基于微服务的天基信息支援战术终端应用服务架构

2021-09-30田原仇林遥吴彦峰潘一凡陆洲

计算机与网络 2021年16期

田原仇林遥吴彦峰潘一凡陆洲

摘要：针对天基信息支援作战应用由战役级向战术级的发展方向，对美国现有天基信息支援战术应用能力现状进行简要介绍与分析，面向天基信息支援战术终端应用服务的功能弹性化和定制化的发展趋势，提出了一种基于微服务的终端弹性可重构应用服务架构与轻量化增量资源封装与加载应用流程，实现面向不同任务、不同平台的终端应用功能重构及个性化精准定制。

关键词：天基信息支援；战术应用；美军发展趋势；弹性定制；微服务

中图分类号：TP79文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）16-64-5

0引言

在未来局部战争中，依托信息化装备的小规模战术行动作用越来越凸显，战术行动的数据保障与服务保障至关重要[1-2]。这类战术行动作战单元相对前置，对战场环境透明化感知、目标精准识别、目标持续跟踪、目标行为趋势、目标指示等需求高，天基信息具有大范围、高精度等特点，是保障战术行动的重要内容[3]。同时，由于携带装备能力限制，战场环境复杂多变、通信条件不稳定，为保证不依托网络支援独立使用的最低要求，需要简单实用、直接有效的天基信息应用终端。在各类战术信息应用终端，根据作战任务、保障条件和战术需要，灵活装载基础数据和应用软件，实现天基资源应用能力的跃升。当通信条件不允许时，可以依托终端进行端内处理，实现对战场目标的初步识别和分析。在通信条件较差的条件下，还可以通过接收轻量化的战场动态增量数据，使战术作战单元及时准确掌握战场态势。

传统的单体服务架构难以满足战术信息应用中随不同任务、需求变化的功能灵活可变的需求，提出了一种基于微服务的终端弹性可重构应用服务架构与轻量化增量资源封装与加载应用流程，实现战术终端应用功能的灵活定制与可扩展性。

1美军天基信息支援战术应用能力现状

美军已建成体系完备、领域全面、要素齐全的天基信息支援保障体系，具备情报自动获取、多源信息融合处理、近实时共享分发服务能力，应用服务已下沉至战术级[4-5]。

1.1旅級部队天基情报服务共享保障能力

美陆军已构建起综合情报支援保障体系，主要通过分布式通用地面系统（DCGS）的全球化情报信息网络，提供旅级部队多源情报融合处理与近实时共享分发能力，下沉靠前配置保障一线部队。通过旅及旅以下作战指挥系统，将士兵、武器/平台、指挥所和其他作战设施的地理位置展示在一张态势图中，并在作战中应用，使态势感知时间从60 s缩短到7.5 s，信息接通率从29%提高到81%，使部队可以“看到敌人、看清地形、看到自己”[6]。自阿富汗战争开始，构建起近实时共享分发服务体系，配备机动式多源测绘信息接收处理系统、陆军“士兵战术信息网络”系统、旅及旅以下作战指挥系统等典型应用装备及系统，将天基信息与指控系统、武器平台和战术末端紧密铰链，实现情报和态势无缝隙全源共享和战场协同，例如，在伊拉克战争中，共装备8 000套旅及旅以下作战指挥系统，通过该系统向旅及旅以下战术指挥层、单兵传输实时或近实时态势感知、指挥控制和友军位置信息[7]。

1.2美军天基信息支援战术终端应用系统

美军在使用移动终端方面走在世界前列。早在20世纪90年代，DARPA就开始了旨在开发装备于士兵的可穿戴计算机的“数字士兵计划”。早年的“陆地勇士”系统于2007年升级为“奈特勇士”系统，集成无线电台、全球定位系统以及储存战场简单态势、导航视图、目标对象图片等情报信息，通过穿戴式终端和智能手机网络、战术电台，为作战单兵共享战场态势情报[8]。SeeMe系统使作战单兵可以通过地面移动终端直接指挥天基载荷并接收图像，获取即时响应的天基战术情报支持，从上传目标成像任务请求到接收下传图像情报，实现时效性优于90 min的即指即拍[9]。蓝军跟踪系统应用于从旅级到士兵/平台级的所有战场功能领域，采用GPS定位，为遂行乘车/下车战术战斗、战斗支援、战斗勤务支援的指挥官、班组长和士兵提供综合的、运动中的、实时和近实时的作战指挥信息和态势感知能力[10]。“士兵之眼”系统可通过政府用移动通信链路，使前出作战士兵从通用作战图中获取实时信息，并可向C4ISR系统上报关键地理坐标等情报；采用开放式体系结构，可通过多方研发机构快速、有效地扩充研发作战任务需求功能，实现作战性能的快速与持续升级[11]。美军军事情报部队基于安卓智能手机终端，开发“风切变”专业军事软件，可通过安全移动云网络为特种前出作战人员提供生物识别信息、GPS和其他情报数据的发送和接收，并实现战场即时信息的实时更新。美国陆军开发军用版的手机应用软件商店“陆军软件”———Apps4Army，采用类似于安卓系统的开放式模式，士兵可通过智能手机终端，依据作战任务需求下载配置应用功能，从而具备多样化的终端战术应用能力。

