韋廣立　宋文賓　陳　穎

(中國艦船研究院　北京　100101)

WEI Guangli　SONG Wenbin　CHEN Ying

(China Ship Research and Development Academy, Beijing　100101)

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海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理框架研究*

韋廣立宋文賓陳穎

(中國艦船研究院北京100101)

論文針對現(xiàn)有傳感器管理技術(shù)難以適應海戰(zhàn)場大量分布的傳感器多樣化運維管理的問題，借鑒基于策略的管理方法在其它領(lǐng)域的成功應用，進行了基于策略的海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理框架設(shè)計研究。論文首先結(jié)合當前傳感器運維管理方法，分析了面向任務的傳感器資源運維管理基本流程，然后針對海戰(zhàn)場傳感器資源分布、使用等特點，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)，給出了運維管理系統(tǒng)框架設(shè)計。實際應用表明，該框架能較好地支持海戰(zhàn)場大量分布傳感器的運維管理，并可通過調(diào)整策略動態(tài)適應多樣化的管理需求。

傳感器資源； 運維管理框架； 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)部隊遂行作戰(zhàn)任務的眼睛，傳感器運維管理的高效性、合理性直接關(guān)系到其整體的探測和偵查能力[1]。根據(jù)被探測目標種類、探測手段方法、傳感器部署平臺類型和設(shè)備演進發(fā)展等方面特性的不同，傳感器資源具有多樣性、功能互補性等特點[2]。因此實現(xiàn)對不同種類、不同型號傳感器的綜合調(diào)度、協(xié)同使用[3]、高效運維和個性管理等傳感器運維管理便成為一個復雜的系統(tǒng)問題。

隨著傳感器資源種類的豐富、數(shù)量的增加、作戰(zhàn)過程中傳感器運用研究的深入，對探測能力(包括目標種類、屬性、范圍、時效性、準確率等)要求的不斷提高，采用傳統(tǒng)規(guī)劃的方法對傳感器資源進行運維管理已難以滿足要求，尤其是在應對傳感器資源管理需求動態(tài)變化的問題上，傳統(tǒng)方式存在適應能力弱的問題。

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

2　基于策略的管理

策略是為實現(xiàn)某一個目標，根據(jù)形勢發(fā)展而制定的行動方針和斗爭方法。在自主領(lǐng)域，基于策略管理的基本思想是利用策略指導系統(tǒng)行為來實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動化管理[4]。系統(tǒng)管理者將管理經(jīng)驗(指導系統(tǒng)行為的目標、規(guī)范或約束等)以策略語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，系統(tǒng)自動根據(jù)感知的實時狀態(tài)信息，按設(shè)定的策略進行推理、決策，指導系統(tǒng)自動執(zhí)行相應行動。

因基于策略的管理方法具備強可配置性、自動化智能動態(tài)管理能力、高可擴展能力等特點，能夠為相應決策系統(tǒng)提供動態(tài)、靈活和自動化的解決方案，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實現(xiàn)的“十三大”支撐技術(shù)之一，用于支撐其GIG動態(tài)、靈活、自動化地安全管理。基于策略技術(shù)為GIG提供多方面功能支撐，主要包括以下幾方面：

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

2) 利用共享控制策略提供多個社區(qū)(Communities)獨立共享GIG的能力并在提高可用性的同時還能夠按需進行動態(tài)連接；

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

4) 支持數(shù)據(jù)所有者制定信息生命周期策略來實現(xiàn)對象的創(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

在一些標準化組織如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)應用較為成熟的一個領(lǐng)域，主要功能包括：

1) 網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量QoS保證?；诓呗约夹g(shù)在網(wǎng)絡(luò)管理中主要是為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務提供服務質(zhì)量保證，其通過將對網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量QoS的保障行為表示為一系列“條件-行為”的對應規(guī)則[7]，在提供網(wǎng)絡(luò)服務時通過控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為，從而達到保障服務質(zhì)量的目的。目前網(wǎng)絡(luò)管理可提供的服務質(zhì)量保障包括轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級、帶寬、時延、抖動[8]等。

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

2.3基于策略的海戰(zhàn)場傳感器運維管理系統(tǒng)設(shè)計思路

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)場傳感器運維管理系統(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，需根據(jù)海戰(zhàn)場的實際特點和基于策略系統(tǒng)的基本模型進行合理設(shè)計，將在第3節(jié)著重闡述。

