朱坤帥 ，蔡燕霞 ，魯國瑞

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)計算機與控制學(xué)院，北京100049）

空間環(huán)境模式及其技術(shù)系統(tǒng)是開展空間環(huán)境預(yù)報和服務(wù)的重要基礎(chǔ)條件[1]?？臻g環(huán)境模式建立在大量空間探測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，是對獲取到的原始數(shù)據(jù)進行科學(xué)建模、計算，獲得可供直接使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)?？臻g環(huán)境領(lǐng)域研究的層層深入使空間環(huán)境模式的數(shù)量持續(xù)增長，致使模式管理難度不斷加大，以往的單一模式業(yè)務(wù)化已不能滿足現(xiàn)實需求。

本文從空間環(huán)境模式的現(xiàn)狀出發(fā)，探討開展空間環(huán)境多模式業(yè)務(wù)化的應(yīng)用需求，并借助于“無碼編程”技術(shù)與任務(wù)調(diào)度，提出構(gòu)建基于改進Petri網(wǎng)的業(yè)務(wù)化空間環(huán)境模式集成平臺。

1 研究背景

歐美發(fā)達國家在空間環(huán)境模式集成方面起步早，已經(jīng)研發(fā)出一系列的空間環(huán)境模式集成系統(tǒng)，如SWMF（Space Weather Modeling Framework）、CCMC（Community Coordinated Modeling Center）、SPENVIC等[2]。在NASA（美國國家航空航天局）地球科學(xué)技術(shù)部計算技術(shù)項目的推動下，美國密歇根大學(xué)的空間環(huán)境建模中心CSEM（Center for Space Environment Modeling）啟動空間環(huán)境模式集成項目，建成了SWMF空間環(huán)境模式計算集成框架，實現(xiàn)從太陽表面到地球上層大氣圈各區(qū)域空間物理過程的模式集成與分析應(yīng)用[3]。NASA與美國空軍、美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，United States，NSF）、美國國家海洋與氣象管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）等 8個機構(gòu)合作開發(fā)的美國協(xié)同建模中心CCMC空間環(huán)境模式集成系統(tǒng)實現(xiàn)了模式與觀測數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，在空間環(huán)境預(yù)報領(lǐng)域得到了廣泛的使用[4]。比利時聯(lián)邦科學(xué)研究所在ESA（歐洲航天局）的資助下，成功開發(fā)了空間環(huán)境信息系統(tǒng)（SPENVIS），實現(xiàn)了模式的耦合計算與結(jié)果可視化表達，支持空間環(huán)境分析與事件預(yù)測[5]。

近年來，隨著我國自主空間環(huán)境領(lǐng)域研究的不斷深入，國內(nèi)的研究機構(gòu)開始注重空間環(huán)境模式研究成果的應(yīng)用與推廣，空間環(huán)境模式集成技術(shù)研究也隨之進入起步發(fā)展階段。其中，借助于插件的動態(tài)加載和注銷來實現(xiàn)模式集成方法[6]，集成過程復(fù)雜，缺乏靈活性；使用模式封裝模塊來實現(xiàn)模式集成方法[7]，集成涉及面廣，魯棒性差；設(shè)置模型服務(wù)組件，通過模型計算包和適配器模塊分別對數(shù)據(jù)及可執(zhí)行程序進行模式集成方法[8]，但未能實現(xiàn)業(yè)務(wù)化。

2 基于Petri網(wǎng)的空間環(huán)境模式集成模型

2.1 需求分析

構(gòu)建空間環(huán)境模式集成平臺（Spatial Environment Mode Integration Platform，SEMIP），需要空間環(huán)境模式實現(xiàn)從研究級到業(yè)務(wù)級的轉(zhuǎn)化[9]。

