航天试验业务网的智慧物联感知 体系架构研究与应用

陈洪雁 万俊伟 李文溯 翟文丽

摘  要： 在分析航天业务网络的现状及需求的基础上，面对新兴的智联感知体系条件下，对现有航天业务网络的不足，尤其是现有体系架构的不适应之处进行了总结分析，提出基于航天试验任务网的智慧物联感知信息系统体系架构，从系统组成和结构特点等方面对新体系架构与现存体系架构进行分析比较，探讨了在新的体系架构下，构建未来航天业务网络所涉及的关键技术以及应用优势。

关键词： 航天试验业务网; 智慧感知; 物联网; 体系架构; 基础设施及服务; 信息系统

中图分类号： TN99?34; TP393.4                    文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2020）13?0021?04

Research and application of intelligent perceptive IOT architecture

for aerospace experiment service network

CHEN Hongyan， WAN Junwei， LI Wensu， ZHAI Wenli

（Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094， China）

Abstract： On the basis of analyzing the current situation and requirements of the aerospace service network， the shortcomings of the existing aerospace service network， especially the inadequacies of the existing architecture， are summarized and analyzed under the background of the emerging intelligent perceptive system. The intelligent perceptive IOT information system architecture based on the aerospace experiment service network is proposed to analyze and compare the proposed system architecture and the existing one in the aspects of system composition and structural characteristics. The key technologies in the construction of future aerospace service network and its application advantages under the proposed architecture are discussed.

Keywords： aerospace experiment service network; intelligent perception; IOT; system architecture; infrastructure and service; information system

0  引  言

近年來，随着物联网、云计算、下一代互联网和新一代移动网络应用技术的出现和发展，使得“实时感知、海量计算、及时反馈”的“智慧系统”的概念有了可能性和技术基础。智慧系统建设是通过物联网把无处不在的被植入系统的智能传感器连接起来，实现对整个系统的全面感知，利用云计算等智能处理技术对海量感知信息进行处理和分析，实现网上系统数字空间与物联网的融合并发出指令，对包括科研办公、装备资产、环境安全等在内的各种需求做出智能化响应和智能化决策支持[1]。

航天试验业务网是为了满足特定试验任务要求设计建设的专用网络系统，是我国航天力量的重要支撑，是连接各类航天任务中所有参试要素，实现信息交互融合以及资源网络化、服务化、体系化协同运用的基础平台。它对实时性、可靠性和安全性有特定的高要求，智慧物联感知系统的“实时感知、海量计算、及时反馈”等技术特征和应用优势为航天试验领域信息系统在体系架构扩展、系统资源共享、任务能力生成、运行模式优化等方面提供了契机[2]。

本文通过对航天试验业务网的智慧物联网感知数据资源体系的建设，实现航天试验业务网内的物联网感知信息采集、汇聚、管理、共享，完善航天试验业务网的实时感知体系建设，为大数据管理平台提供动态感知数据支撑，并实现基于综合业务的数据整合，为精细化航天试验业务网管理的综合研判和快速决策提供支持，优化并提升协同保障机制和效率，强化多体系协同管理与综合治理机制。

1  现状分析

1.1  体系架构现状

航天试验业务网以原航天试验通信网为核心，在整合各航天力量的业务专网的基础上构建，其体系架构主要由业务层、承载层、传送层以及通信网络管理系统、通信安全保密系统组成，如图1所示。

其中，传送层的主要任务是为承载层提供传送通道，业务层设备不直接与传送层设备连接，传送层内部系统的相互连接不涉及业务层面。业务承载层统一采用IP技术体制，通过统一的组网模式和接口综合承载各类业务。业务层提供业务应用，利用承载层实现信息获取、处理和应用功能。通信安全保密主要采用网络加密和安全防护等手段，实现网络中各类节点和传输网的安全防护。通信网络管理按照“设备?专业?系统”的模式实现分级组织、层次管理，完成通信系统的运行状态监视、设备远程监控以及资源调度等功能。

