石 玥，李 志，張志民

(錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094)

0 引言

在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)實施涉及的工程技術(shù)學科廣泛，新技術(shù)應(yīng)用需求旺盛，實施效果的國際影響力顯著。因此，在實施過程中，聚集優(yōu)秀團隊參與協(xié)同攻關(guān)，并確保相關(guān)技術(shù)和裝備得到充分驗證，進而開展可信評估，是這一項目順利、高效實施的必要保障。本文針對這一需求，提出建設(shè)在軌服務(wù)與維護任務(wù)虛擬實驗平臺的構(gòu)想，利用先進的信息技術(shù)為項目各參與方提供共享資源、高效計算與驗證的實驗平臺；為技術(shù)/裝備的協(xié)同研發(fā)、快速創(chuàng)新提供技術(shù)保障；服務(wù)軍民融合，支撐產(chǎn)、學、研、用開展廣泛、深入的協(xié)同協(xié)作研究。

1 在軌服務(wù)系統(tǒng)概況

在軌服務(wù)與維護試驗試用系統(tǒng)總體上由高軌系統(tǒng)、軌道間系統(tǒng)、天地往返系統(tǒng)和天地一體化任務(wù)支持系統(tǒng)四大部分組成。

1)高軌系統(tǒng)運行于地球同步軌道帶，接受軌道間系統(tǒng)補給維護，協(xié)同開展技術(shù)驗證試驗，為地球同步軌道服務(wù)對象提供維修維護服務(wù)。主要包括：高軌綜合服務(wù)站、高軌機動操控飛行器、可維修性試驗衛(wèi)星。

2)軌道間系統(tǒng)平時在LEO停泊，接受天地往返飛行器補給和維護，獨立或聯(lián)合執(zhí)行中、低軌在軌服務(wù)任務(wù)，以及軌道間往返運輸任務(wù)。主要包括軌道間快速機動飛行器、軌道間大范圍轉(zhuǎn)移飛行器。

3)天地往返系統(tǒng)的主要任務(wù)是為在軌系統(tǒng)提供運輸服務(wù)，執(zhí)行LEO(主要是SSO)的應(yīng)急在軌服務(wù)任務(wù)。

4)天地一體化任務(wù)支持系統(tǒng)包括發(fā)射場、著陸場、天地一體化指揮控制與數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)三部分。通過數(shù)據(jù)共享支持任務(wù)規(guī)劃和在軌服務(wù)任務(wù)。

通常情況下，需要四大系統(tǒng)相互協(xié)同，共同完成特定的在軌服務(wù)任務(wù)。系統(tǒng)具有任務(wù)場景復(fù)雜、涉及的飛行器種類多、任務(wù)操作精細度高、新技術(shù)應(yīng)用廣等特點，是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，為系統(tǒng)的實施論證帶來了挑戰(zhàn)。

2 任務(wù)推演與虛擬實驗必要性分析

在軌服務(wù)典型任務(wù)包括衛(wèi)星故障軌道救援、衛(wèi)星在軌維修維護、快速大范圍軌道轉(zhuǎn)移、新技術(shù)在軌試驗、軌道空間碎片防護、大型復(fù)雜附件在軌構(gòu)建等各類在軌進行的復(fù)雜任務(wù)。這類任務(wù)操作的互動性頻繁、精細度要求比較高，任何操作的偏差或失誤都有可能造成無法挽回的后果，甚至是不良的政治影響；而且，考慮到在軌維服務(wù)的初衷是通過在軌維修維護降低整個系統(tǒng)的成本，因此其區(qū)別于其他飛行任務(wù)的三個主要關(guān)注點是技術(shù)的風險性、服務(wù)的經(jīng)濟性和響應(yīng)的時效性。

圖1 仿真推演與虛擬實驗總?cè)蝿?wù)框架示意

在軌服務(wù)任務(wù)的交互性及服務(wù)對象的不確定性特征，決定了任務(wù)的外界影響因素較多，需要在方案制定過程中進行充分的考慮與詳盡的計算。因此，在任務(wù)實施之前，利用計算機仿真、虛擬與并行計算等先進的信息技術(shù)，對任務(wù)進行仿真推演、對系統(tǒng)進行虛擬試驗與評估，是在軌服務(wù)任務(wù)有效實施的基本保障，對在軌服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)、在軌任務(wù)實施均具有重要意義。

構(gòu)建在軌服務(wù)仿真推演與虛擬實驗平臺，將主要解決重大項目實施過程中三個方面的主要問題：首先，服務(wù)系統(tǒng)總體，對特定任務(wù)場景下的多個系統(tǒng)方案進行仿真評估；其次，服務(wù)飛行試驗，接收飛行試驗遙測數(shù)據(jù)，對在軌事件進行同步仿真推演與試驗效果分析評估；最后，服務(wù)研發(fā)人員開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，對不同的技術(shù)解決途徑進行統(tǒng)一評估，并給出優(yōu)化建議?？偟娜蝿?wù)框架如圖1所示。不同于通常意義上的仿真系統(tǒng)或平臺，該平臺將重點解決統(tǒng)一任務(wù)場景與評估模型、共享資源與高效協(xié)同計算等方面的問題；加快先進技術(shù)在工程中的應(yīng)用，以及相關(guān)研究成果技術(shù)成熟度的提升，促進創(chuàng)新技術(shù)研究成果的應(yīng)用與轉(zhuǎn)化；幫助參與研究的人員了解系統(tǒng)中有待解決的難點問題、共性問題，準確定位研究方向，開展有針對性的研究。

