強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)技術(shù)框架研究

程翔+葛劍峰+張輝+郭紅衛(wèi)

摘 要： 針對強實時性系統(tǒng)中信息分發(fā)存在的問題，以美國C2BMC系統(tǒng)特點為背景，結(jié)合我軍當(dāng)前在此領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，提出了一種智能化信息分發(fā)框架技術(shù)。本文首先分析了強實時性系統(tǒng)信息分發(fā)的需求及特點，針對性地介紹了DDS（Data Distribution Service）技術(shù)，結(jié)合DDS的QoS策略以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)的可靠傳輸以及基于本體的數(shù)據(jù)組織分類，為信息智能分發(fā)提供支撐。最后提出本框架的幾個關(guān)鍵技術(shù)點。全文為實現(xiàn)強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)提出了設(shè)想和建議。

關(guān)鍵詞： DDS； QoS； 實時性； 智能分發(fā)； 可靠傳輸

中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-12-04

Research on the framework of intelligent information distribution technology

for the strong real-time system

Cheng Xiang1， Ge Jianfeng2， Zhang Hui2， Guo Hongwei2

（1. The Navy Communication Agent's Office in Suzhou， Suzhou， Jiangsu 211100， China； 2. The 52nd research institute of CETC）

Abstract： Against the background of the features of USA C2BMC system， combining with the current research basis that our army has got in this field， this paper puts forward a kind of intelligent information distribution framework technology aiming at the information distribution problems existed in the strong real-time system. In this paper， at first， the demands and features of the information distribution in strong real-time system are analyzed. Specifically， the DDS （Data Distribution Service） technology is introduced， and combines with the QoS strategy of DDS to ensure the reliable transmission of data distribution and the ontology-based data organization classification， to provide support for intelligent information distribution， and finally， several key technical points of this framework are pointed out. The full text of this paper provides some ideas and suggestions for realizing the intelligent information distribution of strong real-time system.

Key words： DDS； QoS； real-time； intelligent distribution； reliable transmission

0 引言

21世紀初年，美軍研制出了用于彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的指揮控制、作戰(zhàn)管理與通信（C2BMC[1]）系統(tǒng)。該系統(tǒng)由龐大且復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、計算機、工作站、交換機、路由器、通訊設(shè)施等硬件和各類作戰(zhàn)軟件構(gòu)成，具有態(tài)勢感知、自適應(yīng)規(guī)劃、交戰(zhàn)控制、建模/仿真/分析、通信五種能力；能接收來自地面、海上、空中和天基的傳感器信息，協(xié)調(diào)地面、海上、空中和天基的武器對確定目標(biāo)進行攻擊。

彈道目標(biāo)射程遠、速度快、再入角大、雷達散射面積小、真假目標(biāo)識別困難等特點，對C2BMC系統(tǒng)的實時性、自動化和智能化提出了很高要求。在導(dǎo)彈防御作戰(zhàn)中分發(fā)的信息種類繁多、關(guān)系復(fù)雜、體制信道多樣、實時性強、數(shù)據(jù)量大，因此信息分發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計與研制難度較大[2]。

我國也開展了信息種類繁多、關(guān)系復(fù)雜、實時性強、數(shù)據(jù)量大的信息分發(fā)系統(tǒng)研究，并取得了突出成就，但也面臨極大挑戰(zhàn)，主要差距體現(xiàn)在以下方面：

⑴ 網(wǎng)絡(luò)中心化服務(wù)體系建設(shè)尚處于起步和探索階段，信息系統(tǒng)的集成方式難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化的發(fā)展方向，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)間存在功能重疊，部分功能模塊使用率不夠高，且通信網(wǎng)絡(luò)對惡劣環(huán)境的適應(yīng)力較差，對實戰(zhàn)化支撐能力不足；

⑵ 信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)剛剛起步，缺乏大容量數(shù)據(jù)交換的有效支撐，無法滿足圖像、視頻等大容量數(shù)據(jù)的實時傳輸和分發(fā)要求；

