熊智勇，劉青春

中國航空無線電電子研究所，上海 200233

隨著低空環(huán)境復(fù)雜性增加,直升機綜合任務(wù)能力和生存能力面臨新的挑戰(zhàn)。為有效應(yīng)對威脅,世界主要軍事強國一方面大力發(fā)展新構(gòu)型直升機、采用人工智能技術(shù)升級現(xiàn)役直升機[1]；另一方面不斷創(chuàng)新作戰(zhàn)樣式,如有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)、作戰(zhàn)云、多域戰(zhàn)[2-3]等。未來直升機將與其他協(xié)同平臺“無縫”鏈接,共享態(tài)勢和資源,實施分布式協(xié)同作戰(zhàn),這對航空電子（簡稱航電）系統(tǒng)的開放性和跨平臺互操作能力提出了更高要求。

航電系統(tǒng)架構(gòu)是一個系統(tǒng)組織概念,包括系統(tǒng)的組成、功能、連接拓?fù)潢P(guān)系、結(jié)構(gòu)層次、軟硬件接口、運行與維護準(zhǔn)則等內(nèi)容[4],是構(gòu)建航電系統(tǒng)的基礎(chǔ)。自20世紀(jì)90年代開始,美國先后開展了旋翼機開放式系統(tǒng)航空電子（ROSA）計劃、通用航空電子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（CAAS）、有人機/無人機通用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計劃（MCAP）等研究,采用開放式軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)提高系統(tǒng)靈活擴展能力、降低全生命周期成本[5-6],并分別在“科曼奇”“黑鷹”“阿帕奇”等直升機航電系統(tǒng)研制中應(yīng)用。面向未來發(fā)展,美國陸軍正在構(gòu)建“空中機動云”,基于云技術(shù)實現(xiàn)戰(zhàn)場資源整合管控,并在未來垂直起降計劃（FVL）項目中發(fā)展聯(lián)合通用架構(gòu)（JCA）,通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的任務(wù)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件,以期最大限度規(guī)范航空電子設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)軟硬件跨項目重用[7]。

本文重點對直升機航電系統(tǒng)服務(wù)化、信息處理一體化、應(yīng)用APP 化等需求進行分析,提出了面向云服務(wù)的航電系統(tǒng)架構(gòu),分析了基于該架構(gòu)的航電系統(tǒng)任務(wù)管理、服務(wù)管理和資源管理等技術(shù),為后續(xù)該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 直升機航電系統(tǒng)需求分析

（1） 采用服務(wù)化設(shè)計,支持直升機跨域協(xié)同作戰(zhàn)

2013年,美國空軍首次將“云”引入作戰(zhàn)領(lǐng)域,提出“作戰(zhàn)云”概念,主要依托“云計算”技術(shù)將陸、海、空、天、網(wǎng)、電多維戰(zhàn)場資源進行整合,構(gòu)建柔性殺傷鏈[8-9]。直升機飛行高度低、載重量小,傳感器探測能力及武器打擊能力受限,通過與其他平臺協(xié)同共享態(tài)勢和資源,提高任務(wù)能力和生存能力。以有人直升機與無人機協(xié)同作戰(zhàn)為例,有人直升機控制無人機執(zhí)行偵察、目標(biāo)打擊等任務(wù),自身不必攜帶雷達(dá)、武器等任務(wù)載荷,從而在盡量不增加自身設(shè)備重量的情況下實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)。直升機云協(xié)同作戰(zhàn)模式如圖1所示。

航電系統(tǒng)服務(wù)化是指把航電系統(tǒng)中的計算、存儲、探測、識別、打擊、指控等各個業(yè)務(wù)進行抽象,并以服務(wù)為單位進行開發(fā)和管理的方法。通過服務(wù)化設(shè)計可做到軟硬件之間、軟件模塊之間解耦,可獨立開發(fā)、部署和靈活組合使用,易于維護,提高系統(tǒng)敏捷構(gòu)建及互操作能力。

（2） 采用軟件定義方式實現(xiàn)信息處理一體化,支撐直升機航電系統(tǒng)功能靈活擴展

“軟件定義”概念最早在1985 年由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組提出,通過為基礎(chǔ)硬件設(shè)施構(gòu)建虛擬化軟件層及提供API接口供上層軟件調(diào)用,從而在不改變硬件的前提下實現(xiàn)新增功能,以適應(yīng)多樣性需求[10]。直升機用途廣、協(xié)同樣式多,航電系統(tǒng)升級改進較頻繁,面臨增加重量和成本等系列問題。隨著航空電子領(lǐng)域大規(guī)模集成器件、微系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展,軟件無線電、軟件定義雷達(dá)及軟件定義航電[11-12]等概念不斷發(fā)展,大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

