空基信息系统协同计算架构研究
摘 要：文中分析了（le）多平台（tái）协同场景下空基信息系统的计算特点和协同（tóng）计算需求，并针对（duì）以预（yù）警机为中心的空基（jī）多（duō）平（píng）台（tái）协同（tóng），设计（jì）了一种协同计算架构，探讨了该（gāi）架（jià）构（gòu）下空基信息系统的协同计算模式，分析了架构实现（xiàn）过程中需要解决的关键技术问题。基于文中（zhōng）所设计架构，可实现空基（jī）信息系（xì）统任务（wù）软件的高可用和（hé）平台间（jiān）计算任（rèn）务的按需部署、迁移（yí）和协同计算，为构（gòu）建高可靠、高（gāo）效能的（de）空基信息系统提供基础计算环境支（zhī）撑。
关键词（cí）: 空基信（xìn）息系统；机载任务电子系（xì）统；协同计算；空基（jī）信息系统软件架构
引 言
空基（jī）信（xìn）息系（xì）统是以空基平台（tái）和网络为基础，通过传感（gǎn）器、决策者和射手之间的信息（xī）共享和行动协同，实现打击（jī）链（liàn）路闭环的网络化作战信（xìn）息系统（tǒng）[1-2]。空基信息系统由（yóu）空基（jī）预（yù）警探测系统和空基指挥控制系（xì）统组（zǔ）成[3-4]，典型的空基信息系统（tǒng）以预警机为中心，协同（tóng）干（gàn）扰机、战斗机、无人机等多型空（kōng）基装备（bèi），实现预警探测、情报侦察、指挥控（kòng）制以及协同打击等各种功能。
近年来（lái），随着各（gè）型空基装备的长足发展，尤（yóu）其是各类无人装备的不断（duàn）涌现，空基信息系统的参与要素日益丰富（fù），其数据处（chù）理需求产（chǎn）生了很（hěn）大变化。与此同时，深度学习等智能化技术在（zài）各（gè）类信息系统中的应用日渐丰富，这为空基信息系统大规模数据的智能化处理提供（gòng）了有力支撑（chēng）。为此，有（yǒu）必要分析空基信息（xī）系统（tǒng）新的（de）计算（suàn）需求及（jí）特点，设计相适应的基（jī）础架（jià）构，提升（shēng）空基信息系统的综（zōng）合（hé）效能。
1.空基信息系统计算特点及发展趋（qū）势
空（kōng）基（jī）信息系统（tǒng）的计（jì）算资源具有（yǒu）相对（duì）有限且分布不均（jun1）的（de）特点（diǎn）。具体来说，与地面各类信息系统不同，空基信息系统（tǒng）受其所依托空基平台在载重、供电等方面限制，计算硬件（jiàn）总（zǒng）量（liàng）受（shòu）限，往往（wǎng）无法通过增加物理设（shè）备等方式对计算资（zī）源（yuán）进行按需扩展。另（lìng）一（yī）方面，各类空（kōng）基平台的（de）计算资源分布也不够均衡。以（yǐ）预警（jǐng）机为代表的大型装备在飞行平台（tái）的（de）容纳能力上具有优势（shì），其计算资源相对（duì）充（chōng）裕（yù）；而以（yǐ）无人机为代表（biǎo）的平（píng）台容纳能力相对小（xiǎo）得多，其计算资源也更加短（duǎn）缺。
空基信息（xī）系统对计算可靠性和计算效率有着极高的要求。从预（yù）警探（tàn）测、情报（bào）侦察开始，空（kōng）基信息系统需要快（kuài）速处理各类数据，以有效支撑指挥控制指令的产生，最终完成各类任务。流程中任何一（yī）个环节的计（jì）算失效都可（kě）能导（dǎo）致任务的失败。
随着无（wú）人化、智能化等新兴技术的不断（duàn）发展（zhǎn）成（chéng）熟（shú），其在空基信息系统的应（yīng）用也愈发广（guǎng）泛（fàn）和深入（rù）。以智能化为例，从（cóng）特定传（chuán）感器的目标（biāo）识别等（děng）数（shù）据（jù）处理领域，到信息融合、辅助决策等指挥控（kòng）制领域，智能化技术正大幅提升着空基信息系（xì）统的数据处理能力。伴随这（zhè）些新（xīn）技（jì）术而（ér）来的是（shì）空基信息系统在计算方面的一些发（fā）展趋（qū）势（shì）：
