网络化指挥信息系统测试的需求、难点及趋势

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论文摘要

  0引言

  进入21世纪以来,随着我军作战任务发展和军事发展战略转型,指挥信息系统正逐步成为武器装备体系建设的核心。同时,通信、网络、移动计算及云计算等信息技术也推动指挥信息系统向网络化和服务化方向发展[1]。

  网络化指挥信息系统建设,是新联合作战指挥体制的形成过程,也是新技术体制的建立过程。它不仅对指挥信息系统组织、应用、构建技术和运行保障方式提出了新要求,也使现有系统的设计、开发模式和质量保证方法面临挑战。

  测试是产品研发过程中的重要组成,是实施质量控制和保证的重要手段,同时也是武器装备生产、运行和维护的重要环节。测试技术与设计开发技术一样均是指挥信息系统研制中的重要基础支撑技术。当前,指挥信息系统测试技术明显滞后于指挥信息系统体系结构、软件集成及数据融合等关键技术的发展,是网络化指挥信息系统技术体系中的短板,不仅影响了指挥信息系统的质量控制水平和产品质量,而且影响了系统作战效能。

  1测试需求和难点

  1.1测试需求

  新一代指挥信息系统指网络化指挥信息系统,即采用信息栅格技术,将传感器、情报系统、指挥控制系统及武器平台等各种作战力量链接起来,形成观测—判断—决策—行动各环节自同步运行的一体化作战体系。其设计开发和运行管理模式与现有指挥信息系统存在巨大差异,测试需求如下:

  1)入网协议和标准符合性测试

  网络化指挥信息系统遵循一体化技术体制,在通信、网络协议、设备接口及软件实体接入等方面均有相应的协议和标准,为了确保硬件设备、软件和系统能有效、安全地接入网络化指挥信息系统,应在实际接入网络化指挥信息系统前,对相关实体进行入网协议和标准符合性测试。

  2)设备、软件和系统的注册和发现等网络化基本运行机制有效性测试

  网络化指挥信息系统是一个可动态扩展和演化的信息系统,其核心运行机制是建立在信息基础设施基础上的资源和服务的注册、发现及动态调用。硬件设备、软件实体和信息系统接入网络后均需进行实体注册测试、资源和服务发现测试以及实体提供的服务动态调用测试。

  3)设备、软件和系统在线演化和适应性测试

  接入网络化指挥信息系统的设备和软件实体均需对在线版本升级、热插拔以及服务组合和调用进行测试,以确保自身具有的演化能力以及对环境的适应性。同时,还应测试由于新的设备和软件实体加入对整个系统的功能、性能和安全性的影响。

  1.2测试难点

  网络化指挥信息系统与传统指挥信息系统有质的差异。网络化指挥信息系统中系统间以及子系统间边界模糊,组成要素多、资源种类和属性具有多样性,系统组成结构和信息交互关系复杂,局部网络存在自治性。现有指挥信息系统的设计、开发、维护以及保障模式还不能完全满足网络化信息系统的质量保证需求,在测试理论和测试实现技术方面存在不适应性,其测试难点如下:

  1)网络化系统整体功能和性能等质量特性难以测试。网络化指挥信息系统是由分布在不同物理位置上的系统、分系统、设备及软件组成的复杂系统,在组成架构上是综合系统(system of systems)。系统功能和性能等质量特性不是单个设备和软件的质量特性,也不是所有设备和软件质量特性的简单迭加和集合[2]。指挥信息系统整体功能和性能等质量特性受系统体系结构和组成要素相互作用影响,可形成各组成要素在孤立状态下不具备的功能。而当前的测试理论和技术侧重于对元器件、独立硬件设备、软件单元、部件(构件)以及软件配置项的测试,对于这种由软件和硬件组成的分布式系统的测试方法和技术缺乏研究。系统整体功能和性能等质量特性测试不仅过程复杂,而且测试结果的准确性、正确性及稳定性都难以满足系统质量保证需求。

