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空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算架構研究
摘 要：文中分析了多平臺協(xié)同場景下空基信息系統(tǒng)的計算特點和協(xié)同計算需求，并針對以預警機為中心的空基多平臺協(xié)同，設計了一種協(xié)同計算架構，探討了該架構下空基信息系統(tǒng)的協(xié)同計算模式，分析了架構實現(xiàn)過程中需要解決的關鍵技術問題?；谖闹兴O計架構，可實現(xiàn)空基信息系統(tǒng)任務軟件的高可用和平臺間計算任務的按需部署、遷移和協(xié)同計算，為構建高可靠、高效能的空基信息系統(tǒng)提供基礎計算環(huán)境支撐?！ ?/p>
關鍵詞: 空基信息系統(tǒng)；機載任務電子系統(tǒng)；協(xié)同計算；空基信息系統(tǒng)軟件架構
引 言
空基信息系統(tǒng)是以空基平臺和網(wǎng)絡為基礎，通過傳感器、決策者和射手之間的信息共享和行動協(xié)同，實現(xiàn)打擊鏈路閉環(huán)的網(wǎng)絡化作戰(zhàn)信息系統(tǒng)[1-2]?？栈畔⑾到y(tǒng)由空基預警探測系統(tǒng)和空基指揮控制系統(tǒng)組成[3-4]，典型的空基信息系統(tǒng)以預警機為中心，協(xié)同干擾機、戰(zhàn)斗機、無人機等多型空基裝備，實現(xiàn)預警探測、情報偵察、指揮控制以及協(xié)同打擊等各種功能。
近年來，隨著各型空基裝備的長足發(fā)展，尤其是各類無人裝備的不斷涌現(xiàn)，空基信息系統(tǒng)的參與要素日益豐富，其數(shù)據(jù)處理需求產(chǎn)生了很大變化。與此同時，深度學習等智能化技術在各類信息系統(tǒng)中的應用日漸豐富，這為空基信息系統(tǒng)大規(guī)模數(shù)據(jù)的智能化處理提供了有力支撐。為此，有必要分析空基信息系統(tǒng)新的計算需求及特點，設計相適應的基礎架構，提升空基信息系統(tǒng)的綜合效能。
1.空基信息系統(tǒng)計算特點及發(fā)展趨勢
空基信息系統(tǒng)的計算資源具有相對有限且分布不均的特點。具體來說，與地面各類信息系統(tǒng)不同，空基信息系統(tǒng)受其所依托空基平臺在載重、供電等方面限制，計算硬件總量受限，往往無法通過增加物理設備等方式對計算資源進行按需擴展。另一方面，各類空基平臺的計算資源分布也不夠均衡。以預警機為代表的大型裝備在飛行平臺的容納能力上具有優(yōu)勢，其計算資源相對充裕；而以無人機為代表的平臺容納能力相對小得多，其計算資源也更加短缺。
空基信息系統(tǒng)對計算可靠性和計算效率有著極高的要求。從預警探測、情報偵察開始，空基信息系統(tǒng)需要快速處理各類數(shù)據(jù)，以有效支撐指揮控制指令的產(chǎn)生，最終完成各類任務。流程中任何一個環(huán)節(jié)的計算失效都可能導致任務的失敗。
隨著無人化、智能化等新興技術的不斷發(fā)展成熟，其在空基信息系統(tǒng)的應用也愈發(fā)廣泛和深入。以智能化為例，從特定傳感器的目標識別等數(shù)據(jù)處理領域，到信息融合、輔助決策等指揮控制領域，智能化技術正大幅提升著空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。伴隨這些新技術而來的是空基信息系統(tǒng)在計算方面的一些發(fā)展趨勢：
1.1 空基信息系統(tǒng)的計算對象呈現(xiàn)出規(guī)?；奶攸c
隨著裝備的不斷發(fā)展，預警探測的內(nèi)涵不斷擴大。來自各類主動、被動傳感器的數(shù)據(jù)均可作為預警探測的數(shù)據(jù)來源。這使得空基信息系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)形式十分多樣，也不可避免地導致了數(shù)據(jù)體量的增長。另一方面，隨著近年來無人裝備的迅速發(fā)展普及，空基信息系統(tǒng)需要能夠處理來自各類無人裝備乃至無人裝備集群的數(shù)據(jù)。這進一步增大了空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力，空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理體量越發(fā)規(guī)?；?。
1.2 空基信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信效率的要求越來越高
