天基信息系統(tǒng)一體化管控體系研究

熊 偉, 劉呈祥, 郭 超

(航天工程大學(xué)復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室, 北京 101416)

天基信息系統(tǒng)是由以不同軌道、不同類型、不同性能的衛(wèi)星、地面站及相關(guān)設(shè)施組成的信息系統(tǒng),是空間信息獲取、傳輸、分發(fā)、融合、處理等活動的主要承載體,它具有不受國界與地理條件限制、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能夠全天時、全天候地為陸地、海洋、空中用戶提供偵察、監(jiān)視、預(yù)警、通信、中繼、導(dǎo)航、氣象觀測等信息服務(wù)[1-3],極大地提高聯(lián)合作戰(zhàn)效能。由于空間技術(shù)與航天工業(yè)發(fā)展的特殊性,我國天基信息系統(tǒng)中不同的應(yīng)用系統(tǒng)自成體系,偵察監(jiān)視、戰(zhàn)略預(yù)警、通信中繼、導(dǎo)航定位、環(huán)境監(jiān)測等職能不同的子系統(tǒng)隸屬于不同的管理部門,具有各自獨(dú)立的管控機(jī)構(gòu),“條塊分割”的局面已明顯形成[4]。但日益復(fù)雜的多樣化使命任務(wù)對天基信息系統(tǒng)一體化、網(wǎng)絡(luò)化的要求越來越高,尤其是在聯(lián)合作戰(zhàn)信息支援行動中,任務(wù)通常不是僅憑單一資源就能完成的,而需不同子系統(tǒng)的協(xié)同合作,但“條塊分割”、自成體系的狀況使系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時必須不斷協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的管控機(jī)構(gòu)。這一方面增加了任務(wù)的指揮層級,造成指揮流程復(fù)雜冗長,任務(wù)反應(yīng)速度慢;另一方面更容易暴露系統(tǒng)脆弱性。因此,迫切需要一個綜合管控體系,實現(xiàn)天基信息系統(tǒng)的一體化管控。

“一體化管控”就是以綜合的管控體系實現(xiàn)對信息系統(tǒng)整個業(yè)務(wù)流程和全部業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理[5]。對于天基信息系統(tǒng)而言,就是將各子系統(tǒng)管控機(jī)構(gòu)的職能整合,形成一個能夠管理系統(tǒng)內(nèi)各種異構(gòu)資源、處理各類復(fù)雜任務(wù)的綜合管控體系。一體化管控可以從管理層打破天基信息系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間的壁壘,有利于各子系統(tǒng)的協(xié)同合作,同時使指揮層級扁平化,指揮流程簡單化,提升快速空間響應(yīng)能力。

1 天基信息系統(tǒng)的主要特征

實現(xiàn)一體化管控,需要對現(xiàn)有信息系統(tǒng)資源進(jìn)行整合與集成。與一般的信息系統(tǒng)比較,天基信息系統(tǒng)的以下特征為實施一體化管控帶來了困難。

1.1 多樣性

1)資源的多樣性。天基信息系統(tǒng)中的資源是多樣化的,體現(xiàn)在:① 資源功能的多樣性,天基信息系統(tǒng)包括大量、多樣化的異構(gòu)資源,如偵察資源、預(yù)警資源、通信資源、導(dǎo)航資源、數(shù)據(jù)存儲資源、數(shù)據(jù)處理資源等;② 資源分布的多樣性,天基信息系統(tǒng)包括運(yùn)行于高、中、低軌道的衛(wèi)星、星座以及相應(yīng)的地面設(shè)施等,各類資源分布極為廣泛。

2)用戶的差異性。① 用戶狀態(tài)的差異性:作為天基信息系統(tǒng)的服務(wù)對象的用戶于地面、空中、海上、臨近空間、太空等空間廣泛分布,不同用戶具有不同的狀態(tài);② 用戶需求的差異性:不同用戶在作戰(zhàn)行動中承擔(dān)不同的職能,據(jù)此能提出多樣化的任務(wù)需求;③ 用戶認(rèn)知的差異性:不同用戶對天基信息系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及當(dāng)前戰(zhàn)場態(tài)勢的認(rèn)知程度不同,將造成任務(wù)需求具有不同程度的模糊性和片面性。

1.2 動態(tài)性

1)系統(tǒng)資源的動態(tài)性。系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,隨著新任務(wù)的加入和舊任務(wù)的完成,系統(tǒng)資源的狀態(tài)和能力將發(fā)生變動,尤其是當(dāng)系統(tǒng)處于對抗環(huán)境中時,這種變動可能是劇烈的。

