天基信息系统一体化管控体系研究

熊 伟, 刘呈祥, 郭 超

(航天工程大学复杂电子系统仿真实验室, 北京 101416)

天基信息系统是由以不同轨道、不同类型、不同性能的卫星、地面站及相关设施组成的信息系统,是空间信息获取、传输、分发、融合、处理等活动的主要承载体,它具有不受国界与地理条件限制、覆盖范围广等优点,能够全天时、全天候地为陆地、海洋、空中用户提供侦察、监视、预警、通信、中继、导航、气象观测等信息服务[1-3],极大地提高联合作战效能。由于空间技术与航天工业发展的特殊性,我国天基信息系统中不同的应用系统自成体系,侦察监视、战略预警、通信中继、导航定位、环境监测等职能不同的子系统隶属于不同的管理部门,具有各自独立的管控机构,“条块分割”的局面已明显形成[4]。但日益复杂的多样化使命任务对天基信息系统一体化、网络化的要求越来越高,尤其是在联合作战信息支援行动中,任务通常不是仅凭单一资源就能完成的,而需不同子系统的协同合作,但“条块分割”、自成体系的状况使系统在执行任务时必须不断协调各子系统的管控机构。这一方面增加了任务的指挥层级,造成指挥流程复杂冗长,任务反应速度慢;另一方面更容易暴露系统脆弱性。因此,迫切需要一个综合管控体系,实现天基信息系统的一体化管控。

“一体化管控”就是以综合的管控体系实现对信息系统整个业务流程和全部业务领域的管理[5]。对于天基信息系统而言,就是将各子系统管控机构的职能整合,形成一个能够管理系统内各种异构资源、处理各类复杂任务的综合管控体系。一体化管控可以从管理层打破天基信息系统各子系统之间的壁垒,有利于各子系统的协同合作,同时使指挥层级扁平化,指挥流程简单化,提升快速空间响应能力。

1 天基信息系统的主要特征

实现一体化管控,需要对现有信息系统资源进行整合与集成。与一般的信息系统比较,天基信息系统的以下特征为实施一体化管控带来了困难。

1.1 多样性

1)资源的多样性。天基信息系统中的资源是多样化的,体现在:① 资源功能的多样性,天基信息系统包括大量、多样化的异构资源,如侦察资源、预警资源、通信资源、导航资源、数据存储资源、数据处理资源等;② 资源分布的多样性,天基信息系统包括运行于高、中、低轨道的卫星、星座以及相应的地面设施等,各类资源分布极为广泛。

2)用户的差异性。① 用户状态的差异性:作为天基信息系统的服务对象的用户于地面、空中、海上、临近空间、太空等空间广泛分布,不同用户具有不同的状态;② 用户需求的差异性:不同用户在作战行动中承担不同的职能,据此能提出多样化的任务需求;③ 用户认知的差异性:不同用户对天基信息系统的运行状况以及当前战场态势的认知程度不同,将造成任务需求具有不同程度的模糊性和片面性。

1.2 动态性

1)系统资源的动态性。系统运行的过程中,随着新任务的加入和旧任务的完成,系统资源的状态和能力将发生变动,尤其是当系统处于对抗环境中时,这种变动可能是剧烈的。

2)系统结构的动态性。天基信息系统结构并不是静态的,而是动态变化的。由于天基信息系统构成单元是不同轨道的卫星,以其静止或移动的方式互联于地球表面的终端和地面设施,它们具有不同的时空特性,相对位置和相互连通性动态改变,造成系统拓扑结构时时变化。

3)系统演化的动态性:天基信息系统处于不断建设、完善、发展中,随着技术能力的进步,资源必将得以不断扩展和更新,系统结构也会不断得到优化。

鉴于上述特性可见,要实现天基信息系统的一体化管控,一方面需要一种合理的体系结构,能够实现天基信息系统中各种多样化、分布、异构资源的统一管理与组织,另一方面需要一种运行模式,能够有效地适应天基信息系统的动态性,并向用户屏蔽天基信息系统中复杂的动态变化。

2 天基信息系统层次化资源组织结构

面向服务的体系架构(SOA)能够对系统内分布、异构的应用和资源进行有效地封装和集成,利用服务的组合快速构建跨组织的复杂应用,从而适应环境、客户需求和业务流程的变化[6]。为管理天基信息系统中多样化、异构、分布的资源实体,本文借鉴SOA的思想,建立了一种“自底向上”的层次化资源组织结构,如图1所示。它包含四个层次:资源层、服务层、功能层和任务层。