空基信息系統(tǒng)參與要素的擴展使得要素之間的協(xié)同越發(fā)重要，數(shù)據(jù)通信正是平臺間相互協(xié)同的基礎。因此，空基信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)通信的需求是不斷增長的。空基環(huán)境中，各物理平臺間通過各種類型的數(shù)據(jù)鏈相互通信，數(shù)據(jù)鏈的通信帶寬本身是很有限的。此外，空中環(huán)境復雜多變，空基信息系統(tǒng)還需要考慮各類通信干擾等因素，這更加大了數(shù)據(jù)的傳輸限制。以上就要求空基信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能夠在有限的通信帶寬和質量下，盡可能提升通信效率，進而提升協(xié)同效率。
1.3 無人裝備的廣泛應用更加凸顯空基信息系統(tǒng)可靠計算的重要性
在很大程度拓寬空基信息系統(tǒng)預警探測覆蓋范圍的同時，相對更加前出的無人裝備自身也面臨相對更大的生存威脅。因此，有必要從基礎計算架構上確保系統(tǒng)的高可靠，在出現(xiàn)由物理損傷等造成的平臺失能情況下仍要實現(xiàn)任務的接替，確保任務的完成。
2.空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算需求
以空基協(xié)同態(tài)勢感知為例，預警機與其他各類特種機、無人機相互分工協(xié)作，預警機外各平臺擔負特定方面的探測和偵察任務，預警機平臺則在自身探測偵察的同時，擔負整體態(tài)勢感知和指揮控制任務。處于中心位置的預警機平臺與各平臺建立通信連接，接收來自各平臺的探測和偵察數(shù)據(jù)，并向各平臺下發(fā)綜合態(tài)勢信息及指揮控制指令。當預警機之外的各平臺間存在相互直接協(xié)同需求時，可根據(jù)需要建立直接通信。該場景下平臺的典型組成如圖1所示。
圖 1 典型空基信息系統(tǒng)協(xié)同場景
多平臺協(xié)同可克服單一平臺在探測、計算等方面的能力局限，有效提升戰(zhàn)場態(tài)勢感知的范圍和靈活度。不同平臺通過在探測區(qū)域、探測方式等方面分工協(xié)作，共同完成探測偵察任務；特定平臺所執(zhí)行的任務可根據(jù)總體任務執(zhí)行和態(tài)勢感知的需要而靈活變化，實現(xiàn)按需切換；當特定平臺出現(xiàn)計算資源不足時，可通過“計算卸載”將計算任務傳遞至具備相應計算資源的其他平臺，協(xié)同完成計算；在特定平臺失效的情況下，可將失效平臺的計算任務快速遷移至其他具備相應能力（如特定傳感器）的平臺，保障整個系統(tǒng)的可用性。
空基多平臺協(xié)同對各平臺任務計算的架構提出了新的要求，主要體現(xiàn)在以下三個方面。
1）計算任務方面
多平臺協(xié)同要求計算任務具備跨平臺部署和動態(tài)遷移的能力，這就要求包括嵌入式硬件在內(nèi)的各類異構計算硬件向上層計算任務提供統(tǒng)一的運行環(huán)境，實現(xiàn)任務部署和遷移過程中運行環(huán)境的一致。
2）任務數(shù)據(jù)方面
多平臺協(xié)同要求在節(jié)點間按需建立通信關系的基礎上，面向核心數(shù)據(jù)提供多平臺分布式能力，實現(xiàn)關鍵任務數(shù)據(jù)在多平臺間的分布式同步。此外，為有效降低協(xié)同過程中的數(shù)據(jù)通信需求，需要支持對計算任務運行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)進行有效區(qū)分，通過任務規(guī)劃，將可能存在協(xié)同需求的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行預先部署，降低任務執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)傳遞需求。
3）計算資源方面
多平臺協(xié)同要求中心平臺具備對各平臺計算資源的整體管理能力，要能夠根據(jù)任務需求和實時態(tài)勢，在各平臺間進行計算資源的動態(tài)管理以及計算任務和計算資源的動態(tài)匹配。計算任務和計算資源匹配過程中，要能夠充分利用數(shù)據(jù)采集端的計算能力，盡可能在末端進行全部或部分的數(shù)據(jù)處理或預處理，從而降低協(xié)同過程中的數(shù)據(jù)通信需求。
3.空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算架構
