航天測控網(wǎng)多模式效能評估系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)*

馬佳楠，張利萍，董 浩，雷永剛

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094;2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

航天測控網(wǎng)是航天工程和空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，主要由測控中心、測控站網(wǎng)構(gòu)成，能夠為各類航天器發(fā)射、運行和回收等提供測控通信支持服務(wù)，是天地聯(lián)系的關(guān)鍵通道、信息交換的中樞以及應(yīng)用處理分析的基礎(chǔ)[1-3]。近年來，國內(nèi)外航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射頻率及在軌衛(wèi)星數(shù)量急劇增加，運行壽命延長，星座化趨勢明顯，測控數(shù)傳需求日益增多，測控設(shè)備數(shù)量也因此急劇增加[4-6]。測控中心作為航天測控網(wǎng)的調(diào)度管理中心，面臨著資源調(diào)度難以求解、設(shè)備運維管控繁重等難題。

指標(biāo)體系的構(gòu)建是進(jìn)行系統(tǒng)效能評估的重要工作和基礎(chǔ)前提[7-8]。通過構(gòu)建科學(xué)合理的評估指標(biāo)體系，獲取任務(wù)滿足、資源使用、用戶用網(wǎng)等方面指標(biāo)，對航天測控網(wǎng)進(jìn)行全方位多維度的效能評估，是提升站網(wǎng)資源使用效率、優(yōu)化用戶用網(wǎng)服務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；谛茉u估分析結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)航天測控站網(wǎng)運行的薄弱環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)提供技術(shù)支撐，進(jìn)而提升航天測控網(wǎng)的綜合效能和用戶用網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量。

目前，國內(nèi)外結(jié)合不同領(lǐng)域具體應(yīng)用需求，開展了大量效能評估仿真評估的研究與開發(fā)工作，形成了諸如EADSIM、FLAMES、WESS、COSIM等通用或?qū)Ｓ眯托茉u估系統(tǒng)。但通用型效能評估系統(tǒng)難以適應(yīng)具體領(lǐng)域業(yè)務(wù)場景，應(yīng)用開發(fā)工作量大、操作繁瑣復(fù)雜，而專用型效能評估系統(tǒng)僅局限在領(lǐng)域特殊應(yīng)用場景，靈活擴(kuò)展性不足[8-10]。另外，目前提出的評估方法受限于當(dāng)時工作需要和條件限制，具有一定的主觀成分和局限性[11]。航天測控站網(wǎng)是一項系統(tǒng)性工程，功能組成與業(yè)務(wù)邏輯極其復(fù)雜，文獻(xiàn)[6,12-14]分別從多星測控調(diào)度、測控設(shè)備保障、測控容災(zāi)等不同側(cè)面進(jìn)行了指標(biāo)體系構(gòu)建和評估算法研究，并通過仿真方法進(jìn)行驗證。目前國內(nèi)還未建立起切實易用的航天測控網(wǎng)效能評估系統(tǒng)平臺，同時，結(jié)合航天測控網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯特點，需要在日、周、月、年等不同周期、任務(wù)完成或設(shè)備故障等具體事件發(fā)生時、用戶手動操作配置等條件下，啟動效能評估過程，以滿足航天測控站網(wǎng)多模式、全方位、多維度評估需求。

針對上述問題和航天測控站網(wǎng)實際評估需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于云原生架構(gòu)的多模式效能評估系統(tǒng)，支持周期自動、事件觸發(fā)、手動啟動等多種評估模式，以滿足航天測控站網(wǎng)不同維度不同方式評估需求，在提供評估方案、指標(biāo)體系、評估算法、報表模板等多維度模型管理功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)評估任務(wù)配置信息，在效能評估計算引擎的統(tǒng)一調(diào)度下，完成評估數(shù)據(jù)獲取、評估指標(biāo)計算、效能聚合計算、評估報表自動生成等全流程處理。最后，通過具體應(yīng)用案例對系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。

