海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心一體化管理平臺設(shè)計*

王 華，鮑俊雷，張德華，段慧芬，黃愛軍

海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心一體化管理平臺設(shè)計*

王 華**，鮑俊雷，張德華，段慧芬，黃愛軍

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431）

根據(jù)海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)和信息分布的特點，設(shè)計了海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心的一體化管理平臺。首先，平臺設(shè)計采用基于無共享存儲的高性能集群模式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，具備統(tǒng)一的計算與存儲系統(tǒng)能力以及良好的動態(tài)可擴(kuò)展性；其次，平臺采用層次化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)應(yīng)用4層，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心管理和應(yīng)用。根據(jù)應(yīng)用需求，重點設(shè)計了航天器遙測故障預(yù)警與診斷、測控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷、外測數(shù)據(jù)精度分析與數(shù)據(jù)挖掘等典型數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)核心價值。

海上測控；數(shù)據(jù)中心；一體化管理平臺；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)挖掘；云計算

全球信息化的快速發(fā)展開啟了大數(shù)據(jù)分析處理的新時代，根據(jù)研究統(tǒng)計，2011年全世界數(shù)據(jù)較上年增長了40%，未來10年全世界的數(shù)據(jù)量將是現(xiàn)在的44倍[1]。在大數(shù)據(jù)時代，用戶的信息化管理面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，如何建立智能化的數(shù)據(jù)平臺，在提高數(shù)據(jù)響應(yīng)效率的同時把應(yīng)用做到極致，愈發(fā)成為人們關(guān)注的焦點[2]。誰擁有對海量數(shù)據(jù)的占有、分析、處理的主導(dǎo)權(quán)，誰就擁有“數(shù)據(jù)主權(quán)”，就能以此為基本參數(shù)和清晰坐標(biāo)進(jìn)行核心競爭力建設(shè)。因此，在航天測控領(lǐng)域，需要適應(yīng)信息技術(shù)向數(shù)據(jù)技術(shù)邁進(jìn)的大趨勢，研究設(shè)計功能更加完善、配置更加合理、應(yīng)用服務(wù)更加靈活高效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 需求分析

根據(jù)海上測控業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，海上測控數(shù)據(jù)中心的建設(shè)應(yīng)滿足以下需求：

（1）能夠滿足海上測控各項業(yè)務(wù)、各類數(shù)據(jù)的高效存儲和管理，具備對各類不同信息的兼容和統(tǒng)一訪問能力，同時兼具高效的精確查詢和統(tǒng)計查詢計算能力；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的分層管理和使用，具備統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心管理平臺和應(yīng)用平臺，能夠與單位其他信息系統(tǒng)有良好的兼容能力；

（3）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運行態(tài)的資源在線平滑擴(kuò)展，系統(tǒng)擴(kuò)展不再需要暫停業(yè)務(wù)，實現(xiàn)硬件資源的即插即用以及軟件系統(tǒng)的接入式擴(kuò)展應(yīng)用；

（4）能夠按照數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行自動生命周期管理，降低系統(tǒng)運維成本；

（5）基于堅實的數(shù)據(jù)挖掘理論和豐富的工程化經(jīng)驗，形成大數(shù)據(jù)挖掘能力，深度探索和發(fā)現(xiàn)隱藏在海量數(shù)據(jù)之中的模式、規(guī)律和關(guān)系，從低價值密度的數(shù)據(jù)萃取高價值密度的知識，以指導(dǎo)海上測控任務(wù)中各項業(yè)務(wù)的決策，體現(xiàn)數(shù)據(jù)的核心價值；

（6）具備良好的容災(zāi)能力，具備數(shù)據(jù)中心自動瞬時故障轉(zhuǎn)移能力，保障數(shù)據(jù)的安全性。

2 數(shù)據(jù)中心平臺設(shè)計

大數(shù)據(jù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要是海量數(shù)據(jù)的存儲、海量數(shù)據(jù)的分析與處理和知識挖掘三個方面，海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心的平臺設(shè)計也應(yīng)該圍繞這三方面開展研究應(yīng)用。

