基于Agent的衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)設(shè)計(jì)

馬英哲

摘要：通過對(duì)各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)特點(diǎn)的分析，抽取了不同種類衛(wèi)星產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)的共同點(diǎn)，提出了建設(shè)一種采用三級(jí)調(diào)度組織結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)思想，基于Agent思想設(shè)計(jì)了平臺(tái)運(yùn)行架構(gòu)，并以隊(duì)列管理調(diào)度為核心進(jìn)行了Agent結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對(duì)各種調(diào)度策略的優(yōu)劣分析，為各Agent分配了合理的調(diào)度策略，通過實(shí)例驗(yàn)證了平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：Agent；產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)；隊(duì)列管理；調(diào)度策略

中圖分類號(hào)：TP309.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）21-56-4

0引言

衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過地面接收站從衛(wèi)星傳輸?shù)降孛嬷?，地面系統(tǒng)需要對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于數(shù)據(jù)量和用戶需求大，地面系統(tǒng)往往需要一套生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)完成各類數(shù)據(jù)的生產(chǎn)協(xié)調(diào)任務(wù)。隨著我國衛(wèi)星種類和數(shù)量的不斷增多，設(shè)計(jì)一套能夠使用各種衛(wèi)星的產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)，能夠很好地節(jié)約研制成本并提高研發(fā)效率。在平臺(tái)中引入Agent設(shè)計(jì)理念[1]，能夠?qū)πl(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)無人值守的自動(dòng)化的決策調(diào)度，并最大限度地提高系統(tǒng)資源的利用率和產(chǎn)品生產(chǎn)的效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

1產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)

無論是遙感衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、試驗(yàn)衛(wèi)星或科學(xué)衛(wèi)星，幾乎所有衛(wèi)星都需要通過地面接收站將星上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)下傳至地面，然后通過地面系統(tǒng)對(duì)星上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到各級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)是地面系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的調(diào)度中樞，如圖1所示。負(fù)責(zé)對(duì)各類不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，接收各衛(wèi)星用戶提出的產(chǎn)品生產(chǎn)請(qǐng)求，根據(jù)不同衛(wèi)星不同產(chǎn)品的生產(chǎn)流程調(diào)度各衛(wèi)星各級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2平臺(tái)架構(gòu)與調(diào)度策略

2.1平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)是一個(gè)集流程管理和隊(duì)列管理的自動(dòng)化調(diào)度平臺(tái)，分為三級(jí)調(diào)度，如圖2所示，分別為生產(chǎn)請(qǐng)求調(diào)度、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度和生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度。

①生產(chǎn)請(qǐng)求調(diào)度：對(duì)大量產(chǎn)品生產(chǎn)請(qǐng)求進(jìn)行分解與合并，構(gòu)成生產(chǎn)任務(wù)隊(duì)列。

②生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度：針對(duì)生產(chǎn)任務(wù)創(chuàng)建生產(chǎn)流程實(shí)例，根據(jù)流程的流向與分支下達(dá)不同的生產(chǎn)作業(yè)。

③生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度：采用隊(duì)列管理的方式，根據(jù)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)、每種作業(yè)的負(fù)載要求、剩余生產(chǎn)資源狀況等要素，對(duì)作業(yè)進(jìn)行合理分配，調(diào)度作業(yè)的執(zhí)行，保證整體作業(yè)的效率和資源的充分利用。

此外，與調(diào)度平臺(tái)配套使用的監(jiān)控UI，完成應(yīng)急生產(chǎn)請(qǐng)求的提交、生產(chǎn)流程、資源和隊(duì)列狀態(tài)的監(jiān)控。

2.2平臺(tái)運(yùn)行架構(gòu)

產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)基于Agent思想，構(gòu)建通用化流程調(diào)度Agent以及可擴(kuò)展的隊(duì)列管理Agent，并結(jié)合智能的業(yè)務(wù)調(diào)度Agent，共同組建支持多星多產(chǎn)品的通用產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)。

根據(jù)三級(jí)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，平臺(tái)運(yùn)行架構(gòu)如圖3所示，一級(jí)調(diào)度為業(yè)務(wù)調(diào)度Agent，采用智能算法進(jìn)行大量生產(chǎn)請(qǐng)求的分解與沖突合并，優(yōu)化生產(chǎn)任務(wù)隊(duì)列。

生產(chǎn)任務(wù)下發(fā)至二級(jí)調(diào)度，即流程調(diào)度Agent。流程調(diào)度Agent根據(jù)任務(wù)的要求創(chuàng)建各個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程實(shí)例，為每個(gè)流程步驟創(chuàng)建生產(chǎn)作業(yè)，完成各產(chǎn)品各生產(chǎn)步驟的并行調(diào)度。生產(chǎn)作業(yè)下發(fā)至三級(jí)調(diào)度。

