空基信息系統協同計算架構研究

　　摘 要：文中分析了多平台協同場景下空基信息系統的計算特點和協同計算需求，并針對(duì)以預警機爲中心的空基多平台協同，設計了一種(zhǒng)協同計算架構，探讨了該架構下空基信息系統的協同計算模式，分析了架構實現過(guò)程中需要解決的關鍵技術問題。基于文中所設計架構，可實現空基信息系統任務軟件的高可用和平台間計算任務的按需部署、遷移和協同計算，爲構建高可靠、高效能(néng)的空基信息系統提供基礎計算環境支撐。　　

　　關鍵詞: 空基信息系統；機載任務電子系統；協同計算；空基信息系統軟件架構

　　

引 言

　　空基信息系統是以空基平台和網絡爲基礎，通過(guò)傳感器、決策者和射手之間的信息共享和行動協同，實現打擊鏈路閉環的網絡化作戰信息系統[1-2]。空基信息系統由空基預警探測系統和空基指揮控制系統組成(chéng)[3-4]，典型的空基信息系統以預警機爲中心，協同幹擾機、戰鬥機、無人機等多型空基裝備，實現預警探測、情報偵察、指揮控制以及協同打擊等各種(zhǒng)功能(néng)。

　　近年來，随著(zhe)各型空基裝備的長(cháng)足發(fā)展，尤其是各類無人裝備的不斷湧現，空基信息系統的參與要素日益豐富，其數據處理需求産生了很大變化。與此同時(shí)，深度學(xué)習等智能(néng)化技術在各類信息系統中的應用日漸豐富，這(zhè)爲空基信息系統大規模數據的智能(néng)化處理提供了有力支撐。爲此，有必要分析空基信息系統新的計算需求及特點，設計相适應的基礎架構，提升空基信息系統的綜合效能(néng)。

　　1.空基信息系統計算特點及發(fā)展趨勢

　　空基信息系統的計算資源具有相對(duì)有限且分布不均的特點。具體來說(shuō)，與地面(miàn)各類信息系統不同，空基信息系統受其所依托空基平台在載重、供電等方面(miàn)限制，計算硬件總量受限，往往無法通過(guò)增加物理設備等方式對(duì)計算資源進(jìn)行按需擴展。另一方面(miàn)，各類空基平台的計算資源分布也不夠均衡。以預警機爲代表的大型裝備在飛行平台的容納能(néng)力上具有優勢，其計算資源相對(duì)充裕；而以無人機爲代表的平台容納能(néng)力相對(duì)小得多，其計算資源也更加短缺。

　　空基信息系統對(duì)計算可靠性和計算效率有著(zhe)極高的要求。從預警探測、情報偵察開(kāi)始，空基信息系統需要快速處理各類數據，以有效支撐指揮控制指令的産生，最終完成(chéng)各類任務。流程中任何一個環節的計算失效都(dōu)可能(néng)導緻任務的失敗。

　　随著(zhe)無人化、智能(néng)化等新興技術的不斷發(fā)展成(chéng)熟，其在空基信息系統的應用也愈發(fā)廣泛和深入。以智能(néng)化爲例，從特定傳感器的目标識别等數據處理領域，到信息融合、輔助決策等指揮控制領域，智能(néng)化技術正大幅提升著(zhe)空基信息系統的數據處理能(néng)力。伴随這(zhè)些新技術而來的是空基信息系統在計算方面(miàn)的一些發(fā)展趨勢：

　　1.1 空基信息系統的計算對(duì)象呈現出規模化的特點

　　随著(zhe)裝備的不斷發(fā)展，預警探測的内涵不斷擴大。來自各類主動、被(bèi)動傳感器的數據均可作爲預警探測的數據來源。這(zhè)使得空基信息系統要處理的數據形式十分多樣(yàng)，也不可避免地導緻了數據體量的增長(cháng)。另一方面(miàn)，随著(zhe)近年來無人裝備的迅速發(fā)展普及，空基信息系統需要能(néng)夠處理來自各類無人裝備乃至無人裝備集群的數據。這(zhè)進(jìn)一步增大了空基信息系統的數據處理壓力，空基信息系統的數據處理體量越發(fā)規模化。