隨著云計算時代的到來，更高的帶寬和更快的速度將使得計算機(jī)的大部分任務(wù)處理放在云端成為了可能，要達(dá)到這一目標(biāo)，如何存儲和訪問海量數(shù)據(jù)是所有云計算提供商所必須解決的問題。從Google、Amazon等先進(jìn)廠商提出的理念和實踐來看，無共享存儲集群是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)。在無共享存儲架構(gòu)集群中，每個節(jié)點擁有獨立的計算和存儲能力，數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的分布規(guī)則被分散到各個節(jié)點中，訪問被按照分布交付給對應(yīng)的節(jié)點處理，結(jié)果最后合并返回[2]。由于這種架構(gòu)具有較高的擴(kuò)展性，可以用較多的普通計算機(jī)架設(shè)出具有極大存儲空間和極強(qiáng)處理能力的數(shù)據(jù)中心，因此特別適合于作為提供云計算的基礎(chǔ)組件。

借鑒這一思想和模式，本文設(shè)計了數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫的集群式架構(gòu)，如圖1所示。數(shù)據(jù)中心的主節(jié)點放置在陸上，部署集群式的服務(wù)器陣列，在海上（測量船）則部署集群服務(wù)器的終端節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布存儲，定時數(shù)據(jù)同步和轉(zhuǎn)移。在這類大規(guī)模數(shù)據(jù)庫集群中，通常融合了列存儲、優(yōu)化索引、多級容錯、大規(guī)模并行處理、無共享、線性擴(kuò)展等技術(shù)中的多種技術(shù)，實現(xiàn)了其集群系統(tǒng)對PB級以上數(shù)據(jù)的分析處理能力。

圖1 數(shù)據(jù)中心分布式集群架構(gòu)Fig.1 Data center distributed cluster structure

數(shù)據(jù)庫集群系統(tǒng)采用基于無共享存儲的高性能集群技術(shù)，無共享存儲集群中的單個節(jié)點是一臺基本完整的計算機(jī)系統(tǒng)，包括自備的CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備，各節(jié)點之間通過局域網(wǎng)連接，單個節(jié)點計算與存儲性能均比較有限，然而整個系統(tǒng)的擴(kuò)展性非常出色，方便增加或刪減節(jié)點的動態(tài)擴(kuò)展，并獲得相應(yīng)的性能調(diào)節(jié)，整個系統(tǒng)對外表現(xiàn)為功能強(qiáng)大的統(tǒng)一計算與存儲系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)中心平臺具備一體化的平臺管理，其平臺架構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)中心平臺架構(gòu)Fig.2 Data center Platform architecture

數(shù)據(jù)中心平臺架構(gòu)分為4層：第一層是數(shù)據(jù)采集層，對數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)整合及格式歸一化處理，該層是數(shù)據(jù)的源端；第二層是數(shù)據(jù)存儲層，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式集群存儲；第三層是數(shù)據(jù)管理層，對數(shù)據(jù)采集端及數(shù)據(jù)庫進(jìn)行可視化管理、數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的實時監(jiān)控、容災(zāi)備份，提供快速、精確的大規(guī)模數(shù)據(jù)查詢、存儲等服務(wù)；第四層是數(shù)據(jù)應(yīng)用層，在數(shù)據(jù)管理平臺的基礎(chǔ)上，可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)特性和用途，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、故障診斷、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)查詢?yōu)g覽等各種應(yīng)用。

3 大數(shù)據(jù)的應(yīng)用設(shè)計

數(shù)據(jù)存儲的目的就是為了數(shù)據(jù)使用，如何使用好各類數(shù)據(jù)，充分挖掘數(shù)據(jù)內(nèi)部的有價值信息，成為了數(shù)據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵，為此，重點設(shè)計了幾種典型的數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.1 航天器遙測故障預(yù)警與診斷

