虛擬機在艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(1.西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院,西安 710072; 2.航天科技九院200廠,北京 100039)

虛擬機在艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)中的應(yīng)用

侯媛媛1，李江紅1，宮巨濤2，吳亞鋒1

(1.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院,西安710072; 2.航天科技九院200廠,北京100039)

面對信息化、遠(yuǎn)程精確打擊的空襲作戰(zhàn)，必須構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、一體化的防空作戰(zhàn)體系;主要針對艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)的不可靠性，設(shè)計了基于嵌入式虛擬機的架構(gòu)，提出了任務(wù)的動態(tài)分配和移植算法;首先根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錀l件，虛擬機動態(tài)的將控制任務(wù)分配到可靠的無線節(jié)點中，并實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，將底層不可靠無線節(jié)點中的控制任務(wù)移植到可靠的無線節(jié)點中;通過這種方法可以解決作戰(zhàn)環(huán)境惡劣和無線網(wǎng)絡(luò)本身的不可靠引起的控制的不穩(wěn)定性問題，確保防御任務(wù)的順利進行;仿真結(jié)果表明，當(dāng)編隊一體化防御系統(tǒng)的鏈路發(fā)生故障時，此方法能夠在不改變原有控制算法的基礎(chǔ)上，迅速重建控制構(gòu)架，不僅適用于艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)這種對時間要求和安全性要求高的系統(tǒng)，而且對基于無線網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)也有一定的借鑒意義。

嵌入式架構(gòu)；任務(wù)分配；移植；拓?fù)?/p>

0 引言

未來信息化條件下的現(xiàn)代海戰(zhàn)，呈現(xiàn)出立體化、多層次、全方位的特點。艦艇編隊作為海軍作戰(zhàn)的主要兵力，在作戰(zhàn)中面臨著嚴(yán)重的空中威脅。信息化技術(shù)的飛速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得艦艇編隊的防御表現(xiàn)為以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的體系間的對抗，協(xié)同作戰(zhàn)、自適應(yīng)和自組織能力則顯得尤為重要。

艦艇編隊防御系統(tǒng)，是指通過以計算機為核心的信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)作戰(zhàn)部隊、武器系統(tǒng)、信息系統(tǒng)之間交互，從而形成一個統(tǒng)一的整體，充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能，對來襲目標(biāo)進行有效抗擊的一種作戰(zhàn)方式。能夠?qū)崿F(xiàn)信息系統(tǒng)的高度共享和武器資源的協(xié)同使用，作戰(zhàn)指揮人員可以高效地綜合運用編隊內(nèi)各種火力和作戰(zhàn)手段達(dá)成編隊防御的目的。

由于作戰(zhàn)環(huán)境多變，無線網(wǎng)絡(luò)本身的不可靠性[1-2]，對任務(wù)的執(zhí)行效率和完成質(zhì)量會產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致系統(tǒng)失控。針對此現(xiàn)象，本文提出了一種基于嵌入式虛擬機的架構(gòu)和算法。即在作戰(zhàn)過程中，編隊系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錀l件發(fā)生變化時，解耦合出底層的不可靠的無線節(jié)點中的控制任務(wù)，對其進行重新分配或移植，迅速構(gòu)建控制流，確?？刂迫蝿?wù)的順利進行。

1 虛擬機

針對作戰(zhàn)環(huán)境中無線網(wǎng)絡(luò)中的鏈路，節(jié)點和拓?fù)錀l件本身的不可靠性，本文提出了一個嵌入式的架構(gòu)，即不是在設(shè)計時將控制任務(wù)靜態(tài)的映射到物理節(jié)點中，而是在運行時將它以一個單一部件的形式分配到傳感器、執(zhí)行器和無線節(jié)點中。這種方法可以解耦合底層不可靠物理節(jié)點的功能，將任務(wù)移植到可靠的物理節(jié)點中從而適應(yīng)編隊一體化防御系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件的變化，為此引入了虛擬機。

