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海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理框架研究*

2016-09-09 09:21韋廣立宋文賓
艦船電子工程 2016年8期
關(guān)鍵詞:戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)維調(diào)度

韋廣立 宋文賓 陳 穎

(中國(guó)艦船研究院 北京 100101)

WEI Guangli SONG Wenbin CHEN Ying

(China Ship Research and Development Academy, Beijing 100101)

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海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理框架研究*

韋廣立宋文賓陳穎

(中國(guó)艦船研究院北京100101)

論文針對(duì)現(xiàn)有傳感器管理技術(shù)難以適應(yīng)海戰(zhàn)場(chǎng)大量分布的傳感器多樣化運(yùn)維管理的問(wèn)題,借鑒基于策略的管理方法在其它領(lǐng)域的成功應(yīng)用,進(jìn)行了基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理框架設(shè)計(jì)研究。論文首先結(jié)合當(dāng)前傳感器運(yùn)維管理方法,分析了面向任務(wù)的傳感器資源運(yùn)維管理基本流程,然后針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源分布、使用等特點(diǎn),提出了系統(tǒng)的部署結(jié)構(gòu),最后結(jié)合流程和部署結(jié)構(gòu),給出了運(yùn)維管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明,該框架能較好地支持海戰(zhàn)場(chǎng)大量分布傳感器的運(yùn)維管理,并可通過(guò)調(diào)整策略動(dòng)態(tài)適應(yīng)多樣化的管理需求。

傳感器資源; 運(yùn)維管理框架; 基于策略

WEI GuangliSONG WenbinCHEN Ying

(China Ship Research and Development Academy, Beijing100101)

Class NumberTP319

1 引言

傳感器是作戰(zhàn)部隊(duì)遂行作戰(zhàn)任務(wù)的眼睛,傳感器運(yùn)維管理的高效性、合理性直接關(guān)系到其整體的探測(cè)和偵查能力[1]。根據(jù)被探測(cè)目標(biāo)種類、探測(cè)手段方法、傳感器部署平臺(tái)類型和設(shè)備演進(jìn)發(fā)展等方面特性的不同,傳感器資源具有多樣性、功能互補(bǔ)性等特點(diǎn)[2]。因此實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類、不同型號(hào)傳感器的綜合調(diào)度、協(xié)同使用[3]、高效運(yùn)維和個(gè)性管理等傳感器運(yùn)維管理便成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。

隨著傳感器資源種類的豐富、數(shù)量的增加、作戰(zhàn)過(guò)程中傳感器運(yùn)用研究的深入,對(duì)探測(cè)能力(包括目標(biāo)種類、屬性、范圍、時(shí)效性、準(zhǔn)確率等)要求的不斷提高,采用傳統(tǒng)規(guī)劃的方法對(duì)傳感器資源進(jìn)行運(yùn)維管理已難以滿足要求,尤其是在應(yīng)對(duì)傳感器資源管理需求動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題上,傳統(tǒng)方式存在適應(yīng)能力弱的問(wèn)題。

本文首先介紹基于策略管理的基本概念和應(yīng)用情況,然后從管理流程和部署方式兩個(gè)方面對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上提出一種基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理系統(tǒng)框架,最后進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 基于策略的管理

策略是為實(shí)現(xiàn)某一個(gè)目標(biāo),根據(jù)形勢(shì)發(fā)展而制定的行動(dòng)方針和斗爭(zhēng)方法。在自主領(lǐng)域,基于策略管理的基本思想是利用策略指導(dǎo)系統(tǒng)行為來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)化管理[4]。系統(tǒng)管理者將管理經(jīng)驗(yàn)(指導(dǎo)系統(tǒng)行為的目標(biāo)、規(guī)范或約束等)以策略語(yǔ)言的形式表示成為策略,在系統(tǒng)內(nèi)部或者外部事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)感知的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,按設(shè)定的策略進(jìn)行推理、決策,指導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)行動(dòng)。