　　1.2 空基信息系統對(duì)數據通信效率的要求越來越高

　　空基信息系統參與要素的擴展使得要素之間的協同越發(fā)重要，數據通信正是平台間相互協同的基礎。因此，空基信息系統對(duì)數據通信的需求是不斷增長(cháng)的。空基環境中，各物理平台間通過(guò)各種(zhǒng)類型的數據鏈相互通信，數據鏈的通信帶寬本身是很有限的。此外，空中環境複雜多變，空基信息系統還(hái)需要考慮各類通信幹擾等因素，這(zhè)更加大了數據的傳輸限制。以上就(jiù)要求空基信息系統的數據通信能(néng)夠在有限的通信帶寬和質量下，盡可能(néng)提升通信效率，進(jìn)而提升協同效率。

　　1.3 無人裝備的廣泛應用更加凸顯空基信息系統可靠計算的重要性

　　在很大程度拓寬空基信息系統預警探測覆蓋範圍的同時(shí)，相對(duì)更加前出的無人裝備自身也面(miàn)臨相對(duì)更大的生存威脅。因此，有必要從基礎計算架構上确保系統的高可靠，在出現由物理損傷等造成(chéng)的平台失能(néng)情況下仍要實現任務的接替，确保任務的完成(chéng)。

2.空基信息系統協同計算需求

　　以空基協同态勢感知爲例，預警機與其他各類特種(zhǒng)機、無人機相互分工協作，預警機外各平台擔負特定方面(miàn)的探測和偵察任務，預警機平台則在自身探測偵察的同時(shí)，擔負整體态勢感知和指揮控制任務。處于中心位置的預警機平台與各平台建立通信連接，接收來自各平台的探測和偵察數據，并向(xiàng)各平台下發(fā)綜合态勢信息及指揮控制指令。當預警機之外的各平台間存在相互直接協同需求時(shí)，可根據需要建立直接通信。該場景下平台的典型組成(chéng)如圖1所示。

　　

圖 1 典型空基信息系統協同場景

　　多平台協同可克服單一平台在探測、計算等方面(miàn)的能(néng)力局限，有效提升戰場态勢感知的範圍和靈活度。不同平台通過(guò)在探測區域、探測方式等方面(miàn)分工協作，共同完成(chéng)探測偵察任務；特定平台所執行的任務可根據總體任務執行和态勢感知的需要而靈活變化，實現按需切換；當特定平台出現計算資源不足時(shí)，可通過(guò)“計算卸載”將(jiāng)計算任務傳遞至具備相應計算資源的其他平台，協同完成(chéng)計算；在特定平台失效的情況下，可將(jiāng)失效平台的計算任務快速遷移至其他具備相應能(néng)力（如特定傳感器）的平台，保障整個系統的可用性。

　　空基多平台協同對(duì)各平台任務計算的架構提出了新的要求，主要體現在以下三個方面(miàn)。

　　1）計算任務方面(miàn)

　　多平台協同要求計算任務具備跨平台部署和動态遷移的能(néng)力，這(zhè)就(jiù)要求包括嵌入式硬件在内的各類異構計算硬件向(xiàng)上層計算任務提供統一的運行環境，實現任務部署和遷移過(guò)程中運行環境的一緻。

　　2）任務數據方面(miàn)

　　多平台協同要求在節點間按需建立通信關系的基礎上，面(miàn)向(xiàng)核心數據提供多平台分布式能(néng)力，實現關鍵任務數據在多平台間的分布式同步。此外，爲有效降低協同過(guò)程中的數據通信需求，需要支持對(duì)計算任務運行過(guò)程中的動态數據和靜态數據進(jìn)行有效區分，通過(guò)任務規劃，將(jiāng)可能(néng)存在協同需求的靜态數據進(jìn)行預先部署，降低任務執行過(guò)程中的數據傳遞需求。

　　3）計算資源方面(miàn)

　　多平台協同要求中心平台具備對(duì)各平台計算資源的整體管理能(néng)力，要能(néng)夠根據任務需求和實時(shí)态勢，在各平台間進(jìn)行計算資源的動态管理以及計算任務和計算資源的動态匹配。計算任務和計算資源匹配過(guò)程中，要能(néng)夠充分利用數據采集端的計算能(néng)力，盡可能(néng)在末端進(jìn)行全部或部分的數據處理或預處理，從而降低協同過(guò)程中的數據通信需求。