2弹性化、定制化的天基信息支援战术终端应用服务发展趋势

综合分析美军天基信息终端战术应用能力及装备系统发展趋势可知，随着边缘计算、人工智能技术正在逐步得到突破，在其基础上，发展功能弹性化可重构、资源轻量化精准定制的战术信息支援应用服务迫在眉睫，进而打造适用于战术作战任务、战场情况灵活重构应用的天基信息应用终端，充分依托已有情报处理体系能力，实现战术前端应用能力的增量提升，大幅提高战术行动的战场态势感知能力。

不同的作战场景具有不同的终端软硬件能力和网络传输条件。传统的天基资源保障未能区分不同场景下天基资源的预装加载需求，通过收集分析作战终端、网络传输、应用场景的实际状态，建立柔性的分配机制，进行有针对性的轻量化数据和功能封装，在保障用户应用需求的前提下，减少实时增量数据的传输总量，同时能够依据服务的负载状况启停服务实例，提高资源的利用率，从而全面提升天基资源的服务效率和用户终端的天基资源应用体验。

综上所述，天基信息战术终端应用重点强调可扩展性、服务定制能力和高可靠性，具体包含：平台需要具有高度的可扩展性，能够在运行时動态添加新的处理算法、新的在线服务，接入新的数据；平台需要弹性伸缩的能力，能够在运行时对特定的服务动态增加资源来应对繁忙的分发任务，也能够在运行时对计算量小的服务回收资源，来提高资源利用率；平台需要能够提供足够的定制能力，依据终端平台差异和网络条件，能够应对多样的个性化、轻量化的封装加载需求。

3基于微服务的终端弹性可重构应用服务架构

3.1基于微服务架构的终端功能弹性定制

传统的单体架构难以满足多样化战术终端应用软件的灵活性、可定制化、随任务可变的需求，基于微服务架构[12]技术，将应用程序分解为一系列小而自主独立的个体，各服务按业务功能垂直划分、专注于单一功能并在各自的进程中独立运行，服务间通过轻量级通信协议进行通信，实现终端应用部署的高度可扩展、可伸缩、可定制和高可靠保障，如图1所示。

①功能可扩展：卫星应用中的功能模块通过合理分解，开发成一组独立运行、测试和维护的微服务。微服务可以动态部署发布到容器中，从而在不停机的情况下，动态扩展系统功能。

②性能可伸缩：提供支持动态负载均衡的服务网关，相同的服务部署在多个容器中时，会自动被发现并形成一个集群。当服务请求过多时，可以增加服务的容器实例数目，实现动态负载均衡；服务请求较少时，可以停止或移除服务实例。

③业务可定制：提供天基资源微服务的流程编排功能，可以通过对各种天基信息处理的微服务进行组合编排、定制参数，实现针对用户特定需求的个性化天基资源定制封装。

3.2天基资源微服务集成平台

天基资源微服务集成平台，包括建立天基数据、服务、应用资源封装汇聚的云中心，进而面向不同作战任务、作战平台进行终端功能的定制、分发和装载，平台总体架构如图2所示。

基础层主要包括计算、消息中间件和存储等，提供通用基础服务。数据层主要包括应用服务库和情报数据库，分别保存服务元数据、应用流程数据等应用功能资源及情报信息数据、任务数据等支援信息资源。应用层主要包括封装规范框架、服务运行、流程运行、任务定制封装与执行等，提供微服务封装与发布、服务调用、流程编排、部署执行等功能支持。展示层提供面向任务定制人员及服务开发人员的交互界面。