因基于策略的管理方法具備強(qiáng)可配置性、自動(dòng)化智能動(dòng)態(tài)管理能力、高可擴(kuò)展能力等特點(diǎn),能夠?yàn)橄鄳?yīng)決策系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)、靈活和自動(dòng)化的解決方案,目前已被美軍采用為GIG中信息資源管理等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1美軍GIG基于策略的管理

基于策略技術(shù)是美軍GIG實(shí)現(xiàn)的“十三大”支撐技術(shù)之一,用于支撐其GIG動(dòng)態(tài)、靈活、自動(dòng)化地安全管理?;诓呗约夹g(shù)為GIG提供多方面功能支撐,主要包括以下幾方面:

1) 利用訪問(wèn)控制策略為GIG中全部的信息、通信、服務(wù)等提供標(biāo)準(zhǔn)化的訪問(wèn)控制行為,如基于信息標(biāo)簽值和生命周期約束以及用戶優(yōu)先權(quán)和特權(quán)提供細(xì)粒度的訪問(wèn)控制[5];

2) 利用共享控制策略提供多個(gè)社區(qū)(Communities)獨(dú)立共享GIG的能力并在提高可用性的同時(shí)還能夠按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接;

3) 通過(guò)GIG的全局授權(quán)支撐單點(diǎn)登錄(Single Sign-on),允許靈活調(diào)整GIG中的策略使之能夠適應(yīng)不同區(qū)域、利益共同體(COI)和指控節(jié)點(diǎn)(C2 Node)等的需求;

4) 支持?jǐn)?shù)據(jù)所有者制定信息生命周期策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)象的創(chuàng)建、分發(fā)、使用和銷毀周期的追蹤和控制。

2.2網(wǎng)絡(luò)管理領(lǐng)域和安全領(lǐng)域基于策略的管理

在一些標(biāo)準(zhǔn)化組織如IETF(Internet Engineering Task Force)、DMTF(Distributed Management Task Force)和大量網(wǎng)絡(luò)組件等廠商的共同推進(jìn)下[6],網(wǎng)絡(luò)管理和安全領(lǐng)域已成為目前基于策略的技術(shù)應(yīng)用較為成熟的一個(gè)領(lǐng)域,主要功能包括:

1) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS保證。基于策略技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)管理中主要是為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供服務(wù)質(zhì)量保證,其通過(guò)將對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS的保障行為表示為一系列“條件-行為”的對(duì)應(yīng)規(guī)則[7],在提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為,從而達(dá)到保障服務(wù)質(zhì)量的目的。目前網(wǎng)絡(luò)管理可提供的服務(wù)質(zhì)量保障包括轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)、帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)[8]等。

2) 訪問(wèn)控制?;诓呗约夹g(shù)在安全領(lǐng)域主要是解決有關(guān)強(qiáng)制訪問(wèn)控制和自由訪問(wèn)控制的問(wèn)題,業(yè)界通過(guò)采用角色訪問(wèn)控制策略指導(dǎo)訪問(wèn)控制的行為已經(jīng)取得了較好的效果,其中用于描述訪問(wèn)控制策略的策略描述語(yǔ)言也已成為事實(shí)上的訪問(wèn)控制策略的描述標(biāo)準(zhǔn)[9]。

2.3基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

構(gòu)建基于策略管理系統(tǒng)的核心包括系統(tǒng)模型的建立、策略描述與解釋執(zhí)行,在海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理系統(tǒng)中具體體現(xiàn)為:

1) 系統(tǒng)模型的建立。主要是系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì),需根據(jù)海戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際特點(diǎn)和基于策略系統(tǒng)的基本模型進(jìn)行合理設(shè)計(jì),將在第3節(jié)著重闡述。