2) 策略描述與解釋執(zhí)行。對傳感器運維管理系統(tǒng)來說，策略即為系統(tǒng)各具體特性的最優(yōu)度量值，傳感器運維管理以這個最優(yōu)準則對傳感器資源進行合理科學的分配。目前針對不同應用場合的探測需求[10]，研究人員從不同角度提出了多種傳感器運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追蹤精度為目的的多三坐標雷達目標分配策略、目標監(jiān)視追蹤情況下以控制電磁輻射量的主被動傳感器分配策略、交戰(zhàn)情況下以提高己方抗反輻射導彈攻擊能力的多平臺分時探測控制策略以及預警探測情形下以保證防區(qū)內(nèi)目標探測概率的雷達網(wǎng)運維管理策略等；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維管理方案生成算法的形式緊密耦合在一起，導致當應用場景或者需求發(fā)生變化需采用新的策略時，傳感器管理算法也需要整體重新進行設(shè)計和編譯，系統(tǒng)靈活適應能力不佳。為提高系統(tǒng)動態(tài)靈活適應不同場景和應用需求的能力，可通過如下方式實現(xiàn)策略與求解算法的分離：通過采用目標函數(shù)的形式對傳感器運維管理策略進行描述，再利用遺傳算法、貪心算法等通用的求解算法求解使目標函數(shù)值最大的運維管理方案作為系統(tǒng)輸出，當系統(tǒng)需求發(fā)生變化時，只需在進行方案生成前選擇符合要求的目標函數(shù)即可適應新的需求，由于本文側(cè)重點在于將基于策略的管理方法引入傳感器運維管理中，對于策略描述規(guī)范和方案求解算法的更具體細節(jié)不再深入說明。

3　海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理

海戰(zhàn)場傳感器具有種類多、數(shù)量大、分布廣等特點，利用傳統(tǒng)預案調(diào)度式資源管理方法，無法支持海戰(zhàn)場多作戰(zhàn)樣式、復雜戰(zhàn)場環(huán)境、平臺高機動性等動態(tài)條件下的作戰(zhàn)要求?；诓呗缘膫鞲衅髻Y源運維管理依據(jù)傳感器資源當前狀態(tài)信息，采用面向作戰(zhàn)任務的資源調(diào)度方式，滿足對多探測任務動態(tài)資源調(diào)度和管理的需求。

3.1基本流程

為滿足資源動態(tài)變化情況下多任務的傳感器運維管理，根據(jù)需要采用時間周期或事件觸發(fā)的調(diào)度方式，設(shè)計基于策略的海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理基本流程，如圖1所示。

圖1　基于策略的海戰(zhàn)場傳感器運維管理基本流程

在運維管理的一次執(zhí)行中，探測任務經(jīng)過運維管理模塊的任務分解，形成對傳感器資源的具體需求，結(jié)合當前傳感器資源的狀態(tài)，形成運維管理方案。對于當前輸入的任務，由于資源限制、任務沖突等原因，當資源調(diào)度優(yōu)化無法滿足資源使用要求時，運維管理模塊根據(jù)當前任務的優(yōu)先級、傳感器狀態(tài)等要素形成最優(yōu)化的運維管理方案。按照運維管理方案，各傳感器資源的管理調(diào)度單位分別進行傳感器資源調(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，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)和報警信息等，作為系統(tǒng)進行運維管理的輸入。運維管理模塊實現(xiàn)任務到資源調(diào)度方案的“轉(zhuǎn)換”，將傳感器資源以完成任務的形式向外透明提供，盡最大努力屏蔽傳感器資源狀態(tài)的變化對任務的影響，是面向任務保障傳感器運維管理的關(guān)鍵。

3.2部署結(jié)構(gòu)

針對海戰(zhàn)場范圍廣、作戰(zhàn)平臺多樣等特點，常用的集中式管理與自協(xié)同方式都無法滿足海戰(zhàn)場傳感器資源的運維管理要求[11]。根據(jù)探測任務對傳感器資源的使用要求，結(jié)合海戰(zhàn)場資源綜合管理與區(qū)域自治等方法，對海戰(zhàn)場傳感器資源采用分層方式，從全局、區(qū)域和本地三個層級進行運維管理，每個本地節(jié)點可再按此結(jié)構(gòu)進一步細分。