1)资源层

资源层是由天基信息系统中多样化、异构、分布的资源实体所构成的集合,长期“条块分割”的局面使不同子系统的资源在开发语言、运行平台、存储和运行模式方面具有显著差异,阻碍了资源整合与集成。层次化资源组织结构首先要求建立统一的接口标准和数据协议,通过对现有系统进行适应性改造使所有资源按照统一的服务接口标准封装,同时通过开发中间件,将资源输入输出转化为标准的数据格式,使不同资源之间可顺利进行数据沟通。在此基础上,资源只要遵循统一的接口标准和数据协议就可以随时加入或退出系统。

2)服务层

服务是对底层资源的封装和聚合,多样化的资源依据其类型和职能被封装为相应的服务。如:可见光成像观测卫星被封装为可见光成像侦察服务;雷达成像观测卫星被封装为雷达成像侦察服务等。有别于普通的面向服务的体系架构,在层次化天基信息系统资源组织结构中,服务是剥离于具体的底层资源,其原因在于资源对任务胜任与否不是一成不变的,系统拓扑结构或资源自身状态的变化都可能引起资源能力变动。服务与资源之间应采取分段绑定的策略[7]。即在设计阶段,将服务仅与资源的类型绑定,不为其指定具体的提供者,这意味着所有符合类型要求的资源都是服务的潜在提供者,在服务调用阶段,再依据各潜在提供者的实际能力将服务绑定到具体资源。

3)功能层

功能就是系统所能发挥的作用。在层次化资源组织结构中,功能是对相同类别服务的聚合和抽象,体现了服务的核心操作,并进一步将资源信息剥离,如通过各种手段实现的侦察服务皆可聚合为侦察信息获取功能。功能在任务与服务之间起着桥梁的作用。一方面将具有共同核心操作的服务聚合在一起,实现了服务按需、分类组织,在服务检索时可以“按图索骥”,提高了服务调用的效率;另一方面在底层资源确定的情况下,系统所能支持的功能也是确定的,通过将差异化任务需求转化为对确定的功能需求,可以在一定程度上屏蔽任务需求差异性。

4)任务层

任务层是为各类用户所提出的差异化任务需求构成的集合。一个任务通常涉及多项系统功能,如大范围目标侦察需要侦察信息获取功能与空间信息传输功能的支持,而任务能够执行的必要条件是其所需功能必须在系统功能范畴内。

通过层次化结构,多样化、异构、分布的底层资源按照从资源到任务的顺序组织。这种结构的特点主要体现在:① 服务与具体的底层资源剥离,在任务执行中根据实际能力选择服务提供者,从而屏蔽多样化、异构、分布的底层资源,有利于优化任务执行;② 以功能作为服务与任务之间的桥梁,能够降低差异化任务需求处理的盲目性,提高服务检索的效率;③ 通过两级聚合,屏蔽了底层资源变动以及系统结构变化或演化对任务执行过程的影响。

3 天基信息系统资源动态调用模式

在系统运行中,所有任务的执行最终都必须转化为对具体资源实体的调用,为任务确定合适的执行资源是管控系统的基本工作。然而用户任务需求的差异性增加了资源调用的难度,同时系统结构以及资源能力的变化,将使资源对任务的胜任情况发生着改变。为了适应这种变化,基于层次化资源组织结构,提出一种“自顶向下”的天基信息系统资源动态调用模式,基本流程如图2所示。

1)功能提取

功能提取完成任务到功能的映射,解决任务“要做什么”的问题。一体化管控体系需要处理大量差异化的任务需求,但不论需求多繁杂,任务的实现需要系统发挥相应的功能,功能提取就是根据对任务需求的解析,从中提取出用户期望的功能。在构成未发生重大变化的情况下,天基信息系统所能支持的功能是有限的,故可将系统功能作为标准功能模板,将用户期望功能与标准功能进行匹配,从而将差异化的任务需求映射为若干标准功能的集合,过滤多余的信息,降低需求的繁杂程度。由于任务需求具有较强的主观性和模糊性,功能提取需要大量的领域知识、任务经验以及战场态势信息支持。