1.1 空基信息系统的计算（suàn）对象呈现出规模化的特点
随着装备的不（bú）断发展，预（yù）警探测的内涵不断扩大。来（lái）自各类主动（dòng）、被（bèi）动传感器的数据均（jun1）可作为预（yù）警探测的数据来（lái）源（yuán）。这使得空基信息系统要处理的数（shù）据形式十分多样，也不可避免地导致了数据体量的增长。另一方面，随着近年来无人装备的迅速发展（zhǎn）普及，空基信（xìn）息系（xì）统（tǒng）需要能够处理（lǐ）来自各类无人装备乃至无人（rén）装备（bèi）集群的数据。这（zhè）进一步增（zēng）大（dà）了空基信息系统的（de）数据处（chù）理压力，空基信（xìn）息系统的数据处理体量越发规模化。
1.2 空基信息系统对数据通信效率的要求越来越高
空基信（xìn）息系（xì）统参与要素（sù）的扩（kuò）展使得（dé）要素之间的协同越发重要，数据通信正是平台间（jiān）相互协（xié）同的基础。因（yīn）此，空（kōng）基信息系统对（duì）数据通信的需求是不（bú）断增长的。空基（jī）环境中，各物理平台（tái）间通过（guò）各种类（lèi）型的数据链（liàn）相互通信，数（shù）据（jù）链的通信带宽（kuān）本身是（shì）很有限的。此（cǐ）外，空中环境复杂多变（biàn），空基信息系统（tǒng）还需要（yào）考虑各（gè）类（lèi）通信干扰等（děng）因（yīn）素，这更加大（dà）了数（shù）据（jù）的传输限制（zhì）。以上就要求空（kōng）基信息系统的（de）数据通信能够（gòu）在有限的通信带宽和质量下，尽可能提升通信效率，进而（ér）提升协同（tóng）效率。
1.3 无人装（zhuāng）备的广（guǎng）泛应用更加凸显空（kōng）基信息系统可靠计算的重要性
在很大（dà）程度拓宽空（kōng）基信息系统预警探测覆盖范围（wéi）的同时，相对（duì）更加（jiā）前出的无（wú）人（rén）装（zhuāng）备自身也（yě）面临相（xiàng）对更大的（de）生存威胁。因此，有（yǒu）必（bì）要从基础计算架构（gòu）上确保系统的高可靠，在出现由（yóu）物理损伤等造成的平台失能情况下（xià）仍（réng）要（yào）实现任务的接替，确保任务（wù）的完成。
2.空（kōng）基信息系统协同计算需求
以空基（jī）协同态势感（gǎn）知为例，预警机（jī）与其他各类特种机、无（wú）人机相互分工（gōng）协作，预（yù）警（jǐng）机外各平台担负特（tè）定方面的（de）探（tàn）测和（hé）侦察任务，预警机平台则在自身探测侦察（chá）的同时，担（dān）负整体态势感知和指挥控制（zhì）任务（wù）。处于中心位（wèi）置的（de）预警机平台与各（gè）平台建立通信连（lián）接，接（jiē）收来自各平台的探（tàn）测和侦察数据，并向各平台（tái）下发综合态势信息及指挥控制指令（lìng）。当预（yù）警（jǐng）机之外的（de）各平台间存在相互直接（jiē）协（xié）同需求时，可根据需要建立直接通（tōng）信（xìn）。该场（chǎng）景下平台的典型组成如图1所示（shì）。
图 1 典型（xíng）空（kōng）基信息系（xì）统协同场景
多平台协同（tóng）可（kě）克服（fú）单一平（píng）台在探（tàn）测（cè）、计算等方面的能力局限，有效提升战场态势感知的范围和灵活度。不同平台通过在（zài）探测区域、探（tàn）测方式等（děng）方面分工协作，共同完（wán）成探测（cè）侦察任务；特定平台所执行的任务可根（gēn）据总体任务执（zhí）行和态势感知的需要而灵活变化，实现按需（xū）切换（huàn）；当特定平台出现计算（suàn）资源不足时，可通过“计算卸（xiè）载”将计算（suàn）任务传递至具备相应计（jì）算（suàn）资源的（de）其他平台（tái），协同完成计算；在特（tè）定（dìng）平台失效的情况（kuàng）下，可将失效平台（tái）的计算任务快速（sù）迁（qiān）移至（zhì）其他具（jù）备相应能力（lì）（如特定（dìng）传感（gǎn）器）的平台，保障整个系统的可用（yòng）性。