  2)通过独立的单个产品测试难以做出合格性判定。网络化指挥信息系统是一个不断扩展和演化的复杂大系统,即使是接入系统的单个设备、软件以及独立信息系统也无法预先确定全部功能和性能指标。例如,一个数据分发服务系统部署于网络化指挥信息系统后,分发用户数量随时间变化难以估计,不仅在测试阶段难以构建各种不同方式和不同类型的用户申请数据分发服务测试环境,而且也难以确定数据分发服务有关用户数量的性能指标。因此,对于网络化指挥信息系统的组成要素以及信息系统本身,难以通过现有产品的厂所级测试及军检测试结论进行合格性判定,测试将延伸到产品的整个寿命周期。

  3)网络化指挥信息系统测试的充分性难以实现,失效成为信息系统常态。测试充分性是通过测试用例全部覆盖可能的运行剖面和执行路径,提高设备、软件和系统的缺陷发现率,减少遗留缺陷的度量。由于网络化指挥信息系统组成要素设备和软件数量大,组成结构和信息交互关系复杂,系统组织结构要素可动态扩展,应用业务和服务可动态重组和演化,因此无法对网络化指挥信息系统所有可能的运行和执行路径进行测试。相对于传统的软件配置项及系统测试,网络化指挥信息系统软件测试均不充分,组成网络化信息系统的硬件设备和软件理论上存在遗留缺陷,并且这些遗留缺陷会造成部分软件和硬件失效。

  4)研制和生产部门难以构建与真实运行环境类似的测试环境。网络化指挥信息系统通信链路涉及卫星、光纤、战术互联网、电台以及数据链等通信网络,软件涉及所有的操作系统、数据库和应用软件,软件的体系结构和技术体制多样,信息交互和业务流程关系复杂,研制单位无法通过模拟和仿真等手段构建接近于真实运行环境的测试环境。

  2测试技术发展趋势

  针对网络化指挥信息系统测试需求和技术难点,网络化指挥信息系统测试分为5个层次,分别对应设计开发、集成与联试、鉴定与定型和运行与维护阶段,以覆盖全生命周期,如图1所示。与传统指挥信息系统测试相比,网络指挥信息系统在线测试成为重要的测试方法和手段,运行和测试一体化成为该系统测试模式特点,测试、故障诊断、缺陷发现和失效预防成为系统运行和维护的重要工作。硬件设备、软件和系统的可测性设计[3]要求高。网络化指挥信息系统测试关键技术包括标准符合性验证和认证、故障诊断和缺陷探测、在线测试以及网络化测试系统构建等技术。

  2.1标准符合性验证和认证

  网络化指挥控制系统是基于一体化信息基础设施构建的,具有对硬件设备、软件服务和系统动态接入、即插即用的功能要求,因此,接入网络的设备、软件和系统需符合硬件电气、机械接口、通信、网络接口、软件集成标准和应用信息交换协议规范。标准符合性验证和认证是对接入网络产品的基本要求。

  例如,在移动互联网上,设备只有通过了Google的兼容性测试集(CTS)认证,才能使用Google Play中数量庞大的应用程序[4]。

  网络化指挥信息系统入网标准符合性验证和认证涉及通信网络、硬件设备产品、基础软件和指挥控制信息交换等标准,研制和构建标准符合性验证和认证环境涉及以下3个关键技术:

  1)标准验证因素提取

  标准验证是对标准内容的检验,标准内容一般不能直接作为验证试验的样本,需要通过分析进行提取。标准验证因素的提取不仅与国家军用和工程等标准有关,而且应与认证产品紧密结合,提出相应定量指标要求作为验证基准。

  2)标准验证测试设计

  标准验证测试设计技术是针对不同标准的验证需求和验证因素,设计验证测试方法,确定验证所需的测试环境和软件硬件资源。其中软件测试设计包括确定测试方法、测试支撑环境、测试工具、测试用例、测试数据准备和结果分析算法等。

  3)产品入网标准符合性验证判定模型

  产品入网标准符合性验证包括一套完整的标准验证,每个标准又包含一组验证因素的验证。标准符合性验证评估首先对每个验证因素的测试结果符合性建立判定准则,然后对每个标准的符合性建立评估模型,最后形成产品入网标准符合性验证判定模型。