⑶ 信息資源的開發(fā)利用還處于分散無序狀態(tài)，提高信息共享能力還存在諸多制約因素，在信息資源建設(shè)、信息共享模式和信息應(yīng)用方式存在薄弱環(huán)節(jié)。

1 強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)的應(yīng)用需求

強實時性信息分發(fā)技術(shù)要求將各種異構(gòu)動態(tài)的傳感器節(jié)點、武器平臺節(jié)點、指控節(jié)點和其他軟硬件資源有機融合，能夠?qū)Ω黝愜娪眯畔⑦M行搜集、存儲、傳輸、處理和分發(fā)，并對各類信息資源進行一體化的組織管理，支持節(jié)點隨時接入、即插即用，支持信息實時共享、節(jié)點動態(tài)部署和軍事行動全面協(xié)作。在軍事應(yīng)用背景下某些處于核心地位的系統(tǒng)，其功能和性能直接影響作戰(zhàn)效果，具有更高的時效性、正確性、協(xié)同性要求。該類系統(tǒng)不僅要滿足特殊環(huán)境下信息傳輸、處理與應(yīng)用的需求，還應(yīng)支持信息的實時互傳與共享應(yīng)用。

未來基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力要求要根據(jù)用戶需要建立靈活的信息獲取和分發(fā)機制，在海量信息存在的情況下實現(xiàn)信息靈活按需分發(fā)。因此，強實時性系統(tǒng)信息分發(fā)應(yīng)滿足強實時、高可靠、可擴展、智能化等要求。

⑴ 強實時

軍事應(yīng)用場景下很多情況下對信息實時性要求極強，只有滿足實時性要求才能做出準確的決策和判斷，這些決策和判定都需要很多的信息作為輸入來完成，如何提供及時的信息往往是軍事應(yīng)用中很重要的一個因素。

⑵ 高可靠

軍事應(yīng)用環(huán)境下通常信息需要同時發(fā)送給多個用戶，但該環(huán)境下的通信鏈路帶寬較低，無法使用單播和廣播技術(shù)，因此需要在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬減少網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下保證每份數(shù)據(jù)送達到每個需要數(shù)據(jù)的用戶。另外，戰(zhàn)場的環(huán)境是錯綜復(fù)雜的，作戰(zhàn)單元的位置也是無法預(yù)知的，如某作戰(zhàn)單元可能在某些區(qū)域內(nèi)無法正確接收分發(fā)信息，但是當(dāng)其離開這些區(qū)域后，要能準確地收到之前的戰(zhàn)場信息，能夠第一時間應(yīng)對此信息。

⑶ 可擴展

當(dāng)前軍備的發(fā)展速度非常迅猛，能夠高效低耗的完成對軍事設(shè)備單元的伸縮擴展是軍事應(yīng)用系統(tǒng)一項非常必要的能力。系統(tǒng)應(yīng)具備模塊化、即插即用、隨遇接入、松耦合、可裁剪組合、靈活動態(tài)部署等特點，應(yīng)支持不同通信體制、數(shù)據(jù)類型和操作系統(tǒng)，信息能夠無縫連接。

⑷ 智能化

隨著大數(shù)據(jù)時代下計算機技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，情報收集能力越來越強，信息共享的范圍及共享途徑也隨著擴大?！靶畔?yōu)勢”、“聯(lián)合作戰(zhàn)”、“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”等作戰(zhàn)理念的提出帶來了作戰(zhàn)模式變革。傳統(tǒng)的指揮方式和手段速度慢、準確率低、對指揮員個人能力依賴性大。面對海量信息及大量精確制導(dǎo)武器的突襲，傳統(tǒng)的指揮控制方式已經(jīng)難以滿足要求，這些都加速了指揮控制系統(tǒng)的自動化智能化進程，需要將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢，實現(xiàn)指揮智能化。

