段、多種功能、多種信號形式的綜合電子信息系統(tǒng)，其中包括工作于同一頻段的不同功能部分，因此通過規(guī)劃、共用和復用，實現(xiàn)多個功能、多個孔徑在時間、空間、頻段上的統(tǒng)一管理調度，就非常重要。

最后是射頻綜合探測。射頻綜合探測的主要功能是完成對低空、地面目標的監(jiān)視和跟蹤，結合坦克裝甲車輛的使用工況，發(fā)揮其搜索速度快、掃描范圍廣的特點，靈活設計探測系統(tǒng)的工作模式，綜合提高其戰(zhàn)場主動探測能力。

2) 光電綜合

光電綜合從戰(zhàn)場觀察和目標搜索與瞄準需求出發(fā)，通過分布式感知的綜合，提供1 km范圍內的全景實時快速感知，實現(xiàn)透明座艙，滿足裝甲平臺需要高速編隊行軍、城市作戰(zhàn)、遙控武器觀瞄等近距離全景態(tài)勢觀察能力需求；通過多頻譜搜索瞄準綜合，實現(xiàn)5 km地面目標、10 km低空目標的自動探測和高精度的自動跟蹤瞄準，達到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵打擊的快速打擊目的。

2.1.2 席位綜合

隨著無人車輛技術的發(fā)展和以乘員為中心的裝備發(fā)展需求，未來坦克裝甲車輛必將實現(xiàn)席位綜合，逐步由現(xiàn)在的3～4乘員發(fā)展到2乘員，再發(fā)展到單乘員。

在目前主流的裝甲裝備中，大部分是駕駛員、車長和炮長3乘員通過互相配合，共同完成機動駕駛、火力打擊和光電對抗，以及用于支持這3項功能的目標搜索、信息處理、車際通信等工作。隨著技術水平的提高，未來坦克裝甲車輛改為2乘員后，必須重新規(guī)劃人機功能并進行2乘員任務分配。美國早在FCS中就進行了席位綜合與乘員任務負荷分析的研究。

有3種較為可行的2乘員任務分配方案：駕駛員- 車炮長、駕駛員(車長)-炮長、駕駛員(炮長)—車長。要完成乘員任務分配，首先需要根據(jù)輔助決策與人工智能技術的進展，確定人機功能分配，盡量由機器完成以前乘員重復度高、負荷大的操作，如目標自動搜索與識別等。

2.1.3 顯控綜合

隨著感知技術和信息技術的發(fā)展，乘員需要感知和處理的信息量有巨大的增加，對乘員的顯控提出了更高的要求，對乘員間的協(xié)同產(chǎn)生了更高的需求。在復雜交互環(huán)境下，坦克裝甲車輛操作程序的復雜度直接關系到任務能否得到正常、有效地執(zhí)行。因此，以乘員完成任務為中心，以提高任務完成效率為目標，將乘員的顯示界面、操控設備等顯控資源進行綜合，基于任務將顯控功能進行有機的組合和設計，并利用先進的信息技術實現(xiàn)更高程度的人機結合，從而提高坦克裝甲車輛乘員的人機交互手段和交互方式，以提高坦克裝甲車輛的作戰(zhàn)效能和可用性，增強乘員的態(tài)勢感知能力和決策能力，減少決策和反應時間，降低操作誤差。

