熊 偉, 劉呈祥, 郭 超

(航天工程大學復雜電子系統仿真實驗室, 北京 101416)

天基信息系統是由以不同軌道、不同類型、不同性能的衛(wèi)星、地面站及相關設施組成的信息系統,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,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、預警、通信、中繼、導航、氣象觀測等信息服務[1-3],極大地提高聯合作戰(zhàn)效能。由于空間技術與航天工業(yè)發(fā)展的特殊性,我國天基信息系統中不同的應用系統自成體系,偵察監(jiān)視、戰(zhàn)略預警、通信中繼、導航定位、環(huán)境監(jiān)測等職能不同的子系統隸屬于不同的管理部門,具有各自獨立的管控機構,“條塊分割”的局面已明顯形成[4]。但日益復雜的多樣化使命任務對天基信息系統一體化、網絡化的要求越來越高,尤其是在聯合作戰(zhàn)信息支援行動中,任務通常不是僅憑單一資源就能完成的,而需不同子系統的協同合作,但“條塊分割”、自成體系的狀況使系統在執(zhí)行任務時必須不斷協調各子系統的管控機構。這一方面增加了任務的指揮層級,造成指揮流程復雜冗長,任務反應速度慢;另一方面更容易暴露系統脆弱性。因此,迫切需要一個綜合管控體系,實現天基信息系統的一體化管控。

“一體化管控”就是以綜合的管控體系實現對信息系統整個業(yè)務流程和全部業(yè)務領域的管理[5]。對于天基信息系統而言,就是將各子系統管控機構的職能整合,形成一個能夠管理系統內各種異構資源、處理各類復雜任務的綜合管控體系。一體化管控可以從管理層打破天基信息系統各子系統之間的壁壘,有利于各子系統的協同合作,同時使指揮層級扁平化,指揮流程簡單化,提升快速空間響應能力。

1 天基信息系統的主要特征

實現一體化管控,需要對現有信息系統資源進行整合與集成。與一般的信息系統比較,天基信息系統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。天基信息系統中的資源是多樣化的,體現在:① 資源功能的多樣性,天基信息系統包括大量、多樣化的異構資源,如偵察資源、預警資源、通信資源、導航資源、數據存儲資源、數據處理資源等;② 資源分布的多樣性,天基信息系統包括運行于高、中、低軌道的衛(wèi)星、星座以及相應的地面設施等,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:作為天基信息系統的服務對象的用戶于地面、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)行動中承擔不同的職能,據此能提出多樣化的任務需求;③ 用戶認知的差異性:不同用戶對天基信息系統的運行狀況以及當前戰(zhàn)場態(tài)勢的認知程度不同,將造成任務需求具有不同程度的模糊性和片面性。

1.2 動態(tài)性

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

2)系統結構的動態(tài)性。天基信息系統結構并不是靜態(tài)的,而是動態(tài)變化的。由于天基信息系統構成單元是不同軌道的衛(wèi)星,以其靜止或移動的方式互聯于地球表面的終端和地面設施,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,造成系統拓撲結構時時變化。

3)系統演化的動態(tài)性:天基信息系統處于不斷建設、完善、發(fā)展中,隨著技術能力的進步,資源必將得以不斷擴展和更新,系統結構也會不斷得到優(yōu)化。

鑒于上述特性可見,要實現天基信息系統的一體化管控,一方面需要一種合理的體系結構,能夠實現天基信息系統中各種多樣化、分布、異構資源的統一管理與組織,另一方面需要一種運行模式,能夠有效地適應天基信息系統的動態(tài)性,并向用戶屏蔽天基信息系統中復雜的動態(tài)變化。

2 天基信息系統層次化資源組織結構

面向服務的體系架構(SOA)能夠對系統內分布、異構的應用和資源進行有效地封裝和集成,利用服務的組合快速構建跨組織的復雜應用,從而適應環(huán)境、客戶需求和業(yè)務流程的變化[6]。為管理天基信息系統中多樣化、異構、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構,如圖1所示。它包含四個層次:資源層、服務層、功能層和任務層。

1)資源層

資源層是由天基信息系統中多樣化、異構、分布的資源實體所構成的集合,長期“條塊分割”的局面使不同子系統的資源在開發(fā)語言、運行平臺、存儲和運行模式方面具有顯著差異,阻礙了資源整合與集成。層次化資源組織結構首先要求建立統一的接口標準和數據協議,通過對現有系統進行適應性改造使所有資源按照統一的服務接口標準封裝,同時通過開發(fā)中間件,將資源輸入輸出轉化為標準的數據格式,使不同資源之間可順利進行數據溝通。在此基礎上,資源只要遵循統一的接口標準和數據協議就可以隨時加入或退出系統。

2)服務層

服務是對底層資源的封裝和聚合,多樣化的資源依據其類型和職能被封裝為相應的服務。如:可見光成像觀測衛(wèi)星被封裝為可見光成像偵察服務;雷達成像觀測衛(wèi)星被封裝為雷達成像偵察服務等。有別于普通的面向服務的體系架構,在層次化天基信息系統資源組織結構中,服務是剝離于具體的底層資源,其原因在于資源對任務勝任與否不是一成不變的,系統拓撲結構或資源自身狀態(tài)的變化都可能引起資源能力變動。服務與資源之間應采取分段綁定的策略[7]。即在設計階段,將服務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的潛在提供者,在服務調用階段,再依據各潛在提供者的實際能力將服務綁定到具體資源。