2) 策略描述與解釋執(zhí)行。對(duì)傳感器運(yùn)維管理系統(tǒng)來(lái)說(shuō),策略即為系統(tǒng)各具體特性的最優(yōu)度量值,傳感器運(yùn)維管理以這個(gè)最優(yōu)準(zhǔn)則對(duì)傳感器資源進(jìn)行合理科學(xué)的分配。目前針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的探測(cè)需求[10],研究人員從不同角度提出了多種傳感器運(yùn)維管理的策略與方法,典型的策略包括:傳感器資源數(shù)量受限的情況下以提高目標(biāo)追蹤精度為目的的多三坐標(biāo)雷達(dá)目標(biāo)分配策略、目標(biāo)監(jiān)視追蹤情況下以控制電磁輻射量的主被動(dòng)傳感器分配策略、交戰(zhàn)情況下以提高己方抗反輻射導(dǎo)彈攻擊能力的多平臺(tái)分時(shí)探測(cè)控制策略以及預(yù)警探測(cè)情形下以保證防區(qū)內(nèi)目標(biāo)探測(cè)概率的雷達(dá)網(wǎng)運(yùn)維管理策略等;典型的求解方法包括基于濾波技術(shù)和協(xié)方差控制的方法、基于數(shù)學(xué)規(guī)劃和智能優(yōu)化技術(shù)的方法和基于信息論的方法等。然而現(xiàn)有研究由于采用的策略和求解方法以傳感器運(yùn)維管理方案生成算法的形式緊密耦合在一起,導(dǎo)致當(dāng)應(yīng)用場(chǎng)景或者需求發(fā)生變化需采用新的策略時(shí),傳感器管理算法也需要整體重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯,系統(tǒng)靈活適應(yīng)能力不佳。為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)靈活適應(yīng)不同場(chǎng)景和應(yīng)用需求的能力,可通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)策略與求解算法的分離:通過(guò)采用目標(biāo)函數(shù)的形式對(duì)傳感器運(yùn)維管理策略進(jìn)行描述,再利用遺傳算法、貪心算法等通用的求解算法求解使目標(biāo)函數(shù)值最大的運(yùn)維管理方案作為系統(tǒng)輸出,當(dāng)系統(tǒng)需求發(fā)生變化時(shí),只需在進(jìn)行方案生成前選擇符合要求的目標(biāo)函數(shù)即可適應(yīng)新的需求,由于本文側(cè)重點(diǎn)在于將基于策略的管理方法引入傳感器運(yùn)維管理中,對(duì)于策略描述規(guī)范和方案求解算法的更具體細(xì)節(jié)不再深入說(shuō)明。

3 海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理

海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器具有種類多、數(shù)量大、分布廣等特點(diǎn),利用傳統(tǒng)預(yù)案調(diào)度式資源管理方法,無(wú)法支持海戰(zhàn)場(chǎng)多作戰(zhàn)樣式、復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、平臺(tái)高機(jī)動(dòng)性等動(dòng)態(tài)條件下的作戰(zhàn)要求?;诓呗缘膫鞲衅髻Y源運(yùn)維管理依據(jù)傳感器資源當(dāng)前狀態(tài)信息,采用面向作戰(zhàn)任務(wù)的資源調(diào)度方式,滿足對(duì)多探測(cè)任務(wù)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度和管理的需求。

3.1基本流程

為滿足資源動(dòng)態(tài)變化情況下多任務(wù)的傳感器運(yùn)維管理,根據(jù)需要采用時(shí)間周期或事件觸發(fā)的調(diào)度方式,設(shè)計(jì)基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理基本流程,如圖1所示。