2.1.4 信息綜合

信息綜合是指多源信息的綜合利用，對于坦克裝甲車輛主要包括戰(zhàn)場態(tài)勢信息融合和協(xié)同指揮控制兩部分。

1) 信息融合技術

未來坦克裝甲車輛所裝備傳感器類型和數(shù)量的成倍增長，直接導致產(chǎn)生的多源異構信息種類與信息量爆炸式增長。目前，軍事領域多傳感器目標關聯(lián)融合、定位和跟蹤技術已基本成熟，但對地面目標的跟蹤技術尚未成熟，并且隨著目標性能(機動、隱身防護等)的提高不斷出現(xiàn)新的亟待解決的問題。對于多源目標屬性融合識別問題，由于不同類型信息源獲取的目標屬性信息粒度(敵我、國籍、類型、型號等)存在較大差異，信息級別也存在較大差異(信號級、數(shù)據(jù)級、特征級、判定級等)，并且信息之間有時存在弱相容或相悖性，因此，無法構建統(tǒng)一的物理識別模型和統(tǒng)計識別模型，更缺乏統(tǒng)一的理論和方法支持；自動識別只能限于局部特定的范圍，而智能識別則需借助于人機交互。戰(zhàn)場態(tài)勢與威脅評估知識/規(guī)律的提取與精煉是目標(狀態(tài)與屬性)融合估計對作戰(zhàn)決策整體支持能力的提升，由于涉及到對諸戰(zhàn)場目標之間及與其他態(tài)勢要素之間關系的估計與預測，并且要與作戰(zhàn)意圖緊密聯(lián)系，因此，更是十分復雜且與指揮員的能力(知識、理解與智慧)相關的一個領域。作為實現(xiàn)態(tài)勢自動估計與推理的信息融合技術，由于其信息來源存在多樣化和不確定性的特點，尚未有一個成熟的、統(tǒng)一的理論與方法，只在威脅估計的某些局部領域，有一些定量或定量與定性相結合方法的應用。至于融合過程的精煉與優(yōu)化，目前還只限于提出研究思路的層面上?？傮w來看，基于地面開放環(huán)境下的信息融合技術還不夠成熟，是一個制約坦克裝甲車輛態(tài)勢感知能力提高的關鍵技術。

2) 協(xié)同指揮控制

面向未來基于體系的聯(lián)合化協(xié)同作戰(zhàn)，應實現(xiàn)坦克裝甲車輛車際車內一體化融合設計，包括指控信息、態(tài)勢信息與坦克裝甲車輛平臺的融合，以及戰(zhàn)場信息與平臺信息的融合顯示等，將作戰(zhàn)分隊中各平臺的武器系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、機動系統(tǒng)、乘員等通過車際和車內網(wǎng)絡有機地連接為一個虛擬的“大坦克平臺”，通過大平臺內各子系統(tǒng)和設備的協(xié)同，實現(xiàn)作戰(zhàn)分隊的綜合控制和分隊的指揮控制自動化，使作戰(zhàn)分隊和其中的每個武器裝備都能夠真正成為聯(lián)合作戰(zhàn)體系中的一個重要的感知節(jié)點、打擊節(jié)點和防護節(jié)點，進而為乘員和指揮員完成任務構建游刃有余的信息運用環(huán)境，提高作戰(zhàn)分隊的作戰(zhàn)效能。

而且，未來戰(zhàn)場上的協(xié)同，不只是基于預先方案的協(xié)同，還是全作戰(zhàn)過程中的實時協(xié)同，應該能夠根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的變化，實時地進行協(xié)同。信息系統(tǒng)應該能夠根據(jù)坦克裝甲車輛作戰(zhàn)分隊中各組成的能力和戰(zhàn)場環(huán)境，對協(xié)同任務進行科學、合理的分解與分配，并在執(zhí)行任務過程中，根據(jù)環(huán)境的變化，動態(tài)地對任務進行調度，以保證系統(tǒng)能高效地完成復雜的作戰(zhàn)任務。

2.1.5 處理綜合

未來坦克裝甲車輛通過網(wǎng)絡化感知、控制、打擊、防護，實現(xiàn)全維態(tài)勢感知、一體化指揮控制、實時協(xié)同作戰(zhàn)、精確打擊、精準機動、綜合保障的高度融合。而這種融合必將打破傳統(tǒng)各分系統(tǒng)的界限，由分布式控制管理向集中管理、分布控制的高度綜合化過渡。一方面將繼續(xù)大幅度提高信息處理和使用的能力；另一方面將實現(xiàn)系統(tǒng)功能的高度綜合集成，提升系統(tǒng)功能擴展、自動化綜合管理和診斷能力。這些均需要構建一個開放式的通用軟硬件平臺，進行諸多控制與管理功能的綜合處理，進而實現(xiàn)以下能力：

