呂良慶,吳 迪,安軍社
(1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)
隨著航天領(lǐng)域的發(fā)展,航天器上的數(shù)據(jù)系統(tǒng)面臨著內(nèi)外兩方面的挑戰(zhàn)。外部挑戰(zhàn)是指日益復(fù)雜的用戶需求,表現(xiàn)為未知、多變、復(fù)雜、高性能的有效載荷日益增長(zhǎng)的要求,系統(tǒng)集成化、小型化的發(fā)展趨勢(shì),以及集群、編隊(duì)、星座、空間組網(wǎng)和天地一體化的設(shè)計(jì)需要。內(nèi)部挑戰(zhàn)是指接口設(shè)計(jì)多樣化,各項(xiàng)目應(yīng)用過程中協(xié)議不統(tǒng)一[1],難以重用。工程項(xiàng)目還面臨著“好、快、省”的競(jìng)爭(zhēng)壓力。這些問題的解決都需要引入智能技術(shù),需要一個(gè)能夠支持智能能力持續(xù)構(gòu)建的系統(tǒng)架構(gòu)和平臺(tái)。
航天器智能自主控制是在航天器中引入人工智能與智能控制技術(shù),使航天器在不確定環(huán)境中以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化時(shí),能夠不依靠人的幫助和地面支持,完全依靠航天器上軟硬件設(shè)備自身的能力實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定度、強(qiáng)適應(yīng)性和長(zhǎng)壽命的正常運(yùn)行[2-3]。為指導(dǎo)航天器上智能能力的構(gòu)建,可以采用分級(jí)的方法。
文獻(xiàn)[2-3]給出了初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)智能自主控制的定性劃分,其實(shí)質(zhì)是智能能力從地面向航天器技術(shù)轉(zhuǎn)移和部署的過程。而智能自主運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[4]。
2005—2006年,美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)的空間操作和支持技術(shù)委員會(huì)(Space Operations and Support Technical Committee,SOSTC)進(jìn)行了一項(xiàng)飛行器系統(tǒng)使用自動(dòng)控制技術(shù)的情況調(diào)研,共調(diào)研了12個(gè)組織的88個(gè)項(xiàng)目。為了進(jìn)行這項(xiàng)調(diào)研,調(diào)研組事先按照5個(gè)維度對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了分類,即自動(dòng)程度、任務(wù)類型、載荷目標(biāo)、自動(dòng)系統(tǒng)配置和系統(tǒng)應(yīng)用情況。在自動(dòng)程度方面,制定了1個(gè)6級(jí)的智能推理能力等級(jí),分別是:人工控制(1級(jí))、自動(dòng)通知(2級(jí))、地面人工控制的智能推理(3級(jí))、地面自動(dòng)的智能推理(4級(jí))、星載智能推理(5級(jí))、自動(dòng)思考航天器(6級(jí))[5]。此次調(diào)研給出了如下一些分析結(jié)論:
1)大部分智能能力部署在地面,少部分在航天器上。智能能力首先在地面上研發(fā)實(shí)現(xiàn),再以漸進(jìn)發(fā)展的形式轉(zhuǎn)移部署在航天器上。
2)低軌道航天器對(duì)智能能力的需求普遍較低;有高精度、復(fù)雜需求的航天器,高軌衛(wèi)星以及深空探測(cè)器對(duì)智能能力的需求高,但數(shù)量少。
3)需要智能能力的領(lǐng)域主要集中在任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航和軌道控制、有效載荷操作、飛行器控制等方面。相對(duì)而言,任務(wù)規(guī)劃和飛行器控制采用智能技術(shù)的收益高,因?yàn)檫@兩方面的常規(guī)操作主要是在地面人工完成的,如果能夠轉(zhuǎn)移到天上,將會(huì)明顯減輕地面的運(yùn)行成本,提高航天器完成任務(wù)的控制精度。
考察時(shí)間跨度上的航天器智能技術(shù)應(yīng)用情況[6-7],可以看到有復(fù)雜化、系統(tǒng)化、高層化的趨勢(shì),但其硬件基礎(chǔ)和需求配置又是根據(jù)特定任務(wù)背景而定的,針對(duì)性很強(qiáng),通用性弱。很多航天器上采用的智能技術(shù)具有局部性(某個(gè)飛行階段、任務(wù)方面或組成部分)和試驗(yàn)性,以及特定的應(yīng)用(如狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷、任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度、目標(biāo)識(shí)別和姿態(tài)指向控制、導(dǎo)航和軌道機(jī)動(dòng)等[3])。采用的智能技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理、模糊控制等[8]。不同層次的智能能力采用的智能技術(shù)在復(fù)雜程度和高級(jí)程度上沒有必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