3 平臺總體設(shè)計

在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺是基于云的分布式計算與虛擬仿真系統(tǒng)，具有面向服務(wù)、資源共享、交互協(xié)同、可變粒度、統(tǒng)一評估五個主要特征，為領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)、學、研、用創(chuàng)新團隊提供豐富的計算與仿真資源，以及面向未來的應(yīng)用場景和統(tǒng)一的效能評估模型。平臺服務(wù)于重大項目系統(tǒng)總體、飛行試驗及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)相關(guān)的仿真推演及虛擬實驗需求，支撐在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)總體方案和試驗試用系統(tǒng)總體方案持續(xù)優(yōu)化。平臺采用如下設(shè)計原則：

1)架構(gòu)先進：具有開放的體系架構(gòu)、彈性的云計算能力，采用開源軟件的管理模式，支撐在軌服務(wù)與維護飛行任務(wù)規(guī)劃及典型服務(wù)操作虛擬實驗。

2)資源共享：為平臺用戶提供海量數(shù)據(jù)的仿真引擎；基于大數(shù)據(jù)、智能化的統(tǒng)一標準化評估，快速優(yōu)化與迭代實驗。

3)持續(xù)共贏：持續(xù)累積飛行方案和服務(wù)數(shù)據(jù)，提供基于評估的智能推薦，為用戶以更快的速度達到相應(yīng)的技術(shù)成熟度提供便利。

3.1 主要功能

該平臺通過在軌服務(wù)與維護場景仿真、飛行過程仿真、操作過程仿真，以及飛行器總體、分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)仿真，支撐在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)的仿真演示、評估和優(yōu)化，驗證技術(shù)可行性和系統(tǒng)總體效能。其應(yīng)用功能示意圖如圖2所示。

圖2 在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺應(yīng)用功能示意

1)仿真演示：可視化展示在軌服務(wù)與維護系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行場景和任務(wù)實施過程，為總體方案的系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用過程和應(yīng)用效果提供直觀的可視化演示。

2)評估與優(yōu)化：系統(tǒng)類用戶通過平臺提供的定制化仿真服務(wù)(如應(yīng)用場景、系統(tǒng)組成、應(yīng)用模式及其費效/費用比)，開展多個系統(tǒng)方案的仿真驗證和評估，并根據(jù)優(yōu)化準則對方案進行迭代優(yōu)化與評估，通常需要結(jié)合仿真演示功能應(yīng)用。

3)技術(shù)可行性驗證：提供統(tǒng)一場景和技術(shù)要求，技術(shù)人員可上傳待驗證的算法模塊，同時定制集成相關(guān)的輔助模型，開展仿真驗證，評估其技術(shù)能力及與系統(tǒng)的整體適配性，支持模型在線插拔，提供技術(shù)途徑選擇評估。

4)總體效能評估：根據(jù)系統(tǒng)類用戶設(shè)定，提供不間斷、多場景、多次仿真推演或虛擬實驗，根據(jù)多次仿真實驗數(shù)據(jù)，自動解算系統(tǒng)總體效能指標數(shù)值，并可生成直觀的系統(tǒng)綜合評估報告。

3.2 總體架構(gòu)

基于云計算理念構(gòu)建的在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺，以用戶為中心，從用戶的仿真需求出發(fā)，以高效、穩(wěn)定地滿足用戶仿真任務(wù)為目標，快捷地聚合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中已有的各類仿真資源，實現(xiàn)個性化需求驅(qū)動的仿真實驗。

總的平臺架構(gòu)基于“Xenserver+Hadoop+Docker+APP”的開源開放軟件架構(gòu)，對平臺硬件環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，且具有硬件橫向擴展能力。該架構(gòu)充分發(fā)揮了云計算仿真支撐技術(shù)的計算普適化和服務(wù)按需化特點，解決各類仿真資源的共享與動態(tài)分配問題，確保每一個仿真用戶都可獲得足夠的仿真資源，從而更專注于算法、結(jié)構(gòu)、機構(gòu)等設(shè)計的創(chuàng)新。

如圖3所示，在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺涵蓋了基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、平臺即服務(wù)(PaaS)、數(shù)據(jù)存數(shù)即服務(wù)(dSaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)四種技術(shù)框架。