1)功能軟件化。越來越多地利用軟件取代原來由硬件實現(xiàn)的功能, 所有應用程序共享硬件資源，減少配置子系統(tǒng)個數(shù)，節(jié)省質量、空間、成本, 提升資源利用率, 并為后續(xù)擴展預留空間。

2)網(wǎng)絡統(tǒng)一化。統(tǒng)一車電任務網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡, 改變聯(lián)合式結構中多種數(shù)據(jù)總線并存的格局, 有助于降低成本、減輕系統(tǒng)質量、提高數(shù)據(jù)傳送速度。

3)調度靈活化。將應用程序進行細粒度劃分, 采用周期輪轉或優(yōu)先級搶占調度策略，確保每個應用程序或安全關鍵程序的截止期限得到滿足。

2.2 未來車電系統(tǒng)的體系架構

車電系統(tǒng)體系架構經(jīng)歷了獨立式、聯(lián)合式、綜合式的發(fā)展歷程，綜合化程度越來越高。但隨著坦克裝甲車輛任務負載多樣化和能力要求全面化，綜合的規(guī)模也越來越大。同時，坦克裝甲車輛無人炮塔和輕量化的要求對空間和質量的限制越來越嚴，可靠性、安全性要求越來越高，需要有效平衡綜合規(guī)模和空間限制、可靠性和安全性的矛盾。為此，基于分布綜合的思想。本文提出車電系統(tǒng)是模塊化分布式集成車電系統(tǒng)(DIMV)體系架構，具體如圖2所示。

圖2 分布式集成車電系統(tǒng)結構圖Fig.2 Distributed integrated vetronics system

DIMV由按區(qū)域和功能分布的不同功能域及其所屬的控制子網(wǎng)、任務綜合管理域以及相關高帶寬傳感器等組成，基于系統(tǒng)區(qū)域組織的分布式架構形成區(qū)域組織管理模式，實現(xiàn)基于虛擬核心平臺的系統(tǒng)管理、功能和資源綜合。該架構具有以下5個特點：

2.2.1 采用統(tǒng)一復合網(wǎng)絡，實現(xiàn)車載信息系統(tǒng)的互連、互通和互操作

本架構采用統(tǒng)一復合網(wǎng)絡，整車骨干網(wǎng)[25]采用全車統(tǒng)一的交換式高帶寬光纖網(wǎng)絡，連接分布式功能域、任務綜合管理域、高帶寬光電傳感設備等各類需要高帶寬數(shù)據(jù)交換的設備。每一類型設備配置的數(shù)量可根據(jù)具體車型需求選擇。由于各設備之間通過對等的交換式網(wǎng)絡互聯(lián)，通過動態(tài)路由管理，能夠實現(xiàn)各類信息在所有節(jié)點之間的自由交互，且同一類型設備之間可互為冗余備份，為系統(tǒng)任務綜合與功能重構創(chuàng)造了基礎條件。例如，通過交換式光纖網(wǎng)絡，任一光電傳感設備采集的視頻信息可傳遞到任一乘員顯示終端進行顯示，也可同時傳遞到任一分布式處理單元進行目標識別等圖像處理運算，實現(xiàn)光電資源綜合、顯控資源綜合、運算處理資源綜合。此外，交換式網(wǎng)絡具有較強的系統(tǒng)開放性，網(wǎng)絡節(jié)點的增減對整個網(wǎng)絡信息流和網(wǎng)絡性能影響微小。