2 DDS數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)

DDS是由OMG發(fā)布的一個關(guān)于分布式實時系統(tǒng)中發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）模型的規(guī)范。規(guī)范的核心是以數(shù)據(jù)為中心的發(fā)布/訂閱——為應(yīng)用程序發(fā)布和訂閱數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)架構(gòu)。發(fā)布/訂閱模型通信規(guī)范具有匿名通信、按需分發(fā)數(shù)據(jù)、一對多通信等特性，能夠很好地滿足大型分布式系統(tǒng)松耦合結(jié)構(gòu)的需求，適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息分發(fā)共享，[3]支持應(yīng)用程序之間高效地分發(fā)數(shù)據(jù)。在這種模型中，節(jié)點只需要訂閱它所感興趣的數(shù)據(jù)，或者發(fā)布它所能提供的數(shù)據(jù)。前者稱為訂閱者（Subscriber），后者稱為發(fā)布者（Publisher），該模型中發(fā)布者和訂閱者之間的通信完全是由中間件來完成的。幾種發(fā)布/訂閱模型如圖1所示。

可以看到，在一個系統(tǒng)中，每個角色即可能是一種信息的發(fā)布者，也可能是另外一種信息的訂閱者，其優(yōu)點是系統(tǒng)中各個節(jié)點之間是松耦合的關(guān)系，這就實現(xiàn)了各個節(jié)點間的異步獨立性[4]。

DDS將區(qū)別數(shù)據(jù)類型的主題與不同的QoS策略組合，適當(dāng)?shù)腝oS策略使系統(tǒng)具有良好的可擴展性，即使某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生故障，其他部分仍然能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過載或擁塞時，QoS能夠保證傳輸?shù)年P(guān)鍵數(shù)據(jù)不被丟棄，同時能使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高效運行。多點傳送則是把單個網(wǎng)絡(luò)分組同時發(fā)送給多個分布式節(jié)點，極大地增加了大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。通過QoS提供的通訊機制控制服務(wù)行為和調(diào)整需求，滿足分布式實時系統(tǒng)的實時性與網(wǎng)絡(luò)性能的要求，在傳輸大量數(shù)據(jù)和通信性能方面有著良好的可預(yù)測性和明顯的優(yōu)勢[5]。

目前市場上DDS規(guī)范的實現(xiàn)產(chǎn)品比較有名的有RTI DDS、OpenDDS以及Opensplice DDS三種。圖2展示了一種被被廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)管理、航天航空、空中交通流量控制等領(lǐng)域的DDS應(yīng)用框圖。它獨立于操作系統(tǒng)和編程語言，極大地方便不同系統(tǒng)之間的通信。

結(jié)合DDS的優(yōu)勢及應(yīng)用場景，針對強實時性系統(tǒng)信息分發(fā)的特點，基于DDS總線實現(xiàn)的信息分發(fā)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

⑴ 可以有效的降低設(shè)備之間的耦合性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定系；

⑵ 屏蔽多種設(shè)備連接接口的差異性，降低數(shù)據(jù)控制交換復(fù)雜程序；

⑶ 設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換格式增加時，研發(fā)人員無需擴充原有的程序，只需專注于解決業(yè)務(wù)邏輯；

⑷ 結(jié)合將DDS的topic和QoS策略組合，可以很好的適應(yīng)惡劣的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。

3 強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)技術(shù)框架

強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)技術(shù)以DDS為基礎(chǔ)，一方面高效地整合和管理異構(gòu)數(shù)據(jù)資源，另一方基于DDS技術(shù)，面向業(yè)務(wù)層按需提供數(shù)據(jù)智能化推送服務(wù)。主要功能包括：

⑴ 提供基于海量數(shù)據(jù)的存儲管理能力，實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲和管理；

⑵ 支持存儲虛擬化，能夠?qū)⒍嗯_存儲設(shè)備的存儲空間整合為存儲資源池，實現(xiàn)存儲空間的動態(tài)劃分；

⑶ 支持異構(gòu)數(shù)據(jù)元模型設(shè)計、抽象異構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建本體信息庫、管理分布式本體庫，支持分布式信息檢索，提供數(shù)據(jù)快速檢索、數(shù)據(jù)精確定位；

⑷ 提供基于Web的運維管理服務(wù)，提供運維管理工具集，能夠?qū)ο到y(tǒng)服務(wù)進行管理，支持數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)服務(wù)的QoS策略自定義設(shè)置；