1.2  不足与差距

根据现有航天试验业务网的使用情况，存在一系列迫切需要解决的问题，分析如下：目前，测控、遥感、通信、导航、气象等各航天力量业务专网正在进行物联网应用相关建设，但重建设、轻标准，重系统、轻互通问题突出，形成新一轮“信息孤岛”，此问题在各型业务专网的数据处理中心尤为突出，缺乏全局的统一管理和资源动态调配机制，导致系统资源使用效率不高，资源动态调控能力低，难以实现资源共享与高效运維，无法满足各航天力量多元信息传输需求，限制了数据和信息共享、服务和应用融合。

航天试验业务网内部目前的网络监测手段有限，实时监测能力不足，且尚未实现对网络应用的感知与互动，面向服务的感知能力和手段不足，将直接影响体系协同能力。新的历史时期，航天力量所面对的外部形势更加复杂多变，各型任务组织模式机动、灵活，空间和地面组网形态多样，航天任务中精确预报、快速响应等需求日益增强，面对上述新的要求，对信息网络自愈能力和信息传输的可靠性要求日益提高。

因此，迫切需要按照统一规划，构建网系划分合理、功能定位明确、技术手段先进的体系架构的智慧物联网感知数据资源信息系统，实现航天试验业务网数据和信息的共享、服务、应用的融合。

2  体系架构设计

2.1  建设需求

从航天试验智慧物联感知信息系统统一建设、管理、整合和共享的层面，在整体思路框架下进行物联网管理平台及配套设施体系的建设。根据经济和信息系统的发展，分阶段实施，确保各阶段成果成为平台的一个有机整体，促进平台的可持续发展。

1） 物联网管理平台系统具有如下功能：设备管理、连接管理、数据管理、应用支撑、网络管理、安全管理、系统管理、统一展示门户、业务门户、平台管理与运维门户等。

2） 由物联网管理平台进行系统间对接，包括：大数据平台、信息资源共享交换平台、业务网运行指挥中心、视频监控平台和楼宇控制管理系统等。

3） 由物联网管理平台进行物联感知终端集成，提供相关感知数据，实现业务支撑以及统一智慧终端管理，包括：智慧测控、智慧遥感、智慧通信、智慧导航、智慧气象、智慧测绘等智慧应用[3]，为信息资源系统管理平台提供感知数据与业务支撑。

4） 基于业务私有云基础设施环境进行物联网管理平台部署。

2.2  总体架构设计

基于航天业务网的智慧物联感知管理网络体系架构，以智联网要求实现航天业务网统一传感设备资产管理，强化精细化管理能力，同时，以形成一套创新的物联感知管理模式的标准和规范体系的整体项目建设目的为要求，分为应用、平台、数据、云基础设施及感知网络等几个层次，以及安全保密管理体系和运维标准管理体系进行总体架构设计，如图2所示。

2.2.1  应用层

面向航天试验业务网的智慧物联感知体系运行管理中心以及相关测控、遥感、通信、导航、气象等智联感知应用，通过物联网管理平台获取本业务物联网监测与感知数据，同时根据业务协同的需要获取其他业务监测与感知共享数据，并统一通过物联网管理平台进行相关传感设备的统一管理与运行状态的监控。各领域相关应用及航天试验业务网综合应用等业务，根据各自业务管理与区域业务管理的需求与特点，调用相关物联网管理平台提供各类服务与开放接口，提升智慧化业务能力。

2.2.2  平台层

实现多样化感知设备管理能力统一传感设备资产与管理、物联网感知信息汇聚与共享，实现统一感知资产管理与精细化管理，同时，形成物联感知管理模式的标准和规范体系，建设统一物联网管理平台。

物联网管理平台包含感知系统、管理系统以及统一的系统管理及安全管理，其中感知系统包括：感知业务运营子门户、物联平台运营子门户、物联平台维护子门户，以及感知数据管理、感知管理、应用支撑、综合服务等模块。管理系统负责接入感知层的终端设备，并进行统一管理，包括应用使能、设备管理、链接管理等模块，在确保物联网安全可靠的前提下，原则上应实现区域物联网资源统一接入、统一管理，物联感知数据统一汇聚与服务，并提供相关面向多个业务子系统的物联网服务。