圖1 基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理基本流程

在運(yùn)維管理的一次執(zhí)行中,探測(cè)任務(wù)經(jīng)過(guò)運(yùn)維管理模塊的任務(wù)分解,形成對(duì)傳感器資源的具體需求,結(jié)合當(dāng)前傳感器資源的狀態(tài),形成運(yùn)維管理方案。對(duì)于當(dāng)前輸入的任務(wù),由于資源限制、任務(wù)沖突等原因,當(dāng)資源調(diào)度優(yōu)化無(wú)法滿足資源使用要求時(shí),運(yùn)維管理模塊根據(jù)當(dāng)前任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、傳感器狀態(tài)等要素形成最優(yōu)化的運(yùn)維管理方案。按照運(yùn)維管理方案,各傳感器資源的管理調(diào)度單位分別進(jìn)行傳感器資源調(diào)度,向傳感器資源控制單位下發(fā)調(diào)度命令等控制信息。同時(shí),傳感器狀態(tài)監(jiān)控模塊不斷采集各傳感器的狀態(tài),形成資源綜合狀態(tài)和報(bào)警信息等,作為系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維管理的輸入。運(yùn)維管理模塊實(shí)現(xiàn)任務(wù)到資源調(diào)度方案的“轉(zhuǎn)換”,將傳感器資源以完成任務(wù)的形式向外透明提供,盡最大努力屏蔽傳感器資源狀態(tài)的變化對(duì)任務(wù)的影響,是面向任務(wù)保障傳感器運(yùn)維管理的關(guān)鍵。

3.2部署結(jié)構(gòu)

針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)范圍廣、作戰(zhàn)平臺(tái)多樣等特點(diǎn),常用的集中式管理與自協(xié)同方式都無(wú)法滿足海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源的運(yùn)維管理要求[11]。根據(jù)探測(cè)任務(wù)對(duì)傳感器資源的使用要求,結(jié)合海戰(zhàn)場(chǎng)資源綜合管理與區(qū)域自治等方法,對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源采用分層方式,從全局、區(qū)域和本地三個(gè)層級(jí)進(jìn)行運(yùn)維管理,每個(gè)本地節(jié)點(diǎn)可再按此結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分。

圖2 海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理部署結(jié)構(gòu)

本地節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)按照局域管理中心下發(fā)的傳感器資源運(yùn)維管理方案和策略,進(jìn)行資源調(diào)度,并將本地傳感器資源狀態(tài)和當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)等信息綜合后上報(bào)區(qū)域管理中心;區(qū)域管理中心負(fù)責(zé)按照全局管理中心下發(fā)的運(yùn)維管理方案和策略,進(jìn)行資源調(diào)度方案的細(xì)化分解,下發(fā)到本地節(jié)點(diǎn),并將本地節(jié)點(diǎn)上報(bào)的傳感器資源狀態(tài)信息綜合形成區(qū)域狀態(tài)信息上報(bào)全局管理中心;全局管理中心負(fù)責(zé)進(jìn)行任務(wù)需求分解和對(duì)各區(qū)域管理中心上報(bào)狀態(tài)信息進(jìn)行綜合,并根據(jù)當(dāng)前配置的策略進(jìn)行運(yùn)維管理方案的生成和分發(fā)。

運(yùn)維管理過(guò)程中主要涉及傳感器資源態(tài)勢(shì)感知、接入管理、資源管理、運(yùn)維管理方案生成、策略管理和任務(wù)管理等功能,各個(gè)功能相互協(xié)同、配合,既可實(shí)現(xiàn)對(duì)本層次內(nèi)傳感器資源的綜合化運(yùn)行管理,也可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各級(jí)運(yùn)維管理中心的互連和協(xié)同工作。

3.3基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理系統(tǒng)框架

針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源的運(yùn)維管理基本流程和部署結(jié)構(gòu),進(jìn)行基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)資源運(yùn)維管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì),采用應(yīng)用層、資源管理層和資源層三層結(jié)構(gòu),如圖3所示。

最底層為資源層,從使用和管理角度對(duì)各種傳感器資源進(jìn)行分類,以便于進(jìn)行傳感器資源的信息注冊(cè)、管理、狀態(tài)采集等;中間層為資源管理層,為框架的核心層,主要包括資源動(dòng)態(tài)接入、資源狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)維管理方案生成等功能;頂層為應(yīng)用層,為使用者提供資源態(tài)勢(shì)的綜合顯示,運(yùn)維策略的查詢、編輯等,以及作戰(zhàn)任務(wù)的添加、刪除、修改等功能。