⑸ 支持權(quán)限劃分，數(shù)據(jù)本身、使用數(shù)據(jù)的使用者均可根據(jù)需要賦予相應(yīng)的級別和權(quán)限，在數(shù)據(jù)智能化推薦時結(jié)合用戶身份進行針對性的過濾篩選敏感數(shù)據(jù)；

⑹ 提供標(biāo)準的技術(shù)開發(fā)規(guī)范，包括服務(wù)接口規(guī)范——支持發(fā)布/訂閱設(shè)計思想的應(yīng)用程序接口（API）；數(shù)據(jù)交換規(guī)范—提高信息共享能力，支持大容量情報數(shù)據(jù)交換；數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)管理規(guī)范—提升信息資源建設(shè)能力，為信息應(yīng)用提供基礎(chǔ)加強信息共享。

3.1 強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)技術(shù)總體架構(gòu)

強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)技術(shù)總體框架如圖3所示。

基于自主軟硬件的計算、存儲和交換資源為共用信息基礎(chǔ)服務(wù)提供信息基礎(chǔ)設(shè)施。資源虛擬化通過集群、分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，實現(xiàn)本地異構(gòu)信息系統(tǒng)之間和多中心之間的協(xié)同工作，對外提供統(tǒng)一的資源管理，為更高效、更可靠的信息分發(fā)服務(wù)性能提供底層資源保障。

分布式存儲管理實現(xiàn)存儲空間和存儲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)管理，包括存儲空間管理、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)備份容災(zāi)和數(shù)據(jù)遷移等功能。

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)提供可供多系統(tǒng)多用戶共享的數(shù)據(jù)存儲機制，包括文件存儲、數(shù)據(jù)庫存儲和數(shù)據(jù)倉庫等服務(wù)。元數(shù)據(jù)管理遵循一定的數(shù)據(jù)策略和數(shù)據(jù)標(biāo)準對數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)元素進行存儲和管理，并提供對元數(shù)據(jù)的訪問接口。元數(shù)據(jù)反映了數(shù)據(jù)內(nèi)容與數(shù)據(jù)源之間的關(guān)系，通過元數(shù)據(jù)庫，管理員可以對云存儲系統(tǒng)進行全面的管理和維護，用戶可方便的了解系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)概括。數(shù)據(jù)交換服務(wù)提供面向任務(wù)的數(shù)據(jù)包生產(chǎn)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出和跨庫數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)訂閱分發(fā)服務(wù)基于DDS實現(xiàn)數(shù)據(jù)訂閱、發(fā)布和推送功能，可在數(shù)據(jù)創(chuàng)建時自動快速地將數(shù)據(jù)推送給需要該數(shù)據(jù)的用戶，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)按需分配并提高數(shù)據(jù)的時效性?；贒DS的 Qos策略綁定不同的主題可以有效的實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。基于角色權(quán)限的信息訪問控制可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類訪問。

運維管理提供可視化的管理和訪問工具，包括云存儲系統(tǒng)運行維護管理工具、元數(shù)據(jù)管理和訪問工具、數(shù)據(jù)集成工具和數(shù)據(jù)標(biāo)準一致性驗證工具等。

設(shè)計開發(fā)規(guī)范提供定義數(shù)據(jù)共享的元數(shù)據(jù)管理規(guī)范、大容量數(shù)據(jù)交換規(guī)范、服務(wù)接口規(guī)范，以及保證存儲系統(tǒng)安全可靠運行的Qos策略定義。

3.2 基于DDS的數(shù)據(jù)總線服務(wù)

基于DDS的數(shù)據(jù)總線服務(wù)可以使應(yīng)用層不再需要關(guān)心數(shù)據(jù)放在哪里、怎么管理以及如何進行數(shù)據(jù)安全防護，通過訂閱/發(fā)布相應(yīng)的主題為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。如圖4顯示的是基于DDS的數(shù)據(jù)總線服務(wù)模式。