2.2.3  数据层

面向智慧感知物联数据业务，依托物联网管理平台，形成相关基础信息库及物联感知业务库。基于空间信息、感知设备信息、对象管理维度形成基础信息库。同时，结合实际的业务需求及相关物联网资产管理、信息目录、编码赋码、信息融合等业务需求，建立相应的物联感知业务库。同时，在业务网已有的相关标准规范框架要求下，结合本项目需求形成新的物联网基于数据相关标准与规范补充。

2.2.4  云基础设施及网络层

针对物联网管理平台基础设施部署环境，基于航天试验业务网私有云管理的要求，物联网管理平台在业务网私有云基础设施环境上进行部署。私有云提供本计算资源服务、存储资源服务、网络资源服务、安全资源服务，同时，平台可在私有云环境中部署运行程序、中间件、数据库软件、操作系统等。

感知回传网络一般包括运营商蜂窝网络、无线网、有限感知回传网络。同时，针对安防视频监控平台、管理系统、智慧应用等相关物联传感数据，与物联网管理平台进行数据交互时，需要采取必要网络安全保障与防护。对于依托智慧应用进行有线感知采集获取相关气象、遥感、测控等传感器数据，形成基于智慧应用为依托，打造业务网的神经网络，实现区域业务网的精细化管理，并以此促进基于智慧应用统一感知设施挂载服务模式与管理模式。

2.2.5  感知层

业务网物联感知设备采集物联感知信息，并通过感知网络接入物联网管理平台，相关测控、遥感、通信、导航、气象等物联感知应用通过物联网管理平台获取本业务物联网监测与感知数据，同时，根据业务协同的需要获取其他业务监测与感知共享数据，并统一通过物联网管理平台进行相关传感设备的统一管理与运行状态的监控。各领域相关应用及区域管理应用可以依托感知网络系统进行相关数据回传与采集，并调用相关物联网管理平台提供各类服务与开放接口，提升智慧化业务能力。

2.2.6  安全保密管理体系

安全保密系统主要包括安全运维、安全态势、监测预警、安全防护等功能。从终端接入、网络传输、网络互联和网间隔离交换等多个方面为地面传输网络基础设施提供多层次的安全防护。

2.2.7  运维管理标准体系

运维管理系统是确保航天业务网络高效可靠运行的重要支撑系统，提供应用主动感知、多维多域态势融合呈现等功能，提供资源按需调控策略决策等智能化管理手段，实现统一运维管理。

3  关键技术

1） 采用设备代理及云网关支持各种类型设备的接入

业务网的智慧感知系统面临多种多样的物联感知设备，这些设备有各种类型的硬件，包括8051，ARM，Intel等，运行着各种类型的操作系统，包括Linux，RTOS，WinCE，Android。接入方式也不同，包括RS 232/RS 485/Ethernet等有线方式，也包括2G/3G/4G/NB?IoT/eLTE等无线方式。接入协议也多种多样，包括MQTT/COAP/HTTP/JT808以及一些私有协议。物联网管理平台通过设备代理及云网关做到接入设备类型、厂家无关，支持各样的物联感知设备的接入。

2） 采用纵深防御机制保障物联网安全

物联网管理平台采用纵深防御机制，在物联感知设备中，通过安全接入为设备提供一定的安全防护能力。在设备被侵入后，在平台中对被入侵的设备进行检测与隔离，保障物聯网安全。

3） 采用云化架构支持业务的弹性伸缩

物联网管理平台基于云化的架构设计，能够部署在云平台上，支持平滑扩容。通过对平台进行分片，可以灵活对接不同的业务需求[4]。

4） 采用多级负载均衡机制实现海量终端接入

物联网管理平台基于SOA（Service Oriented Architecture，面向服务的体系结构）的架构设计，采用无状态分布式系统，数据与业务分离的架构。通过多级负载均衡机制实现海量终端接入，最大支持1 000万并发联接。