文獻(xiàn)[9]針對(duì)航天器上的處理能力從任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)數(shù)據(jù)管理和故障管理3個(gè)方面對(duì)自動(dòng)化程度進(jìn)行了分級(jí)。任務(wù)執(zhí)行分為4級(jí),分別是地面控制任務(wù)加有限的安全措施(E1)、地面定義的事先計(jì)劃執(zhí)行(E2)、基于事件的自動(dòng)操作(E3)、目標(biāo)導(dǎo)向的任務(wù)操作(E4)。數(shù)據(jù)管理分為2級(jí),即可視弧段外、失效情況下的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(D1)和全任務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(D2)。故障管理分為2級(jí),即失效情況下建立安全模式(F1)、失效情況下的正常任務(wù)操作重構(gòu)(F2)。
文獻(xiàn)[7、10]中,航天器智能可以定性為如下3個(gè)等級(jí):
1)自動(dòng)(automatic):使用軟件或硬件按部就班地代替例行手工過程,而且依然包括人工參與。
2)自治(autonomous):自我支配和自我導(dǎo)向,能夠模擬人的參與過程,而不是簡(jiǎn)單代替。
3)自主(autonomic):自我管理,做出確保任務(wù)成功所需決策的過程。
通俗地理解,自動(dòng)過程是按照事先設(shè)計(jì)好的固定流程執(zhí)行,沒有條件判斷和思考過程;自治過程是對(duì)外在環(huán)境的條件式、反應(yīng)式動(dòng)作執(zhí)行,支持對(duì)系統(tǒng)自身的管理、任務(wù)管理,類似于生物神經(jīng)系統(tǒng);自主過程包含系統(tǒng)管理、任務(wù)管理以及出于主動(dòng)意圖的思維過程,類似于大腦的思考,自主過程要依賴自治和自動(dòng)過程來實(shí)施其思考的結(jié)果。
智能在工作層次上又可以劃分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)計(jì)劃和任務(wù)執(zhí)行[5]。任務(wù)執(zhí)行一定由航天器操作,因此可以說所有航天器都具有自動(dòng)能力和部分自治能力。如果將任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃工作也交給航天器,航天器就具備了相應(yīng)的自主和自治能力,而地面需要與航天器智能能力進(jìn)行相適應(yīng)的調(diào)整。不同的航天器對(duì)自主和自治的理解和需要程度是不同的,它們可以是航天器的整體行為,也可以是局部行為,可以通過引入其他因素進(jìn)一步劃分等級(jí)。例如在無人機(jī)[11]、汽車等行業(yè)對(duì)智能自主控制等級(jí)的劃分,結(jié)合了各自的應(yīng)用領(lǐng)域面對(duì)的特定場(chǎng)景等因素。
智能能力的程度可以劃分為底層反應(yīng)、中層程序化和高層思考3個(gè)層次。反應(yīng)沒有學(xué)習(xí)過程,只是對(duì)從傳感器系統(tǒng)獲得的狀態(tài)信息進(jìn)行響應(yīng);程序執(zhí)行大量的例行評(píng)估和計(jì)劃行為;思考是自我審視和決策的過程[7]。這3個(gè)層次可以對(duì)應(yīng)系統(tǒng)自我管理、任務(wù)自我管理和思考規(guī)劃3種應(yīng)用能力。
系統(tǒng)自我管理的目標(biāo)是維持系統(tǒng)的健康和正常運(yùn)行。任務(wù)自我管理的目標(biāo)是保證系統(tǒng)按照任務(wù)需求執(zhí)行。它們是通過人的綜合設(shè)計(jì)能力,在地面將規(guī)劃的“思考”能力具體化為軟件程序,事先駐留在航天器上,由其根據(jù)航天器資源條件進(jìn)行判斷和執(zhí)行,是對(duì)任務(wù)執(zhí)行過程的管控和情況應(yīng)對(duì),是戰(zhàn)術(shù)層次的。思考規(guī)劃是將這種人的綜合設(shè)計(jì)能力部署在航天器上,由其進(jìn)行類似的“思考”,以完成后續(xù)相同或更為優(yōu)化的任務(wù)。這種思考是全局式的戰(zhàn)略決策過程,在引入智能技術(shù)時(shí),有著開放的、廣闊的研究前景。高級(jí)能力是以低級(jí)能力為基礎(chǔ)的,低級(jí)能力偏向靜態(tài),高級(jí)能力趨于動(dòng)態(tài)變化,它們之間的界限是模糊的,銜接是“無縫”的。
地面向航天器發(fā)送的遙控?cái)?shù)據(jù)注入指令的內(nèi)容也可以分為3級(jí),即命令級(jí)、計(jì)劃級(jí)和任務(wù)級(jí)[12]。命令級(jí)是航天器直接可執(zhí)行的指令;計(jì)劃級(jí)帶有時(shí)間、位置等限定條件,對(duì)其的“思考”是在地面完成的;而任務(wù)級(jí)需要航天器進(jìn)行“思考”后分解為計(jì)劃級(jí)和命令級(jí),才能付諸執(zhí)行。