2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)性。天基信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不是靜態(tài)的,而是動態(tài)變化的。由于天基信息系統(tǒng)構(gòu)成單元是不同軌道的衛(wèi)星,以其靜止或移動的方式互聯(lián)于地球表面的終端和地面設(shè)施,它們具有不同的時空特性,相對位置和相互連通性動態(tài)改變,造成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時時變化。

3)系統(tǒng)演化的動態(tài)性:天基信息系統(tǒng)處于不斷建設(shè)、完善、發(fā)展中,隨著技術(shù)能力的進(jìn)步,資源必將得以不斷擴(kuò)展和更新,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也會不斷得到優(yōu)化。

鑒于上述特性可見,要實現(xiàn)天基信息系統(tǒng)的一體化管控,一方面需要一種合理的體系結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)天基信息系統(tǒng)中各種多樣化、分布、異構(gòu)資源的統(tǒng)一管理與組織,另一方面需要一種運(yùn)行模式,能夠有效地適應(yīng)天基信息系統(tǒng)的動態(tài)性,并向用戶屏蔽天基信息系統(tǒng)中復(fù)雜的動態(tài)變化。

2 天基信息系統(tǒng)層次化資源組織結(jié)構(gòu)

面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)分布、異構(gòu)的應(yīng)用和資源進(jìn)行有效地封裝和集成,利用服務(wù)的組合快速構(gòu)建跨組織的復(fù)雜應(yīng)用,從而適應(yīng)環(huán)境、客戶需求和業(yè)務(wù)流程的變化[6]。為管理天基信息系統(tǒng)中多樣化、異構(gòu)、分布的資源實體,本文借鑒SOA的思想,建立了一種“自底向上”的層次化資源組織結(jié)構(gòu),如圖1所示。它包含四個層次:資源層、服務(wù)層、功能層和任務(wù)層。

1)資源層

資源層是由天基信息系統(tǒng)中多樣化、異構(gòu)、分布的資源實體所構(gòu)成的集合,長期“條塊分割”的局面使不同子系統(tǒng)的資源在開發(fā)語言、運(yùn)行平臺、存儲和運(yùn)行模式方面具有顯著差異,阻礙了資源整合與集成。層次化資源組織結(jié)構(gòu)首先要求建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)協(xié)議,通過對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造使所有資源按照統(tǒng)一的服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)封裝,同時通過開發(fā)中間件,將資源輸入輸出轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式,使不同資源之間可順利進(jìn)行數(shù)據(jù)溝通。在此基礎(chǔ)上,資源只要遵循統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)協(xié)議就可以隨時加入或退出系統(tǒng)。

2)服務(wù)層

服務(wù)是對底層資源的封裝和聚合,多樣化的資源依據(jù)其類型和職能被封裝為相應(yīng)的服務(wù)。如:可見光成像觀測衛(wèi)星被封裝為可見光成像偵察服務(wù);雷達(dá)成像觀測衛(wèi)星被封裝為雷達(dá)成像偵察服務(wù)等。有別于普通的面向服務(wù)的體系架構(gòu),在層次化天基信息系統(tǒng)資源組織結(jié)構(gòu)中,服務(wù)是剝離于具體的底層資源,其原因在于資源對任務(wù)勝任與否不是一成不變的,系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或資源自身狀態(tài)的變化都可能引起資源能力變動。服務(wù)與資源之間應(yīng)采取分段綁定的策略[7]。即在設(shè)計階段,將服務(wù)僅與資源的類型綁定,不為其指定具體的提供者,這意味著所有符合類型要求的資源都是服務(wù)的潛在提供者,在服務(wù)調(diào)用階段,再依據(jù)各潛在提供者的實際能力將服務(wù)綁定到具體資源。

3)功能層

功能就是系統(tǒng)所能發(fā)揮的作用。在層次化資源組織結(jié)構(gòu)中,功能是對相同類別服務(wù)的聚合和抽象,體現(xiàn)了服務(wù)的核心操作,并進(jìn)一步將資源信息剝離,如通過各種手段實現(xiàn)的偵察服務(wù)皆可聚合為偵察信息獲取功能。功能在任務(wù)與服務(wù)之間起著橋梁的作用。一方面將具有共同核心操作的服務(wù)聚合在一起,實現(xiàn)了服務(wù)按需、分類組織,在服務(wù)檢索時可以“按圖索驥”,提高了服務(wù)調(diào)用的效率;另一方面在底層資源確定的情況下,系統(tǒng)所能支持的功能也是確定的,通過將差異化任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為對確定的功能需求,可以在一定程度上屏蔽任務(wù)需求差異性。

4)任務(wù)層

任務(wù)層是為各類用戶所提出的差異化任務(wù)需求構(gòu)成的集合。一個任務(wù)通常涉及多項系統(tǒng)功能,如大范圍目標(biāo)偵察需要偵察信息獲取功能與空間信息傳輸功能的支持,而任務(wù)能夠執(zhí)行的必要條件是其所需功能必須在系統(tǒng)功能范疇內(nèi)。

