(南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094)

0 引言

高性能并行計(jì)算在發(fā)達(dá)國家的國防戰(zhàn)略、作戰(zhàn)方案分析評(píng)估、危機(jī)預(yù)測預(yù)警、武器裝備體系規(guī)劃等軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在武器裝備混合調(diào)度控制方法上，如果能夠應(yīng)用高性能并行計(jì)算的相關(guān)技術(shù)，將會(huì)更加利于發(fā)現(xiàn)并解決過程中存在的問題，不斷優(yōu)化武器裝備的調(diào)度控制過程[1]。

隨著我國武器裝備建設(shè)的不斷發(fā)展，武器裝備的種類和數(shù)量大量增加，因此，現(xiàn)代軍事對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力也提出了更高的要求，單處理器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代武器裝備的混合調(diào)度控制。高性能并行計(jì)算指的是利用多處理器集群，以提高計(jì)算能力為目的，將計(jì)算任務(wù)進(jìn)行分配，在不同的計(jì)算節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行并行處理，形成高性能計(jì)算環(huán)境的一種計(jì)算方法[2]。它具有高可靠性、高性價(jià)比、高應(yīng)用支持性等優(yōu)點(diǎn)，因此，高性能并行計(jì)算技術(shù)是一種解決當(dāng)前武器裝備混合調(diào)度控制的有效方法。

當(dāng)前武器裝備在指揮、偵察、控制、通訊、動(dòng)力等方面，都趨向于標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、模板化。高性能并行計(jì)算具有數(shù)據(jù)量大、計(jì)算量大的特點(diǎn)，能夠滿足武器裝備調(diào)度控制規(guī)模不斷擴(kuò)大的要求。將高性能計(jì)算應(yīng)用于武器裝備混合調(diào)度控制方法中，可以擴(kuò)大計(jì)算范圍，加大通訊和數(shù)據(jù)交換量，提高調(diào)度控制效率。本文基于高性能并行計(jì)算，從實(shí)際需求出發(fā)，針對(duì)武器裝備混合調(diào)度控制的關(guān)鍵技術(shù)和方法進(jìn)行研究，充分發(fā)揮高性能計(jì)算的優(yōu)勢，滿足武器裝備體系的多樣性和復(fù)雜性的要求，對(duì)武器裝備混合調(diào)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[3]。

1 基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法

1.1 判斷武器裝備是否適合調(diào)度

在進(jìn)行混合調(diào)度控制時(shí)，要通過計(jì)算調(diào)度周期判斷是否適合調(diào)度，武器裝備混合調(diào)度周期基本周期計(jì)算公式為：

TBC=GCD(T1,T2，……，TM)

(1)

公式(1)中，(T1,T2，……，TM)為周期集合，GCD為周期值中的最大公約數(shù)，TBC為求得的基本周期。

TMC=LCM(T1,T2，……，TM)

(2)

公式(2)中，LCM為周期值中的最小公倍數(shù)，TMC為求得的矩陣周期。

通過公式(1)和周期集合求得調(diào)度周期與基本周期的比值ki：

(3)

公式(3)中，Ti∈(T1,Tm)。

(4)

當(dāng)調(diào)度數(shù)量Ys≤Ymax，則可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制；當(dāng)Ys>Ymax，則不可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度控制。

1.2 基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度

武器裝備調(diào)度原理圖如圖1所示。

圖1 武器裝備混合調(diào)度原理

如圖1所示，為了將武器調(diào)度效果優(yōu)化，按任務(wù)下達(dá)的時(shí)間將調(diào)度周期中的任務(wù)分為計(jì)劃任務(wù)和臨時(shí)任務(wù)兩個(gè)集合。在調(diào)度任務(wù)集中，計(jì)劃任務(wù)集相對(duì)穩(wěn)定，是確定的，作為整個(gè)周期的主體部分，一般采取優(yōu)化調(diào)度的方法。而臨時(shí)任務(wù)集則是隨機(jī)的，是臨時(shí)緊急任務(wù)，一般具有較高的優(yōu)先性，其內(nèi)容和時(shí)間都不確定，要采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)度方法。調(diào)度時(shí)將各種資源進(jìn)行比較，判斷任務(wù)的緊急性，將資源進(jìn)行分派，有效利用調(diào)度資源，最大程度保證任務(wù)的按時(shí)完成[4]。