2.1.1 從單模式到多模式的擴展

空間環(huán)境模式是從事空間物理學(xué)基礎(chǔ)研究的科研人員研究分析空間數(shù)理規(guī)律，從中歸納總結(jié)出來的[10-11]，具有專業(yè)性、針對性、獨立性和多樣性的特點?，F(xiàn)有的模式業(yè)務(wù)化以個體為單位，獨立集成；當(dāng)增加新的模式時，需執(zhí)行大量重復(fù)工作，完成整個業(yè)務(wù)過程，大大增加了工作負(fù)擔(dān)。

“無碼集成”技術(shù)通過便捷的配置只需為新模式設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)信息來實現(xiàn)新模式的業(yè)務(wù)化，精簡了模式集成過程，實現(xiàn)從單模式到多模式的迅速擴展[12]。

2.1.2 從單調(diào)控到多調(diào)度的延伸

空間環(huán)境研究正趨向于向多數(shù)據(jù)、多參數(shù)綜合應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，這意味著不同模式研究之間需要更加頻繁的數(shù)據(jù)交互共享。將原有的單一的模式集成置于統(tǒng)一的平臺下，將大大提高模式運行效率，實現(xiàn)對多模式的有效管理。

從單一的空間環(huán)境模式運行到多模式集成業(yè)務(wù)平臺，模式運行數(shù)目不斷增加，合理調(diào)度各模式，實現(xiàn)服務(wù)器最優(yōu)分配是實現(xiàn)平臺效率及有效性的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)空間環(huán)境模式業(yè)務(wù)化的重要環(huán)節(jié)。

2.2 模型構(gòu)建

圖1展示了空間環(huán)境模式集成的物理總體過程。SEMIP通過從原始數(shù)據(jù)庫獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過模式集成平臺“加工”處理后，把獲得的產(chǎn)品數(shù)據(jù)送入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。該過程實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化、自動化的空間環(huán)境模式運作。

為了更好地描述SEMIP平臺業(yè)務(wù)化運行過程，文中引入圖形化建模工具——Petri網(wǎng)對SEMIP進行抽象建模[13-14]。經(jīng)典Petri網(wǎng)（如圖2）由庫所（Place）、變遷（Transition）、令牌（Token）和有向?。–onnection）等元素組成，具有自然、直觀、簡單易懂和易用的特點[15]。

圖2 經(jīng)典Petri網(wǎng)

在經(jīng)典Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于改進Petri網(wǎng)的模式運算模型。通過給令牌“著色”，并引入模式狀態(tài)評級R、模式運行周期C、各變遷的功能函數(shù)及狀態(tài)函數(shù)等來完成構(gòu)建基于改進Petri網(wǎng)的模式運算模型。

模式運算模型包括模型的靜態(tài)定義和模式運作過程兩個部分[16]，主要要素關(guān)系如下：

1）靜態(tài)定義

定義1：令牌集M={Mi∈M，i=1，2，....，n}，改進的Petri網(wǎng)給令牌賦予屬性，且每一個令牌Mi={mj∈Mi，i，j=1，2，...n}由更小的令牌子屬性組成，隨著令牌在運作過程中不斷被轉(zhuǎn)移，令牌屬性也隨之不斷變化，變化的令牌屬性決定著變遷是否進行下去；在一次過程中，不存在完全相同的兩個令牌，如：?x≠y且x，y∈{1，2，....，n}，Mx≠My。

定義2：庫所集P={Pi∈P，i=1，2，...n}是變遷前后令牌的庫所，若前后一致，則表示該變遷未變更庫所。

定義 3：活動集T={Ti∈T，i=1，2，...n}涵蓋了整個模型運作中所有變遷活動，且每一個變遷Ti={tj∈Ti，i，j=1，2，...n}由更小的子變遷組成。同一過程中的各活動不存在并發(fā)行為，即?x≠y且x，y∈{1，2，....，n}，Tx?Ty=?。

定義 4：模式狀態(tài)評級R={1，2，...，n}表示模式狀態(tài)，狀態(tài)不同，模式運行所在的庫所不同。例如，SEMIP平臺中，評級R為服務(wù)器當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)服務(wù)器狀態(tài)的不同，新加入的模式任務(wù)將會分配到狀態(tài)最佳服務(wù)器中去，且行為不可逆。

