空基信息系統協同計算架構研究
摘 要：文中分析了多平臺協同場景下空基信息系統的計算特點和協同計算需求，并針對以預警機為中心的空基多平臺協同，設計了一種協同計算架構，探討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臺間計算任務的按需部署、遷移和協同計算，為構建高可靠、高效能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臺和網絡為基礎，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[3-4]，典型的空基信息系統以預警機為中心，協同干擾機、戰斗機、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功能。
近年來，隨著各型空基裝備的長足發展，尤其是各類無人裝備的不斷涌現，空基信息系統的參與要素日益豐富，其數據處理需求產生了很大變化。與此同時，深度學習等智能化技術在各類信息系統中的應用日漸豐富，這為空基信息系統大規模數據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，提升空基信息系統的綜合效能。
1.空基信息系統計算特點及發展趨勢
空基信息系統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不同，空基信息系統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，空基信息系統需要快速處理各類數據，以有效支撐指揮控制指令的產生，最終完成各類任務。流程中任何一個環節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展成熟，其在空基信息系統的應用也愈發廣泛和深入。以智能化為例，從特定傳感器的目標識別等數據處理領域，到信息融合、輔助決策等指揮控制領域，智能化技術正大幅提升著空基信息系統的數據處理能力。伴隨這些新技術而來的是空基信息系統在計算方面的一些發展趨勢：
1.1 空基信息系統的計算對象呈現出規模化的特點
隨著裝備的不斷發展，預警探測的內涵不斷擴大。來自各類主動、被動傳感器的數據均可作為預警探測的數據來源。這使得空基信息系統要處理的數據形式十分多樣，也不可避免地導致了數據體量的增長。另一方面，隨著近年來無人裝備的迅速發展普及，空基信息系統需要能夠處理來自各類無人裝備乃至無人裝備集群的數據。這進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規模化。
1.2 空基信息系統對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重要，數據通信正是平臺間相互協同的基礎。因此，空基信息系統對數據通信的需求是不斷增長的。空基環境中，各物理平臺間通過各種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，空中環境復雜多變，空基信息系統還需要考慮各類通信干擾等因素，這更加大了數據的傳輸限制。以上就要求空基信息系統的數據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的高可靠，在出現由物理損傷等造成的平臺失能情況下仍要實現任務的接替，確保任務的完成。
2.空基信息系統協同計算需求
以空基協同態勢感知為例，預警機與其他各類特種機、無人機相互分工協作，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據，并向各平臺下發綜合態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同需求時，可根據需要建立直接通信。該場景下平臺的典型組成如圖1所示。
圖 1 典型空基信息系統協同場景
多平臺協同可克服單一平臺在探測、計算等方面的能力局限，有效提升戰場態勢感知的范圍和靈活度。不同平臺通過在探測區域、探測方式等方面分工協作，共同完成探測偵察任務；特定平臺所執行的任務可根據總體任務執行和態勢感知的需要而靈活變化，實現按需切換；當特定平臺出現計算資源不足時，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，保障整個系統的可用性。
空基多平臺協同對各平臺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。
1）計算任務方面
多平臺協同要求計算任務具備跨平臺部署和動態遷移的能力，這就要求包括嵌入式硬件在內的各類異構計算硬件向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程中運行環境的一致。
2）任務數據方面
多平臺協同要求在節點間按需建立通信關系的基礎上，面向核心數據提供多平臺分布式能力，實現關鍵任務數據在多平臺間的分布式同步。此外，為有效降低協同過程中的數據通信需求，需要支持對計算任務運行過程中的動態數據和靜態數據進行有效區分，通過任務規劃，將可能存在協同需求的靜態數據進行預先部署，降低任務執行過程中的數據傳遞需求。
3）計算資源方面
多平臺協同要求中心平臺具備對各平臺計算資源的整體管理能力，要能夠根據任務需求和實時態勢，在各平臺間進行計算資源的動態管理以及計算任務和計算資源的動態匹配。計算任務和計算資源匹配過程中，要能夠充分利用數據采集端的計算能力，盡可能在末端進行全部或部分的數據處理或預處理，從而降低協同過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，自頂向下分別為應用軟件（各類計算任務）、統一組件環境、硬件資源虛擬化和操作系統/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一的虛擬化，形成抽象的虛擬化資源池；統一組件環境是本架構的核心，它基于虛擬化資源池，為上層應用軟件提供統一的運行環境，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、數據和狀態。其中，程序對應軟件的可執行指令集合，其本身是靜態的；數據對應程序執行過程中從外部存儲器讀寫的靜態／動態內容；狀態則對應程序執行過程中在內部存儲器讀寫的動態內容[5]。組件的運行過程可視為靜態程序被計算硬件加載之后執行指令、讀取處理數據、改變自身狀態并輸出數據的過程。將組件靜態程序和動態狀態進行分離，并將數據和狀態進行分別處理，從架構上提供數據和狀態的統一管理，可實現單平臺內計算任務的高可靠保障，并為實現依托于組件的計算任務在平臺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，面向各平臺各類軟件的運行提供一致的基礎運行環境。該層功能可細分為資源管理、數據管理、狀態管理、服務管理、組件管理、任務管理、數據協同管理、狀態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內的各類資源占用，依據任務模型中預先設定的分配策略，進行資源的分配和動態調整；并對資源和資源的占用進行實時監控管理，為跨平臺的資源協同提供依據。