3.3轻量化增量资源封装与加载应用流程

基于天基资源微服务集成平台，面向终端的轻量化增量资源封装与加载应用流程如图3所示。

（1）任务解析与资源封装规范

在天基资源云中心，由作战任务目标与天基资源需求解析，得到针对特定任务的终端资源需求清单，包括完成任务所需要的数据、服务和终端App三种资源类型，作战规划人员可通过资源动态可视化定制模块调整资源，形成最终的终端功能定制计划。根据形成的终端定制计划，基于异构数据/算法资源封装规范，从天基数据库、天基服务库与终端App库中获取资源，生成封装资源包。

其中，对于天基应用服务，将天基应用的各种算法模型使用微服务技术，封装为可以动态部署装载和注册发现的天基信息微服务；对于天基数据，则是将数据体及其元数据封装为支持自动接入和整合的数据包；对于天基终端App，则是将终端App打包，添加自动安装脚本，成为可以自动安装的终端应用包。

（2）封装资源包可视化定制

在封装资源动态可视化定制阶段，使用虚拟资源盒来规划展示各个任务单元的服务器、终端的已有资源和需要装载的增量资源，规划人员可以动态调整资源，形成最终的封装计划。

虚拟资源盒模拟参与单位的服务器和终端的配置信息，包括CPU、内存、操作系统及存储空间等。这些信息可以用来定制装载的应用类型和数据类型。同时虚拟资源盒中描述了目前已有的服务器/终端中的已有服务、App和数据资源，用来支持增量的封装计划。

在封装定制平台中，将提供可视化的定制功能，将各个单位的服务器和终端以资源盒形式展示，根据任务资源计划，展示需要装载的数据、服务或App。利用虚拟资源盒，可以模拟最终的装载效果，分析可能存在的问题，并可以人工调整封装资源，来处理特殊的任务要求。

通过可视化的虚拟资源盒定制，可以生成针对不同任务单位的服务器和终端的封装计划。计划中定义了需要装载的服务、App和数据资源，作为封装包的生成基础。

（3）封装资源包生成与分发

如图4所示，封装资源包罐装需要经过封装应用和罐装数据2个步骤。封装应用阶段选择自主应用对应的容器镜像，创建一组容器。罐装数据阶段在容器中罐装数据、元数据以及发布数据服务。

在完成了封装包定制之后，各种异构的数据和元数据都存储在容器的数据卷中，也就是存放到对应的文件夹下面。将各个自主应用的镜像文件，连同数据卷对应的文件夹进行整体打包，生成一个可以进行部署允许的封装包。

封装包可以通过在线分发或者离线分发。在线分发是封装包将被推送到天基资源中心的各个单位的工作空间中。各个单位可以在工作空间直接进行动态装载，实现动态的封装包下载与集成。离线分发模式可以将封装包导出到存储设备上，然后在被封装服务器或终端上离线导入进行装载和集成。

通过云+端协同，可为用户提供请求模式、订阅模式、推送模式和浏览模式4种服务模式的多样化、智能化、精准化、主动化的资源分发服务。

（4）封装资源终端动态部署与更新

在前出机动指挥平台中，可以在线下载或者离线导入服务器封装资源包，并对封装资源包中的服务进行动态部署到机动平台的服务器上，并将封装资源包中的数据动态融合到服务器的天基数据库中。

在手持终端平台，提供App形式的封装资源包的統一管理与更新，可在线下载或者离线导入封装资源包，并对资源包中的服务进行动态部署、数据动态汇集入库。

4典型应用

参照美陆军单兵作战导航与态势共享应用功能，设计单兵终端前出作战天基信息支援服务流程示例，图5为该流程的编排设计内容。

任务服务流程包含目标识别、位置实时获取、目标情报获取、行军路径显示与更新、缓冲区分析与告警等一系列基础功能服务，各服务均与前序服务输出数据进行绑定，同时目标情报服务、行军路径服务分别与任务目标信息数据、任务规划路径数据进行封装绑定，在天基资源微服务集成平台进行服务封装、流程编排及手持终端发布部署，演示了终端的行军路径导航及目标实时事件响应的信息告警和路径更新应用功能，从而实现基于微服务的终端应用功能按需定制试验。

5结束语

提出一种基于微服务的天基信息应用终端弹性可重构应用服务架构，建立面向任务、平台的差异化适配、精准定制的应用功能轻量化封装与装载技术流程，基于云端协同服务理念，统筹战术终端平台的存储与运算能力，为天基信息支援应用向战术作战的能力前移、作战态势情报向作战单元的下沉保障、处理功能服务向终端平台的前出迁移提供支持，提升战术应用终端的天基信息应用效能与自主智能服务水平。

参考文献

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