IaaS提供平臺中網(wǎng)絡(luò)資源、計算資源(CPU、GPU等)、存儲資源(內(nèi)存、硬盤)，平臺資源管理器能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬集群的擴展和管理。該系統(tǒng)通過對基于容器虛擬化的基礎(chǔ)設(shè)施一體化管理技術(shù)的攻克，實現(xiàn)計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理、部署與配置，從而完成計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施的有效整合及靈活調(diào)度等目的，解決面向存儲和計算密集型的虛擬化資源管理問題。

圖3 平臺軟件架構(gòu)

PaaS提供基礎(chǔ)計算服務(wù)和軟件虛擬容器服務(wù)，主要由平臺的虛擬化基礎(chǔ)計算服務(wù)集群實現(xiàn)。其中，虛擬化計算集群調(diào)度管理器管理云平臺資源管理器分配的軟件虛擬容器(Docker容器)，并按照用戶總的計算資源需求為用戶的計算資源調(diào)度器按需分配并動態(tài)調(diào)整所擁有的軟件虛擬容器數(shù)量。同時，再將擁有的軟件虛擬容器拆分為更細粒度的計算容器，根據(jù)用戶對并行計算類(Map-Reduce批處理、Spark運算)作業(yè)的資源需求，為用戶的作業(yè)按需分配并動態(tài)調(diào)整計算容器數(shù)量。

dSaaS提供數(shù)據(jù)存儲管理服務(wù)，主要由平臺的存儲管理虛擬化集群實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)存儲集群層次，存儲集群調(diào)度器管理云平臺資源管理器分配的軟件虛擬容器服務(wù)(Docker容器)，并將其按照上層程序?qū)Υ鎯?，如NoSQL集群(HBase集群等)、SQL集群、文件集群，進行按需分配。對集群實時監(jiān)控與分析，根據(jù)存儲集群的使用情況，動態(tài)地對其所用資源進行優(yōu)化調(diào)整。同時，提供標準化的數(shù)據(jù)訪問API。

SaaS提供仿真推演和可視化展示服務(wù)，分別由仿真推演集群和可視化展示集群實現(xiàn)。仿真推演集群調(diào)度管理器和可視化集群調(diào)度管理器分別管理云平臺資源管理器分配的軟件虛擬容器服務(wù)，再根據(jù)用戶作業(yè)需求將其拆分為更細粒度的仿真/計算容器，實現(xiàn)多用戶的在線仿真與實驗演示。其中，仿真推演應(yīng)用軟件基于開源的科學計算軟件Scilab、Modelic等。

3.3 典型應(yīng)用

利用云計算等先進的計算機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型、計算與存儲等仿真資源的充分共享與高效利用，支持優(yōu)勢團隊的互聯(lián)、互通、互操作。在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺的典型應(yīng)用模式為:

1)仿真用戶應(yīng)用共享數(shù)據(jù)，搭建自己的仿真方案。

2)多個協(xié)作伙伴共同工作，其中一方修改，其他伙伴可立即獲取并參與，無縫銜接完成研發(fā)全流程，加快合作研究進程。

3)獲取虛擬樣機實驗所需的大容量數(shù)據(jù)，開展虛擬實驗。

圖4為用戶應(yīng)用平臺搭建系統(tǒng)方案仿真推演與虛擬實驗的過程示意。用戶首先根據(jù)任務(wù)要求、場景設(shè)定或約束，在終端的組件盤式、交互式科學計算軟件中，以“所見即所得”的方式，搭建系統(tǒng)方案仿真流程；當仿真開始指令下達后，云端接收相應(yīng)信息，組織并分配仿真資源；在從分布式數(shù)據(jù)庫中獲取計算所需數(shù)據(jù)后，云端在相應(yīng)的計算容器中開始按搭建的仿真方案展開并行計算，并將計算結(jié)果寫回數(shù)據(jù)庫?？梢暬K端從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)后，開始可視化計算，并加載相關(guān)可視化模型進行展示。

圖4 在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺典型應(yīng)用過程示意

在這一應(yīng)用過程中，云端以輕量級虛擬化Docker容器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)多個用戶共享仿真資源與資源動態(tài)分配，從用戶發(fā)出仿真請求到云端完成仿真推演計算返回結(jié)果的詳細過程，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)驅(qū)動的Docker云仿真技術(shù)

4 結(jié)束語

在軌服務(wù)與維護任務(wù)推演與虛擬實驗平臺是基于云的開放式、并行計算仿真實驗平臺，支持仿真資源的動態(tài)分配，能夠解決在軌實時事件仿真推演，以及虛擬樣機協(xié)同實驗過程中的高強度計算時延與實時應(yīng)用之間的矛盾，并具有很好的易擴展性和易維護性。平臺將為在軌服務(wù)與維護任務(wù)項目實施過程中的各參與方提供高效、協(xié)同的仿真與協(xié)作環(huán)境，在統(tǒng)一仿真驗證場景和評估標準的保障下，高效完成總體方案的優(yōu)化與評估，有效促進新技術(shù)的仿真驗證及其在項目中的應(yīng)用，為項目的實施提供有力保障?！?/p>