隨著航天器控制精度不斷提高，航天器在軌壽命的不斷延長，積累了大量的在軌遙測數(shù)據(jù)，在軌遙測數(shù)據(jù)反映了衛(wèi)星在實際空間環(huán)境中真實的性能表現(xiàn)。對在軌遙測數(shù)據(jù)的挖掘和再利用，對于改進(jìn)航天器設(shè)計，進(jìn)一步提高航天器穩(wěn)定性和可靠性，延長在軌運行壽命，具有重要的意義。

通過在軌遙測數(shù)據(jù)的變化來監(jiān)視在軌衛(wèi)星的狀態(tài)，判斷和定位衛(wèi)星的運行異常和故障，是航天器在軌運行管理的核心內(nèi)容之一。如圖3所示，通過歷史遙測數(shù)據(jù)和異常遙測數(shù)據(jù)的時間、事件、位置、姿態(tài)等特征數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘分析算法，結(jié)合“自回歸”和“移動平均自回歸”算法對遙測參數(shù)進(jìn)行“時間序列”建模分析，對現(xiàn)有的遙測數(shù)據(jù)趨勢進(jìn)行曲線擬合和回歸分析[3]。對已經(jīng)確定出現(xiàn)的異常進(jìn)行分析和定位，通過找出實際曲線與預(yù)測曲線殘差分析，分析部件或者元器件的實際性能與設(shè)計指標(biāo)偏差；通過預(yù)測未來的遙測數(shù)據(jù)變化趨勢，進(jìn)行衛(wèi)星的故障預(yù)警和應(yīng)急準(zhǔn)備。同時，還能輔助進(jìn)行事前的在軌故障預(yù)警和事后的在軌故障分析診斷，提高在軌監(jiān)測分析的水平以及衛(wèi)星在軌管控能力。

圖3 航天器遙測故障預(yù)警與診斷Fig.3 EarlY Warning and diagnosis for sPacecraft telemetrY

3.2 測控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷

測量船的測控設(shè)備是海上測控的核心，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到測控任務(wù)的執(zhí)行情況，因此測控設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控及開展有效的故障診斷是數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)管理的重點。

通過數(shù)據(jù)中心的測控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，實時設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以建立設(shè)備的運行管理機(jī)制，實時掌控設(shè)備管理的階段特征和重點難點[4]；統(tǒng)計分析設(shè)備的故障高發(fā)點和異常高發(fā)點；評估設(shè)備運行狀態(tài)和任務(wù)狀態(tài)；進(jìn)而對設(shè)備進(jìn)行健康管理，提高設(shè)備的使用壽命，保持設(shè)備良好狀態(tài)。

其次，根據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)模型及大量的輸入輸出數(shù)據(jù)建立對應(yīng)的故障模型，通過對大量歷史信息的數(shù)據(jù)挖掘，解決偶發(fā)的設(shè)備故障或異常狀況，解決難以準(zhǔn)確定位的故障等，為設(shè)備故障診斷提供數(shù)據(jù)決策支持，并開展對設(shè)備狀態(tài)運行趨勢預(yù)測分析等等，其大致的方法與圖3相類似。

3.3 外測數(shù)據(jù)精度分析與數(shù)據(jù)挖掘

單站測量體制下跟蹤測量數(shù)據(jù)的殘差影響分析是高精度測量數(shù)據(jù)事后處理的關(guān)鍵技術(shù)手段之一。高精度外測數(shù)據(jù)事后處理結(jié)果其作用一是分析和評估飛行器試驗是否成功的重要依據(jù)，二是改進(jìn)飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計、定型，提高制導(dǎo)精度的關(guān)鍵，三是為測控系統(tǒng)總體設(shè)計、設(shè)備研制、精度鑒定和使用提供反饋信息，改進(jìn)和提高測控設(shè)備的測量精度重要途徑。跟蹤測量數(shù)據(jù)的殘差影響分析的目的是通過數(shù)據(jù)處理和誤差殘差建模，對影響測量數(shù)據(jù)精度的各類系統(tǒng)誤差殘差進(jìn)行修正效果分析、估計，為型號研制部門提供高精度數(shù)據(jù)處理結(jié)果[5-6]。因此，數(shù)據(jù)中心的核心數(shù)據(jù)是型號任務(wù)中的實時外測數(shù)據(jù)和設(shè)備校飛中的實時外測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是分析評估測量船測量精度及改進(jìn)測量誤差模型的關(guān)鍵信息，應(yīng)用好這些數(shù)據(jù)意義很大。