數據管理和狀態管理分別為上層應用提供相互隔離的數據和狀態訪問服務。應用軟件通過數據管理和狀態管理兩類服務，將程序運行過程中的數據和狀態集中托管至統一組件環境。統一組件環境在數據和狀態集中管理過程中，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、運行狀態監控、健康狀態識別等。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一標準，支持基于統一資源定位符的全系統服務定位，并為服務接口的調用提供數據消息的路由轉發。
任務管理為系統內各平臺提供統一的任務模型定義，并基于定義的模型，產生并應用相應的組件、服務、資源、數據、狀態管理策略。
數據協同管理和狀態協同管理面向跨平臺協同需求，基于分布式一致性等方法，通過網絡通信實現數據和狀態在平臺之間的分布式管理。任務協同管理則為數據和狀態的協同過程提供基于任務模型的統一管理。3.3硬件資源虛擬化
統一組件環境之下，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、內存等計算硬件、存儲硬件和網絡硬件，向上層提供統一的計算、操作接口，實現硬件資源的虛擬化。標準計算硬件可直接通過操作系統內核的相應特性實現虛擬化；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臺間、平臺內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境內任一平臺、任一設備上，并實現動態遷移。
為了滿足第2節所述空基信息系統協同計算需要，組件還需具備不同平臺、不同設備間動態遷移的過程中業務功能延續的能力。本計算架構中，通過數據和狀態的跨平臺協同滿足該需求。當數據和狀態分布存儲于單平臺內時，程序可在不同硬件間自由遷移而不影響程序的運行結果；當數據和狀態分布存儲于多個平臺時，通過數據和狀態在平臺間的協同實現平臺間數據與狀態的一致，從而實現程序和業務功能的跨平臺遷移。
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據和狀態進行精心設計和劃分。根據可能的任務協同需要，將組件程序和靜態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程中，只針對狀態等動態數據進行分布式協同，從而降低功能遷移過程中的通信帶寬需求。
4.2 協同計算應用形式
在多平臺構成的空基信息系統中，通過本架構可實現以下幾種典型協同計算應用形式。
（1）計算任務平臺內協同
隨著任務執行過程中戰場態勢的不斷變化，單一平臺內部的任務計算需求同樣是動態變化的，計算任務在平臺內同樣存在協同的必要。上述架構下，計算資源的虛擬化可為計算任務在平臺內的協同并發提供資源保障，而狀態數據的分離和統一管理則可為計算任務在平臺內的協同并發提供數據保障。
（2）計算任務跨平臺協同
以第2節中空基信息系統多平臺協同場景下的組成為例，預警機中心單元在任務執行前進行任務和數據的規劃，并將內容同步至外部協同平臺；任務執行中，中心單元根據任務模型進行的任務調整，以指令形式通過無線通信分發至各協同平臺；協同平臺依據接收的任務，基于本地傳感器進行數據采集，利用本地計算硬件進行數據處理，并將數據處理結果發送出去；各平臺的本地處理結果作為狀態信息，根據任務協同模型，按需同步至其他平臺；中心節點采集同步來的各類數據，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，系統進行平臺間協同計算。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境、通信帶寬和通信質量能夠保障協同需要且有富余計算能力的平臺（稱為協同平臺），形成相應指揮控制指令并通過“任務、數據、狀態”協同管理模塊下發至各相關平臺。與此同時，可根據需求建立點對點的高速通信，以更好地保障協同計算。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，需求平臺和協同平臺必須具備一致的計算環境，才能實現計算的協同。如上文所分析，針對此類情況，可通過事先的規劃，預判可能的協同需求，并將協同需要的靜態數據在任務執行前同步存儲至各平臺，以降低任務執行時協同的響應時間。
（4）計算任務遷移接替
當出現特定平臺失效時，系統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劃和匹配具備一致硬件環境的平臺（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）在任務執行前具備組件程序等靜態數據的一致性。另一方面，由于跨平臺協同的存在，各類關鍵動態數據被分布存儲于系統中。基于此，可實現任務在平臺間的平滑遷移，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）對系統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節、各類關鍵數據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，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/服務有機協同，實現資源管理效能和空基信息系統運行效能的整體提升。
3）數據鏈等網絡通信的發展。空基信息系統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、穩定性、安全性等因素直接影響系統通信效能，也直接影響協同效能。平臺間通信能力的提升必然可為跨平臺的協同計算帶來更多的空間和可能。
4）跨平臺的動態數據分布策略和實現方法。在復雜空基環境中構建數據分布式冗余存儲，可以為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、計算智能化的當前，該架構可針對性地提供一種空基信息系統協同計算實現思路，滿足日益增長的協同計算需求，提升新環境下空基信息系統作戰效能，使空基信息系統的各參與平臺和要素圍繞作戰任務，將各自資源充分整合并形成有機整體。
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