2.2.2 采用基于功能分區(qū)的功能子網(wǎng)，提高系統(tǒng)安全關鍵性功能的可靠性

根據(jù)以功能為主的劃分原則，為各子系統(tǒng)配置若干功能子網(wǎng)，通過網(wǎng)關形式與整車統(tǒng)一復合網(wǎng)進行信息交互。功能子網(wǎng)一般連接分布式功能域與若干采集控制設備，實現(xiàn)子系統(tǒng)傳感器采集、執(zhí)行部件控制與子系統(tǒng)功能綜合。功能子網(wǎng)主要按實現(xiàn)某一特定功能的子系統(tǒng)進行劃分(如武器控制子網(wǎng)、防護控制子網(wǎng)、車輛控制子網(wǎng)等)。

2.2.3 通過物理分布的方式，有效解決系統(tǒng)的體積和質量問題

DIMV架構針對坦克裝甲車輛基于物理分布的思想，采用物理上分布布置的多個分布處理單元，通過高速總線網(wǎng)絡互連，構成整車的運算處理平臺。該種方式與傳統(tǒng)集成了所有功能模塊的“大而全”的計算機相比，具有體積小、質量輕等優(yōu)點。

2.2.4 通過資源綜合，提高系統(tǒng)的開放性

在DIMV架構中，將物理分布在平臺不同位置的分布處理單元，通過統(tǒng)一的高速總線網(wǎng)絡相連，實現(xiàn)硬件資源的共享，使全車所有運算處理資源在邏輯上融合為一個統(tǒng)一整體，實現(xiàn)了整車的運算處理資源綜合、顯控資源綜合、傳感資源綜合、射頻綜合和各子系統(tǒng)的功能綜合。在系統(tǒng)運行過程中，能夠根據(jù)任務和功能需求靈活分配各功能或任務占用的資源。

2.2.5 通過高速交換光纖網(wǎng)絡，滿足未來圖像和高帶寬傳感器的海量數(shù)據(jù)傳輸需求

DIMV架構針對未來坦克裝甲車輛的圖像和大帶寬傳感數(shù)據(jù)傳輸提供了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，通過高速互連總線網(wǎng)絡將高清攝像頭、雷達等大帶寬傳感器、乘員顯控終端以及處理設備等連接在一起，能夠實現(xiàn)任一高清數(shù)據(jù)流實時地傳輸至任一乘員顯控終端或存儲、處理設備。

2.3 支撐車電系統(tǒng)綜合的關鍵技術

2.3.1 輔助決策技術

隨著坦克裝甲車輛作戰(zhàn)任務越來越復雜、需要處理的信息越來越多，乘員在緊張的作戰(zhàn)過程中需要進行的思考、決策等也相應增多，但高度緊張的作戰(zhàn)過程中又要求乘員尤其是指揮員必須在最短的時間內作出正確的決策。輔助決策技術是一個有效的途徑，利用計算機技術、人工智能技術等，可以充分利用大量的戰(zhàn)場態(tài)勢、情報、車況等信息，自動進行機動路線規(guī)劃、自動駕駛、目標威脅評估、打擊防護決策、火力分配等[26]，乘員或指揮員只需要在計算機生成方案的基礎上，進行選擇作出決策即可，能夠大大降低乘員的任務負荷，極大地提高坦克裝甲車輛的作戰(zhàn)效能。

2.3.2 人工智能技術

隨著作戰(zhàn)模式向網(wǎng)絡戰(zhàn)、信息戰(zhàn)方向轉變，利用人工智能技術，實現(xiàn)坦克裝甲車輛的智能化，使其成為一個智能集群，是坦克裝甲車輛的一個重要發(fā)展趨勢。人工智能可分為計算智能、感知智能和認知智能3個層次。利用計算智能，坦克裝甲車輛可輔助乘員進行部分作戰(zhàn)指揮決策，輔助乘員完成復雜的作戰(zhàn)任務；利用感知智能，可實現(xiàn)自然語言理解、圖形圖像識別等功能，能夠為乘員提供一種更加友好、更加人性化的人機交互方式和信息融合手段；更進一步，如果能夠實現(xiàn)認知智能，計算機具有一定的“智力”，能夠實現(xiàn)乘員與計算機之間“知識”的交互和融合，從而能夠理解戰(zhàn)場態(tài)勢并自動進行決策，將在更大程度上解放乘員，實現(xiàn)坦克裝甲車輛的智能化。