1 功能特點

航天測控網(wǎng)多模式效能評估系統(tǒng)兼顧領(lǐng)域?qū)Ｓ眯院推脚_擴(kuò)展性，具備多維度評估模型管理、多樣數(shù)據(jù)接入、多模式評估模式支持、多評估環(huán)節(jié)定制可變等特點，既能滿足航天測控網(wǎng)多樣效能評估需求，也能適應(yīng)未來站網(wǎng)設(shè)備增加、新型測控技術(shù)應(yīng)用等變化。

(1)多維度評估模型管理

將評估任務(wù)、評估方案、指標(biāo)體系、評估算法、指標(biāo)算子、評估報表(含報表模板)等抽象為模型，在數(shù)據(jù)庫中通過模型標(biāo)識進(jìn)行關(guān)聯(lián)組織和統(tǒng)一存儲管理，是全部評估信息與配置的承載容器，也是效能評估計算處理的執(zhí)行依據(jù)。

(2)多樣數(shù)據(jù)接入

支持MySQL、Oracle等主流數(shù)據(jù)庫以及csv、xls、txt等多種方式接入，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換和加載，并進(jìn)行異常值檢測、野值剔除、數(shù)據(jù)過濾等預(yù)處理功能，為效能評估計算處理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)多模式評估模式支持

以周期自動、事件觸發(fā)、手動啟動等多種評估模式，啟動效能評估計算處理過程，以適應(yīng)航天測控網(wǎng)在日、周、月、年等不同周期、任務(wù)完成或設(shè)備故障等具體事件發(fā)生時、用戶手動操作配置等各類評估場景。通過將不同領(lǐng)域評估場景進(jìn)行抽象總結(jié)為三種標(biāo)準(zhǔn)評估模式，可以適應(yīng)其他不同領(lǐng)域不同場景的具體評估需求。

(4)多評估環(huán)節(jié)定制可變

在多維度評估模型管理的基礎(chǔ)上，能夠針對不同評估對象特點，實現(xiàn)指標(biāo)體系可定制、評估算法可調(diào)整、報表模板可編輯、顯示樣式可配置等多環(huán)節(jié)靈活可變。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

多模式效能評估系統(tǒng)在航天測控網(wǎng)中心系統(tǒng)統(tǒng)一云原生架構(gòu)下開發(fā)，位于SAAS層，采用B/S多層體系架構(gòu)，自上而下依次由應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層等組成，為操作員提供全流程效能評估服務(wù)。多模式效能評估系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

(1)應(yīng)用層

面向操作員提供效能評估全過程的交互操作和配置管理功能，主要分為多維度模型管理和效能分析兩部分功能。其中，多維度評估模型管理包括評估方案管理、評估算法管理、指標(biāo)體系管理、報表模板設(shè)計管理等，效能分析功能包括評估過程監(jiān)控、評估任務(wù)配置管理、評估報表管理、評估結(jié)果顯示及評估結(jié)果管理等功能。

(2)服務(wù)層

分為兩類：一是具體的業(yè)務(wù)服務(wù)，由多模式效能評估系統(tǒng)實現(xiàn)，包括針對評估方案、指標(biāo)體系、評估算法、報表模板等提供的獲取、編輯、查詢、導(dǎo)出、保存、刪除等通用服務(wù)，以及評估過程執(zhí)行時后臺運行服務(wù)，包括指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總、指標(biāo)計算分析、指標(biāo)規(guī)范化處理、效能評估計算、評估報表生成(評估報表管理)等服務(wù)；二是由中心系統(tǒng)統(tǒng)一提供的服務(wù)接口、配置接口、消息隊列等通用共性服務(wù)，是業(yè)務(wù)運行的底層支撐。

(3)數(shù)據(jù)層

提供多模式效能評估系統(tǒng)運行的公共數(shù)據(jù)環(huán)境，包括評估方案數(shù)據(jù)庫、指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫、報表模板數(shù)據(jù)庫、算法模型數(shù)據(jù)庫、評估報表數(shù)據(jù)庫及評估結(jié)果數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)層完成各類評估數(shù)據(jù)的管理，并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編目機(jī)制及統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存檔與數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。

2.2 工作流程

根據(jù)實際評估需求和評估對象特點，分為模型管理、任務(wù)配置、評估執(zhí)行、評估應(yīng)用等四個階段，完成多模式效能評估計算處理全流程生命活動的配置管理和執(zhí)行，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

