基于云計(jì)算的裝備保障系統(tǒng)架構(gòu)研究

韓朝帥,潘恩超,劉瑞起,劉 曉,劉 寧

(1.防化研究院裝備保障研究室，北京 102205； 2.中國人民解放軍 66321部隊(duì)，北京 102205)

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基于云計(jì)算的裝備保障系統(tǒng)架構(gòu)研究

韓朝帥1,潘恩超1,劉瑞起1,劉 曉2,劉 寧1

(1.防化研究院裝備保障研究室，北京 102205； 2.中國人民解放軍 66321部隊(duì)，北京 102205)

針對現(xiàn)有裝備保障系統(tǒng)無法滿足信息化戰(zhàn)爭對其全程信息共享、全域資源重組和柔性供應(yīng)管理等方面的要求這一現(xiàn)狀，提出了采用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建裝備保障系統(tǒng)的方法，并研究了該系統(tǒng)的基本架構(gòu)；首先，對裝備保障系統(tǒng)的目標(biāo)和功能進(jìn)行研究；其次，根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)和功能，分析基于云計(jì)算的裝備保障系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，構(gòu)建其云計(jì)算架構(gòu)，并對系統(tǒng)的安全進(jìn)行探討；最后，在系統(tǒng)云數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)流向分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)；該研究對加快裝備保障信息化建設(shè)具有重要的參考價(jià)值。

裝備保障；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算；數(shù)據(jù)挖掘

0 引言

裝備保障系統(tǒng)是高效完成裝備保障工作的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著信息技術(shù)在裝備建設(shè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，裝備性能和復(fù)雜程度不斷提高，我軍的裝備保障也快速邁入大數(shù)據(jù)時(shí)代，如何適應(yīng)復(fù)雜多變的軍事任務(wù)環(huán)境，保持和增強(qiáng)保障的可變性、靈活性和主動(dòng)性，高效收集、分析和處理這些海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對裝備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、主動(dòng)性維修和技術(shù)管理，一直是裝備保障工作亟待解決的熱點(diǎn)問題。

現(xiàn)行的裝備保障系統(tǒng)主要采用靜態(tài)的、專用式的信息管理模式[2-5]，無法滿足新形勢下裝備保障對全程信息共享、全域資源重組和柔性管理等[6]方面的迫切需求。本文圍繞新形勢下裝備保障系統(tǒng)的“大數(shù)據(jù)”特點(diǎn)，利用云計(jì)算不受地點(diǎn)、時(shí)間、設(shè)備、系統(tǒng)限制的特點(diǎn)[7]，提出以云計(jì)算技術(shù)為核心、以云數(shù)據(jù)為中心的模式構(gòu)建裝備保障系統(tǒng)(簡稱裝備保障云系統(tǒng))，并重點(diǎn)對系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)進(jìn)行研究，為研究裝備保障工作提供了新的方法。

1 裝備保障系統(tǒng)概述

裝備保障系統(tǒng)是指在裝備的全壽命周期內(nèi)，為裝備使用和維修所研制的全部保障資源的有機(jī)綜合體[8]。以下主要從系統(tǒng)的目標(biāo)和功能兩個(gè)方面對裝備保障系統(tǒng)進(jìn)行概述。

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

裝備保障系統(tǒng)的根本目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)有效的達(dá)到裝備完好性要求，實(shí)現(xiàn)裝備的綜合保障[9]。根據(jù)我軍裝備發(fā)展方向、未來科技的發(fā)展趨勢以及當(dāng)前裝備保障的實(shí)際情況[10]，科學(xué)論證、嚴(yán)密規(guī)劃，從保障力量、保障能力和保障行動(dòng)3個(gè)方面構(gòu)建符合當(dāng)前我軍實(shí)際的裝備保障系統(tǒng)目標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 裝備保障系統(tǒng)目標(biāo)體系模型

由圖1可知，裝備保障系統(tǒng)通過打造一支以“信息主導(dǎo)、軍民融合、平戰(zhàn)結(jié)合、專業(yè)集成”為目標(biāo)的保障力量，從而達(dá)到“反應(yīng)敏捷、部署快速、保障主動(dòng)、供應(yīng)精確”的能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指揮自動(dòng)化、資源可視化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和力量模塊化，達(dá)到裝備綜合保障這一最終目標(biāo)。