空基多平台协同对（duì）各平台任（rèn）务（wù）计算的（de）架构（gòu）提（tí）出了（le）新的要（yào）求（qiú），主要体现在以下三个方面。
1）计算任务方面
多平台（tái）协同要求计算任务具备跨平台部（bù）署和（hé）动（dòng）态迁移的（de）能力，这就要求包括嵌入式（shì）硬件（jiàn）在内的各类异构计算硬件向上层计算任（rèn）务提供统一的运行环境，实现任务部署和迁移过程中运行（háng）环境（jìng）的一致。
2）任（rèn）务数（shù）据（jù）方（fāng）面
多平（píng）台协同（tóng）要求在节点间按需（xū）建立通信（xìn）关系的基础上，面（miàn）向核心数据提供多平台分（fèn）布式能力，实（shí）现关键任务数据在多（duō）平台间的分布式同步（bù）。此（cǐ）外（wài），为有效降低协同过程中的数据通信需求，需（xū）要支（zhī）持对计算（suàn）任（rèn）务（wù）运行（háng）过程中（zhōng）的（de）动态数据和静（jìng）态数据进行有效区分，通过任（rèn）务规划（huá），将可能存在协同需求的静（jìng）态数据进行（háng）预先部署，降低任务执行（háng）过程中（zhōng）的数据传（chuán）递需求。
3）计算资（zī）源方面
多平台协（xié）同要求中心（xīn）平台具备（bèi）对各平（píng）台计算资源的整体管理能（néng）力（lì），要能够根据任务需（xū）求和实时态势，在各平台间进行（háng）计（jì）算资源的动（dòng）态管理以及计算任（rèn）务和计算资源的（de）动态匹配（pèi）。计（jì）算（suàn）任务和计（jì）算资源匹配过程中，要能够充分利用数据采集端的计算能力，尽可能在末端进行全部或部分的数据处理或预处理，从而降低协（xié）同过程中的数据通信需求。
3.空基信息系（xì）统协同计（jì）算架构
结（jié）合上述（shù）对空基（jī）信息（xī）系统计算（suàn）特点（diǎn）和协同需求的分析，设计如（rú）图2所示的空基信息系统计算（suàn）架构。
图 2 协同计算架构示（shì）意图
架构中，自顶向下分别为应用软件（jiàn）（各类计算任务）、统一组件环境、硬件资（zī）源虚（xū）拟化和操作系统/各类（lèi）硬件（jiàn）。其中（zhōng），硬（yìng）件（jiàn）资源虚拟化层是本架构（gòu）的基（jī）础，通过该层（céng）对（duì）各平台的不同类（lèi）别（bié）硬（yìng）件进行统一（yī）的（de）虚拟（nǐ）化（huà），形成抽象（xiàng）的虚（xū）拟化资（zī）源池；统一组件环境是本（běn）架构的核心，它基于虚拟化资源池，为（wéi）上层应用软件提供统一的运行环境，并进行各（gè）类管理、提供各类基础服务。本架构的主要特点如下。
3.1 软件（jiàn）状（zhuàng）态分（fèn）离
应用软件层（céng）面，本架构（gòu）对其进行组件（jiàn）化封装。逻（luó）辑角度，封装后的组件细分为（wéi）程序、数据和状态。其中，程（chéng）序对应软件的可执行指（zhǐ）令集合，其（qí）本身是静态的；数据对应程（chéng）序执行过程中从外部存储器读写的静态／动态内容；状态则对应（yīng）程序（xù）执行（háng）过程（chéng）中在内部存储器读写的动态内（nèi）容[5]。组件的运行过程可视为静态程（chéng）序被计算硬（yìng）件加载之后执行（háng）指令、读取处理数据（jù）、改（gǎi）变自身状态（tài）并（bìng）输（shū）出数据的过（guò）程。将组（zǔ）件静态（tài）程序和动（dòng）态（tài）状态进行分离，并（bìng）将（jiāng）数据和（hé）状态进行分别处理，从架构上提供数据和状态的统一管理，可实（shí）现单（dān）平台内计（jì）算任务的高可靠保障，并为（wéi）实现依（yī）托于组件的计算任务（wù）在（zài）平台间的迁移和（hé）协同（tóng）奠定基础。