三級(jí)調(diào)度由隊(duì)列管理[3]Agent組負(fù)責(zé)，一共包含6個(gè) Agent，根據(jù)作業(yè)所處的階段及狀態(tài)劃分為等待隊(duì)列管理Agent、調(diào)度隊(duì)列管理Agent、處理隊(duì)列管理Agent、取消隊(duì)列管理Agent、異常隊(duì)列管理Agent和完成隊(duì)列管理Agent。它們行使各自隊(duì)列內(nèi)作業(yè)的調(diào)度的權(quán)力，將待調(diào)度的作業(yè)依據(jù)作業(yè)流水線推至下一作業(yè)隊(duì)列。所有Agent均由隊(duì)列管理Agent擴(kuò)展能力形成。

隊(duì)列管理Agent由環(huán)境感知模塊、執(zhí)行模塊、通信模塊、信息處理模塊、決策與控制模塊、信息庫以及知識(shí)庫和作業(yè)隊(duì)列組成，如圖4所示。

①環(huán)境感知模塊、執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)與系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行交互。

②通信模塊負(fù)責(zé)檢查消息的語法格式，完成Agent內(nèi)部消息與外部消息格式的轉(zhuǎn)換，同時(shí)負(fù)責(zé)與其他Agent的信息交互。完成隊(duì)列存儲(chǔ)該Agent所要完成的任務(wù)，信息處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)感知和接收的信息進(jìn)行初步加工、處理和存儲(chǔ)。

③決策與智能控制模塊是賦予Agent職能的關(guān)鍵部件，運(yùn)用知識(shí)庫中的知識(shí)對(duì)信息處理模塊處理所得到的外部環(huán)境信息進(jìn)行算法調(diào)度，并與其他Agent的信息進(jìn)行進(jìn)一步的協(xié)商，為進(jìn)一步的通信或從作業(yè)隊(duì)列中選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)供執(zhí)行模塊執(zhí)行做出合理的決策。

④信息庫存儲(chǔ)該Agent的ID、名稱及地址等基本信息。

⑤能力列表描述Agent可以處理的消息類型及解決某問題的能力和水平。三級(jí)調(diào)度的各Agent根據(jù)各自的能力進(jìn)行能力列表配置、知識(shí)庫的選擇、執(zhí)行模塊和環(huán)境感知模塊的擴(kuò)展。

2.3平臺(tái)調(diào)度策略

Agent的決策與智能調(diào)度模塊中包含著一定的調(diào)度策略。由于各Agent任務(wù)類型不一，在處理過程中占用的資源、處理時(shí)間等調(diào)度因素各異，因此每個(gè)Agent的任務(wù)調(diào)度可以采用不同的調(diào)度策略。這些策略均保存在知識(shí)庫中，由Agent根據(jù)自身需求選擇合適的策略進(jìn)行調(diào)度。該平臺(tái)采用了以下8種基本調(diào)度策略。

①先進(jìn)先出：最簡(jiǎn)單也是最明顯的調(diào)度策略，適用于任務(wù)量小且資源豐富的調(diào)度單元，或者對(duì)任務(wù)隊(duì)列排序無特殊要求的調(diào)度單元。

②短時(shí)間作業(yè)優(yōu)先：以作業(yè)占用系統(tǒng)資源的時(shí)間長(zhǎng)短為依據(jù)進(jìn)行作業(yè)調(diào)度。

③First Fit：根據(jù)作業(yè)到達(dá)作業(yè)隊(duì)列的順序掃描作業(yè)隊(duì)列中的作業(yè)，執(zhí)行第一個(gè)系統(tǒng)資源能滿足其資源需求的作業(yè)。

④Best Fit：掃描整個(gè)作業(yè)隊(duì)列，從中選取當(dāng)前系統(tǒng)能滿足的資源要求最大的作業(yè)投入運(yùn)行。

⑤優(yōu)先級(jí)調(diào)度[4]：根據(jù)各種不同的參數(shù)（用戶優(yōu)先級(jí)、作業(yè)類型等）計(jì)算出作業(yè)的優(yōu)先級(jí)；根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)作業(yè)進(jìn)行排列并生成作業(yè)隊(duì)列，系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)隊(duì)列來逐一考慮是否運(yùn)行該作業(yè)。

⑥資源預(yù)留算法[5]：當(dāng)一個(gè)作業(yè)在隊(duì)列中等待的時(shí)間超過一定的值，對(duì)它所需要的資源進(jìn)行預(yù)留，即這些資源中的一部分成為可用時(shí)，不再分配給其他的作業(yè)，一直到預(yù)留的所有資源都已得到滿足時(shí)，將該作業(yè)投入運(yùn)行。

⑦回填調(diào)度算法：充分利用作業(yè)管理系統(tǒng)在作業(yè)調(diào)度時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間空隙，從作業(yè)等待隊(duì)列中選擇合適的作業(yè)插入到這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，而不影響其他作業(yè)的按時(shí)運(yùn)行。

⑧搶先式調(diào)度算法[6]：基于作業(yè)或隊(duì)列的基本優(yōu)先級(jí)，有高優(yōu)先級(jí)的作業(yè)合適運(yùn)行時(shí)，將搶占較低優(yōu)先權(quán)作業(yè)的執(zhí)行權(quán)。