5） 采用开放性标准与周边系统集成

物联网管理平台提供强大的开放能力和集成能力，简化应用开发和集成难度。平台提供标准REST接口。

6） 采用边缘计算架构融合网络、计算、存储、应用等核心能力

边缘计算网关具备丰富的工业级接口，支持各种有线、无线接入方式，满足各种终端接入，具有宽温、防尘防水、抗电磁干扰、抗振动等特点，边缘计算网关具备边缘计算能力，可提供开放的容器、虚拟机和计算资源，可安装Agent APP在本地快速处理数据，支持数据本地预分析，满足业务实时、业务智能、数据聚合和安全等关键需求。

7） 采用大数据、人脸识别等多项技术与物联网技术融合

采用大数据平台架构，具有海量数据处理能力，可实现数据存储、处理、分析一体化结构等优势。结合人、车、物进行综合关联分析，利用视频识别、物联网采集与感知、业务网感知WiFi探测等技术，结合物联感知智能分析算法，实现智慧化物物联动、人物互动、对人服务，有力支撑智慧测控、智慧遥感、智慧通信、智慧导航、智慧气象、智慧测绘等多个业务应用场景[5]。

4  结  论

基于航天业务网络的智慧感知物联信息系统是一个与航天力量未来任务组织指挥模式、信息应用和服务需求、信息网络技术发展态势密切相关的复杂系统，本文对现有系统架构在面向未来航天任务需求的不足基础上，针对航天试验信息系统业务对物联信息共享和感知服务的需求，对平台的建设与可持续发展进行统筹规划，实现了在一体化、自动化、智能化、服务化方面更具有优越性的新的体系架构。

通过物联网感知能力有力支撑航天试验业务网整体信息化工作统筹，逐步消除信息孤岛，以“对物的全面感知和智能管控，对人的精准服务和综合办公”为目标，基于感知数据流为依托，全面打通数据线和服务线，实现全域一网、全域感知、全链条打通的航天试验业务网运行管理系统。可以预见，未来航天业务网络必将在可知、可管、可控、可信等方面得到较大提升，最终为航天力量一体化、协同化发展提供良好的网络基础。

参考文献

[1] 陈洪雁，万俊伟.国产基础软件在高密级信息综合应用系统中的应用模式研究[J].现代电子技术，2018，41（21）：84?87.

[2] 万俊伟，陈洪雁，赵静.云计算技术在实时航天试验任务领域的应用验证[J].信息网络安全，2017（5）：63?68.

[3] 赵辉，万俊伟，鲍忠贵，等.自主可控技术在试验任务领域的应用研究[J].飞行器测控学报，2015，34（2）：109?114.

[4] 陈洪雁，万俊伟，齐宏为.基于物联网的云智慧办公综合管理系统解决方案研究[J].现代电子技术，2018，41（10）：85?89.

[5] 陈洪雁，万俊伟.基于Web的企业网站性能优化方案研究与应用[J].物联网技术，2018，8（2）：67?69.

[6] 万俊伟，赵辉，鲍忠贵，等.自主可控信息技术发展现状与应用分析[J].飞行器测控学报，2015，34（4）：318?324.

[7] 陈洪雁，万俊伟，汪琦.大数据高性能排序算法的设计与实现[J].飞行器测控学报，2015，34（2）：120?127.

[8] CHEN Hongyan， WAN Junwei， ZHAO Jing. Optimization research and application of enterprise website based on web service [C]// International Conference on Materials Science. [S.l.： s.n.]， 2017： 7.

[9] 翟冠杰.面向智慧社区的物联网体系架构分析[J].电子世界，2018（22）：68.

[10] 孙洪民，彭辉，张忠坚.基于物联网体系架构下区块链与人工智能的研究[J].电脑知识与技术（学术交流），2018，14（22）：164?165.