3.空基信息系統協同計算架構

　　結合上述對(duì)空基信息系統計算特點和協同需求的分析，設計如圖2所示的空基信息系統計算架構。

　　

圖 2 協同計算架構示意圖

　　架構中，自頂向(xiàng)下分别爲應用軟件（各類計算任務）、統一組件環境、硬件資源虛拟化和操作系統/各類硬件。其中，硬件資源虛拟化層是本架構的基礎，通過(guò)該層對(duì)各平台的不同類别硬件進(jìn)行統一的虛拟化，形成(chéng)抽象的虛拟化資源池；統一組件環境是本架構的核心，它基于虛拟化資源池，爲上層應用軟件提供統一的運行環境，并進(jìn)行各類管理、提供各類基礎服務。本架構的主要特點如下。

　　3.1 軟件狀态分離

　　應用軟件層面(miàn)，本架構對(duì)其進(jìn)行組件化封裝。邏輯角度，封裝後(hòu)的組件細分爲程序、數據和狀态。其中，程序對(duì)應軟件的可執行指令集合，其本身是靜态的；數據對(duì)應程序執行過(guò)程中從外部存儲器讀寫的靜态／動态内容；狀态則對(duì)應程序執行過(guò)程中在内部存儲器讀寫的動态内容[5]。組件的運行過(guò)程可視爲靜态程序被(bèi)計算硬件加載之後(hòu)執行指令、讀取處理數據、改變自身狀态并輸出數據的過(guò)程。將(jiāng)組件靜态程序和動态狀态進(jìn)行分離，并將(jiāng)數據和狀态進(jìn)行分别處理，從架構上提供數據和狀态的統一管理，可實現單平台内計算任務的高可靠保障，并爲實現依托于組件的計算任務在平台間的遷移和協同奠定基礎。

　　3.2 計算環境統一

　　應用軟件之下，設計“統一組件環境”層。該層連接應用軟件和操作系統，面(miàn)向(xiàng)各平台各類軟件的運行提供一緻的基礎運行環境。該層功能(néng)可細分爲資源管理、數據管理、狀态管理、服務管理、組件管理、任務管理、數據協同管理、狀态協同管理和任務協同管理。

資源管理綜合上層應用的資源需求和硬件資源池内的各類資源占用，依據任務模型中預先設定的分配策略，進(jìn)行資源的分配和動态調整；并對(duì)資源和資源的占用進(jìn)行實時(shí)監控管理，爲跨平台的資源協同提供依據。　　

　　數據管理和狀态管理分别爲上層應用提供相互隔離的數據和狀态訪問服務。應用軟件通過(guò)數據管理和狀态管理兩(liǎng)類服務，將(jiāng)程序運行過(guò)程中的數據和狀态集中托管至統一組件環境。統一組件環境在數據和狀态集中管理過(guò)程中，則可采用分級、分布式等策略[6]，實現集中托管數據的高效率和高可靠。

　　組件管理爲上層組件的運行提供基礎管理功能(néng)，包含組件生命周期管理、運行狀态監控、健康狀态識别等。同時(shí)，在組件管理的基礎上，針對(duì)面(miàn)向(xiàng)服務的架構（SOA）等架構的服務化設計需求提供服務管理功能(néng)，該功能(néng)爲服務接口的描述和表達提供統一标準，支持基于統一資源定位符的全系統服務定位，并爲服務接口的調用提供數據消息的路由轉發(fā)。

　　任務管理爲系統内各平台提供統一的任務模型定義，并基于定義的模型，産生并應用相應的組件、服務、資源、數據、狀态管理策略。

　　數據協同管理和狀态協同管理面(miàn)向(xiàng)跨平台協同需求，基于分布式一緻性等方法，通過(guò)網絡通信實現數據和狀态在平台之間的分布式管理。任務協同管理則爲數據和狀态的協同過(guò)程提供基于任務模型的統一管理。3.3硬件資源虛拟化

　　統一組件環境之下，通過(guò)“硬件資源虛拟化”層适配對(duì)接各平台的各類計算硬件——包含CPU、内存等計算硬件、存儲硬件和網絡硬件，向(xiàng)上層提供統一的計算、操作接口，實現硬件資源的虛拟化。标準計算硬件可直接通過(guò)操作系統内核的相應特性實現虛拟化；對(duì)于非标準硬件，如各類FPGA設備[7]，可通過(guò)單獨設計的虛拟化适配器，將(jiāng)資源納入硬件資源虛拟化層。