3.2 计（jì）算环境统一
应用软（ruǎn）件（jiàn）之下，设计“统一组件环境”层。该层连接应用软件（jiàn）和操作系统，面向各平（píng）台各类软（ruǎn）件的运行提供一致的基础运行环境。该层功能可细分为（wéi）资（zī）源管理、数据管理、状态管理（lǐ）、服务管理、组件管理、任（rèn）务管理、数（shù）据协同（tóng）管理、状态协同（tóng）管理和任务协（xié）同管理。
资源管理综合上层应用的资（zī）源需求和硬件资源池内的各类资（zī）源占用，依据（jù）任务模型中预先设定的分配策略（luè），进行资源的（de）分配和动态调整；并（bìng）对资源（yuán）和资（zī）源的占用进行实（shí）时（shí）监控管理，为跨平台的资源协同提供（gòng）依据。
数（shù）据（jù）管理和（hé）状态管理分（fèn）别为上层应用提供相互隔离的数据和状态访问服务。应用软件通过（guò）数据（jù）管（guǎn）理和状态管理两类（lèi）服务，将程序运（yùn）行过程中的数据（jù）和状态集中托管（guǎn）至统一组件环境。统一组件（jiàn）环境在数据（jù）和状态集中管（guǎn）理过程中，则可（kě）采用分级、分（fèn）布（bù）式（shì）等策略[6]，实现集中托管数（shù）据（jù）的高效率和高可靠。
组件管理为（wéi）上层组件的（de）运行提（tí）供基础管理功能，包含组（zǔ）件生命（mìng）周（zhōu）期管（guǎn）理、运（yùn）行状态监控、健康状态识别等。同（tóng）时，在组件管理的（de）基础上，针对面向服务的架构（SOA）等架（jià）构的服务（wù）化设计（jì）需求提供服务管理功能，该功能（néng）为服务接口的描述（shù）和表（biǎo）达提（tí）供统一（yī）标准，支持基于统一资源定位符的全系统服务定位，并为服务接口（kǒu）的调用提供数据消息的路（lù）由转（zhuǎn）发。
任务管理（lǐ）为系统内各平台提供统一的（de）任务模型定义，并（bìng）基（jī）于（yú）定义的模型，产生（shēng）并应用相应的组件、服务（wù）、资源（yuán）、数据、状态（tài）管理策略。
数据协（xié）同管理和状态协（xié）同管（guǎn）理面向跨平台协同需（xū）求，基于（yú）分布式（shì）一致性等（děng）方法，通（tōng）过网（wǎng）络通信实（shí）现数据和状态在平（píng）台之间的分（fèn）布式管理。任务协（xié）同管理则为（wéi）数据和状态的（de）协同过程提供基于任务模型的统一管（guǎn）理。3.3硬件（jiàn）资源虚（xū）拟化
统一组件环境之（zhī）下，通过“硬件资（zī）源（yuán）虚拟化”层适配对接各平台的各类计算硬件（jiàn）——包含（hán）CPU、内存等（děng）计算（suàn）硬件、存储硬件和（hé）网络硬件，向上层（céng）提（tí）供统一（yī）的计算、操作接口，实（shí）现硬件资源的虚拟化。标准计算硬件可直接通（tōng）过操（cāo）作系统内（nèi）核的相应特性实现虚拟化；对（duì）于（yú）非（fēi）标准硬件，如（rú）各（gè）类FPGA设备[7]，可通（tōng）过单独设（shè）计（jì）的（de）虚拟化适配器，将（jiāng）资源纳入硬件资源虚（xū）拟化层。
4.空基信息（xī）系统（tǒng）协同计算模式
4.1 计（jì）算协同方（fāng）式（shì）
本文所述计算架构（gòu）下，应用软件（jiàn）基于统（tǒng）一设计框架进行设（shè）计和实现，并运（yùn）行于统一组件环（huán）境中。该设计使得软件具（jù）备（bèi）在不同平台间、平（píng）台内部不同硬件设备间的通用能力，这与FACE[8]等架构在应（yīng）用层所（suǒ）瞄准的目标是相似的。该能力确保（bǎo）不（bú）同来源的软件可免适配地部署在环境内任（rèn）一平台、任一设备上，并（bìng）实现动态迁移。