圖2　海戰(zhàn)場傳感器運維管理部署結(jié)構(gòu)

本地節(jié)點負責按照局域管理中心下發(fā)的傳感器資源運維管理方案和策略，進行資源調(diào)度，并將本地傳感器資源狀態(tài)和當前任務狀態(tài)等信息綜合后上報區(qū)域管理中心；區(qū)域管理中心負責按照全局管理中心下發(fā)的運維管理方案和策略，進行資源調(diào)度方案的細化分解，下發(fā)到本地節(jié)點，并將本地節(jié)點上報的傳感器資源狀態(tài)信息綜合形成區(qū)域狀態(tài)信息上報全局管理中心；全局管理中心負責進行任務需求分解和對各區(qū)域管理中心上報狀態(tài)信息進行綜合，并根據(jù)當前配置的策略進行運維管理方案的生成和分發(fā)。

運維管理過程中主要涉及傳感器資源態(tài)勢感知、接入管理、資源管理、運維管理方案生成、策略管理和任務管理等功能，各個功能相互協(xié)同、配合，既可實現(xiàn)對本層次內(nèi)傳感器資源的綜合化運行管理，也可通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各級運維管理中心的互連和協(xié)同工作。

3.3基于策略的海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理系統(tǒng)框架

針對海戰(zhàn)場傳感器資源的運維管理基本流程和部署結(jié)構(gòu)，進行基于策略的海戰(zhàn)場作戰(zhàn)資源運維管理系統(tǒng)框架設(shè)計，采用應用層、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各種傳感器資源進行分類，以便于進行傳感器資源的信息注冊、管理、狀態(tài)采集等；中間層為資源管理層，為框架的核心層，主要包括資源動態(tài)接入、資源狀態(tài)監(jiān)視、運維管理方案生成等功能；頂層為應用層，為使用者提供資源態(tài)勢的綜合顯示，運維策略的查詢、編輯等，以及作戰(zhàn)任務的添加、刪除、修改等功能。

圖3　基于策略的海戰(zhàn)場傳感器運維管理框架

資源管理層主要包括以下三個功能：

1) 資源動態(tài)接入。通過資源信息數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對海戰(zhàn)場傳感器資源動態(tài)接入，包括對海戰(zhàn)場傳感器資源的信息注冊、信息獲取等功能。

2) 資源監(jiān)視報警。通過對傳感器資源的狀態(tài)進行周期性采集或?qū)崟r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)置的報警條件，當多個傳感器的狀態(tài)信息達到一定情況時，觸發(fā)報警，并通過應用層進行報警信息的顯示和收集，以此作為是否重新進行傳感器調(diào)度的依據(jù)。

3) 運維管理方案生成。通過將應用層的任務進行分解，實現(xiàn)任務對傳感器資源需求的對應關(guān)系，根據(jù)當前運維管理的策略和傳感器使用的規(guī)則，進行資源調(diào)度預案的生成，該過程會生成多個資源調(diào)度方案。依據(jù)已有方案和歷史經(jīng)驗，對調(diào)度方案進行綜合評價，找出在當前情況適合當前任務的運維管理方案，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

本文針對海戰(zhàn)場探測任務需求和傳統(tǒng)傳感器資源管理進行動態(tài)多任務保障能力不足的問題，提出了一種基于策略的海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理方法。該方法結(jié)合海戰(zhàn)場實際作戰(zhàn)需求，進行基本流程、部署結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框架的設(shè)計，著眼于提高海戰(zhàn)場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、多任務的海戰(zhàn)場作戰(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)框架也可作為運維管理系統(tǒng)設(shè)計的模型。實際應用表明，本文提出的運維管理框架能較好地支持對海戰(zhàn)場大規(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維管理需求，提高了海戰(zhàn)場傳感器運維管理適應大規(guī)模分布的傳感器和多樣化運維管理需求的能力，達到了預期目標。

伴隨傳感器種類、數(shù)量的豐富和任務過程控制的精細化要求，具備大規(guī)模管理能力和靈活適應能力的海戰(zhàn)場傳感器資源運維管理將成為海戰(zhàn)場遂行多樣化作戰(zhàn)任務的重要保障。

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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，高級工程師，研究方向：系統(tǒng)設(shè)計。

TP319

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.003