上述對(duì)智能能力的討論對(duì)照分析見表1。
表1 航天器智能等級(jí)
雖然航天器上的數(shù)據(jù)處理能力在不斷提升,但是與地面相比,在網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和處理器等方面的能力依然存在差距。而用戶對(duì)數(shù)據(jù)處理的需求和期望比星上數(shù)據(jù)處理能力增長(zhǎng)得快。因此,是否有必要將各個(gè)等級(jí)的智能能力全部放在航天器上,是每一個(gè)項(xiàng)目需要考慮的問題。
表1中的各級(jí)智能能力可以通過圖1的5階模型,自底向上漸進(jìn)地構(gòu)建,逐步實(shí)現(xiàn)各級(jí)智能能力的平臺(tái)化和通用建設(shè)。圖1中的各階能力說明如下。
實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)注入接收過程的自動(dòng)分析和處理能力,解決數(shù)據(jù)注入的接收、識(shí)別和拼接問題,以適應(yīng)數(shù)據(jù)注入星地傳輸?shù)闹貜?fù)、斷續(xù)(延遲)、無序、容錯(cuò)等情況,實(shí)現(xiàn)地面注入操作的實(shí)時(shí)性、并發(fā)性和任意性,表現(xiàn)出對(duì)用戶的友好。
本能力需要基于開放系統(tǒng)互連(Open System Interconnect, OSI)的7層通信協(xié)議、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data System,CCSDS)的空間鏈路業(yè)務(wù)(Space Link Services,SLS)協(xié)議棧[13]和航天器接口業(yè)務(wù)(Spacecraft Onboard Interface Service,SOIS)架構(gòu)[14]等關(guān)系構(gòu)成的下層通信管理。本能力是在CCSDS空間包協(xié)議[15]和SOIS包業(yè)務(wù)[16]基礎(chǔ)之上進(jìn)行的應(yīng)用層處理。
有實(shí)時(shí)和延時(shí)兩種執(zhí)行方式,實(shí)現(xiàn)注入指令執(zhí)行的準(zhǔn)確性、正確性和容錯(cuò)性,確保執(zhí)行的可靠性和安全性,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和初級(jí)自治能力。
宏指令是事先將內(nèi)容固定或數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)、文件、程序、執(zhí)行序列事先裝配或在執(zhí)行前加載到航天器中,然后通過簡(jiǎn)短的編號(hào)形式進(jìn)行調(diào)用,選擇進(jìn)行釋放的一種指令執(zhí)行方式。
借助非易失性存儲(chǔ)、可改寫的特性,支持系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力,從而提供了靈活的地面和星上指令調(diào)度和生成機(jī)制。
補(bǔ)充初級(jí)自治能力,是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我管理和任務(wù)自我管理的基礎(chǔ)。
即在線監(jiān)控能力,解決在線異常和故障的實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別、隔離、處理、報(bào)警等問題,是故障預(yù)案的事后措施。
解決對(duì)任務(wù)執(zhí)行過程的監(jiān)控,保障任務(wù)順利執(zhí)行或至少保持一個(gè)安全狀態(tài)。
圖1 航天器智能自主能力的構(gòu)建過程Fig.1 Construction stages of intelligent autonomic capability on spacecrafts
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我管理能力,并保障任務(wù)自我管理能力。
進(jìn)行任務(wù)級(jí)別的事先規(guī)劃和調(diào)度,自動(dòng)生成事件表和宏指令,實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)和智能能力的增長(zhǎng)。
實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)思考能力,將地面的科學(xué)規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定和指令編制的能力移植到航天器上。