1.2 系統(tǒng)功能

通過對各目標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前裝備保障系統(tǒng)的功能特點(diǎn)[11]，研究得出裝備保障云系統(tǒng)的4個(gè)基本職能：裝備管理、裝備維修、保障資源管理和裝備保障訓(xùn)練，具體如圖2所示。其中裝備管理功能主要包括裝備調(diào)配、動(dòng)用、技術(shù)狀況監(jiān)控及實(shí)力評估等功能；裝備維修功能主要包括裝備維修需求預(yù)測與計(jì)劃、維修組織、維修評估等功能；保障資源管理功能是指對裝備信息、人力、設(shè)施設(shè)備等保障資源進(jìn)行管理和評估工作；裝備保障訓(xùn)練功能主要包括基礎(chǔ)訓(xùn)練、專業(yè)訓(xùn)練和課題訓(xùn)練3個(gè)基本功能。

圖2 裝備保障系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2 裝備保障云系統(tǒng)架構(gòu)

裝備保障云系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的人工系統(tǒng)，對其架構(gòu)展開研究和構(gòu)建必須以科學(xué)的方法論為指導(dǎo)，為此，在明確系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，進(jìn)而得到系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

2.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)裝備保障系統(tǒng)的基本功能，結(jié)合云計(jì)算全程信息共享、全域資源重組和柔性供應(yīng)管理的特點(diǎn)，構(gòu)建裝備保障云系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。如圖3所示，裝備保障云系統(tǒng)主要由情報(bào)與決策模塊、指揮控制模塊、行動(dòng)模塊、資源管理模塊和評估與信息反饋模塊構(gòu)成，這5個(gè)模塊相互通信協(xié)調(diào)，從裝備保障信息網(wǎng)格獲取裝備戰(zhàn)場損傷狀況、保障資源等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝備的綜合保障。

圖3 裝備保障云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

云架構(gòu)通常包含3個(gè)基本層次[12]：基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，其通過網(wǎng)絡(luò)的方式將云中的服務(wù)交付給各級用戶。根據(jù)云架構(gòu)的三層特點(diǎn)，結(jié)合裝備保障云系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，構(gòu)建其系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 裝備保障云系統(tǒng)架構(gòu)

由圖4可知，裝備保障云系統(tǒng)架構(gòu)分為四層：基礎(chǔ)設(shè)施層、硬件資源層、基礎(chǔ)軟件層和應(yīng)用軟件層。基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括機(jī)房、機(jī)柜、配電室、空調(diào)等機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施。硬件資源層是采用虛擬化技術(shù)將機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施、加密網(wǎng)絡(luò)等硬件資源進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部管理、自動(dòng)操作和優(yōu)化管理?；A(chǔ)軟件層是以裝備管理軟件、質(zhì)量法規(guī)軟件等具有通用性和可復(fù)用性的軟件為核心構(gòu)建而成，其主要目的是為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件的可伸縮性、可用性和安全性。應(yīng)用軟件層是云上情報(bào)與決策支持、指揮控制、保障行動(dòng)、保障評估和信息反饋等應(yīng)用軟件的集合，其建立在硬件資源層提供的硬件資源和基礎(chǔ)軟件層提供的環(huán)境上，通過網(wǎng)絡(luò)交付給用戶。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

裝備保障云系統(tǒng)的核心是利用云計(jì)算技術(shù)的分布式處理、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對裝備保障相關(guān)軟硬件資源的虛擬化、相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括虛擬機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、分布式編程與計(jì)算技術(shù)、虛擬資源的管理和調(diào)度技術(shù)、業(yè)務(wù)接口技術(shù)、安全防護(hù)技術(shù)等。虛擬機(jī)技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的虛擬化；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)對裝備保障云系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有分布式、吞吐率高和傳輸率高的特點(diǎn)；數(shù)據(jù)管理技術(shù)是指如何在海量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取后進(jìn)行高速快捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而為裝備保障提供決策輔助；分布式編程與計(jì)算技術(shù)是為了使各級用戶能快捷方便地使用服務(wù)，可以通過編寫簡單的程序來實(shí)現(xiàn)特定的目的；虛擬資源的管理與調(diào)度技術(shù)是通過整合物理資源形成資源池，并通過資源管理層(管理中間件)實(shí)現(xiàn)對資源池中虛擬資源的管理、任務(wù)管理、用戶管理和安全管理等工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障的屏蔽，資源狀況監(jiān)視，用戶任務(wù)調(diào)度，用戶身份管理等多重功能；業(yè)務(wù)接口技術(shù)是為了方便業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)IT系統(tǒng)向云計(jì)算環(huán)境的遷移。