由于武器裝備數(shù)量大，因此調(diào)度控制時(shí)需要加大工作量，確保調(diào)度工作高效、協(xié)調(diào)地運(yùn)行。如若調(diào)度質(zhì)量無法達(dá)到有效保證的標(biāo)準(zhǔn)，將直接威脅武器裝備系統(tǒng)的效能，甚至直接影響戰(zhàn)時(shí)作戰(zhàn)狀況。

如何保證武器裝備混合調(diào)度的質(zhì)量，有效發(fā)揮其輔助論證作用，是當(dāng)前研究的一大課題。在進(jìn)行武器裝備調(diào)度時(shí)，要嚴(yán)格遵照軍用軟件相關(guān)規(guī)定指南，基于需求分析，設(shè)定調(diào)度方法，進(jìn)行調(diào)度過程設(shè)計(jì)，完成驗(yàn)證和確認(rèn)，最終進(jìn)行調(diào)度結(jié)果評(píng)審和管理。

如圖2所示，本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度的工作流程大致如下：

圖2 基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度過程

調(diào)度時(shí)，Oracle數(shù)據(jù)庫管理后臺(tái)中會(huì)將采集到的信息進(jìn)行分類、分別進(jìn)行用戶、部門、環(huán)境、裝備管理，通過人機(jī)接口管理調(diào)度工作的正常運(yùn)行，進(jìn)行分段并行讀入。將信息立體匹配，進(jìn)行區(qū)域分解。區(qū)域分解是并行計(jì)算中的有效策略，能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜問題分解成一組小問題，再將小問題進(jìn)行求解、將解進(jìn)行合并，從而得到大問題的解，達(dá)到提高計(jì)算效率的目的。并行計(jì)算簡單來說就是多個(gè)處理器并行完成數(shù)據(jù)信息的分類處理，以完成對(duì)武器裝備的混合調(diào)度控制。將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和誤差分析，將結(jié)果進(jìn)行顯示，結(jié)束武器裝備的混合調(diào)度控制。

執(zhí)行調(diào)度命令的用戶可分為管理員、操作員以及普通用戶3種不同身份，因此不同身份登錄系統(tǒng)會(huì)被給予不同的權(quán)限，從而保證系統(tǒng)的機(jī)密性和安全性。

武器裝備管理是整個(gè)調(diào)度過程最重要的一步，能夠完成對(duì)調(diào)度工作的查看和管理，確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對(duì)武器裝備的現(xiàn)狀、出廠信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，滿足用戶實(shí)時(shí)了解武器裝備狀況的要求，另外在武器裝備實(shí)際管理中，會(huì)將所有武器裝備的實(shí)際信息進(jìn)行實(shí)時(shí)添加和修改，以滿足混合調(diào)度的目的。在武器裝備進(jìn)行維修、交接、定級(jí)、出入庫等工作時(shí)，武器裝備的質(zhì)量管理將會(huì)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)化管理，自動(dòng)生成對(duì)武器裝備的盤點(diǎn)、分配，在空間角度上提升對(duì)武器裝備物資的有效調(diào)度控制。調(diào)度時(shí)，還要對(duì)環(huán)境進(jìn)行分析和管理，這一步驟可以獲取現(xiàn)場環(huán)境的各種信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)武器裝備的全方位可視化遠(yuǎn)程管理控制。在數(shù)據(jù)維護(hù)時(shí)，已錄入的信息要不斷進(jìn)行維護(hù)和更新。

一旦調(diào)度過程出現(xiàn)問題，武器裝備的信息就會(huì)丟失，進(jìn)而造成嚴(yán)重后果，因此，調(diào)度時(shí)要設(shè)置備份功能，及時(shí)更新備份信息，并能夠隨時(shí)將實(shí)際信息進(jìn)行打印輸出，滿足工作人員對(duì)數(shù)據(jù)信息的需求。本文研究的基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度方法能夠提高武器設(shè)備的管理和維護(hù)效率，幫助技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的綜合情況，減少人工勞動(dòng)量，降低工作成本[5]。