5階模型中,前3階的設(shè)計(jì)應(yīng)該是歸一化的平臺(tái),支持上層的智能能力。第4、第5階的智能能力具有應(yīng)用背景的特殊性和專業(yè)性,因此需要按照問題域和技術(shù)域的客觀規(guī)律建立針對(duì)性的問題模型和專業(yè)解決方案。并且這種模型和解決方案也會(huì)成為專業(yè)問題域的通用解決平臺(tái),從而引導(dǎo)專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用和通用化,并支持重用。
空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)在航天器上的部分是統(tǒng)一的信息系統(tǒng),同時(shí)也是與地面互聯(lián)的天基信息網(wǎng)[17]。CCSDS SOIS領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容是其中不可或缺的組成部分。SOIS基于數(shù)據(jù),主要包括管理信息庫(Management Information Base,MIB)、電子數(shù)據(jù)單(Electronic Data Sheet,EDS)等概念。
MIB是一個(gè)系統(tǒng)的核心信息單元,在SOIS中主要用于集中保存系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡(luò)管理方面的信息[14],以適應(yīng)或統(tǒng)一協(xié)議和訪問的虛擬化、端口化。MIB概念在應(yīng)用中,可以起到隔離實(shí)際參數(shù)和虛擬參數(shù),并建立中間映射的作用,從而達(dá)到數(shù)據(jù)和程序分離的目的[18]。
EDS是連接到某個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)部件(可抽象為設(shè)備、業(yè)務(wù)、應(yīng)用)所必須具有的信息單元,內(nèi)容是這個(gè)部件可供外部相連系統(tǒng)使用的自描述信息,目的是提供機(jī)器可讀的信息,以代替手工編輯的接口控制文件(Interface Control Document,ICD)[14],支持即插即用。EDS可使用可擴(kuò)展標(biāo)示語言(eXtensive Markup Language,XML)[19]進(jìn)行描述,具備方便人工閱讀和機(jī)器可讀的雙重能力,因此在地面互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在引入航天領(lǐng)域后,其典型應(yīng)用實(shí)例是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory,AFRL)的空間即插即用架構(gòu)(Space Plug-and-play Architecture,SPA)[20-22]中的可擴(kuò)展變換器電子數(shù)據(jù)單(extensible Transducer EDS, xTEDS)。
推而廣之,將MIB用于整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)層次,作為信息的載體,可以保存系統(tǒng)的所有管理信息,隔離系統(tǒng)的組成部分,并靈活配置系統(tǒng)。MIB可以是數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)或小到一個(gè)配置表,其存儲(chǔ)的位置可以是分布的或集中的,以方便使用為原則。在系統(tǒng)組成(可抽象為系統(tǒng)、設(shè)備和業(yè)務(wù))中,MIB之間以及各層級(jí)之間通過交換EDS實(shí)現(xiàn)部件(可抽象為設(shè)備、業(yè)務(wù)、應(yīng)用)的即插即用,從而為系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)化定義和靈活配置提供了可能。
為了實(shí)現(xiàn)上述不同等級(jí)的智能能力,參考CCSDS SOIS架構(gòu)進(jìn)行航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究,提出了人字架構(gòu)模型(如圖2所示),有助于在航天器上部署和發(fā)展智能能力。
1)該架構(gòu)按照智能能力的需要選擇SOIS相應(yīng)業(yè)務(wù)(設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)(Device Discovery Service,DDS)[23]、設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)(Device Enumeration Service,DES)[24]、設(shè)備訪問業(yè)務(wù)(Device Access Service,DAS)[25]、設(shè)備虛擬業(yè)務(wù)(Device Virtualization Service,DVS)[26]、包業(yè)務(wù)(Packet Service,PS)[16],存儲(chǔ)訪問業(yè)務(wù)(Memory Access Service,MAS)[27])。SOIS中與本文內(nèi)容相對(duì)關(guān)系不大的業(yè)務(wù)未在圖中給出,但不表示不需要。