2)服务选择

服务选择完成从功能到服务的映射,解决任务“要怎么做”的问题。在获得任务功能需求后,选择合适的服务来实现这些功能。前文已述,功能体现了服务的核心操作。对于某项功能而言,其对应服务可能不止一个,表明实现该功能存在多种手段,服务选择就是在其中选择合适的手段作为该功能的实现方式。服务选择可采用人机结合的方式进行:由管控计算机经模型计算做出满足要求的服务选择,同时管控人员可对选择结果进行人工干预。

3)资源调用

资源调用完成从服务到资源的映射,从而最终确定任务的执行者,解决任务“由谁来做”的问题。通过绑定资源类型,每个服务都对应一个候选提供者集合,在服务调用时,首先对集合中的各资源进行检查,而后根据其当前状态和能力选择具体的服务提供者。当系统拓扑结构或资源能力变动,造成某资源不再具备提供服务的条件或无法保证服务质量时,可进行服务迁移转由其他能够胜任的资源继续充当服务提供者。资源调用必须实时检测资源状态,判断资源能力,并需要快速进行较多的模型计算,故应由管控计算机自动实现。

4 天基信息系统一体化管控体系实现方案

在前文研究的基础上,本文提出天基信息系统一体化管控体系的实现方案,如图3所示。核心部分包括三个子系统:需求管理系统、任务规划系统、服务管理系统,此外为每项服务设置一个资源调用模块,用于实现动态资源调用。

1)需求管理系统

需求管理系统负责用户需求收集与解析,通过用户接口,接收来自不同用户的差异化任务需求。由于天基信息系统资源执行各种操作均需要足够的、确定的输入信息,故必须对差异化任务需求进行解析处理,获取必要信息,过滤多余信息。其中,必要信息包括功能需求、任务目标和任务要求。功能需求就是用户期望系统在本次任务中发挥的功能,通过与系统功能模板匹配,映射为系统标准功能;任务目标是本次任务所针对的目标,通常为战场空间范围内的某个确定对象(如某地面区域)或潜在对象(如来袭导弹);任务要求是用户对本次任务的执行结果的期望,包括时效要求和质量要求两方面。其中,时效要求指用户对任务完成时间的期望;质量要求指用户对任务执行效果的期望。需求解析过程需要领域知识、任务经验以及战场态势信息的支持,可以通过构建知识库以专家系统的形式实现[8]。

2)任务规划系统

任务规划系统完成任务功能方案、服务计划和调用指令的生成。其中,功能方案为一个由功能需求转化而来的系统标准功能的集合,通过对其中每项功能进行服务选择确定各自的实现方式。服务选择必须根据任务目标和要求,基于战场信息和资源模型,选择满足目标客观状态和用户要求的实现方式。服务计划为由支持功能方案的服务构成的偏序集合,服务计划生成不仅要确定执行任务要调用哪些服务,还要获得服务组合规则和调用顺序,这需要相关任务规划模型和算法的支持。在服务计划的基础上,进而生成服务调用指令。

3)服务管理系统

服务管理系统负责服务注册与检索。底层资源提供的各类服务在注册中心进行统一的登记和发布,形成一个服务列表并以各服务的注册信息作为其检索依据。在服务列表中,各服务按照其功能分类组织,当服务管理系统收到调用指令时,先判断目标服务所对应的功能,而后在该功能组织中查找要目标服务的地址,避免了全局检索。

4)资源调用模块

资源调用模块实现服务到资源的动态绑定。各资源调用模块维护一个服务候选提供者集合,监控集合中各资源的能力在接到服务调用指令后,动态地选择服务提供者,并在资源能力变化时根据需要进行服务迁移。一种可供参考的动态调用实现思路是采用基于招投标机制[9],即:资源调用模块将服务需求发布给候选资源,根据各资源所承诺的服务质量选择最优资源作为服务提供者;当资源无法继续提供服务时,以协商的方式将服务提供资格让渡给其他资源。

5 结束语

本文针对天基信息系统多样性和动态性特征,建立了一种“自底向上”的层次化组织结构;并在此基础上,提出了一种“自顶向下”的动态资源调用模式,提出了天基信息系统一体化管控体系的实现方案,为未来天基信息系统一体化管控体系建设提供一定的参考。本文提出的天基信息系统一体化管控体系,能够从体系结构上解决系统多样性和动态性的问题,然而体系的实现仍需要开展大量基础工作,例如接口与中间件开发、领域知识获取、资源调度算法研究等。

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