結合上述對空基信息系統(tǒng)計算特點和協(xié)同需求的分析，設計如圖2所示的空基信息系統(tǒng)計算架構。
圖 2 協(xié)同計算架構示意圖
架構中，自頂向下分別為應用軟件（各類計算任務）、統(tǒng)一組件環(huán)境、硬件資源虛擬化和操作系統(tǒng)/各類硬件。其中，硬件資源虛擬化層是本架構的基礎，通過該層對各平臺的不同類別硬件進行統(tǒng)一的虛擬化，形成抽象的虛擬化資源池；統(tǒng)一組件環(huán)境是本架構的核心，它基于虛擬化資源池，為上層應用軟件提供統(tǒng)一的運行環(huán)境，并進行各類管理、提供各類基礎服務。本架構的主要特點如下。
3.1 軟件狀態(tài)分離
應用軟件層面，本架構對其進行組件化封裝。邏輯角度，封裝后的組件細分為程序、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。其中，程序對應軟件的可執(zhí)行指令集合，其本身是靜態(tài)的；數(shù)據(jù)對應程序執(zhí)行過程中從外部存儲器讀寫的靜態(tài)／動態(tài)內(nèi)容；狀態(tài)則對應程序執(zhí)行過程中在內(nèi)部存儲器讀寫的動態(tài)內(nèi)容[5]。組件的運行過程可視為靜態(tài)程序被計算硬件加載之后執(zhí)行指令、讀取處理數(shù)據(jù)、改變自身狀態(tài)并輸出數(shù)據(jù)的過程。將組件靜態(tài)程序和動態(tài)狀態(tài)進行分離，并將數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行分別處理，從架構上提供數(shù)據(jù)和狀態(tài)的統(tǒng)一管理，可實現(xiàn)單平臺內(nèi)計算任務的高可靠保障，并為實現(xiàn)依托于組件的計算任務在平臺間的遷移和協(xié)同奠定基礎。
3.2 計算環(huán)境統(tǒng)一
應用軟件之下，設計“統(tǒng)一組件環(huán)境”層。該層連接應用軟件和操作系統(tǒng)，面向各平臺各類軟件的運行提供一致的基礎運行環(huán)境。該層功能可細分為資源管理、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)管理、服務管理、組件管理、任務管理、數(shù)據(jù)協(xié)同管理、狀態(tài)協(xié)同管理和任務協(xié)同管理。
資源管理綜合上層應用的資源需求和硬件資源池內(nèi)的各類資源占用，依據(jù)任務模型中預先設定的分配策略，進行資源的分配和動態(tài)調(diào)整；并對資源和資源的占用進行實時監(jiān)控管理，為跨平臺的資源協(xié)同提供依據(jù)?！ ?/p>
數(shù)據(jù)管理和狀態(tài)管理分別為上層應用提供相互隔離的數(shù)據(jù)和狀態(tài)訪問服務。應用軟件通過數(shù)據(jù)管理和狀態(tài)管理兩類服務，將程序運行過程中的數(shù)據(jù)和狀態(tài)集中托管至統(tǒng)一組件環(huán)境。統(tǒng)一組件環(huán)境在數(shù)據(jù)和狀態(tài)集中管理過程中，則可采用分級、分布式等策略[6]，實現(xiàn)集中托管數(shù)據(jù)的高效率和高可靠。
組件管理為上層組件的運行提供基礎管理功能，包含組件生命周期管理、運行狀態(tài)監(jiān)控、健康狀態(tài)識別等。同時，在組件管理的基礎上，針對面向服務的架構（SOA）等架構的服務化設計需求提供服務管理功能，該功能為服務接口的描述和表達提供統(tǒng)一標準，支持基于統(tǒng)一資源定位符的全系統(tǒng)服務定位，并為服務接口的調(diào)用提供數(shù)據(jù)消息的路由轉發(fā)。
任務管理為系統(tǒng)內(nèi)各平臺提供統(tǒng)一的任務模型定義，并基于定義的模型，產(chǎn)生并應用相應的組件、服務、資源、數(shù)據(jù)、狀態(tài)管理策略。
數(shù)據(jù)協(xié)同管理和狀態(tài)協(xié)同管理面向跨平臺協(xié)同需求，基于分布式一致性等方法，通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)和狀態(tài)在平臺之間的分布式管理。任務協(xié)同管理則為數(shù)據(jù)和狀態(tài)的協(xié)同過程提供基于任務模型的統(tǒng)一管理。3.3硬件資源虛擬化