2.3.3 通用電子平臺技術

通用電子平臺為武器、防護、車輛綜合控制和任務綜合管理提供通用的軟硬件處理平臺，通過統(tǒng)一的技術體制和標準軟硬件，實現(xiàn)裝備平臺資源、信息、功能和任務的高效有機融合。進行功能模塊化、標準化、通用化設計，通過模塊化硬件層和構件化軟件層的結合，滿足裝備標準化、可靠性以及成本、空間和質量等方面的要求。

通用電子平臺的核心是模塊通用化和軟件構件化。功能模塊包括通用信息模塊、通用信號處理模塊、大容量存儲模塊等，所有模塊的結構、電氣、通信接口應保持一致，相同功能模塊可以相互替換，其功能由動態(tài)加載的應用軟件確定。通過中間件技術，應用軟件構件獨立于功能模塊硬件，便于實現(xiàn)軟件功能的快速開發(fā)和移植，也使其不受硬件平臺更新升級的影響。

2.3.4 軟件無線電技術

坦克裝甲車輛與各軍兵種的互聯(lián)互通是體系化協(xié)同作戰(zhàn)的必要條件和信息綜合的重要基礎。裝備之間存在不同程度的通信不兼容問題,無疑會降低部隊執(zhí)行作戰(zhàn)任務的能力，軟件無線電是解決通信問題的重要技術途徑。軟件無線電的組成架構的中心點是將寬帶模- 數(shù)(A/D)和數(shù)- 模(D/A)轉換器盡可能地靠近天線,將盡可能多地電臺功能以軟件的形式定義(即用軟件來實現(xiàn))，這就意味著同樣的硬件可以在不同軟件支持下完成不同的功能。無線電系統(tǒng)的功能性要求由軟件來實現(xiàn),而不是由硬件來決定。在同一無線電系統(tǒng)中,通過多種軟件模塊的實現(xiàn)來適應不同通信體制下的信息交互,并可以靈活地接入新功能,而無需硬件組件的更新或升級。軟件無線電標準在2012年正式發(fā)布了SCA4.0. 坦克裝甲車輛軟件無線電的關鍵是根據(jù)其任務需求和互聯(lián)互通要求，對SCA 4.0組件進行合理裁剪，提出坦克裝甲車輛軟件無線電規(guī)范，并在國產(chǎn)化硬件平臺上設計出符合規(guī)范的商用貨架產(chǎn)品。

3 基于模型的車電系統(tǒng)總體設計方法與流程

在采用高度綜合的車電系統(tǒng)架構后，需要有新的車電系統(tǒng)總體設計方法和流程，支撐高效的車電系統(tǒng)總體設計和動態(tài)綜合。

在坦克裝甲車輛領域，美國FCS地面車輛非瞄準線火炮(NLOS-C)采取了以模型為中心的乘員操作界面設計、功能分解、信息接口分解、系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)集成驗證的開發(fā)流程。NLOS-C研發(fā)人員首先通過乘員操作界面設計，明確乘員任務分工和各系統(tǒng)所需操控和顯示，并通過分析乘員操作的信息流進行各系統(tǒng)功能分解，確定各系統(tǒng)的信息接口。通過后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)和系統(tǒng)集成效果來看，其信息總體設計非常成功，系統(tǒng)之間非常順暢完成了綜合集成與驗證。同時，NLOS-C項目采取了基于模型的設計方法，在各個設計階段都根據(jù)建立的任務模型、信息流模型和控制模型進行數(shù)字或半實物仿真，而且很好地完成了在設計階段的驗證以及系統(tǒng)綜合時模型的再利用，使得系統(tǒng)開發(fā)周期大為縮短，僅花了一年半的時間就研制出樣機并通過試驗驗證?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)設計方法特別適合于功能繁多、組成復雜、信息交互耦合度很高的復雜系統(tǒng)的總體設計。