定義5：模式運行周期C=c，c值為固定值，模式確定后，則不能更改。

2）運作過程

定義6.模型運作過程W=(M，P，T，R，C)分3步完成，分別為準(zhǔn)備前期P-（如圖3所示）、準(zhǔn)備后期P+（如圖4所示）和周期運行Wˉ（如圖5所示）。P-=(M，P，T，R)為模式準(zhǔn)備必須的前期條件，通過變遷T的作用，令牌M屬性隨著庫所P的變更發(fā)生變化，模式狀態(tài)R作為M屬性中的一部分也發(fā)生作用。同樣，P+=(M，P，T)則為模式準(zhǔn)備必備的后期條件。模式狀態(tài)R在前期影響庫所P后就失去作用。Wˉ =(P-，P+，C)實現(xiàn)模式的周期運作過程。

圖3 P-活動過程

至此，完成了模式運算模型的闡述，接下來，將該模型應(yīng)用于SEMIP平臺的設(shè)計與實現(xiàn)中。

圖4 P+活動過程

圖5 Wˉ活動過程

3 應(yīng)用設(shè)計

3.1 空間環(huán)境模式集成平臺描述

圖6展示了空間環(huán)境模式集成平臺的模型架構(gòu)設(shè)計。SEMIP平臺分為“無碼集成”和“任務(wù)調(diào)度”兩大主要模塊。

圖6 模型架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)集成的時間節(jié)點，無碼集成又可以分為模式運行前的輸入準(zhǔn)備和模式運行后的輸出準(zhǔn)備，具體實現(xiàn)過程如圖7所示。

圖7 無碼集成

輸入準(zhǔn)備時，首先獲取所需的模式信息，配置XML數(shù)據(jù)模板及相關(guān)原始數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)表，等待指令后能夠規(guī)范自動生成所需要的輸入數(shù)據(jù)文件，完成輸入準(zhǔn)備工作；輸出準(zhǔn)備時，配置XML數(shù)據(jù)模板及相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)表，等待獲取到的輸出數(shù)據(jù)文件，完成解析，最終實現(xiàn)將產(chǎn)品數(shù)據(jù)存放入指定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中[17]。

任務(wù)調(diào)度負(fù)責(zé)服務(wù)器的初始化分配及模式的周期運行。當(dāng)新的模式集成時，SEMIP平臺會根據(jù)實時的服務(wù)器集群的運行狀態(tài)，評級最優(yōu)的服務(wù)器分配給該模式使用；將配置好的新模式開啟，SEMIP平臺會自動根據(jù)模式需求的運行周期，定期啟動模式，實現(xiàn)持續(xù)7*24業(yè)務(wù)化運行[18]。

3.2 模型應(yīng)用研究

模型中W=(M，P，T，R，C)表示模式運算過程。以“F10.7未來27日預(yù)報模式”模型為例，進行模型應(yīng)用研究[19]。模式運算模型主要定義要素如表1、表2所示。

表1 令牌及其屬性含義

表2 任務(wù)及其具體描述

首先，完成平臺的輸入準(zhǔn)備P-初始化。根據(jù)模式的物理功能，設(shè)置模式編號、起算日期；根據(jù)當(dāng)前服務(wù)器集群評級R，為新模式分配目標(biāo)服務(wù)器。配置原始數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)及對應(yīng)XML輸入模板。

其次，完成平臺的輸入準(zhǔn)備P+初始化。配置產(chǎn)品數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)及對應(yīng)XML輸出模板。

接著，開啟任務(wù)調(diào)度。根據(jù)設(shè)定的起算日期及對應(yīng)的模式編號、輸入模板、原始數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)，生成輸入數(shù)據(jù)文件，啟動新模式，獲取輸出數(shù)據(jù)文件，解析文件后，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)及輸出模板，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)入庫工作，完成模式的一次運作。

