郭繼光, 黃 勝

(中國電子科學研究院,北京 100041)

基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)研究

郭繼光, 黃 勝

(中國電子科學研究院,北京 100041)

針對大數(shù)據(jù)時代帶來的變革與挑戰(zhàn)，開展面向軍事領(lǐng)域的情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)研究和設(shè)計。提出了基于大數(shù)據(jù)的軍事領(lǐng)域情報分析與服務(wù)系統(tǒng)的通用體系架構(gòu)和運行模式設(shè)計，并對系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進行了探索分析。應用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對于提高信息化軍事情報處理和決策支持能力具有重要意義。

大數(shù)據(jù)；軍事情報分析；系統(tǒng)架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引 言

隨著人類社會發(fā)展步入信息化時代的浪潮，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為推動經(jīng)濟社會發(fā)展、科技進步和新軍事變革的重要戰(zhàn)略資源。大數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到人類社會生活的各個領(lǐng)域，也給軍事情報的分析研究工作帶來前所未有的變革和挑戰(zhàn)。一方面隨著軍事信息化的高速發(fā)展，可以輕而易舉地獲取大量情報數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)超載現(xiàn)象；另一方面獲取的數(shù)據(jù)包羅萬象，內(nèi)容繁雜，虛實混雜，真?zhèn)坞y辨，出現(xiàn)了有效情報信息短缺現(xiàn)象[1]。如何從這些超載數(shù)據(jù)中挖掘和提煉出準確、高價值的情報信息，成為了迫切需要解決的問題。

當前隨著新軍事革命進一步深化，世界各國都在尋求占領(lǐng)大數(shù)據(jù)時代的軍事制高點。2012年，美國政府將“大數(shù)據(jù)”提升為最高國策，將對數(shù)據(jù)的占有和控制作為陸權(quán)、海權(quán)、空權(quán)、天權(quán)之外的另一種國家核心能力。2013年的“棱鏡門”事件，也展現(xiàn)了美國情報部門在大數(shù)據(jù)采集、處理、分析和應用技術(shù)上遠遠領(lǐng)先于世界其他各國。此外，英國、法國、日本、澳大利亞等國家也在開始積極投身于推動大數(shù)據(jù)技術(shù)在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中的應用。

本文針對大數(shù)據(jù)時代對軍事情報處理工作帶來的變革與挑戰(zhàn)，開展了新一代軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究和設(shè)計，提出了面向大數(shù)據(jù)的軍事領(lǐng)域情報分析與服務(wù)系統(tǒng)的通用體系架構(gòu)和運行模式設(shè)計，并對系統(tǒng)架構(gòu)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入分析。

1 研究背景

1.1 大數(shù)據(jù)概念

大數(shù)據(jù)(Big Data)，或稱巨量數(shù)據(jù)，是具有規(guī)模龐大、類型多樣、處理時效緊、數(shù)據(jù)來源可靠性低等綜合屬性的數(shù)據(jù)集合。研究機構(gòu)Gartner指出，大數(shù)據(jù)是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)[2]。大數(shù)據(jù)通常具有如下四個“V”的特性[3-5]：

(1) 數(shù)據(jù)規(guī)模龐大(Volume)。數(shù)據(jù)量級已經(jīng)從TB發(fā)展至PB乃至ZB，所需收集、存儲、分發(fā)的數(shù)據(jù)規(guī)模遠超傳統(tǒng)信息管理技術(shù)的管理能力。

(2) 數(shù)據(jù)類型多樣化(Variety)。所處理的對象類型繁多，既包括數(shù)字、表格等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也包括網(wǎng)頁、圖片、視頻、圖像與位置等半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度一般較低。

(3) 數(shù)據(jù)處理要求響應速度快(Velocity)。即各類數(shù)據(jù)流、信息流往往高速產(chǎn)生，需要快速、持續(xù)的實時傳輸和處理，大數(shù)據(jù)處理工具亦在快速演進。

(4) 數(shù)據(jù)價值密度低(Value)。大數(shù)據(jù)往往意味著極高的價值，但由于規(guī)模巨大和類型多樣導致數(shù)據(jù)的價值密度很低，因此也增加了價值挖掘的難度。