統(tǒng)一組件環(huán)境之下，通過“硬件資源虛擬化”層適配對接各平臺的各類計算硬件——包含CPU、內(nèi)存等計算硬件、存儲硬件和網(wǎng)絡硬件，向上層提供統(tǒng)一的計算、操作接口，實現(xiàn)硬件資源的虛擬化。標準計算硬件可直接通過操作系統(tǒng)內(nèi)核的相應特性實現(xiàn)虛擬化；對于非標準硬件，如各類FPGA設備[7]，可通過單獨設計的虛擬化適配器，將資源納入硬件資源虛擬化層。
4.空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算模式
4.1 計算協(xié)同方式
本文所述計算架構下，應用軟件基于統(tǒng)一設計框架進行設計和實現(xiàn)，并運行于統(tǒng)一組件環(huán)境中。該設計使得軟件具備在不同平臺間、平臺內(nèi)部不同硬件設備間的通用能力，這與FACE[8]等架構在應用層所瞄準的目標是相似的。該能力確保不同來源的軟件可免適配地部署在環(huán)境內(nèi)任一平臺、任一設備上，并實現(xiàn)動態(tài)遷移。
為了滿足第2節(jié)所述空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算需要，組件還需具備不同平臺、不同設備間動態(tài)遷移的過程中業(yè)務功能延續(xù)的能力。本計算架構中，通過數(shù)據(jù)和狀態(tài)的跨平臺協(xié)同滿足該需求。當數(shù)據(jù)和狀態(tài)分布存儲于單平臺內(nèi)時，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(shù)據(jù)和狀態(tài)分布存儲于多個平臺時，通過數(shù)據(jù)和狀態(tài)在平臺間的協(xié)同實現(xiàn)平臺間數(shù)據(jù)與狀態(tài)的一致，從而實現(xiàn)程序和業(yè)務功能的跨平臺遷移。
一般的信息系統(tǒng)中，相較于計算資源，存儲資源往往相對充沛。在此背景下，在本架構的實際應用中，可在組件設計時對數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行精心設計和劃分。根據(jù)可能的任務協(xié)同需要，將組件程序和靜態(tài)數(shù)據(jù)預先部署至存在潛在協(xié)同需求的節(jié)點?？栈畔⑾到y(tǒng)運行過程中，只針對狀態(tài)等動態(tài)數(shù)據(jù)進行分布式協(xié)同，從而降低功能遷移過程中的通信帶寬需求。
4.2 協(xié)同計算應用形式
在多平臺構成的空基信息系統(tǒng)中，通過本架構可實現(xiàn)以下幾種典型協(xié)同計算應用形式。
?。?）計算任務平臺內(nèi)協(xié)同
隨著任務執(zhí)行過程中戰(zhàn)場態(tài)勢的不斷變化，單一平臺內(nèi)部的任務計算需求同樣是動態(tài)變化的，計算任務在平臺內(nèi)同樣存在協(xié)同的必要。上述架構下，計算資源的虛擬化可為計算任務在平臺內(nèi)的協(xié)同并發(fā)提供資源保障，而狀態(tài)數(shù)據(jù)的分離和統(tǒng)一管理則可為計算任務在平臺內(nèi)的協(xié)同并發(fā)提供數(shù)據(jù)保障。
?。?）計算任務跨平臺協(xié)同
以第2節(jié)中空基信息系統(tǒng)多平臺協(xié)同場景下的組成為例，預警機中心單元在任務執(zhí)行前進行任務和數(shù)據(jù)的規(guī)劃，并將內(nèi)容同步至外部協(xié)同平臺；任務執(zhí)行中，中心單元根據(jù)任務模型進行的任務調(diào)整，以指令形式通過無線通信分發(fā)至各協(xié)同平臺；協(xié)同平臺依據(jù)接收的任務，基于本地傳感器進行數(shù)據(jù)采集，利用本地計算硬件進行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理結果發(fā)送出去；各平臺的本地處理結果作為狀態(tài)信息，根據(jù)任務協(xié)同模型，按需同步至其他平臺；中心節(jié)點采集同步來的各類數(shù)據(jù)，并基于此進行指揮控制、任務管理等相關計算。
（3）計算任務卸載傳遞