針對直升機航電系統(tǒng)多樣化業(yè)務(wù)處理需求,通過軟件定義方式將硬件資源進行抽象和規(guī)范化封裝,形成虛擬資源池；通過分層設(shè)計使上層軟件與底層資源深度解耦； 根據(jù)任務(wù)處理時間及安全性、可靠性等要求差異,通過動態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)及處理資源滿足信息傳輸及處理需求,實現(xiàn)資源按需調(diào)配[12]。直升機航電系統(tǒng)軟件定義及一體化處理示意圖如圖2所示。

（3） 采用應(yīng)用APP 化設(shè)計,支持飛行員“一鍵式”高效操作

應(yīng)用APP的概念來自移動終端,是指為滿足系統(tǒng)任務(wù)或操作要求而由系統(tǒng)提供的各項能力的使用。每個應(yīng)用有明確的業(yè)務(wù)邊界,按照一定規(guī)則調(diào)用相關(guān)服務(wù)來執(zhí)行,從而簡化用戶操作,提高系統(tǒng)效率。直升機結(jié)構(gòu)及氣動特性復(fù)雜,飛行員駕駛和操縱難度極高。為減輕操作負(fù)荷,現(xiàn)代飛機座艙向虛擬座艙系統(tǒng)、飛行員輔助系統(tǒng)、機組自動化系統(tǒng)三個方向發(fā)展[13],沉浸式交互、目標(biāo)識別等人工智能技術(shù)逐步應(yīng)用[14],但是在執(zhí)行任務(wù)過程中,飛行員仍然要進行大量干預(yù)。未來面向有人直升機/無人機混合編組及直升機可選有人/無人駕駛模式需求,需進一步提升航電系統(tǒng)智能化水平。

針對直升機不同任務(wù)需求及場景,將航電乃至機載電子系統(tǒng)的探測、識別、打擊、飛行控制、系統(tǒng)管理等能力進行整合,并封裝成不同的應(yīng)用APP。根據(jù)直升機的任務(wù)需求和特點靈活加載相關(guān)APP,當(dāng)飛行員啟動相應(yīng)的APP后,自動整合相關(guān)資源和服務(wù),完成自動返航、編隊防撞等相關(guān)操作。

2 面向云服務(wù)的直升機航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

采用分級分布、靈活可組的設(shè)計理念開展直升機航電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。根據(jù)航電系統(tǒng)不同業(yè)務(wù)差異,按照應(yīng)用、服務(wù)、資源等進行分層分級,實現(xiàn)軟硬件縱向解耦。分布式是未來航電系統(tǒng)的基本特征,將軟硬件設(shè)計成通用組件,靈活部署在多架直升機上；通過開放式標(biāo)準(zhǔn)接口和服務(wù)化管理機制將軟硬件按需組合使用,從而執(zhí)行不同任務(wù)。系統(tǒng)由應(yīng)用層、服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)層、接入層和資源層組成[15],如圖3所示。

（1） 應(yīng)用層

由面向不同場景的系列應(yīng)用APP 組成,按照一定規(guī)則調(diào)用相關(guān)服務(wù)執(zhí)行任務(wù)。以協(xié)同打擊APP 為例,當(dāng)飛行員啟動該應(yīng)用并設(shè)置相關(guān)參數(shù)后,該APP 根據(jù)協(xié)同平臺部署的資源及服務(wù)情況自動進行任務(wù)分解和分配,分析所需的航路規(guī)劃、態(tài)勢感知、障礙物告警等服務(wù)及關(guān)聯(lián)的資源,動態(tài)調(diào)用相關(guān)服務(wù)及資源執(zhí)行任務(wù)。

（2） 服務(wù)層

由實現(xiàn)航電系統(tǒng)具體功能的服務(wù)組件組成,用來響應(yīng)應(yīng)用APP要求,通過優(yōu)化組織各類服務(wù)和底層資源,提供動態(tài)、彈性的具體業(yè)務(wù)處理能力,支撐應(yīng)用執(zhí)行。

（3） 網(wǎng)絡(luò)層

由網(wǎng)絡(luò)組件組成,包括傳統(tǒng)機載總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組件、數(shù)據(jù)鏈協(xié)議組件及網(wǎng)絡(luò)配置、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)傳輸管理等組件,支持?jǐn)?shù)據(jù)按需交互。