此外，在外測數(shù)據(jù)的處理中，總存在一些無法識別分析或難以察覺的異常，因此開展對外測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)而從大量外測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)一些不易發(fā)現(xiàn)的知識。數(shù)據(jù)挖掘一般分成4類，即相關(guān)和依賴關(guān)系的發(fā)現(xiàn)、類別的判定、類別的描述及異常數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)。特別是對異常數(shù)據(jù)的分析、與其相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的分析，通過數(shù)據(jù)的表征信息，對異常信息分類出誤差因素測量誤差，挖掘出潛在深層有價值的信息，通過數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)方法建立挖掘模型，進(jìn)而修正外測數(shù)據(jù)事后處理數(shù)據(jù)模型，解決含有復(fù)雜船搖周期影響的測量船動態(tài)測量數(shù)據(jù)的異常檢測難題等等。還可以通過相同的型號任務(wù)、相似的測量工況及測量設(shè)備等多種情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析和數(shù)據(jù)挖掘，分析系統(tǒng)誤差源，修正誤差模型，提高測量精度。

3.4 航海模擬訓(xùn)練與氣象信息數(shù)據(jù)應(yīng)用

測量船航海的海域范圍廣、行程遠(yuǎn)，特別是某些海域海況復(fù)雜，測量海域的氣象水文信息資料尤為珍貴，在海上測量任務(wù)中，測量海況的好壞對測量精度的影響很大，對測量船航行的安全性也尤為重要，因此，數(shù)據(jù)中心的氣象海域信息是其重要的組成部分。

安全的船舶駕駛是測量船執(zhí)行測控任務(wù)的根基，通過航海測控海域信息的采集包括海況的浪高、浪大，海區(qū)的溫度、鹽度、密度的分布，水團(tuán)和大洋環(huán)流、暗礁的分布狀況及測控海域的場景信息等，可以為建立真實的海區(qū)航海模擬器提供真實的數(shù)據(jù)資料庫。通過海域信息庫，將海域各類數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口輸入航海模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動模擬出真實的海域場景，通過這種信息化方式，逼真開展航海模擬訓(xùn)練。

與海況信息一樣，海域的氣象信息同樣重要。常見的天氣要素包括氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)、云、天氣現(xiàn)象、能見度等，其與海況信息直接影響測控任務(wù)的執(zhí)行情況，建立豐富齊全的氣象信息資料庫，可有效指導(dǎo)航線規(guī)劃及測控任務(wù)的風(fēng)險規(guī)避。

另外，測控通信的無線電波是在地球站和通信衛(wèi)星之間的空間傳播，星、站之間的電波傳播要穿透包含對流層（包括其中的云層和雨層）、平流層和電離層的大氣層，進(jìn)入外層空間。從電波傳播機(jī)理和傳播損耗來看，300 MHz以下的電波不能穿過電離層，而10 GHz以上的電波受大氣層的云、水蒸氣及雨的衰減較大[7]。因此，采集建立任務(wù)海域?qū)嶋H降雨的氣候信息庫，建立降雨衰減預(yù)測模型，為海上測控應(yīng)用提供必要的數(shù)據(jù)資料。

3.5 試驗任務(wù)質(zhì)量分析

隨著質(zhì)量管理體系的建立，其信息化系統(tǒng)逐步開始應(yīng)用，各類試驗任務(wù)數(shù)據(jù)會逐步信息化，形成完整的試驗任務(wù)質(zhì)量體系管理數(shù)據(jù)。在質(zhì)量管理體系中，重要的一個環(huán)節(jié)是對質(zhì)量問題進(jìn)行統(tǒng)計分析，查找質(zhì)量的原因，進(jìn)行質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。因此，通過對數(shù)據(jù)中心的質(zhì)量信息的統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)挖掘，可以找出試驗任務(wù)實施過程中的薄弱環(huán)節(jié)和相關(guān)因素，通過糾正措施和應(yīng)急預(yù)案提高試驗任務(wù)質(zhì)量等。