(1)模型管理階段

根據(jù)實際評估任務(wù)需求，建立評估方案，構(gòu)建評估指標(biāo)體系，完成底層可測量指標(biāo)的定義、可視化顯示設(shè)計及評估報告內(nèi)容配置等。

(2)任務(wù)配置階段

建立評估任務(wù)，確定評估模式并完成相應(yīng)參數(shù)配置，進(jìn)而綁定一個或多個評估方案，根據(jù)具體任務(wù)需求，完成根節(jié)點指標(biāo)和中間層能力指標(biāo)評估算法的選擇和參數(shù)配置、底層可測量指標(biāo)輸入與數(shù)據(jù)源中具體字段的關(guān)聯(lián)配置，任務(wù)配置完成后，發(fā)起評估啟動。

(3)評估執(zhí)行階段

完成評估任務(wù)配置解析后，識別周期自動、事件觸發(fā)自動、手動發(fā)起等評估任務(wù)模式，建立周期計時器或事件監(jiān)聽器，在滿足周期時間或事件觸發(fā)條件時自動啟動或立即啟動評估執(zhí)行過程，依次完成評估數(shù)據(jù)匯總處理、指標(biāo)計算分析、系統(tǒng)效能聚合及評估報告生成等處理過程。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 評估模型組織管理

多模式效能評估系統(tǒng)通過評估任務(wù)、評估方案、指標(biāo)體系、報表模板、評估報表等對評估計算處理過程中的全部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和結(jié)果進(jìn)行組織管理，作為效能評估執(zhí)行的依據(jù)。各評估模型數(shù)據(jù)的組織關(guān)系如圖3所示。

圖3 評估模型數(shù)據(jù)組織管理

下面進(jìn)一步說明各評估模型的作用和組織關(guān)系。

(1)評估任務(wù)

評估任務(wù)聚合一個或多個評估方案進(jìn)行統(tǒng)一管理，記錄了評估模式與參數(shù)配置、評估方案綁定關(guān)系、評估算法參數(shù)配置、指標(biāo)與輸入數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)配置等全部評估信息，是效能評估啟動執(zhí)行的總體依據(jù)。

(2)評估方案

評估方案表征單個評估對象的評估信息，同樣是效能評估執(zhí)行的依據(jù)。一個評估方案中僅包含一個評估對象的評估指標(biāo)體系及相應(yīng)報表模板，并允許綁定到多個評估任務(wù)中。在基本信息配置、指標(biāo)體系綁定和報表模板綁定完成后，根據(jù)指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)和定義，依次完成評估結(jié)果顯示設(shè)計和報表文檔內(nèi)容配置。

(3)指標(biāo)體系

指標(biāo)體系與具體評估方案進(jìn)行綁定，是各類不同性質(zhì)指標(biāo)組成的有機(jī)整體，是綜合測量評估對象的尺度集合。本文設(shè)計實現(xiàn)的多模式效能評估系統(tǒng)中，按照“系統(tǒng)根節(jié)點指標(biāo)-中間能力層指標(biāo)-底層可測量指標(biāo)”的層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行各層級指標(biāo)模型的組織管理。其中，系統(tǒng)根節(jié)點指標(biāo)是評估對象系統(tǒng)效能的綜合體現(xiàn)；中間層能力指標(biāo)是評估對象某一方面能力的表征，允許出現(xiàn)多個層次的中間層能力指標(biāo)，但最終要與底層各測量指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)；底層可測量指標(biāo)不可再分，直接與輸入數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，由輸入數(shù)據(jù)直接或間接處理計算后得到，能直觀反映評估對象最基本能力。每個節(jié)點指標(biāo)都通過指標(biāo)名稱、指標(biāo)類型、指標(biāo)標(biāo)識、父指標(biāo)等屬性進(jìn)行表征和層次關(guān)聯(lián)，對于底層可測量指標(biāo)，通過指標(biāo)算子拓?fù)鋱D定義輸入輸出并表征計算方式等信息。指標(biāo)體系層級結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 指標(biāo)體系層級結(jié)構(gòu)