（4） 接入層

由接入組件組成,包括資源抽象和封裝、接入偵聽、訪問控制、安全管理等組件,為計算、存儲、通信、探測、打擊等資源提供接入系統(tǒng)的能力。

（5） 資源層

主要包括計算器、存儲器、通信網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備、I/O接口設(shè)備等物理資源,提供探測、計算、存儲等基本能力。

圖3 面向云服務(wù)的航空電子架構(gòu)框架Fig.3 Avionics architecture framework for cloud services

2.2 應(yīng)用APP設(shè)計

面向典型應(yīng)用場景及任務(wù)需求,通過應(yīng)用APP 設(shè)計將信息顯示、飛行員操作、服務(wù)組件運行、信息輸入/輸出等進行有序關(guān)聯(lián),飛行員只要簡單輸入指令及參數(shù)便可啟動APP,從而減少中間過程的操作。另外,通過APP化設(shè)計可以將大規(guī)模、緊耦合的系統(tǒng)軟件進行模塊化組織,提高運行及保障維護的便捷性。

根據(jù)應(yīng)用范圍不同,可將應(yīng)用APP分為跨平臺協(xié)同應(yīng)用（如協(xié)同打擊、無人機指控等）、單平臺任務(wù)類應(yīng)用（如區(qū)域偵察、低空突防等）、單平臺飛行類應(yīng)用（如自動返航、自動著陸等）及保障維護應(yīng)用等,通過調(diào)用遠(yuǎn)程或本機服務(wù)執(zhí)行任務(wù)。

2.3 云服務(wù)組件設(shè)計

參考云計算領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）和軟件即服務(wù)（SaaS）三種服務(wù)方式,可分別將航電系統(tǒng)資源、軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺及系列功能組件封裝成服務(wù),以便于查詢和使用。

（1） 資源服務(wù)組件

將探測傳感器、處理器、武器等物理資源進行抽象和封裝,提供服務(wù)接口及基礎(chǔ)能力。根據(jù)航空電子系統(tǒng)資源的種類及使用范圍不同,資源可分為體系資源、本機公用資源和私有資源。其中,體系資源主要是指可被其他平臺遠(yuǎn)程訪問或控制的物理資源,如探測傳感器；本機公用資源通過虛擬化、時間分區(qū)及空間分區(qū)等機制,為本機業(yè)務(wù)處理提供可復(fù)用資源,如通用處理資源；私有資源受安全性、可靠性等制約,僅對特定的服務(wù)開放訪問,如飛行管理資源。

（2） 軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺

軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺,即開放式軟件運行環(huán)境,由服務(wù)管理組件、基礎(chǔ)管理組件、網(wǎng)絡(luò)組件及接入組件組成。通過服務(wù)管理組件實現(xiàn)服務(wù)加載、注冊、動態(tài)發(fā)現(xiàn)管理；通過基礎(chǔ)管理組件實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)、數(shù)據(jù)記錄、日志管理等；通過網(wǎng)絡(luò)組件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)動態(tài)路由；通過接入組件實現(xiàn)資源動態(tài)發(fā)現(xiàn)、識別、身份認(rèn)證及注冊管理等。軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺與直升機業(yè)務(wù)無關(guān),通用性比較強,可根據(jù)不同直升機航電系統(tǒng)特點按需裁剪。軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺組成框架如圖4所示。

（3） 業(yè)務(wù)領(lǐng)域服務(wù)組件

面向直升機航電系統(tǒng)目標(biāo)探測、態(tài)勢感知、任務(wù)規(guī)劃、電子對抗、目標(biāo)打擊、飛行管理等具體業(yè)務(wù),對相關(guān)功能進行抽象和服務(wù)化封裝,對外提供標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口,如導(dǎo)航定位服務(wù)、目標(biāo)識別服務(wù)和態(tài)勢分析服務(wù)等。

（4） 服務(wù)組件的規(guī)范化設(shè)計

在開展服務(wù)組件設(shè)計時,可參考未來機載能力環(huán)境（FACE）標(biāo)準(zhǔn)提出的輸入輸出服務(wù)段（IOSS）、平臺特定服務(wù)段（PSSS）、傳輸服務(wù)段（TSS）和可移植組件段（PCS）等接口及共享數(shù)據(jù)模型開展設(shè)計,實現(xiàn)軟硬件深度解耦和接口封裝等,提高組件的可重用性[16],減少系統(tǒng)集成成本。