4 結(jié)束語

本文分析了海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求，根據(jù)測量船分布情況、測控數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的實際情況，設(shè)計了一種適用于海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心的一體化管理平臺。該平臺具備強(qiáng)大的統(tǒng)一計算與存儲系統(tǒng)能力以及良好的動態(tài)可擴(kuò)展性，能實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心管理和應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)中心存儲的航天器遙測數(shù)據(jù)、測控設(shè)備運行數(shù)據(jù)、測控任務(wù)外測數(shù)據(jù)、海域數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及質(zhì)量數(shù)據(jù)等，分析了航天器遙測故障預(yù)警與診斷、測控設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷、外測數(shù)據(jù)精度分析與數(shù)據(jù)挖掘等多種典型數(shù)據(jù)應(yīng)用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)核心價值。

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王 華（1977—），女，河南人，碩士，高級工程師，主要研究方向為軟件系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等；

WANG Hua Was born in Henan Province，in 1977.She is noW a senior engineer With the M.S.degree.Her research concerns softWare sYstem architecture and database aPPlications.

Email：WhWindcolor@126.com

鮑俊雷（1978—），男，江蘇人，碩士，工程師，主要研究方向為軟件系統(tǒng)架構(gòu)；

BAO Junlei Was born in Jiangsu Province，in 1978.He is noW an engineer With the M.S.degree.His research concerns softWare sYstem architecture.

張德華（1978—），男，江蘇人，碩士，工程師，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用；

ZHANG Dehua Was born in Jiangsu Province，in 1978.He is noW an engineer With the M.S.degree.His research concerns comPuter aPPlication.

段慧芬（1963—），女，吉林人，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天測控；

DUAN Huifen Was born in Jilin Province，in 1963.She is noW a senior engineer With the M.S.degree.Her research con_ cerns sPace TT＆C technologY.

黃愛軍（1982—），男，江蘇人，碩士，工程師，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用。

HUANG Aijun Was born in Jiangsu Province，in 1982.He is noW an engineer With the M.S.degree.His research concerns comPuter aPPlication.

Design of a Data Center Integrated Management Platform for Maritime TT＆C Missions

WANG Hua，BAO Junlei，ZHANG Dehua，DUAN Huifen，HUANG Aijun
（China Satellite Maritime Tracking and Control DePartment，JiangYin 214431，China）

According to the characters of maritime task data and information distribution，this PaPer designs a data center integrated management Platform for maritime TT＆C missions.BY aPPlYing the high Perform_ ance cluster Pattern database architecture based on shared memorY，the Platform can achieve PoWerful uni_ fied comPuting and storage sYstem caPacitY and good dYnamic scalabilitY.With hierarchical design，inclu_ ding data collection and Processing，data storage，data management and data aPPlication of the four laYers，unified data center management and aPPlication is realized.According to the aPPlication requirements，tYPi_ cal data aPPlication modules are designed to realize the core value of the data，such as the sPacecraft telem_ etrY fault earlY Warning and diagnosis，telemetrY and control equiPment remote monitoring and fault diagno_ sis and tracking accuracY analYsis and data mining.

maritime TT＆C；data center；integrated management Platform；data acquisition；data storage；data mining；cloud comPutation

TP392

A

1001-893X（2016）01-0104-05

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.01.019

王華，鮑俊雷，張德華，等.海上測控任務(wù)數(shù)據(jù)中心一體化管理平臺設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2016，56（1）：104-108.[WANG Hua，BAO Junlei，ZHANG Dehua，et al.Design of a data center integrated management Platform for maritime TT＆C missions[J].Telecommunication En_ gineering，2016，56（1）：104-108.]

2015-04-08；

2015-07-13 Received date：2015-04-08；Revised date：2015-07-13

**通信作者：WhWindcolor@126.com Corresponding author：WhWindcolor@126.com