公用信息基礎(chǔ)服務(wù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、組織、關(guān)聯(lián)、檢索查詢等功能。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需要通過DDS數(shù)據(jù)總線進行不同的主題訂閱，實現(xiàn)數(shù)據(jù)按需分發(fā)。運維管理部分通過web服務(wù)實現(xiàn)QoS策略可配置功能，在線提供運維工具以及相關(guān)服務(wù)狀態(tài)信息管理。

4 強實時性系統(tǒng)信息智能分發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

強實時性系統(tǒng)信息分發(fā)技術(shù)研究的關(guān)鍵點有以下。

⑴ 數(shù)據(jù)組織、分布式存儲與快速查詢技術(shù)。分析數(shù)據(jù)特點，研究數(shù)據(jù)的組織與存儲形式；分析本體庫對標(biāo)準化定義數(shù)據(jù)的影響；分析需求，開展基于本體的數(shù)據(jù)組織、分布式存儲和快速查詢技術(shù)的研究，提出分布式本體庫構(gòu)建方法和元數(shù)據(jù)管理規(guī)范。

⑵ 基于DDS的數(shù)據(jù)總線。為軍用系統(tǒng)平臺提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)分發(fā)、處理機制和接口標(biāo)準，使各個信息系統(tǒng)部件可以在總線上“即插即用”，滿足軍用系統(tǒng)松耦合的需求。

⑶ 本體庫構(gòu)建技術(shù)。異構(gòu)數(shù)據(jù)的一體化抽象定義的關(guān)鍵就是本體信息構(gòu)建，該技術(shù)將直接影響數(shù)據(jù)管理和服務(wù)的一體化。軍用領(lǐng)域本體庫構(gòu)建及快速檢索技術(shù)，實質(zhì)是異構(gòu)數(shù)據(jù)語義定義、元數(shù)據(jù)管理和分布式信息檢索的設(shè)計問題，難點是基于本體的軍用系統(tǒng)數(shù)據(jù)元模型設(shè)計、分布式領(lǐng)域本體庫的高效數(shù)據(jù)管理和快速檢索、精確數(shù)據(jù)定位[6]。

⑷ 面向需求的信息關(guān)聯(lián)推薦。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)推薦是信息智能化分發(fā)的核心技術(shù)，是突破數(shù)據(jù)化被動為主動使用的關(guān)鍵。其實質(zhì)是數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)并推送的設(shè)計問題。難點在于結(jié)合典型任務(wù)需求的流程要求、參與者角色及其權(quán)限進行信息關(guān)聯(lián)和價值評估，并盡可能地優(yōu)化設(shè)計提高準確度。

5 結(jié)束語

本文針對強實時性系統(tǒng)中強實時、高可靠、可擴展、智能化的需求，圍繞特定環(huán)境下信息服務(wù)可靠性不足、大容量情報信息交換時效性差、信息資源分散無序等問題，提出一種信息智能分發(fā)系統(tǒng)的框架，旨在滿足系統(tǒng)的實時性要求，提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并在系統(tǒng)進行設(shè)備調(diào)整和修改時，降低對系統(tǒng)影響，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

結(jié)合DDS數(shù)據(jù)總線技術(shù)，配合不同的DDS QoS策略可以很好地保障數(shù)據(jù)的可靠傳輸，依據(jù)DDS的訂閱/發(fā)布模型進行設(shè)備間通信，可以很好的保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將設(shè)備的調(diào)整與修改對系統(tǒng)的影響降到最低。

智能信息分發(fā)系統(tǒng)，如何實現(xiàn)信息的智能化推薦是一個值得進一步研究的課題，智能化的程度將會直接影響到應(yīng)用業(yè)務(wù)的邏輯決策?；诒倔w的數(shù)據(jù)組織和管理便于進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如何更好的滿足實際業(yè)務(wù)邏輯，是一個更深層次的課題。結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)技術(shù)，進行深度的數(shù)據(jù)挖掘，提升按照領(lǐng)域進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并推送到業(yè)務(wù)層，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能推送，進而滿足強實時性系統(tǒng)的智能化需求。

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