此外,需要從靈活性、可重用性及關(guān)鍵性能指標(biāo)要求等多方面進行綜合權(quán)衡,設(shè)計顆粒度合理的服務(wù),明確服務(wù)之間的依賴關(guān)系,并為每個服務(wù)組件設(shè)置優(yōu)先級和訪問權(quán)限。優(yōu)先級表示在調(diào)用同一服務(wù)組件時,優(yōu)先級高的先調(diào)用；而訪問權(quán)限則限制了與當(dāng)前服務(wù)組件無關(guān)的應(yīng)用軟件不能訪問該服務(wù)組件。

2.4 模塊化硬件資源設(shè)計

受直升機設(shè)備安裝空間、重量、功耗受限等因素影響,直升機航電系統(tǒng)硬件宜采用分布式綜合模塊化設(shè)計,需要對硬件資源的電氣接口（如連接器選型、連接器信號定義、總線接口類型、負(fù)載能力等）、電源接口（如電壓、電流、功耗等）、數(shù)據(jù)接口（如數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、消息格式定義、控制命令、資源狀態(tài)等）、初始化及狀態(tài)監(jiān)控等內(nèi)容進行規(guī)范化定義,從而提升硬件資源跨平臺復(fù)用能力。

3 面向云服務(wù)的直升機航電系統(tǒng)運行管理

3.1 運行管理框架

圖4 軟件基礎(chǔ)服務(wù)平臺組成框架Fig.4 Composition framework of software basic service platform

面向直升機協(xié)同任務(wù)需求,需要從任務(wù)管理、服務(wù)管理、資源管理三個維度建立一體化的動態(tài)管理機制。首先,在作戰(zhàn)任務(wù)層面,通過對任務(wù)目標(biāo)、約束、作戰(zhàn)節(jié)點進行分析,制訂任務(wù)計劃,包括所需的應(yīng)用APP、服務(wù)能力及資源等,并把計劃下發(fā)給協(xié)同平臺,各平臺分別加載相關(guān)應(yīng)用及服務(wù)組件；其次,面向應(yīng)用APP運行需求,在戰(zhàn)術(shù)體系內(nèi)動態(tài)發(fā)布服務(wù)請求,并對各作戰(zhàn)節(jié)點提供的服務(wù)進行編排、組合、監(jiān)控等；最后,根據(jù)服務(wù)要求、服務(wù)與資源的相關(guān)性動態(tài)管理資源,如調(diào)整傳感器工作模式、重分配存處理資源等。系統(tǒng)管理由任務(wù)管理器、服務(wù)管理器和資源管理器實現(xiàn),管理框架如圖5所示。

3.2 任務(wù)管理器

任務(wù)管理器根據(jù)加載的協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù),自動完成任務(wù)分析和分解,確定任務(wù)約束條件、具體過程、結(jié)束標(biāo)志以及所需的應(yīng)用APP、服務(wù)及資源等,生成最佳的可選方案輔助飛行員進行戰(zhàn)術(shù)決策,并通過任務(wù)調(diào)度器控制系統(tǒng)各單元來自動完成任務(wù)作業(yè)。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件等時,系統(tǒng)需要對事件的危害進行評估,并確定是否中斷任務(wù)或轉(zhuǎn)到其他任務(wù)模式,完成任務(wù)計劃動態(tài)調(diào)整。

3.3 服務(wù)管理器

服務(wù)管理器采用支持資源融合與優(yōu)化共享的服務(wù)編排與優(yōu)化方案,對不同直升機及其航電系統(tǒng)提供的服務(wù)進行統(tǒng)一管理。服務(wù)管理器主要由服務(wù)規(guī)劃模塊、控制模塊、監(jiān)控模塊和分析模塊等組成。

（1）服務(wù)規(guī)劃模塊

根據(jù)應(yīng)用APP關(guān)聯(lián)的服務(wù)組件、期望的QoS數(shù)據(jù)以及應(yīng)用中每個獨立模塊的技術(shù)需求,調(diào)用發(fā)現(xiàn)API獲取不同服務(wù)的功能和相應(yīng)特性,制訂服務(wù)部署計劃及服務(wù)編排方案。

（2）服務(wù)控制模塊

實現(xiàn)服務(wù)組件的多節(jié)點部署,其中部署組件服從由規(guī)劃模塊生成的編排規(guī)范,通過服務(wù)部署API,將各服務(wù)組件部署在目標(biāo)平臺上。