目前，大數(shù)據(jù)處理相關(guān)技術(shù)和工具取得了長足的發(fā)展，形成了比較完善的大數(shù)據(jù)處理生態(tài)體系，包括大規(guī)模分布式計算技術(shù)、內(nèi)存計算技術(shù)、流處理技術(shù)等，相應的軟件產(chǎn)品如大數(shù)據(jù)批處理計算框架Hadoop、快速分析框架Spark、流處理框架Storm等，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和集中式數(shù)據(jù)處理技術(shù)相比，Hadoop、Spark和Storm框架能夠有效滿足針對大數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析和處理需求，在可伸縮性、健壯性、計算性能和成本上具有無可替代的優(yōu)勢。

1.2 軍事情報分析系統(tǒng)研究

軍事情報分析是指軍事情報機構(gòu)和人員對搜集和偵察得到的情報材料進行整理、鑒別、綜合和研判的過程，目的是最大限度地揭示情報的價值[6]，為戰(zhàn)略決策和作戰(zhàn)指揮提供準確可靠的信息保障。軍事情報分析系統(tǒng)旨在實現(xiàn)情報分析處理過程的自動化操作，為情報機構(gòu)和人員提供按照作戰(zhàn)需求對各種來源和類型的情報數(shù)據(jù)進行整編、分析和綜合、挖掘和提煉高價值情報信息的工具和手段。與傳統(tǒng)依賴人工實現(xiàn)軍事情報分析不同，現(xiàn)代情報分析系統(tǒng)能夠極大地提高情報分析處理的效率，滿足作戰(zhàn)決策的高時效性要求。情報分析處理過程如圖2所示。

在信息化戰(zhàn)場環(huán)境中，情報數(shù)據(jù)來源不僅包括各類傳感器搜集和偵察獲取的預警偵察信息，也包括基礎(chǔ)戰(zhàn)場環(huán)境信息，以及公開來源的開源情報信息等，涵蓋電文、圖像、視頻、地理地形等數(shù)據(jù)類型，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選、轉(zhuǎn)換、識別等預處理后得到支撐戰(zhàn)場指揮決策和態(tài)勢感知的情報信息，在根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)對情報信息進行綜合、分析和研判等處理后，針對作戰(zhàn)情報保障需求生成目標情報、動向情報和專題情報等類型產(chǎn)品，并根據(jù)訂閱關(guān)系分發(fā)給情報用戶[7]。

圖2 戰(zhàn)場概念圖與情報分析處理過程

隨著軍事信息化的進一步發(fā)展，現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭的復雜性和實時性，使得軍事情報分析處理面臨一系列新的挑戰(zhàn)：

(1)情報數(shù)據(jù)更加多元化。在情報大數(shù)據(jù)時代，情報來源不僅包括技偵、航偵、諜報等手段獲取的偵察情報信息，也包括實時預警探測獲取的戰(zhàn)場目標和環(huán)境信息，同時還包括互聯(lián)網(wǎng)、媒體等公開的開源情報信息；情報內(nèi)容不僅包括傳統(tǒng)軍事情報內(nèi)容，也包括政治、外交、安全、科技等諸多方面；情報類型既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也更多地表現(xiàn)為圖形圖像、視頻音頻、位置等半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

(2)情報價值獲取更加困難。一方面，情報量大大增加，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求在短時間內(nèi)對大量情報數(shù)據(jù)進行有效分析，對分析處理的時效性要求更強，遠遠超過現(xiàn)有技術(shù)能力的限度。另一方面，由于敵方大量采用反偵察措施，使情報數(shù)據(jù)虛實混雜、真?zhèn)坞y辨，有效性和可信性大為降低，極大地增加了情報分析的困難[6]。

(3)傳統(tǒng)情報處理和應用模式無法滿足應用需求。隨著戰(zhàn)場空間范圍和維度的不斷擴展，傳感器、作戰(zhàn)目標類型層出不窮，情報信息在來源、時間、空間和內(nèi)容維度上都呈現(xiàn)出廣域分布式的特點。在情報處理模式上，傳統(tǒng)的集中式“處理-分發(fā)”模式無法滿足海量數(shù)據(jù)實時處理和靈敏作戰(zhàn)、快速打擊的需要；在情報應用模式上，傳統(tǒng)“煙囪式”系統(tǒng)間的點對點通信無法滿足網(wǎng)絡(luò)信息體系下隨遇接入、按需獲取的服務(wù)化應用需求。