(4)報表模板

報表模板與具體評估方案進(jìn)行綁定，按照指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，預(yù)定義評估結(jié)果顯示內(nèi)容和風(fēng)格樣式，同時確定報表文檔輸出內(nèi)容、目錄結(jié)構(gòu)、顯示方法、文檔格式等信息，是后續(xù)評估方案配置時面向具體指標(biāo)體系進(jìn)行可視化顯示設(shè)計和報表文檔內(nèi)容設(shè)計的基礎(chǔ)模板。

3.2 多模式評估設(shè)計

3.2.1 周期自動評估

周期自動評估模式主要面向按日、周、月、季度、年等固定時間間隔對航天測控網(wǎng)服務(wù)支持能力進(jìn)行周期評估的應(yīng)用場景。采用開源作業(yè)調(diào)度框架Quartz對周期自動評估任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，每一個周期自動評估任務(wù)由定時任務(wù)接口Job定義表征，周期啟動時間條件通過CronTrigger配合CRON表達(dá)式完成復(fù)雜靈活的時間規(guī)則配置，調(diào)度器Scheduler根據(jù)CronTrigger的時間規(guī)則調(diào)度控制評估任務(wù)Job的執(zhí)行。

本文中提供了日、周、月、季度、年等周期啟動默認(rèn)時間規(guī)則，并允許用戶自定義啟動周期，具體如表1所示。在滿足時間規(guī)則條件后，調(diào)度器Scheduler自動調(diào)度執(zhí)行相應(yīng)評估任務(wù)。

表1 周期啟動默認(rèn)時間規(guī)則

3.2.2 事件觸發(fā)評估

事件觸發(fā)評估模式主要面向某項測控任務(wù)完成、設(shè)備退網(wǎng)、周期調(diào)度或應(yīng)急調(diào)度完成后需要分析評估的場景，當(dāng)上述事件發(fā)生時發(fā)送評估啟動通知消息作為觸發(fā)條件啟動評估過程。多模式效能評估系統(tǒng)通過Kafka消息隊列對外提供評估啟動通知、評估執(zhí)行反饋等異步業(yè)務(wù)服務(wù)接口，同時通過RESTful API對外提供評估結(jié)果查詢接口。事件觸發(fā)評估交互過程具體如圖5所示。

圖5 事件觸發(fā)評估交互過程

任何滿足接口定義的其他外部系統(tǒng)根據(jù)實際需求，完成約定格式的消息接口內(nèi)容參數(shù)填充，均可向多模式效能評估系統(tǒng)發(fā)送評估啟動通知消息，作為評估觸發(fā)條件，啟動評估執(zhí)行過程，并向消息請求方返回執(zhí)行狀態(tài)及評估結(jié)果數(shù)據(jù)。事件觸發(fā)評估交互過程中傳遞的具體消息格式如表2和表3所示。

表2 評估啟動通知消息格式

表3 評估執(zhí)行結(jié)果反饋消息格式

表3(續(xù))

3.2.3 手動啟動評估

對于手動啟動評估任務(wù)，在完成評估任務(wù)及指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配置后啟動，立即執(zhí)行評估過程，并允許用戶對評估過程隨時進(jìn)行操作控制。

4 應(yīng)用實例

下面以航天測運控網(wǎng)綜合支持服務(wù)效能評估為例進(jìn)一步介紹本文中多模式效能評估系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

4.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

指標(biāo)體系構(gòu)建是效能評估的關(guān)鍵基礎(chǔ)。本文結(jié)合航天測控站網(wǎng)業(yè)務(wù)特點及相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，通過本系統(tǒng)構(gòu)建了包含3層結(jié)構(gòu)、4種能力、57個底層可測量指標(biāo)的站網(wǎng)綜合支持服務(wù)評估指標(biāo)體系，并以此對每個指標(biāo)進(jìn)行定義。指標(biāo)體系構(gòu)建結(jié)果具體如圖6所示。表4為綜合支持服務(wù)效能評估指標(biāo)體系組成。