为了满足第2节所（suǒ）述空基信息系统协同计算需要，组件还需具备不同平台、不（bú）同设备间动态迁移的过程中业务功能延续的能力。本（běn）计算架构中（zhōng），通过数（shù）据和状态的跨平台协同满足该需（xū）求。当（dāng）数据和状态分布存储于（yú）单平台内时（shí），程序可在不（bú）同硬件间自（zì）由迁移而不影响（xiǎng）程序的运（yùn）行结果；当数据（jù）和状态分布存储于多个平台时，通过数据和状（zhuàng）态在（zài）平台间（jiān）的协同实现平台间数据与状（zhuàng）态（tài）的一（yī）致，从（cóng）而实现程序和（hé）业务功能的跨平台迁移。
一（yī）般的信（xìn）息系（xì）统中，相（xiàng）较于计算资源，存储（chǔ）资源往往相对充沛。在此背景下（xià），在本（běn）架构的实际应用中，可在（zài）组件设计时对数据和状态进行精（jīng）心设计和划分。根据可（kě）能（néng）的任务协同需要，将组件程序和静（jìng）态数据预（yù）先部署至存在潜（qián）在协同（tóng）需求的节点。空基信息系统运行过程（chéng）中，只针对状态等动态数据进行分布（bù）式协同，从而降（jiàng）低（dī）功能迁移过程中的通（tōng）信（xìn）带宽（kuān）需求。
4.2 协同计算应用形式
在多平台构（gòu）成的空基信（xìn）息系（xì）统中，通过本架（jià）构可实现以下几种典型（xíng）协同计（jì）算应用形式。
（1）计（jì）算任务平台内协同
随着任（rèn）务执行（háng）过程中战场态势的不断变化，单一平台（tái）内部的任务（wù）计算需求同样是动态变化的（de），计算（suàn）任（rèn）务在（zài）平台内（nèi）同样存在协同的必要。上述架构（gòu）下，计算资（zī）源的（de）虚拟化可为计（jì）算任务在平台内的协同并发提供资（zī）源（yuán）保障（zhàng），而（ér）状态数据的分离和统一（yī）管（guǎn）理则可为计算任务在平（píng）台内的协同并发提供（gòng）数据保障。
（2）计算任务（wù）跨（kuà）平台协同
以第2节中空基信息系统多平台协（xié）同场景下的组成为例，预警机中心单元（yuán）在任务执（zhí）行前进（jìn）行任务和数据的规划，并（bìng）将内容同步（bù）至外（wài）部（bù）协同平（píng）台；任务执行（háng）中，中（zhōng）心单元根据任务模型进行的任务调整，以指令形式通过无线（xiàn）通信分发至各（gè）协（xié）同平台；协同平台依据（jù）接收（shōu）的任（rèn）务，基于本地传感器进行数据采（cǎi）集，利用本地（dì）计算硬件进行数（shù）据处理，并（bìng）将数（shù）据处理（lǐ）结果发送出去（qù）；各平（píng）台的本地处（chù）理结果作为状（zhuàng）态信息，根据（jù）任务（wù）协同模型，按需同步至其他平台；中（zhōng）心（xīn）节点采集同步来的各类（lèi）数据，并基（jī）于此进行指挥控制、任务管理等相关计算。
（3）计算任务卸载传递（dì）
当出现特定（dìng）平台（称为需求平台）计算（suàn）资源无法满足任（rèn）务（wù）需要时，系统进行平台间协（xié）同（tóng）计算。此时，中心（xīn）平台（tái）在（zài）需求（qiú）平台物理（lǐ）位置附近匹配（pèi）具备一致的计算环境、通信带宽和通信质量能够保障协同需要且有富余计算能力的平台（称为协同平台），形成（chéng）相应指（zhǐ）挥控制（zhì）指令并通过“任务、数据、状态”协同管理模块（kuài）下发至各相关平台。与此同时，可根（gēn）据需求建立点对点（diǎn）的（de）高速通信，以更（gèng）好地（dì）保障协同（tóng）计算。在实际（jì）应（yīng）用中，部分计算任务不可避免地需（xū）要特定与平台相（xiàng）关的硬件设备提供计算支（zhī）持。这类情况下，需求平台和协同平台（tái）必须具备（bèi）一（yī）致的计算环境，才能实现计算的（de）协同。如上文所分析，针对（duì）此类情况，可通（tōng）过（guò）事先的（de）规划，预判可能的协同需（xū）求，并将协同需要的静态数据在任务执（zhí）行前（qián）同步存储至各平台（tái），以降（jiàng）低任务（wù）执行时协同的（de）响应时间。