4.空基信息系統協同計算模式

　　4.1 計算協同方式

　　本文所述計算架構下，應用軟件基于統一設計框架進(jìn)行設計和實現，并運行于統一組件環境中。該設計使得軟件具備在不同平台間、平台内部不同硬件設備間的通用能(néng)力，這(zhè)與FACE[8]等架構在應用層所瞄準的目标是相似的。該能(néng)力确保不同來源的軟件可免适配地部署在環境内任一平台、任一設備上，并實現動态遷移。

　　爲了滿足第2節所述空基信息系統協同計算需要，組件還(hái)需具備不同平台、不同設備間動态遷移的過(guò)程中業務功能(néng)延續的能(néng)力。本計算架構中，通過(guò)數據和狀态的跨平台協同滿足該需求。當數據和狀态分布存儲于單平台内時(shí)，程序可在不同硬件間自由遷移而不影響程序的運行結果；當數據和狀态分布存儲于多個平台時(shí)，通過(guò)數據和狀态在平台間的協同實現平台間數據與狀态的一緻，從而實現程序和業務功能(néng)的跨平台遷移。

　　一般的信息系統中，相較于計算資源，存儲資源往往相對(duì)充沛。在此背景下，在本架構的實際應用中，可在組件設計時(shí)對(duì)數據和狀态進(jìn)行精心設計和劃分。根據可能(néng)的任務協同需要，將(jiāng)組件程序和靜态數據預先部署至存在潛在協同需求的節點。空基信息系統運行過(guò)程中，隻針對(duì)狀态等動态數據進(jìn)行分布式協同，從而降低功能(néng)遷移過(guò)程中的通信帶寬需求。

　　4.2 協同計算應用形式

　　在多平台構成(chéng)的空基信息系統中，通過(guò)本架構可實現以下幾種(zhǒng)典型協同計算應用形式。

　　（1）計算任務平台内協同

　　随著(zhe)任務執行過(guò)程中戰場态勢的不斷變化，單一平台内部的任務計算需求同樣(yàng)是動态變化的，計算任務在平台内同樣(yàng)存在協同的必要。上述架構下，計算資源的虛拟化可爲計算任務在平台内的協同并發(fā)提供資源保障，而狀态數據的分離和統一管理則可爲計算任務在平台内的協同并發(fā)提供數據保障。

　　（2）計算任務跨平台協同

　　以第2節中空基信息系統多平台協同場景下的組成(chéng)爲例，預警機中心單元在任務執行前進(jìn)行任務和數據的規劃，并將(jiāng)内容同步至外部協同平台；任務執行中，中心單元根據任務模型進(jìn)行的任務調整，以指令形式通過(guò)無線通信分發(fā)至各協同平台；協同平台依據接收的任務，基于本地傳感器進(jìn)行數據采集，利用本地計算硬件進(jìn)行數據處理，并將(jiāng)數據處理結果發(fā)送出去；各平台的本地處理結果作爲狀态信息，根據任務協同模型，按需同步至其他平台；中心節點采集同步來的各類數據，并基于此進(jìn)行指揮控制、任務管理等相關計算。

　　（3）計算任務卸載傳遞

　　當出現特定平台（稱爲需求平台）計算資源無法滿足任務需要時(shí)，系統進(jìn)行平台間協同計算。此時(shí)，中心平台在需求平台物理位置附近匹配具備一緻的計算環境、通信帶寬和通信質量能(néng)夠保障協同需要且有富餘計算能(néng)力的平台（稱爲協同平台），形成(chéng)相應指揮控制指令并通過(guò)“任務、數據、狀态”協同管理模塊下發(fā)至各相關平台。與此同時(shí)，可根據需求建立點對(duì)點的高速通信，以更好(hǎo)地保障協同計算。在實際應用中，部分計算任務不可避免地需要特定與平台相關的硬件設備提供計算支持。這(zhè)類情況下，需求平台和協同平台必須具備一緻的計算環境，才能(néng)實現計算的協同。如上文所分析，針對(duì)此類情況，可通過(guò)事(shì)先的規劃，預判可能(néng)的協同需求，并將(jiāng)協同需要的靜态數據在任務執行前同步存儲至各平台，以降低任務執行時(shí)協同的響應時(shí)間。