1.3 基于高性能并行計(jì)算的武器裝備控制研究

通過本文設(shè)計(jì)的調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)武器裝備的控制，控制過程同時(shí)引進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等大量先進(jìn)的技術(shù)，其中計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)主要包括了以下幾種關(guān)鍵技術(shù)，作為混合控制方法的核心技術(shù)，組件化構(gòu)建技術(shù)采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)調(diào)度的操作和拓展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。調(diào)度后的武器裝備，對(duì)象數(shù)量多，操作范圍廣，需要調(diào)度控制的過程復(fù)雜，因此，運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生高交互頻率的信息。這就會(huì)造成整個(gè)過程數(shù)據(jù)量、通訊量、計(jì)算量和存儲(chǔ)量的急劇增多，因此在控制時(shí)加入了協(xié)同控制機(jī)制，保障結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性，滿足信息時(shí)效性的要求。

由于武器裝備系統(tǒng)目標(biāo)數(shù)量多，交互復(fù)雜度高且事件并發(fā)性強(qiáng)，因此回退頻繁和效率下降的問題頻頻出現(xiàn)，必須要加強(qiáng)底層服務(wù)的事件調(diào)度、消息管理、時(shí)間管理工作效率，在保證信息調(diào)度正確的同時(shí)，提高控制過程的時(shí)效性。

武器裝備控制工作模式如圖3所示。

圖3 武器裝備控制工作模式

如圖3所示，混合武器裝備控制模式工作比較復(fù)雜，在使用本文研究的調(diào)度方法對(duì)武器裝備進(jìn)行控制時(shí)，電子標(biāo)簽和條碼號(hào)會(huì)嵌入在武器裝備實(shí)體上，根據(jù)種類的不同，不同的武器裝備會(huì)進(jìn)行不同的管理，采用多傳感器控制模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制[7]。

裝備信息傳遞是保障整個(gè)控制過程順利運(yùn)行的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的信息傳遞方法受地域和裝備的種類和數(shù)量的因素影響較為嚴(yán)重，缺乏信息的交流和共享，使得各單元重復(fù)大量工作，影響控制工作效率。因此，在利用本文設(shè)計(jì)的調(diào)度方法控制武器裝備時(shí)，必須要注意信息的傳遞，對(duì)任務(wù)進(jìn)行量體裁衣，確保精密性，實(shí)現(xiàn)分散部署、聯(lián)合保障的目標(biāo)，通過前方的快速采集和實(shí)施診斷實(shí)時(shí)反映武器狀況，為一線人員服務(wù)[8]。同時(shí)，武器裝備的完整數(shù)據(jù)會(huì)及時(shí)傳遞至后勤保障中心，方便技術(shù)人員進(jìn)一步分析裝備狀況，預(yù)計(jì)分析裝備的故障情況，并由技術(shù)人員與使用人員溝通，進(jìn)行信息交互，解決故障隱患[9]。

為了確保調(diào)度后的武器裝備控制結(jié)果準(zhǔn)確性，在使用本文調(diào)度方法控制武器裝備的過程中，所有信息都要在文件中記錄，工作人員要對(duì)每一次控制結(jié)果進(jìn)行審核，判斷控制的結(jié)果是否符合實(shí)際情況和軍事要求，如果能夠同時(shí)滿足上述限定條件，則證明達(dá)到預(yù)期的控制效果；如果不能夠滿足上述限定條件，則證明與預(yù)期的控制效果不符合，需要重新進(jìn)行控制。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了檢測本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法的實(shí)際工作效果，將本文設(shè)計(jì)調(diào)度控制方法的與傳統(tǒng)調(diào)度控制方法進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上述設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取傳統(tǒng)武器裝備調(diào)度控制方法和本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法在同一環(huán)境下進(jìn)行工作，分別對(duì)同一批武器裝備進(jìn)行調(diào)度和控制，記錄兩個(gè)方法的抗干擾能力和控制范圍，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

2.4.1 抗干擾能力測試比較

由圖4可知，武器裝備調(diào)度控制方法在信息傳遞過程中受地域和裝備的種類和數(shù)量等因素的影響較為嚴(yán)重。在進(jìn)行抗干擾能力測試時(shí)，傳統(tǒng)武器裝備調(diào)度控制方法的波動(dòng)幅度較大，干擾值在-0.6～0.6之間，而本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法波動(dòng)幅度較小，干擾值在-0.2～0.2之間。綜上所述，本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制模型具有更高的抗干擾能力，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)武器裝備調(diào)度控制模型。傳統(tǒng)調(diào)度控制方法對(duì)于信息的傳遞能力很差，在調(diào)度和控制過程中缺少降噪處理，信號(hào)內(nèi)部加入大量干擾信息，直接影響工作效果。本文研究的武器裝備混合調(diào)度方法加入了降噪處理，信號(hào)中的干擾信息被有效剔除，進(jìn)一步促進(jìn)調(diào)度工作的順利進(jìn)行。