這8種基本調(diào)度策略是最為常用和基礎(chǔ)的調(diào)度策略，特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，可在不同的需求場(chǎng)景中得到應(yīng)用。

衛(wèi)星產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)有其自身特點(diǎn)：①各級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間級(jí)別越高，處理時(shí)間可能會(huì)更長(zhǎng)；②特殊時(shí)期，系統(tǒng)會(huì)調(diào)度大量應(yīng)急任務(wù)（高優(yōu)先級(jí)）；③低級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)頻率高，高級(jí)產(chǎn)品生產(chǎn)頻率低。

各Agent根據(jù)各自的特點(diǎn)選擇其中的某個(gè)基本策略作為調(diào)度模塊的調(diào)度策略，或者采用綜合調(diào)度策略以滿足自身調(diào)度需求。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)度平臺(tái)Agent的功能以及作用，為各Agent分配和組合調(diào)度策略，并確定調(diào)度算法，Agent調(diào)度策略分配與組合如表2所示。

各Agent采用的調(diào)度策略在實(shí)際運(yùn)行過程中也不是一成不變的，往往會(huì)根據(jù)衛(wèi)星個(gè)數(shù)、生產(chǎn)請(qǐng)求的數(shù)量、緊迫程度、運(yùn)行資源使用情況等實(shí)際需求進(jìn)行策略調(diào)整或算法參數(shù)調(diào)整（如：每個(gè)隊(duì)列作業(yè)數(shù)量、預(yù)留資源比例及回填作業(yè)數(shù)量等）。

3應(yīng)用實(shí)例

平臺(tái)架構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用在遙感衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)中，結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)業(yè)務(wù)進(jìn)行業(yè)務(wù)模型配置，完成測(cè)繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，業(yè)務(wù)模型如圖5所示。

③生產(chǎn)需求（Require）：用戶提出的針對(duì)某種特定級(jí)別產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

④生產(chǎn)任務(wù)（Task）：根據(jù)生產(chǎn)需求合并與分解得到從源級(jí)別產(chǎn)品到目的級(jí)別產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。

⑤生產(chǎn)作業(yè)（SubTask）：特定級(jí)別產(chǎn)品的生產(chǎn)。

⑥需求任務(wù)關(guān)系（Require-Task）：生產(chǎn)需求與生產(chǎn)任務(wù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表示一個(gè)生產(chǎn)需求與生產(chǎn)任務(wù)是多對(duì)多關(guān)系。

⑦任務(wù)流程關(guān)系（Task-Flow）：生產(chǎn)任務(wù)與生產(chǎn)各之間的映射關(guān)系，表示一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)對(duì)應(yīng)一個(gè)生產(chǎn)流程。

⑧作業(yè)任務(wù)關(guān)系（SubTask-Task）：生產(chǎn)任務(wù)與生產(chǎn)作業(yè)之間的關(guān)系，表示一個(gè)生產(chǎn)任務(wù)可對(duì)應(yīng)多個(gè)生產(chǎn)作業(yè)。

根據(jù)以上業(yè)務(wù)模型對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行配置，對(duì)流程實(shí)例的生產(chǎn)任務(wù)和作業(yè)進(jìn)行適配，平臺(tái)即可滿足二級(jí)和三級(jí)調(diào)度能力，而一級(jí)調(diào)度中的分解算法可根據(jù)不同的衛(wèi)星類型進(jìn)行擴(kuò)展。

4結(jié)束語

通過對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)業(yè)務(wù)的分析，設(shè)計(jì)了平臺(tái)的組織架構(gòu)，提出了三級(jí)生產(chǎn)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想，并逐級(jí)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，分析了每級(jí)采用的調(diào)度策略，通過實(shí)例驗(yàn)證了平臺(tái)的可行性。該衛(wèi)星產(chǎn)品生產(chǎn)平臺(tái)基于Agent思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得各級(jí)調(diào)度具備獨(dú)立的信息處理能力和一定的協(xié)商能力，適用于各類衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度的自動(dòng)處理。當(dāng)新增衛(wèi)星和數(shù)據(jù)產(chǎn)品時(shí)，僅需進(jìn)行專用算法擴(kuò)展和模型適配即可滿足生產(chǎn)調(diào)度需求，具有很強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭力明，李曉冬.淺談面向Agent的軟件工程[J].軟件， 2014，35（10）：51-53.

[2]王汝傳，徐小龍，黃海平.智能Agent及其在信息網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[3]黃壽鑫，周群彪，蔡葵.基于流的隊(duì)列管理和隊(duì)列調(diào)度研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，47（6）：1255-1258.

[4]程鄴華.云平臺(tái)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2015.

[5]丁長(zhǎng)松，胡志剛，肖鵬.網(wǎng)格環(huán)境中可靠性增強(qiáng)的資源預(yù)留策略[J].通信學(xué)報(bào)，2011，32（7）：40-46.

[6]江雷.搶占式調(diào)度算法與搶占閾值調(diào)度算法研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2013（12）：14-16.