　　（4）計算任務遷移接替

　　當出現特定平台失效時(shí)，系統進(jìn)行計算任務的跨平台遷移。此時(shí)，中心平台在失效平台物理位置附近規劃和匹配具備一緻硬件環境的平台（稱爲目标平台），并形成(chéng)相應指揮控制和任務管理指令，使目标平台承接失效平台的計算任務。通過(guò)任務前的規劃，可保障具備相互遷移能(néng)力的平台（如配置有相同類别傳感器的平台）在任務執行前具備組件程序等靜态數據的一緻性。另一方面(miàn)，由于跨平台協同的存在，各類關鍵動态數據被(bèi)分布存儲于系統中。基于此，可實現任務在平台間的平滑遷移，從而保障空基信息系統的高可靠。

5.空基信息系統協同計算架構的關鍵技術問題

　　上述空基信息系統協同計算架構的實現和有效運行，需要解決以下四個關鍵技術問題。

　　1）對(duì)系統任務和計算任務的有效建模。通過(guò)任務模型，對(duì)任務中各個關鍵環節、各類關鍵數據進(jìn)行細顆粒度的劃分和定義，并借助組件化、服務化等設計方法，將(jiāng)任務具象成(chéng)爲具備一定通用性的組件/服務及其相互關系的集合。

　　2）面(miàn)向(xiàng)細顆粒度組件/服務的精細規劃和優化。組件和服務的細顆粒度劃分給系統帶來靈活性的同時(shí)，也帶來了更大的管理編排壓力。隻有具備精細化管理能(néng)力才能(néng)使組件/服務有機協同，實現資源管理效能(néng)和空基信息系統運行效能(néng)的整體提升。

　　3）數據鏈等網絡通信的發(fā)展。空基信息系統跨平台的信息交互依賴于通信基礎設施，通信的帶寬、靈活性、穩定性、安全性等因素直接影響系統通信效能(néng)，也直接影響協同效能(néng)。平台間通信能(néng)力的提升必然可爲跨平台的協同計算帶來更多的空間和可能(néng)。

　　4）跨平台的動态數據分布策略和實現方法。在複雜空基環境中構建數據分布式冗餘存儲，可以爲計算任務的高效協同奠定基礎，也是另一個有待解決和驗證的關鍵技術問題。

結 語

　　本文分析了空基信息系統的計算特點和協同計算需求，并基于此設計了一種(zhǒng)協同計算架構，滿足空基信息系統的協同計算需求。在裝備無人化、計算智能(néng)化的當前，該架構可針對(duì)性地提供一種(zhǒng)空基信息系統協同計算實現思路，滿足日益增長(cháng)的協同計算需求，提升新環境下空基信息系統作戰效能(néng)，使空基信息系統的各參與平台和要素圍繞作戰任務，將(jiāng)各自資源充分整合并形成(chéng)有機整體。

　　【參考文獻】

　　[1] 陸軍,張昭,胡瑞賢.空基預警探測系統技術發(fā)展趨勢[J].現代雷達,2015,37(12):1-5.

　　[2] 範鵬,曹晨,葛懷甯.預警機指揮控制功能(néng)的作戰使用及其發(fā)展[J].現代電子技術,2014,37(16):83-86.

　　[3] 吳永勝,姜邵巍,劉曉敏.面(miàn)向(xiàng)空基信息系統的公共操作環境研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報,2018,13(3):247-253.

　　[4] 吳永勝,李博骁.空基信息系統分層模型及數據互操作研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2015,47(3):55-58.

　　[5] Philip A L. Dictionary Of Computer Science, Engineering And Technology[M].NW Boca Raton: CRC Press Inc， 2000.

　　[6] Bohannon P, Parker J, Rastogi R, et al.Distributed multi-level recovery in main-memory databases[C]//Fourth International Conference on Parallel and Distributed Information Systems.Miami Beach: IEEE Press, 1996: 44-55.

　　[7] Vaishnav A, Pham K D, Koch D.A survey on FPGA virtualization[C]//2018 28th International Conference on Field Programmable Logic and Applications (FPL). Dublin: IEEE Press, 2018:1311-1317.　　

　　[8]Brabson S , Anderson T . Evolution of the US Navy’s collision avoidance systems (CAS) to future airborne capability environment (FACE)[J]. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 2015, 30(6):16-23.