綜上所述，現(xiàn)代軍事情報數(shù)據(jù)完全符合大數(shù)據(jù)的特點，使得傳統(tǒng)情報分析已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代軍事作戰(zhàn)的需求。因此，如何充分利用大數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通信和服務(wù)化技術(shù)，開展軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究和設(shè)計工作，為情報機構(gòu)和情報人員解決廣域分布式環(huán)境下情報數(shù)據(jù)的搜集、處理和應用難題，已成為當前軍事情報分析工作的迫切需求，也是現(xiàn)代軍事變革的一個重要方面。

2 基于大數(shù)據(jù)的情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本節(jié)從系統(tǒng)總體架構(gòu)和系統(tǒng)運行模式方面，對基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)展開詳細描述。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計首先需要面向海量異構(gòu)軍事情報數(shù)據(jù)的分析應用需求，采用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提供面向軍事情報數(shù)據(jù)的搜集、整編分析、綜合處理、情報服務(wù)等業(yè)務(wù)應用，為戰(zhàn)略決策、作戰(zhàn)指揮提供情報數(shù)據(jù)和服務(wù)支撐；其次為解決情報體系多節(jié)點之間的資源共享與協(xié)同應用問題，應充分考慮系統(tǒng)架構(gòu)的開放性和靈活性，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與平臺、平臺與應用之間的松散耦合；最后需要充分遵循或參考相關(guān)的軍事系統(tǒng)標準和技術(shù)規(guī)范，以實現(xiàn)與現(xiàn)有情報系統(tǒng)的無縫連接，提高現(xiàn)有裝備的利用效率。

基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)可以劃分為六個方面，包括資源層、支撐層、服務(wù)層、應用層以及安全保密體系和技術(shù)標準規(guī)范，如圖3所示。

資源層是整體架構(gòu)的最底層，提供系統(tǒng)運行的物理支撐環(huán)境，包括基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)資源兩部分?；A(chǔ)設(shè)施部分為系統(tǒng)構(gòu)建和運行提供所需的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)硬件資源以及操作系統(tǒng)、應用軟件等基礎(chǔ)軟件資源，并提供資源調(diào)度管理、配置管理和狀態(tài)監(jiān)控等功能；數(shù)據(jù)資源部分集系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)資源為一體，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源搜集、整合和邏輯描述能力，主要由軍事情報元數(shù)據(jù)和各類業(yè)務(wù)情報數(shù)據(jù)組成。

圖3 基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

支撐層是整體架構(gòu)的基礎(chǔ)層，提供情報大數(shù)據(jù)分析處理和服務(wù)化應用的平臺和業(yè)務(wù)支撐環(huán)境，包括平臺支撐和應用支撐兩部分。平臺支撐部分為系統(tǒng)構(gòu)建和運行提供平臺環(huán)境，包括面向服務(wù)支撐環(huán)境、SQL/NoSQL數(shù)據(jù)存儲、Hadoop分布式基礎(chǔ)架構(gòu)、Spark集群計算環(huán)境和Storm流處理環(huán)境。面向服務(wù)支撐環(huán)境支持以面向服務(wù)的體系架構(gòu)進行系統(tǒng)開發(fā)，SQL/NoSQL數(shù)據(jù)存儲模塊用于支撐海量情報數(shù)據(jù)資源的存儲和管理，Hadoop、Spark和Storm大數(shù)據(jù)處理框架提供了海量大數(shù)據(jù)的分布式并行處理環(huán)境[8]。應用支撐部分為系統(tǒng)的構(gòu)建和運行提供基礎(chǔ)業(yè)務(wù)支撐，為服務(wù)層和應用層提供共性功能模塊支持，包括數(shù)據(jù)預處理、圖像分析、報文分析、音頻分析、視頻分析、電磁分析、關(guān)聯(lián)挖掘、時序分析、語義分析、知識推理等基礎(chǔ)服務(wù)。

服務(wù)層依托支撐層提供的信息共享與協(xié)同環(huán)境，在實現(xiàn)特定業(yè)務(wù)處理功能的同時，提供各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的信息服務(wù)。服務(wù)層包括電磁情報處理、圖像情報處理、文字情報處理、音頻情報處理、信息采集、情報目錄、情報檢索、情報關(guān)聯(lián)分析、情報發(fā)布/訂閱、情報質(zhì)量評估、情報集成共享以及情報歸檔備份等服務(wù)，為各項軍事情報分析業(yè)務(wù)應用提供共用服務(wù)支撐。