3)功能層

功能就是系統所能發(fā)揮的作用。在層次化資源組織結構中,功能是對相同類別服務的聚合和抽象,體現了服務的核心操作,并進一步將資源信息剝離,如通過各種手段實現的偵察服務皆可聚合為偵察信息獲取功能。功能在任務與服務之間起著橋梁的作用。一方面將具有共同核心操作的服務聚合在一起,實現了服務按需、分類組織,在服務檢索時可以“按圖索驥”,提高了服務調用的效率;另一方面在底層資源確定的情況下,系統所能支持的功能也是確定的,通過將差異化任務需求轉化為對確定的功能需求,可以在一定程度上屏蔽任務需求差異性。

4)任務層

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

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

3 天基信息系統資源動態(tài)調用模式

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

1)功能提取

功能提取完成任務到功能的映射,解決任務“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需求,但不論需求多繁雜,任務的實現需要系統發(fā)揮相應的功能,功能提取就是根據對任務需求的解析,從中提取出用戶期望的功能。在構成未發(fā)生重大變化的情況下,天基信息系統所能支持的功能是有限的,故可將系統功能作為標準功能模板,將用戶期望功能與標準功能進行匹配,從而將差異化的任務需求映射為若干標準功能的集合,過濾多余的信息,降低需求的繁雜程度。由于任務需求具有較強的主觀性和模糊性,功能提取需要大量的領域知識、任務經驗以及戰(zhàn)場態(tài)勢信息支持。

2)服務選擇

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

3)資源調用

資源調用完成從服務到資源的映射,從而最終確定任務的執(zhí)行者,解決任務“由誰來做”的問題。通過綁定資源類型,每個服務都對應一個候選提供者集合,在服務調用時,首先對集合中的各資源進行檢查,而后根據其當前狀態(tài)和能力選擇具體的服務提供者。當系統拓撲結構或資源能力變動,造成某資源不再具備提供服務的條件或無法保證服務質量時,可進行服務遷移轉由其他能夠勝任的資源繼續(xù)充當服務提供者。資源調用必須實時檢測資源狀態(tài),判斷資源能力,并需要快速進行較多的模型計算,故應由管控計算機自動實現。

4 天基信息系統一體化管控體系實現方案

在前文研究的基礎上,本文提出天基信息系統一體化管控體系的實現方案,如圖3所示。核心部分包括三個子系統:需求管理系統、任務規(guī)劃系統、服務管理系統,此外為每項服務設置一個資源調用模塊,用于實現動態(tài)資源調用。

1)需求管理系統

需求管理系統負責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需求。由于天基信息系統資源執(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需求進行解析處理,獲取必要信息,過濾多余信息。其中,必要信息包括功能需求、任務目標和任務要求。功能需求就是用戶期望系統在本次任務中發(fā)揮的功能,通過與系統功能模板匹配,映射為系統標準功能;任務目標是本次任務所針對的目標,通常為戰(zhàn)場空間范圍內的某個確定對象(如某地面區(qū)域)或潛在對象(如來襲導彈);任務要求是用戶對本次任務的執(zhí)行結果的期望,包括時效要求和質量要求兩方面。其中,時效要求指用戶對任務完成時間的期望;質量要求指用戶對任務執(zhí)行效果的期望。需求解析過程需要領域知識、任務經驗以及戰(zhàn)場態(tài)勢信息的支持,可以通過構建知識庫以專家系統的形式實現[8]。

2)任務規(guī)劃系統

任務規(guī)劃系統完成任務功能方案、服務計劃和調用指令的生成。其中,功能方案為一個由功能需求轉化而來的系統標準功能的集合,通過對其中每項功能進行服務選擇確定各自的實現方式。服務選擇必須根據任務目標和要求,基于戰(zhàn)場信息和資源模型,選擇滿足目標客觀狀態(tài)和用戶要求的實現方式。服務計劃為由支持功能方案的服務構成的偏序集合,服務計劃生成不僅要確定執(zhí)行任務要調用哪些服務,還要獲得服務組合規(guī)則和調用順序,這需要相關任務規(guī)劃模型和算法的支持。在服務計劃的基礎上,進而生成服務調用指令。

3)服務管理系統

服務管理系統負責服務注冊與檢索。底層資源提供的各類服務在注冊中心進行統一的登記和發(fā)布,形成一個服務列表并以各服務的注冊信息作為其檢索依據。在服務列表中,各服務按照其功能分類組織,當服務管理系統收到調用指令時,先判斷目標服務所對應的功能,而后在該功能組織中查找要目標服務的地址,避免了全局檢索。

4)資源調用模塊

資源調用模塊實現服務到資源的動態(tài)綁定。各資源調用模塊維護一個服務候選提供者集合,監(jiān)控集合中各資源的能力在接到服務調用指令后,動態(tài)地選擇服務提供者,并在資源能力變化時根據需要進行服務遷移。一種可供參考的動態(tài)調用實現思路是采用基于招投標機制[9],即:資源調用模塊將服務需求發(fā)布給候選資源,根據各資源所承諾的服務質量選擇最優(yōu)資源作為服務提供者;當資源無法繼續(xù)提供服務時,以協商的方式將服務提供資格讓渡給其他資源。

5 結束語

本文針對天基信息系統多樣性和動態(tài)性特征,建立了一種“自底向上”的層次化組織結構;并在此基礎上,提出了一種“自頂向下”的動態(tài)資源調用模式,提出了天基信息系統一體化管控體系的實現方案,為未來天基信息系統一體化管控體系建設提供一定的參考。本文提出的天基信息系統一體化管控體系,能夠從體系結構上解決系統多樣性和動態(tài)性的問題,然而體系的實現仍需要開展大量基礎工作,例如接口與中間件開發(fā)、領域知識獲取、資源調度算法研究等。

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