通過層次化結(jié)構(gòu),多樣化、異構(gòu)、分布的底層資源按照從資源到任務(wù)的順序組織。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:① 服務(wù)與具體的底層資源剝離,在任務(wù)執(zhí)行中根據(jù)實際能力選擇服務(wù)提供者,從而屏蔽多樣化、異構(gòu)、分布的底層資源,有利于優(yōu)化任務(wù)執(zhí)行;② 以功能作為服務(wù)與任務(wù)之間的橋梁,能夠降低差異化任務(wù)需求處理的盲目性,提高服務(wù)檢索的效率;③ 通過兩級聚合,屏蔽了底層資源變動以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化或演化對任務(wù)執(zhí)行過程的影響。

3 天基信息系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)用模式

在系統(tǒng)運(yùn)行中,所有任務(wù)的執(zhí)行最終都必須轉(zhuǎn)化為對具體資源實體的調(diào)用,為任務(wù)確定合適的執(zhí)行資源是管控系統(tǒng)的基本工作。然而用戶任務(wù)需求的差異性增加了資源調(diào)用的難度,同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及資源能力的變化,將使資源對任務(wù)的勝任情況發(fā)生著改變。為了適應(yīng)這種變化,基于層次化資源組織結(jié)構(gòu),提出一種“自頂向下”的天基信息系統(tǒng)資源動態(tài)調(diào)用模式,基本流程如圖2所示。

1)功能提取

功能提取完成任務(wù)到功能的映射,解決任務(wù)“要做什么”的問題。一體化管控體系需要處理大量差異化的任務(wù)需求,但不論需求多繁雜,任務(wù)的實現(xiàn)需要系統(tǒng)發(fā)揮相應(yīng)的功能,功能提取就是根據(jù)對任務(wù)需求的解析,從中提取出用戶期望的功能。在構(gòu)成未發(fā)生重大變化的情況下,天基信息系統(tǒng)所能支持的功能是有限的,故可將系統(tǒng)功能作為標(biāo)準(zhǔn)功能模板,將用戶期望功能與標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行匹配,從而將差異化的任務(wù)需求映射為若干標(biāo)準(zhǔn)功能的集合,過濾多余的信息,降低需求的繁雜程度。由于任務(wù)需求具有較強(qiáng)的主觀性和模糊性,功能提取需要大量的領(lǐng)域知識、任務(wù)經(jīng)驗以及戰(zhàn)場態(tài)勢信息支持。

2)服務(wù)選擇

服務(wù)選擇完成從功能到服務(wù)的映射,解決任務(wù)“要怎么做”的問題。在獲得任務(wù)功能需求后,選擇合適的服務(wù)來實現(xiàn)這些功能。前文已述,功能體現(xiàn)了服務(wù)的核心操作。對于某項功能而言,其對應(yīng)服務(wù)可能不止一個,表明實現(xiàn)該功能存在多種手段,服務(wù)選擇就是在其中選擇合適的手段作為該功能的實現(xiàn)方式。服務(wù)選擇可采用人機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行:由管控計算機(jī)經(jīng)模型計算做出滿足要求的服務(wù)選擇,同時管控人員可對選擇結(jié)果進(jìn)行人工干預(yù)。

3)資源調(diào)用

資源調(diào)用完成從服務(wù)到資源的映射,從而最終確定任務(wù)的執(zhí)行者,解決任務(wù)“由誰來做”的問題。通過綁定資源類型,每個服務(wù)都對應(yīng)一個候選提供者集合,在服務(wù)調(diào)用時,首先對集合中的各資源進(jìn)行檢查,而后根據(jù)其當(dāng)前狀態(tài)和能力選擇具體的服務(wù)提供者。當(dāng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或資源能力變動,造成某資源不再具備提供服務(wù)的條件或無法保證服務(wù)質(zhì)量時,可進(jìn)行服務(wù)遷移轉(zhuǎn)由其他能夠勝任的資源繼續(xù)充當(dāng)服務(wù)提供者。資源調(diào)用必須實時檢測資源狀態(tài),判斷資源能力,并需要快速進(jìn)行較多的模型計算,故應(yīng)由管控計算機(jī)自動實現(xiàn)。

4 天基信息系統(tǒng)一體化管控體系實現(xiàn)方案

在前文研究的基礎(chǔ)上,本文提出天基信息系統(tǒng)一體化管控體系的實現(xiàn)方案,如圖3所示。核心部分包括三個子系統(tǒng):需求管理系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)、服務(wù)管理系統(tǒng),此外為每項服務(wù)設(shè)置一個資源調(diào)用模塊,用于實現(xiàn)動態(tài)資源調(diào)用。