當出現(xiàn)特定平臺（稱為需求平臺）計算資源無法滿足任務需要時，系統(tǒng)進行平臺間協(xié)同計算。此時，中心平臺在需求平臺物理位置附近匹配具備一致的計算環(huán)境、通信帶寬和通信質量能夠保障協(xié)同需要且有富余計算能力的平臺（稱為協(xié)同平臺），形成相應指揮控制指令并通過“任務、數(shù)據(jù)、狀態(tài)”協(xié)同管理模塊下發(fā)至各相關平臺。與此同時，可根據(jù)需求建立點對點的高速通信，以更好地保障協(xié)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臺相關的硬件設備提供計算支持。這類情況下，需求平臺和協(xié)同平臺必須具備一致的計算環(huán)境，才能實現(xiàn)計算的協(xié)同。如上文所分析，針對此類情況，可通過事先的規(guī)劃，預判可能的協(xié)同需求，并將協(xié)同需要的靜態(tài)數(shù)據(jù)在任務執(zhí)行前同步存儲至各平臺，以降低任務執(zhí)行時協(xié)同的響應時間。
（4）計算任務遷移接替
當出現(xiàn)特定平臺失效時，系統(tǒng)進行計算任務的跨平臺遷移。此時，中心平臺在失效平臺物理位置附近規(guī)劃和匹配具備一致硬件環(huán)境的平臺（稱為目標平臺），并形成相應指揮控制和任務管理指令，使目標平臺承接失效平臺的計算任務。通過任務前的規(guī)劃，可保障具備相互遷移能力的平臺（如配置有相同類別傳感器的平臺）在任務執(zhí)行前具備組件程序等靜態(tài)數(shù)據(jù)的一致性。另一方面，由于跨平臺協(xié)同的存在，各類關鍵動態(tài)數(shù)據(jù)被分布存儲于系統(tǒng)中。基于此，可實現(xiàn)任務在平臺間的平滑遷移，從而保障空基信息系統(tǒng)的高可靠。
5.空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算架構的關鍵技術問題
上述空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算架構的實現(xiàn)和有效運行，需要解決以下四個關鍵技術問題。
1）對系統(tǒng)任務和計算任務的有效建模。通過任務模型，對任務中各個關鍵環(huán)節(jié)、各類關鍵數(shù)據(jù)進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，將任務具象成為具備一定通用性的組件/服務及其相互關系的集合。
2）面向細顆粒度組件/服務的精細規(guī)劃和優(yōu)化。組件和服務的細顆粒度劃分給系統(tǒng)帶來靈活性的同時，也帶來了更大的管理編排壓力。只有具備精細化管理能力才能使組件/服務有機協(xié)同，實現(xiàn)資源管理效能和空基信息系統(tǒng)運行效能的整體提升。
3）數(shù)據(jù)鏈等網(wǎng)絡通信的發(fā)展。空基信息系統(tǒng)跨平臺的信息交互依賴于通信基礎設施，通信的帶寬、靈活性、穩(wěn)定性、安全性等因素直接影響系統(tǒng)通信效能，也直接影響協(xié)同效能。平臺間通信能力的提升必然可為跨平臺的協(xié)同計算帶來更多的空間和可能。
4）跨平臺的動態(tài)數(shù)據(jù)分布策略和實現(xiàn)方法。在復雜空基環(huán)境中構建數(shù)據(jù)分布式冗余存儲，可以為計算任務的高效協(xié)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(tǒng)的計算特點和協(xié)同計算需求，并基于此設計了一種協(xié)同計算架構，滿足空基信息系統(tǒng)的協(xié)同計算需求。在裝備無人化、計算智能化的當前，該架構可針對性地提供一種空基信息系統(tǒng)協(xié)同計算實現(xiàn)思路，滿足日益增長的協(xié)同計算需求，提升新環(huán)境下空基信息系統(tǒng)作戰(zhàn)效能，使空基信息系統(tǒng)的各參與平臺和要素圍繞作戰(zhàn)任務，將各自資源充分整合并形成有機整體。
【參考文獻】
[1] 陸軍,張昭,胡瑞賢.空基預警探測系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代雷達,2015,37(12):1-5.
[2] 范鵬,曹晨,葛懷寧.預警機指揮控制功能的作戰(zhàn)使用及其發(fā)展[J].現(xiàn)代電子技術,2014,37(16):83-86.
[3] 吳永勝,姜邵巍,劉曉敏.面向空基信息系統(tǒng)的公共操作環(huán)境研究[J].中國電子科學研究院學報,2018,13(3):247-253.
[4] 吳永勝,李博驍.空基信息系統(tǒng)分層模型及數(shù)據(jù)互操作研究[J].鄭州大學學報(理學版),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.