基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)方法論支持在 “模型驅動的”[27]環(huán)境中綜合集成系統(tǒng)工程學科的諸多相關流程、方法和工具，建立和傳遞的“模型”包含需求、結構、行為和參數(shù)在內的動態(tài)信息?！澳Ｐ汀笔拐麄€組織中各類專業(yè)工程技術領域人員更加直觀地理解和表達系統(tǒng)，確保全程傳遞和使用的是基于同一模型。同時，研制過程中發(fā)生的任何工程更改，都能保證在同一個基線修改和再次刷新并傳遞，從而支持了在復雜系統(tǒng)工程中，需求不斷變化和演進，以及過程不斷迭代和優(yōu)化的漸進演化。

Harmony 系統(tǒng)工程方法[28]是基于模型的系統(tǒng)設計方法中較為著名的一種系統(tǒng)工程方法，它支持自頂向下的系統(tǒng)工程和軟件工程，是集合了系統(tǒng)工程的分析、設計、驗證和確認的方法學。Harmony系統(tǒng)工程方法流程強調設計過程中的迭代、驗證和確認，使用系統(tǒng)建模語言(SysML)[29]和統(tǒng)一建模語言(UML)[30-31]作為圖形化的建模語言完成從系統(tǒng)工程到軟件工程的無縫集成。

如圖3所示，Harmony 系統(tǒng)工程方法遵循了系統(tǒng)設計的經(jīng)典“V形”生命周期開發(fā)模型。即自頂向下的系統(tǒng)設計和自下而上的集成驗證，包括了需求分析、系統(tǒng)功能分析和設計綜合3個部分。它實現(xiàn)以下的關鍵目標：

1) 識別/導出所要求的系統(tǒng)功能；

2) 識別相關系統(tǒng)的狀態(tài)和模式；

3) 將系統(tǒng)功能/模式分配到物理架構。

以Harmony 系統(tǒng)工程方法為基礎，結合車電系統(tǒng)的設計特點，坦克裝甲車輛信息系統(tǒng)的總體設計可以采用模型驅動的設計方法，進行系統(tǒng)分析、設計及驗證，以可視化的模型為手段，實現(xiàn)自頂向下增量設計，自底向上集成驗證，各層同步迭代驗證的“V形”模式設計過程，如圖4所示。

圖3 基于MBSE的“V形”模式設計流程Fig.3 MBSE-based V mode design procedure

圖4 基于SysML的車電系統(tǒng)設計方法Fig.4 SysML-based vetronics design method

在系統(tǒng)需求分析階段，總體設計人員對用戶需求進行分析，形成系統(tǒng)需求和系統(tǒng)用例模型即車輛任務模型，并將其在需求與模型知識庫中管理，從而得到系統(tǒng)需求。需求分析階段的輸出包括：用例模型、系統(tǒng)需求規(guī)格說明書草案。

在頂層設計階段，根據(jù)需求模型和任務模型，得到可執(zhí)行的系統(tǒng)模型，包括系統(tǒng)的活動圖、時序圖和狀態(tài)機，分別對應為信息系統(tǒng)的功能模型、信息流模型和狀態(tài)機；然后可生成系統(tǒng)詳細需求規(guī)格說明書，通過需求與模型知識庫進行管理。頂層設計階段的輸出包括：系統(tǒng)可執(zhí)行模型、更新的系統(tǒng)需求。