2.4 系統(tǒng)安全分析

安全問題一直是云計(jì)算應(yīng)用于各領(lǐng)域面臨的核心問題之一，其一般分為數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)安全。數(shù)據(jù)安全主要包括數(shù)據(jù)的完整性、保密性、非否認(rèn)性和信息真實(shí)性。系統(tǒng)安全主要包括系統(tǒng)的可用性、可控性和實(shí)體真實(shí)性。針對這些安全問題，一般采用“技術(shù)對策、安全管理、用戶防范、法律保障”的原則，常用的解決方案包括基于云計(jì)算的安全防護(hù)解決方案、基于云計(jì)算的集中存儲(chǔ)保密解決方案和基于云計(jì)算的身份管理解決方案等[13]。針對裝備保障的高度安全要求，建議不同層級采用不同的方案、多種方案并行作用的方式進(jìn)行安全防護(hù)。

3 裝備保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)

數(shù)據(jù)挖掘是指從海量的、有噪聲的數(shù)據(jù)中獲取有用的知識(shí)，主要分為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)分析、得出結(jié)論3個(gè)階段。裝備保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘是以云數(shù)據(jù)為中心，不盡避免數(shù)據(jù)延遲，提高了挖掘的精度和效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和自服務(wù)。

3.1 云數(shù)據(jù)中心

云數(shù)據(jù)中心就是集中管理的資源池，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源和軟件資源等。裝備保障云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心主要由表示層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)層包含了裝備保障的數(shù)據(jù)元素實(shí)體、實(shí)體的屬性及相互之間的聯(lián)系，如圖5所示。

圖5 裝備保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

根據(jù)裝備保障云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)，對系統(tǒng)中信息的連接和數(shù)據(jù)的流向進(jìn)行分析。首先，對各類線性和非線性的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分；其次，確定需要分析處理的主要數(shù)據(jù)，尤其是元數(shù)據(jù)[14]，明確各數(shù)據(jù)名稱、大小、格式及與其他數(shù)據(jù)項(xiàng)的關(guān)系；最后，對這些海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、處理，得到數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。圖6為裝備保障云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖。

圖6 裝備保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

3.2 云數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)

根據(jù)裝備保障云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)和數(shù)據(jù)流向，綜合考慮系統(tǒng)各云塊相互獨(dú)立而又有效連接的特點(diǎn)，確定綜合保障云系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)，如圖7所示。

圖7 裝備保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)

由圖7可知，數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)既可來源于數(shù)據(jù)庫或用戶端上傳的文本、表格等，又可來源于云端中的數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)服務(wù)層對各類含有噪聲的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、加工，得到滿足數(shù)據(jù)挖掘算法的有效數(shù)據(jù)；應(yīng)用程序云是綜合保障云系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵模塊；知識(shí)云主要用于數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)知識(shí)的存儲(chǔ)，其具有添加、刪除、更改、查詢等功能；針對用戶的請求，算法云向應(yīng)用程序云提供數(shù)據(jù)挖掘需要的算法；用戶通過使用顯示設(shè)備來訪問系統(tǒng)的各種程序。

4 結(jié)論

本文針對新形勢下裝備保障面臨的全程信息共享、全域資源重組和柔性管理等方面的迫切需求，以云計(jì)算技術(shù)為核心，以云數(shù)據(jù)中心為依托構(gòu)建了裝備保障系統(tǒng)的總體架構(gòu)和數(shù)據(jù)挖掘架構(gòu)，為研究新時(shí)期裝備保障提供了有益的參考價(jià)值。

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Research on Architecture of Equipment Support System Based on Cloud Computing

Han Chaoshuai1, Pan Enchao1, Liu Ruiqi1, Liu Xiao2, Liu Ning1

(1.Equipment Support Department, Prevent Chemical Institute，Beijing 102205,China;2.Troops 66321 of PLA, Beijing 102205,China)

On account of the current situation that existing equipment support can not meet the requirements for full information sharing, reorganization of global resources, flexible supply management and other aspects in IT-based warfare, putting forward the method to build equipment support system based on cloud computing technology, and studying its basic architecture. First of all, discuss the objective and function of equipment support system. Secondly, in the light of the system goal and function, dissect the basic structure of equipment support system based on cloud computing, construct its cloud computing architecture, and explore its security. Finally, build the data mining architecture of this system by analyzing its cloud data center and data stream. This study provides an important reference value for accelerating the information construction of equipment support.

equipment support; large data; cloud computing; data Mining

2015-08-23；

2015-11-05。

韓朝帥(1993-)，男，主要從事裝備綜合保障工程方向的研究。

1671-4598(2016)03-0103-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.028

TP3

A