圖3 基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理框架

資源管理層主要包括以下三個(gè)功能:

1) 資源動(dòng)態(tài)接入。通過(guò)資源信息數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源動(dòng)態(tài)接入,包括對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源的信息注冊(cè)、信息獲取等功能。

2) 資源監(jiān)視報(bào)警。通過(guò)對(duì)傳感器資源的狀態(tài)進(jìn)行周期性采集或?qū)崟r(shí)監(jiān)視,獲取廣域范圍內(nèi)的大量傳感器的信息,根據(jù)設(shè)置的報(bào)警條件,當(dāng)多個(gè)傳感器的狀態(tài)信息達(dá)到一定情況時(shí),觸發(fā)報(bào)警,并通過(guò)應(yīng)用層進(jìn)行報(bào)警信息的顯示和收集,以此作為是否重新進(jìn)行傳感器調(diào)度的依據(jù)。

3) 運(yùn)維管理方案生成。通過(guò)將應(yīng)用層的任務(wù)進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)任務(wù)對(duì)傳感器資源需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)當(dāng)前運(yùn)維管理的策略和傳感器使用的規(guī)則,進(jìn)行資源調(diào)度預(yù)案的生成,該過(guò)程會(huì)生成多個(gè)資源調(diào)度方案。依據(jù)已有方案和歷史經(jīng)驗(yàn),對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),找出在當(dāng)前情況適合當(dāng)前任務(wù)的運(yùn)維管理方案,并將方案變?yōu)榇a指令下發(fā)到各傳感器執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)任務(wù)需求和傳統(tǒng)傳感器資源管理進(jìn)行動(dòng)態(tài)多任務(wù)保障能力不足的問(wèn)題,提出了一種基于策略的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理方法。該方法結(jié)合海戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際作戰(zhàn)需求,進(jìn)行基本流程、部署結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì),著眼于提高海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源的全局管控和協(xié)同配合能力,以及適配多要素、多任務(wù)的海戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)要求,為資源的組織與管理提供了一種新的解決思路,本文給出的系統(tǒng)框架也可作為運(yùn)維管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模型。實(shí)際應(yīng)用表明,本文提出的運(yùn)維管理框架能較好地支持對(duì)海戰(zhàn)場(chǎng)大規(guī)模分布的傳感器管理的管理,并支持基于不同策略調(diào)整系統(tǒng)行為以滿足多樣化的運(yùn)維管理需求,提高了海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器運(yùn)維管理適應(yīng)大規(guī)模分布的傳感器和多樣化運(yùn)維管理需求的能力,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

伴隨傳感器種類、數(shù)量的豐富和任務(wù)過(guò)程控制的精細(xì)化要求,具備大規(guī)模管理能力和靈活適應(yīng)能力的海戰(zhàn)場(chǎng)傳感器資源運(yùn)維管理將成為海戰(zhàn)場(chǎng)遂行多樣化作戰(zhàn)任務(wù)的重要保障。

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Sensors Resource Operation Management Framework in Sea-battle Field*

Aiming at the problem that current sensor management technology can’t fulfill the diverse management requirements of numerous distributed sensors in sea-battle field, the paper refers to the successful application of policy-based method in other domain, conducts a research on policy-based sea-battle field sensor operation management framework. Firstly, based on current sensor operation management method, the paper analyses flow of task oriented sensor operation management. Secondly, according to the characteristics of distribution and use of sensors in sea-battle field, the deployment architecture is proposed. Finally, a framework is given. Practical application shows that the given framework supports good management of large number distributed sensors in sea-battle field, and can fulfill different management requirements by just changing policies.

sensor, operation management frame, policy-based

2016年2月13日,

2016年3月30日

韋廣立,男,碩士研究生,研究方向:艦船電子工程技術(shù)。宋文賓,男,碩士,研究方向:艦船電子工程技術(shù)。陳穎,女,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TP319

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.003

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