圖4 抗干擾能力比較結(jié)果

2.4.2 調(diào)度控制數(shù)量對(duì)比

隨著調(diào)度次數(shù)的增加，調(diào)度控制的難度會(huì)不斷增加，調(diào)度控制的武器裝備數(shù)量會(huì)逐漸下降。由圖5可知，隨著混合調(diào)度控制次數(shù)的增加，傳統(tǒng)方法和本文方法調(diào)度的武器裝備數(shù)量在不斷下降，但本文方法的下降程度明顯低于傳統(tǒng)方法。當(dāng)混合調(diào)度控制次數(shù)為7次時(shí)，本文方法調(diào)度的武器裝備數(shù)量仍然大于90%，但傳統(tǒng)方法在第4次混合調(diào)度控制時(shí)，調(diào)度的武器裝備數(shù)量就已經(jīng)低于90%。由此可知，本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法的調(diào)度能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的武器裝備混合調(diào)度控制方法。由于傳統(tǒng)調(diào)度控制方法對(duì)信息缺少足夠的把控，所以大量調(diào)度信息不準(zhǔn)確，還有一部分信息在調(diào)度和控制中丟失，因此在調(diào)度武器裝備時(shí)，信息不充足大大限制了調(diào)度效果，很多武器裝備必須要重新采集信息，才能完成調(diào)度控制工作。本文研究的混合調(diào)度控制方法對(duì)信息進(jìn)行備份，所有的裝備信息都被記錄在文件中，在進(jìn)行調(diào)度控制時(shí)，只需要合理使用文件內(nèi)部的信息就可以完成調(diào)度工作，因此調(diào)度范圍更大，效果更好。

圖5 武器裝備的混合調(diào)度控制數(shù)量對(duì)比結(jié)果

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復(fù)雜性不斷提高，傳統(tǒng)武器裝備調(diào)度控制方法和本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法都能夠?qū)ξ淦餮b備進(jìn)行調(diào)度控制，保證隊(duì)伍的戰(zhàn)斗力，確保武器裝備的安全性和穩(wěn)定性，但與傳統(tǒng)方法相比，本文基于高性能并行計(jì)算的武器裝備混合調(diào)度控制方法的工作效率更高，實(shí)時(shí)性效果更好，抗干擾能力更強(qiáng)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

3 總結(jié)與展望

部隊(duì)武器裝備的混合調(diào)度工作是部隊(duì)信息化建設(shè)中的薄弱一環(huán)，逐漸難以滿足未來戰(zhàn)爭的要求。利用現(xiàn)代信息技術(shù)將武器裝備混合調(diào)度控制進(jìn)行智能優(yōu)化，降低成本、提高效率已是當(dāng)前形勢要求。準(zhǔn)確、高效、智能的對(duì)武器裝備進(jìn)行調(diào)度控制，將信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、采集、上傳、存儲(chǔ)，滿足管理人員對(duì)信息的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、查詢和分析，已是目前部隊(duì)提出來的基本要求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法的不斷進(jìn)步，高性能計(jì)算集群得到迅速發(fā)展，高性能并行計(jì)算成為計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域的重要手段。傳統(tǒng)的串行計(jì)算方法受到限制過多，運(yùn)行時(shí)間長，無法適應(yīng)當(dāng)前精度要求較高的任務(wù)計(jì)算。目前高性能并行計(jì)算方法已在資源勘探、模型構(gòu)造、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。武器裝備混合調(diào)度模型會(huì)對(duì)武器裝備的基本信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，包括對(duì)武器裝備基本信息的添加、修改、刪除等操作，并且實(shí)時(shí)顯示裝備的應(yīng)用、維修、保養(yǎng)、封存、報(bào)廢狀況，方便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度控制。

本文將高性能并行計(jì)算方法引入到武器裝備混合調(diào)度控制方法中，利用高性能并行計(jì)算方法解決傳統(tǒng)方法中現(xiàn)有的問題，通過多次通信，完成數(shù)據(jù)的共享和交互。本文研究的武器裝備混合調(diào)度控制方法雖然具備一系列優(yōu)點(diǎn)，但是仍缺少一定的實(shí)際操作基礎(chǔ)，在未來的使用中可能存在一些潛在問題，需要進(jìn)一步研究和探討。