1)需求管理系統(tǒng)

需求管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)用戶需求收集與解析,通過用戶接口,接收來自不同用戶的差異化任務(wù)需求。由于天基信息系統(tǒng)資源執(zhí)行各種操作均需要足夠的、確定的輸入信息,故必須對差異化任務(wù)需求進(jìn)行解析處理,獲取必要信息,過濾多余信息。其中,必要信息包括功能需求、任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)要求。功能需求就是用戶期望系統(tǒng)在本次任務(wù)中發(fā)揮的功能,通過與系統(tǒng)功能模板匹配,映射為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功能;任務(wù)目標(biāo)是本次任務(wù)所針對的目標(biāo),通常為戰(zhàn)場空間范圍內(nèi)的某個確定對象(如某地面區(qū)域)或潛在對象(如來襲導(dǎo)彈);任務(wù)要求是用戶對本次任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果的期望,包括時效要求和質(zhì)量要求兩方面。其中,時效要求指用戶對任務(wù)完成時間的期望;質(zhì)量要求指用戶對任務(wù)執(zhí)行效果的期望。需求解析過程需要領(lǐng)域知識、任務(wù)經(jīng)驗以及戰(zhàn)場態(tài)勢信息的支持,可以通過構(gòu)建知識庫以專家系統(tǒng)的形式實現(xiàn)[8]。

2)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)完成任務(wù)功能方案、服務(wù)計劃和調(diào)用指令的生成。其中,功能方案為一個由功能需求轉(zhuǎn)化而來的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)功能的集合,通過對其中每項功能進(jìn)行服務(wù)選擇確定各自的實現(xiàn)方式。服務(wù)選擇必須根據(jù)任務(wù)目標(biāo)和要求,基于戰(zhàn)場信息和資源模型,選擇滿足目標(biāo)客觀狀態(tài)和用戶要求的實現(xiàn)方式。服務(wù)計劃為由支持功能方案的服務(wù)構(gòu)成的偏序集合,服務(wù)計劃生成不僅要確定執(zhí)行任務(wù)要調(diào)用哪些服務(wù),還要獲得服務(wù)組合規(guī)則和調(diào)用順序,這需要相關(guān)任務(wù)規(guī)劃模型和算法的支持。在服務(wù)計劃的基礎(chǔ)上,進(jìn)而生成服務(wù)調(diào)用指令。

3)服務(wù)管理系統(tǒng)

服務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)服務(wù)注冊與檢索。底層資源提供的各類服務(wù)在注冊中心進(jìn)行統(tǒng)一的登記和發(fā)布,形成一個服務(wù)列表并以各服務(wù)的注冊信息作為其檢索依據(jù)。在服務(wù)列表中,各服務(wù)按照其功能分類組織,當(dāng)服務(wù)管理系統(tǒng)收到調(diào)用指令時,先判斷目標(biāo)服務(wù)所對應(yīng)的功能,而后在該功能組織中查找要目標(biāo)服務(wù)的地址,避免了全局檢索。

4)資源調(diào)用模塊

資源調(diào)用模塊實現(xiàn)服務(wù)到資源的動態(tài)綁定。各資源調(diào)用模塊維護(hù)一個服務(wù)候選提供者集合,監(jiān)控集合中各資源的能力在接到服務(wù)調(diào)用指令后,動態(tài)地選擇服務(wù)提供者,并在資源能力變化時根據(jù)需要進(jìn)行服務(wù)遷移。一種可供參考的動態(tài)調(diào)用實現(xiàn)思路是采用基于招投標(biāo)機(jī)制[9],即:資源調(diào)用模塊將服務(wù)需求發(fā)布給候選資源,根據(jù)各資源所承諾的服務(wù)質(zhì)量選擇最優(yōu)資源作為服務(wù)提供者;當(dāng)資源無法繼續(xù)提供服務(wù)時,以協(xié)商的方式將服務(wù)提供資格讓渡給其他資源。

5 結(jié)束語

本文針對天基信息系統(tǒng)多樣性和動態(tài)性特征,建立了一種“自底向上”的層次化組織結(jié)構(gòu);并在此基礎(chǔ)上,提出了一種“自頂向下”的動態(tài)資源調(diào)用模式,提出了天基信息系統(tǒng)一體化管控體系的實現(xiàn)方案,為未來天基信息系統(tǒng)一體化管控體系建設(shè)提供一定的參考。本文提出的天基信息系統(tǒng)一體化管控體系,能夠從體系結(jié)構(gòu)上解決系統(tǒng)多樣性和動態(tài)性的問題,然而體系的實現(xiàn)仍需要開展大量基礎(chǔ)工作,例如接口與中間件開發(fā)、領(lǐng)域知識獲取、資源調(diào)度算法研究等。

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