在詳細設計階段，以實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)為目標進行架構分析，得到信息系統(tǒng)架構模型，然后進行功能分配，并設計系統(tǒng)內部的信息流。以系統(tǒng)架構分解為基礎，在接口控制文件(ICD)，設計階段輸出信息系統(tǒng)的邏輯接口。最終得到分系統(tǒng)架構模型、邏輯ICD以及分系統(tǒng)/部件需求規(guī)格說明書。系統(tǒng)建模設計過程中同步開展乘員操作程序(COP)設計，完成系統(tǒng)界面的設計和開發(fā)，并通過原型界面與系統(tǒng)模型的聯(lián)合仿真，演示系統(tǒng)的工作流程并驗證系統(tǒng)的功能邏輯和數(shù)據(jù)流的有效性和正確性。

模型驅動的車電系統(tǒng)設計方法既從設計流程上解決了層次不清晰、功能未解耦等問題，又充分地利用了標準建模語言SysML的優(yōu)點；既清晰規(guī)范地描述了系統(tǒng)，又對系統(tǒng)模型進行了仿真驗證。

4 結論

車電系統(tǒng)的關鍵在于綜合，核心在于基于任務的總體設計。本文從車電系統(tǒng)的概念內涵、組成、車電技術的發(fā)展歷程出發(fā)，系統(tǒng)介紹了基于模型的車電系統(tǒng)總體設計方法與流程，凝煉出坦克裝甲車輛車電系統(tǒng)的總體設計重點在于傳感綜合、顯控綜合、席位綜合、信息綜合與處理綜合，同時提出未來車電系統(tǒng)綜合的一般架構——模塊化分布式集成車電系統(tǒng)架構DIMV和支撐綜合的關鍵技術。第一次明確提出車電系統(tǒng)的總體設計是坦克裝甲車輛總體設計的核心，是所謂“信息化總體”的重要組成。采用基于模型的設計方法，以綜合為主導，以模塊化分布式集成系統(tǒng)為架構，是未來車電系統(tǒng)總體設計的基本思路與方法基礎。按照本文提出的車電系統(tǒng)總體設計的理念、思路和方法，不僅可以提升坦克裝甲車輛的信息感知能力、運用能力和作戰(zhàn)效能，還能有效控制整車質量、成本，保證系統(tǒng)有較好的重用性和移植性。

隨著電子信息技術的發(fā)展，綜合的形態(tài)必將進一步擴展，例如傳感的激光綜合、網(wǎng)鏈綜合、信息的跨平臺體系化綜合等，需要緊密跟蹤技術發(fā)展和裝備任務需求，適時進一步提升車電系統(tǒng)的綜合程度。

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Research on the Overall Design of Integrated ElectronicInformation System for Tanks and Armored Vehicles

MAO Ming， LIU Yong， HU Jian-jun

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072，China)

Integrated electronic information system, which is the basis and core to fulfill the informatization of tanks and armed vehicles, has direct impacts on the platform informatization level and tactical capabilities. The development of integrated electronic information system has been constrained to some extent due to lack of clear understanding on its double role as general informatization unit and vetronics function system. The essential meaning of vetronics system is illustrated, and it is concluded that the electronic information system of tanks and armored vehicles relies on system integration. The history and development process of vetronics technology are reviewed and analyzed, and the important technique points of sensor integration, display and control integration, seat role integration, processing and information integration are discussed and summarized. The key technology, as well as the general design process and modeling simulation method of vetronics system are proposed, which could be considered to provide some useful directions for the evolution of the integrated electronic information system of tanks and armored vehicles.

ordnance science and technology; tank and armored vechicle; integrated electronic information system; architecture; mission; integration

2016-12-03

國家國防科技工業(yè)局技術基礎科研項目(JSJC2013208C055)

毛明(1962—), 男, 研究員，博士生導師。E-mail: ming_mao@noveri.com.cn

TJ810.1

A

1000-1093(2017)06-1192-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.020