應用層以服務(wù)層運行的相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)為基礎(chǔ)，是面向具體業(yè)務(wù)應用的實現(xiàn)層，主要用于為人機交互操作提供支持。應用層包括綜合情報應用、專題情報應用、作戰(zhàn)情報應用、情報態(tài)勢應用、情報服務(wù)門戶等軟件模塊。

安全保密體系和技術(shù)標準規(guī)范貫穿情報分析與服務(wù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計。安全保密體系從技術(shù)和機制的角度確保系統(tǒng)的安全和保密運行，主要包括安全審計、容災備份、加密解密、訪問控制等。技術(shù)標準規(guī)范提供了系統(tǒng)中各階段數(shù)據(jù)和使用技術(shù)的參考標準，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施標準、數(shù)據(jù)標準規(guī)范、信息服務(wù)標準和通信接口規(guī)范等。

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計采用分層和面向服務(wù)思想，通過提供標準化的服務(wù)接口、服務(wù)組件和服務(wù)訪問方式，保證系統(tǒng)架構(gòu)的開放性和靈活性，實現(xiàn)服務(wù)組件在各類業(yè)務(wù)應用中的重用；采用成熟的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)框架構(gòu)建分布式平臺支撐，采用自然語言理解、圖形圖像分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)構(gòu)建業(yè)務(wù)支撐環(huán)境，滿足各類軍事情報分析業(yè)務(wù)的需求；通過實現(xiàn)各類情報分析業(yè)務(wù)的流程化和組件化，遵循相關(guān)的系統(tǒng)接口規(guī)范，充分保證與現(xiàn)有裝備的集成能力。

2.2 運行模式

基于大數(shù)據(jù)的情報分析與服務(wù)系統(tǒng)的運行模式如圖4所示。根據(jù)作戰(zhàn)需要，系統(tǒng)動態(tài)引接多種源頭和多種類型的情報數(shù)據(jù)，包括預警雷達、偵察衛(wèi)星和航空偵察等多種來源，也包括報文、圖形圖像、視頻、電磁等多種載體類型。根據(jù)情報保障需求，系統(tǒng)分析得到的情報產(chǎn)品按照用戶制定訂閱/分發(fā)關(guān)系，自動推送給聯(lián)合指揮所、區(qū)域指揮所、部隊情報用戶、單兵情報用戶以及其他授權(quán)用戶等。

圖4 基于大數(shù)據(jù)的分布式軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)運行模式

按照分布式組織管理、資源統(tǒng)一共享的原則，系統(tǒng)采用分布式運行管理技術(shù)，對情報分析任務(wù)、計算能力、數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一管控，依據(jù)情報保障需求實現(xiàn)協(xié)同調(diào)度，共同完成情報分析任務(wù)。采用面向服務(wù)體系架構(gòu)，系統(tǒng)對核心情報分析功能軟件進行服務(wù)化封裝，包括圖像情報分析服務(wù)、報文情報分析服務(wù)、電磁情報分析服務(wù)、開源情報分析服務(wù)以及情報數(shù)據(jù)服務(wù)等，并依托服務(wù)注冊機制進行統(tǒng)一分類管理，形成軟件服務(wù)資源目錄，實現(xiàn)情報分析功能在系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點之間的共享。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括情報大數(shù)據(jù)計算分析框架、多源異構(gòu)情報數(shù)據(jù)綜合處理、分布式廣域情報應用服務(wù)等。

(1)情報大數(shù)據(jù)計算分析框架技術(shù)。面向海量異構(gòu)情報大數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析需求，提供易于開發(fā)和使用的海量數(shù)據(jù)處理平臺，為情報大數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)、精準的分析和處理提供支撐。通過采用分布式網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，實現(xiàn)計算節(jié)點之間的負載均衡和抗毀接替，保障情報分析任務(wù)的動態(tài)調(diào)配和資源動態(tài)管理。Hadoop+Spark+Storm提供了面向情報大數(shù)據(jù)分析處理的典型框架，利用大規(guī)模廉價機器構(gòu)建HDFS分布式文件系統(tǒng)提供高吞吐量的情報數(shù)據(jù)存儲和訪問，利用MapReduce并行編程模型提供大規(guī)模情報數(shù)據(jù)的并行運算處理，基于Spark與Storm大數(shù)據(jù)處理引擎實現(xiàn)實時情報數(shù)據(jù)流的快速交互式處理，共同支撐戰(zhàn)場情報高實時、大容量的處理要求。