（3）服務(wù)監(jiān)控模塊

監(jiān)控云服務(wù)在運行過程中是否出現(xiàn)異常或偏離了預(yù)期目標(biāo),若監(jiān)測到需求未被滿足,則觸發(fā)服務(wù)分析模塊重新生成配置建議。

（4）服務(wù)分析模塊

對服務(wù)需求和服務(wù)運行情況進行綜合分析,生成新的服務(wù)配置建議并傳遞給服務(wù)規(guī)劃模塊,以形成一個新的部署協(xié)調(diào)方案。

直升機航電系統(tǒng)通過分布在不同平臺上的服務(wù)組合優(yōu)選執(zhí)行協(xié)同任務(wù),服務(wù)組合優(yōu)選的流程可分為4 種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):串行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、并行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及循環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,如圖6所示。

3.4 資源管理器

圖5 面向云服務(wù)的航電系統(tǒng)管理框架Fig.5 Service-oriented avionics system management framework

資源管理器通過負(fù)載均衡、并發(fā)訪問控制等機制合理分配資源,使資源能提供高效的服務(wù),提高任務(wù)效率和性能[17]。資源管理器主要由狀態(tài)監(jiān)控模塊、請求隊列管理模塊、并發(fā)請求控制與調(diào)度模塊以及動態(tài)分配與管理模塊組成。具體功能有以下幾個方面。

（1） 狀態(tài)監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)對物理資源及運行其上的服務(wù)狀態(tài)進行監(jiān)控,通過相應(yīng)的管理與監(jiān)控組件采集每個資源配額和使用情況,包括資源的使用頻率、所處狀態(tài)以及負(fù)載量等。

圖6 服務(wù)組合流程模型Fig.6 Model of service composition process

（2） 請求隊列管理模塊負(fù)責(zé)對并發(fā)請求進行緩存和管理,實現(xiàn)基于優(yōu)先級的隊列模式,通過對不同服務(wù)約定不同優(yōu)先級的方式保證服務(wù)質(zhì)量,通過消息隊列緩存多優(yōu)先級服務(wù)請求,從而避免因瞬時流量爆發(fā)而引起服務(wù)失敗等問題。

（3） 并發(fā)請求控制與調(diào)度模塊主要負(fù)責(zé)對大規(guī)模并發(fā)訪問請求進行控制和調(diào)度。消息隊列按照特定的優(yōu)先級策略獲取服務(wù)請求,并根據(jù)資源狀態(tài)信息及本次服務(wù)請求預(yù)占用資源估計情況進行綜合判定,按照特定的負(fù)載均衡策略將該條服務(wù)請求轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的物理資源,物理資源接收到請求后進行處理,并將結(jié)果返回給服務(wù)請求者。

（4） 動態(tài)分配與管理模塊負(fù)責(zé)對服務(wù)具體執(zhí)行資源的調(diào)度,根據(jù)服務(wù)監(jiān)控數(shù)據(jù)以及請求消息隊列中的請求數(shù)量,按照資源按需動態(tài)分配策略給出資源的數(shù)量及配額,然后調(diào)度資源。

（5） 為保證在通信帶寬受限時系統(tǒng)信息共享和協(xié)作順利,各平臺節(jié)點之間采用統(tǒng)一、精簡的通信數(shù)據(jù)和指令。同時,建立資源狀態(tài)反饋機制,動態(tài)分配與管理模塊根據(jù)反饋結(jié)果重新協(xié)調(diào)資源調(diào)度計劃,以得到最大收益。全局資源調(diào)度算法主要包括遺傳算法、人工蜂群算法等。

全局資源按需動態(tài)分配管理框架如圖7所示。

圖7 資源按需動態(tài)分配管理框架Fig.7 A framework for dynamic allocation and management of resources on demand

4 結(jié)束語

隨著航空科技的發(fā)展及直升機任務(wù)能力需求的不斷變化,直升機開放式航空電子系統(tǒng)架構(gòu)的概念和內(nèi)涵也在不斷發(fā)展,從單平臺資源綜合、功能綜合到跨平臺能力柔性聚合。本文采用面向服務(wù)思想,從應(yīng)用可加載、服務(wù)可組合、資源全局調(diào)配等維度提出了面向云服務(wù)的直升機航電系統(tǒng)架構(gòu)方案,現(xiàn)階段將開展相關(guān)技術(shù)集成驗證。