圖6 指標(biāo)體系構(gòu)建

表4 綜合支持服務(wù)效能評估指標(biāo)體系組成

圖7 指標(biāo)算子拓?fù)鋱D

4.2 評估方案配置

在完成指標(biāo)體系構(gòu)建后，新建評估方案，并建立與站網(wǎng)綜合支持服務(wù)能力評估指標(biāo)體系間的綁定關(guān)系，并依次完成各個指標(biāo)文字內(nèi)容、顯示方式的編輯和配置。如圖8所示，對于根節(jié)點“站網(wǎng)綜合支持服務(wù)能力”，通過雷達(dá)圖顯示下屬4個中間層能力指標(biāo)的效能值，在評估結(jié)果生成后，能夠直觀地表現(xiàn)出航天測運控站網(wǎng)資源薄弱能力環(huán)節(jié)。

圖8 評估方案配置

4.3 評估任務(wù)配置

指標(biāo)體系構(gòu)建、評估方案配置屬于多維度評估模型管理功能，為效能分析評估提供支撐。指標(biāo)體系與評估方案、評估方案與評估任務(wù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)“多對多”綁定關(guān)系，可以最大限度地實現(xiàn)指標(biāo)體系、評估方案的靈活復(fù)用。

在評估任務(wù)配置階段，新建“站網(wǎng)綜合支持服務(wù)能力周期評估任務(wù)”，評估模式為“周期自動評估”，評估周期為“周”，定時啟動時間為每周一中午12時。評估任務(wù)基本信息配置完成后，綁定“站網(wǎng)綜合支持服務(wù)能力評估方案”，并依次完成各個底層指標(biāo)輸入與數(shù)據(jù)庫具體字段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。各個底層指標(biāo)輸入數(shù)據(jù)主要由資源調(diào)度、資源管控等業(yè)務(wù)分系統(tǒng)產(chǎn)生，在指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配置階段，通過直接拖動方式將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的具體字段與底層指標(biāo)算子拓?fù)鋱D輸入進(jìn)行綁定，建立指標(biāo)輸入與數(shù)據(jù)庫具體字段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是后續(xù)底層指標(biāo)計算時獲取輸入數(shù)據(jù)的依據(jù)。指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配置操作過程如圖9所示。

圖9 指標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)配置

“站網(wǎng)綜合支持服務(wù)能力周期評估任務(wù)”配置完成后發(fā)起評估，在滿足周期評估時間條件，即每周一中午12時，啟動評估過程，生成評估結(jié)果和評估報表。

4.4 評估結(jié)果展示

周期自動評估任務(wù)會生成多條評估結(jié)果，以列表形式進(jìn)行組織管理，選中具體評估結(jié)果后，根據(jù)評估方案可視化顯示配置，以圖形、列表、文字等方式，顯示詳細(xì)評估結(jié)果，如圖10所示。

圖10 評估結(jié)果顯示

5 結(jié)束語

面對愈加密集的航天發(fā)射活動和日益繁重的航天器運行管控業(yè)務(wù)，開展航天測控網(wǎng)多維度、全方位的效能評估對發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行薄弱環(huán)節(jié)、不斷提升站網(wǎng)資源使用效率、持續(xù)優(yōu)化用戶用網(wǎng)服務(wù)具有重要意義。在此背景下，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套多模式效能評估系統(tǒng)，支持周期自動、事件觸發(fā)、手動啟動等多種評估模式，并具備多維度評估模型管理、多樣數(shù)據(jù)接入、多評估環(huán)節(jié)定制可變等特點；通過具體應(yīng)用實例，對系統(tǒng)特點、使用方法及評估效果進(jìn)行了充分說明，該系統(tǒng)既能滿足航天測控網(wǎng)多樣效能評估需求，也能適應(yīng)未來站網(wǎng)設(shè)備增加、新型測控技術(shù)應(yīng)用等變化。在未來工作中，將依托本文中多模式效能評估系統(tǒng)，繼續(xù)探索和構(gòu)建科學(xué)合理的航天測控網(wǎng)多維評估指標(biāo)體系并開展多模式評估，進(jìn)一步提升航天測控網(wǎng)使用效能和太空空間利用能力。