(2)多源異構(gòu)情報數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)。由于情報數(shù)據(jù)資源存在來源眾多、類型差異較大、內(nèi)容良莠不齊等現(xiàn)象，情報分析存在很大的不確定性。如何從情報大數(shù)據(jù)中去粗取精、去偽存真，是情報大數(shù)據(jù)分析面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。多源異構(gòu)情報信息綜合處理根據(jù)情報來源和格式不同開展圖像、文本、視頻、音頻、電磁等多元情報分析，提取情報大數(shù)據(jù)的時間、空間、目標和主題要素，進而通過要素分布特征將不同來源的情報信息相互關(guān)聯(lián)、印證，形成多層次、全方位的統(tǒng)一情報態(tài)勢，保障情報分析結(jié)果的精準性和有效性。在情報處理模式上，采用云計算的分層服務(wù)模式理念，對系統(tǒng)中各節(jié)點計算和存儲資源、各類通用情報分析處理服務(wù)進行統(tǒng)一運行管理，通過網(wǎng)絡(luò)將松散耦合的情報服務(wù)組件進行分布式部署、組合和使用，提高情報處理的實時性。

(3)分布式廣域情報應用服務(wù)技術(shù)。面向廣域分布式的戰(zhàn)場空間和多樣化的傳感器和作戰(zhàn)目標類型，針對不同作戰(zhàn)任務(wù)的情報保障需求，采用面向服務(wù)技術(shù)靈活定義情報分析處理流程，組織調(diào)度部署于各節(jié)點的情報分析服務(wù)協(xié)同工作，提供情報數(shù)據(jù)管理和服務(wù)應用的統(tǒng)一接口，實現(xiàn)體系化的情報分析能力共享，保證整體處理能力最大化，推動情報處理和服務(wù)模式實現(xiàn)由傳統(tǒng)的“任務(wù)、處理、利用和分發(fā)”(TPED)模式向現(xiàn)代“任務(wù)、發(fā)布、處理和利用”(TPPU)模式的轉(zhuǎn)變，為廣域分布的各類傳感器和打擊武器提供隨遇接入、按需共享的情報應用服務(wù)，滿足海量數(shù)據(jù)實時處理和靈敏作戰(zhàn)、快速打擊的作戰(zhàn)需求。

4 結(jié) 語

大數(shù)據(jù)時代的到來，改變了傳統(tǒng)軍事情報分析的面貌?；谙冗M大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和工具，構(gòu)建現(xiàn)代軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)成為了一種新的解決思路。本文對基于大數(shù)據(jù)的軍事情報分析與服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)進行了初步研究和設(shè)計，并對其中部分關(guān)鍵技術(shù)展開了分析。在探索新軍事變革的今天，立足于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決現(xiàn)代軍事情報分析面臨的四“V”特性，對于提高信息化戰(zhàn)爭情報分析和作戰(zhàn)指揮決策具有重要意義，也是當前軍事情報變革的發(fā)展方向。

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Study on Architecture of Big Data Based on Military Intelligence Analysis and Service System

GUO Ji-guang, HUANG Sheng

(China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China)

Regarding the changes and challenges brought by era of big data, this paper conducts study and design on the architecture of intelligence analysis and service system in military domain, puts forward the big data based general architecture framework and operation mode, and analyzes the key technologies within the system architecture. The application of big data techniques will be of great significance to improve the military intelligence processing and decision supporting ability of informationized war.

Big Data; Military Intelligence Analysis; System Architecture; Key Technology

10.3969/j.issn.1673-5692.2017.04.011

2017-06-01

2017-08-01

電子信息裝備體系研究國防科技重點實驗室基礎(chǔ)研究項目(DXZT-JC-ZZ-2011-015)

郭繼光(1979—)，男，黑龍江人，工程師，主要研究方向為綜合電子信息系統(tǒng)總體設(shè)計、系統(tǒng)集成和信息處理；

E-mail: guojiguangdky@163.com

黃 勝(1986—)，男，河南人，工程師，主要研究方向為情報分析處理、大數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘。

TP319

A

1673-5692(2017)04-389-05