圖2 航天器智能軟件體系架構(gòu)(人字架構(gòu))Fig.2 Intelligent software architecture on spacecraft (human-body shape architecture)
2)圖中的子網(wǎng)層和應(yīng)用支持層是SOIS架構(gòu)的內(nèi)容,分為即插即用和數(shù)據(jù)傳送兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)傳送部分主要包括地面到星上的注入指令和相應(yīng)的信息反饋,不是完整的消息和包服務(wù)。5階模型第1階數(shù)據(jù)注入接收能力由這部分支持。
3)應(yīng)用層解決注入指令的分析和執(zhí)行問題,包括兩部分業(yè)務(wù):指令執(zhí)行(EXeCutive,EXC)和宏指令(MAcro Command,MAC),對(duì)應(yīng)5階模型中的第2、第3階能力。它們支持了航天器上的其他業(yè)務(wù),例如歐洲空間局(European Space Agency, ESA)的包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)[28]。
4)應(yīng)用層上層應(yīng)具有系統(tǒng)自我管理能力,即在線監(jiān)控(on-board Monitoring and Control,M&C)(對(duì)應(yīng)5階模型的第4階能力)、任務(wù)自我管理(Mission Self Management,MSM)和智能自主思考(Intelligent Autonomic Thinking,IAT)能力(屬于第5階能力)。這些智能業(yè)務(wù)進(jìn)一步支撐用戶應(yīng)用。
各項(xiàng)業(yè)務(wù)以程序?yàn)榛A(chǔ),圍繞MIB和EDS概念進(jìn)行數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì),是本架構(gòu)模型的主要思想。根據(jù)EDS表達(dá)的業(yè)務(wù)接口內(nèi)容,各層業(yè)務(wù)之間、部件之間可以自動(dòng)識(shí)別,建立業(yè)務(wù)的即插即用能力,并與5階模型中的各階能力構(gòu)成自主控制平臺(tái)部分。這種即插即用技術(shù)與自主控制技術(shù)共同支撐上層智能能力的結(jié)構(gòu)以形成“人”字形狀,因此該架構(gòu)命名為人字架構(gòu)模型。
航天器的智能能力是通過地面系統(tǒng)表現(xiàn)給人的,因此智能系統(tǒng)應(yīng)該是指星地完整系統(tǒng)。地面與航天器之間是服務(wù)的關(guān)系。航天器為地面提供任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的服務(wù),地面為航天器提供任務(wù)支持的服務(wù)。在任何時(shí)候都必須具有科學(xué)任務(wù)規(guī)劃、航天器任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)執(zhí)行層次的能力,并且通過后臺(tái)的包裝,以服務(wù)的形式呈現(xiàn)給最終用戶。隨著航天器智能能力的提升,地面系統(tǒng)的部分能力會(huì)逐步轉(zhuǎn)移到航天器,任務(wù)重心和關(guān)注對(duì)象也隨之轉(zhuǎn)移,這種轉(zhuǎn)移關(guān)系見表2。
通過表2可知,隨著航天器智能能力的提升,地面工作從低端的指令生成到高端的任務(wù)規(guī)劃和下行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理,都將得到進(jìn)一步增強(qiáng),可表現(xiàn)的智能形式也會(huì)層出不窮。
本文從討論部署在航天器上的智能能力的等級(jí)劃分開始,論述了支持各級(jí)能力實(shí)現(xiàn)的5階模型、智能能力增長(zhǎng)的人字架構(gòu)模型以及星地一體的智能系統(tǒng)能力部署的相適應(yīng)問題。
人字架構(gòu)具有層次化、業(yè)務(wù)化和自底向上歸一化構(gòu)建的特點(diǎn),支持上層智能能力和智能技術(shù)的引入,并具有開放性。通過使用模型化方法,解決架構(gòu)的平臺(tái)通用性和業(yè)務(wù)針對(duì)性的矛盾。模型化方法主要采用MIB和EDS技術(shù)的數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)方法,從而為軟件定義衛(wèi)星的裸衛(wèi)星、數(shù)字衛(wèi)星、軟件衛(wèi)星、虛擬服務(wù)等概念提供了可實(shí)施的途徑。
人字架構(gòu)的建立和可持續(xù)構(gòu)建需要在相關(guān)的軟件工程過程、工具環(huán)境、語言、人員組織等方面進(jìn)行改進(jìn),既要滿足已有的航天工程要求,又要適應(yīng)新的需要,并通過重用提高研發(fā)效率。在應(yīng)用中有利于航天器在地面的快速集成和飛行過程中的維護(hù)維修、組網(wǎng)編隊(duì),也適合于地面系統(tǒng)的服務(wù)化發(fā)展需要。
表2 地面系統(tǒng)對(duì)不同智能能力航天器的適應(yīng)