  2.2故障诊断和缺陷探测

  故障诊断和缺陷探测技术是网络化指挥信息系统测试的主要方法。在系统运行和维护阶段,应在网络化指挥信息系统中部署和嵌入故障诊断软件,持续对系统中主要设备和软件的行为和状态进行监测,并主动获得主要设备和软件的各种状态信息和特征量,并进行汇总和分析,尽早发现系统中存在的缺陷和潜在失效的可能。

  网络化指挥信息系统故障诊断和缺陷探测包括以下4项关键技术:

  1)故障体系构建

  在线诊断关键是建立设备、软件、子系统及系统的故障信息和特征库。故障体系构建应满足动态扩展、持续完善及自我演化的要求,通过建立完整且有效的故障数据库,为在线诊断奠定基础。

  2)故障在线诊断

  故障在线诊断指在系统运行过程中,通过对设备和软件实体的测试获得故障信息,通过对比故障模式发现故障位置和原因,其关键是诊断图的特征识别和最优设计[5]。

  3)故障行为分析模型和缺陷预测发现

  故障行为分析指通过对故障信息和行为分析,判定故障对系统运行的影响和损害,并提供预防措施。通过分析设备、软件和系统的故障信息和数据,自动发现设备、软件和系统中可能存在的缺陷。

  4)缺陷自动探测

  缺陷自动探测指建立实体(设备和软件)、系统应用业务2级功能和性能测试集,通过定期执行测。试用例,针对网络化指挥信息系统中关键和重要的硬件设备、软件和子系统,主动发送测试数据,实时收集和汇总相关设备、软件和系统的状态及特征等信息,形成网络化指挥信息系统运行状态图,并对比预期功能和性能要求,对相关信息进行分析,发现可能存在的设计及软件编程缺陷。通过建立规范测试集,利用该技术主动执行当前实际运行未涉及的任务剖面测试用例,发现可能存在的缺陷。

  2.3在线测试和网络化测试系统构建

  在线测试和网络化测试系统构建是实施测试的主要手段。现有的测量和测试技术以及测试仪器和软件主要针对通用的通信和网络功能和性能,而通用的软件静态分析和黑盒测试需求仅支撑单个设备、软件部件及软件配置项的测试需要。

  对于网络化指挥信息系统的在线测试、故障诊断和缺陷发现技术,传统的人工测试无法实现。网络化、智能化及自动化的测试系统是实现网络化指挥信息系统测试的方法、模式和技术的载体。网络化指挥信息系统在线测试系统部署依从信息基础设施中注册中心的部署,可以是分级多中心体系结构,实现对注册和管理的服务、资源及用户的在线测试。网络化指挥信息系统测试主要包括以下4项关键技术:

  1)网络化测试系统构建

  网络化测试系统构建旨在将测试仪器和模块嵌入网络化指挥信息系统的各关键节点[6],如信息基础设施的注册服务器、指挥信息系统的通用信息服务以及各类指挥应用客户端,采集和传输网络信息,集成网络上的测试仪器和模块,以形成网络化测试系统。

  2)基于测试数据的测试分析和评估

  基于获得的测试数据进行综合分析、评估,自动给出测试结论,重点是系统级功能和性能测试的综合分析,即由软件配置项、设备及子系统的功能、性能指标,依据计算模型自动形成系统的功能、性能及可靠性的综合指标。

  3)远程测试

  测试人员利用远程测试技术通过系统网络对远程设备和软件进行测试,获得设备和软件的状态信息以及运行结果。如通过可视化方式提供对远程测试对象的目测观察和诊断。

  4)自适应诊断测试信息处理

  利用该技术针对指挥信息系统各类设备、软件和系统建立故障树及失效原因分析等基础数据库,并依据获得的测试数据进行自动化行为特征和信息处理,获得相应的判断结果,完成自动化测试。

  3结束语

  当前,指挥信息系统建设已进入了一个新的历史发展阶段,根据我国强军战略,新一代指挥信息系统不仅应在技术体制、应用模式和运行维护保障机制上不断探索和创新,更要确保系统功能和性能可靠以及系统可用。因此,加强新一代网络化指挥信息系统的测试技术研究,针对网络化指挥信息系统特点,突破在线测试及缺陷探测等关键技术,不断完善和发展网络化指挥信息系统测试理论和方法,以弥补当前系统在研制和建设中的短板,提升指挥信息系统的质量保证能力及作战效能。

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