（4）计算任务迁移接替
当出（chū）现特定（dìng）平台失效时，系统进行计算任务（wù）的跨（kuà）平台迁移。此时，中心（xīn）平台在失（shī）效（xiào）平台物理（lǐ）位置附（fù）近规划和匹配具备一致硬件环境（jìng）的平台（称为目标平台），并形成相应（yīng）指挥控制和任务管理指（zhǐ）令，使目标平台（tái）承接失效平（píng）台的计算任务。通过（guò）任务前（qián）的规划，可保障具备相互（hù）迁（qiān）移能力的平台（如配置有相同类别传感器的平台）在任务执行前具备（bèi）组件程序等静态数据的一致性。另一方面，由于跨平台协同的存在（zài），各类关键动（dòng）态数据（jù）被分布存储于系统（tǒng）中。基（jī）于此，可（kě）实现任务在平台间的平滑（huá）迁移，从而保障空基信（xìn）息系（xì）统（tǒng）的高可靠。
5.空（kōng）基信息（xī）系统协同计算架构的关键（jiàn）技（jì）术问题
上述空（kōng）基信息系统协同（tóng）计算架构的实现（xiàn）和有效（xiào）运行，需要（yào）解决以下四个关（guān）键技术问题（tí）。
1）对系（xì）统任务和计算任（rèn）务的有效建模。通过任务模型，对任务中各个关键环节、各类关键数（shù）据进行细（xì）颗粒度的划分和定义，并借（jiè）助组件化、服务化（huà）等设计方法，将任务具（jù）象成为具备一定通用（yòng）性的组（zǔ）件/服务及（jí）其相互关系的集（jí）合。
2）面向细颗粒度组件（jiàn）/服（fú）务的精细规划和优化。组（zǔ）件和服务（wù）的细（xì）颗粒度划分给系统带来灵活性的同（tóng）时，也带来了更大的管理编排压力（lì）。只（zhī）有具备精（jīng）细化管理能力才能使组件/服务（wù）有机协同，实现（xiàn）资源管理效能和空（kōng）基（jī）信息系统运行效能的整体提（tí）升（shēng）。
3）数据链等网络通信的发展。空基信息系统跨（kuà）平台（tái）的（de）信息交互依赖于（yú）通（tōng）信基础设施，通信的带宽、灵活性、稳定性（xìng）、安全性等因素直（zhí）接影响（xiǎng）系统通信效能，也直接影响协同效能。平台间通信能力的（de）提（tí）升必然（rán）可为跨平台的协同（tóng）计算带来（lái）更多的空间和可能。
4）跨平台的动态数据分布策略和实现方法（fǎ）。在复杂空基环境中构建数（shù）据分布式冗余（yú）存储，可以为（wéi）计算任务（wù）的高效（xiào）协同奠（diàn）定基础（chǔ），也是另一个有（yǒu）待解决（jué）和验（yàn）证的关键（jiàn）技术问题。
结 语
本文分析了空基信息（xī）系统（tǒng）的计算特点和协同计（jì）算需（xū）求，并基于此设（shè）计（jì）了（le）一种协（xié）同计算架构（gòu），满足空基信息系统（tǒng）的协同计算需（xū）求。在装（zhuāng）备（bèi）无（wú）人化、计算智能化（huà）的当前，该架构可针对性地提供一种空基信（xìn）息系（xì）统协同计算实现思路，满（mǎn）足日益增长的（de）协同计算需求，提（tí）升新环境（jìng）下空基信息（xī）系统作战（zhàn）效能，使空（kōng）基信息系统的各参（cān）与平台和（hé）要素围绕作战（zhàn）任务，将各自资源充分整合并（bìng）形成（chéng）有机整体。
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