最后，任務(wù)調(diào)度進入Wait過程，經(jīng)24小時（F10.7未來27日預(yù)報模式運算周期為24 h）后，任務(wù)調(diào)度重新開啟。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

SEMIP平臺基于BS架構(gòu)，采用Java、JSP語言開發(fā)，運行在Windows系統(tǒng)平臺上；模式程序采用多種編程語言實現(xiàn)，如 Fortran、C、Matlab、Java，運行在Linux/Windows系統(tǒng)平臺上；原始數(shù)據(jù)庫/產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫采用Oracle11g數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)框架如圖8所示。

圖8 空間環(huán)境模式集成平臺系統(tǒng)框架

4.2 實驗流程

文中以F10.7未來27日預(yù)報模式為例進行實驗驗證。

F10.7未來27日預(yù)報模式采用時間序列模型中的自回歸方法開展F10.7中期預(yù)報研究。該模式利用自回歸算法處理前期若干天的F10.7觀測日值，得到未來27天的F10.7日值。目前，F(xiàn)10.7觀測日值數(shù)據(jù)存儲在原始數(shù)據(jù)庫中，并每天持續(xù)更新。

1）分析物理模式。對F10.7未來27日預(yù)報模式進行分析，獲得該模式的原始數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)、輸入文件、輸出文件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)、運行周期，并匹配相對應(yīng)的輸入模板（如圖9所示）、輸出模板。

圖9 F10.7觀測日值輸入模板、輸入數(shù)據(jù)

2）模式集成。通過友好界面，實現(xiàn)“無碼集成”如圖10所示。通過配置F10.7未來27日預(yù)報模式的數(shù)據(jù)源、模板、程序等信息，添加該模式到平臺任務(wù)界面如圖11所示。

圖10 無碼集成配置

圖11 平臺管理

3）任務(wù)調(diào)度。開啟任務(wù)調(diào)度。根據(jù)模式運行周期，定時發(fā)送任務(wù)信息至相關(guān)服務(wù)器，完成模式運行工作，并將獲取到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)存入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。

4.3 結(jié)果分析

SEMIP平臺實現(xiàn)了便捷的無碼集成和7*24的業(yè)務(wù)化運行，完成了實驗設(shè)想。

“無碼集成”的模式集成方式體現(xiàn)了平臺的易配置性、可重用性和擴展靈活性。平臺在添加新模式時，只需獲取到該模式所需的數(shù)據(jù)來源（元數(shù)據(jù)），不需要編碼，僅僅通過友好的可視化界面就能實現(xiàn)新模式的集成工作，并且不會影響到其他現(xiàn)有模式。通過對前期空間環(huán)境模式的調(diào)研，模式所需的輸入模板、輸出模板大致相同，即使新模式下需要新的模板，也可以通過模板配置快速生成，大大增加了可重用性和擴展靈活性。

任務(wù)調(diào)度的模式運行管理方式體現(xiàn)了平臺的業(yè)務(wù)化。友好的可視化界面配置實現(xiàn)了平臺的“零基礎(chǔ)使用”，7*24的業(yè)務(wù)化運行，實現(xiàn)了模式的自動化機制；統(tǒng)一的平臺管理界面能夠更便捷的管理多模式，更高效地完成模式運作。

5 結(jié) 論

本文提出的基于改進Petri網(wǎng)的業(yè)務(wù)化空間環(huán)境模式集成平臺有效的解決了空間環(huán)境模式業(yè)務(wù)化程度低的問題，實現(xiàn)了空間環(huán)境模式從研究級到業(yè)務(wù)級的轉(zhuǎn)化，從單模式到多模式的擴展，從單調(diào)控到多調(diào)度的延伸，具備易配置性、可重用性和擴展靈活性?？臻g環(huán)境模式集成平臺的構(gòu)建，為航天領(lǐng)域從事空間環(huán)境的科研人員提供了應(yīng)用性強，使用便捷的可用產(chǎn)品數(shù)據(jù)，必將大大助力科研任務(wù)的持續(xù)開展。

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