虛擬機(VM)與經(jīng)典的系統(tǒng)虛擬機不同[3]，虛擬機由多個具有存儲和計算能力的無線節(jié)點組成，通過無線節(jié)點組來維持其控制特性。它明確定義了無線節(jié)點中的控制和數(shù)據(jù)通訊機制。在防御過程中，虛擬機實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點的狀態(tài)，虛擬機根據(jù)系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錀l件，動態(tài)的將任務(wù)進行分配或移植，即對主—從控制器及路由進行選擇，將控制任務(wù)分配到不同的無線節(jié)點中。虛擬機實現(xiàn)了無線控制網(wǎng)絡(luò)和底層不可靠物理鏈路的無縫鏈接。

圖1 虛擬機在編隊防御系統(tǒng)中的應(yīng)用

2 虛擬機中無線節(jié)點的架構(gòu)

為了保證任務(wù)在無線節(jié)點中能夠任意分配和移植，要求無線節(jié)點的參考構(gòu)架如圖2所示，無線節(jié)點運行系統(tǒng)是構(gòu)建在實時操作系統(tǒng)之上的[4]，具體如下：

圖2 無線節(jié)點的參考架構(gòu)

此外還對操作系統(tǒng)的功能進行了擴展：

1)支持采樣率的動態(tài)變化，可以動態(tài)的激活防御任務(wù)。

2)支持防御任務(wù)的動態(tài)分配和移植。

虛擬部件管理器，管理虛擬任務(wù)而非本地任務(wù)，虛擬任務(wù)即動態(tài)的分配到本地節(jié)點上的防御任務(wù)。虛擬部件管理器中包含有解釋器和故障管理器，當(dāng)防御任務(wù)分配到無線節(jié)點時，虛擬部件管理器則調(diào)用解釋器負(fù)責(zé)對任務(wù)進行解析，它是實時操作系統(tǒng)和防御任務(wù)間的接口。故障管理器用于運行時的容錯處理。

虛擬部件管理器的主要功能如下：

1)虛擬任務(wù)的移植和激活：當(dāng)程序發(fā)生故障時，會展開任務(wù)的移植工作。任務(wù)在移植的過程中，虛擬任務(wù)描述表以及任務(wù)所使用的所有存儲塊將一同被移植。如果在被移植的節(jié)點中已經(jīng)定義了虛擬任務(wù)，則只需要交換任務(wù)參數(shù)即可。另外，在任務(wù)移植之前，調(diào)度分析儀將對被移植的節(jié)點執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和CPU的調(diào)度分析。如果沒有可以移植的節(jié)點，將返回錯誤并提示系統(tǒng)應(yīng)添加節(jié)點以勝任工作。當(dāng)任務(wù)被定義后，在激活虛擬任務(wù)前，所在節(jié)點將執(zhí)行一個本地的網(wǎng)絡(luò)和CPU的調(diào)度分析，從而確保當(dāng)前任務(wù)不會影響其它的任務(wù)的運行。

2)虛擬任務(wù)的分配：當(dāng)新增的或者本地的重新分配故障時，則激活虛擬任務(wù)的分配工作，虛擬部件管理則根據(jù)編隊系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件和無線節(jié)點初始的通訊和計算調(diào)度表對任務(wù)進行分配。

3)提供透明的無線傳輸接口：根據(jù)包含消息類型的信息頭，虛擬部件管理器則確定了接收消息的任務(wù)。接收任務(wù)的節(jié)點中的虛擬部件管理器首先處理這些消息，然后再激活解釋器，執(zhí)行任務(wù)。

4)邏輯到物理地址的映射：虛擬任務(wù)之間是通過虛擬部件管理器進行通訊的。虛擬任務(wù)彼此間并不知道其存儲的物理地址，虛擬部件管理器中存儲了邏輯到物理地址的映射關(guān)系，當(dāng)虛擬任務(wù)在同一節(jié)點上時，虛擬部件管理器直接向接收任務(wù)的緩沖區(qū)發(fā)送消息即可。

本地任務(wù)是無線節(jié)點中的靜態(tài)的任務(wù)，主要負(fù)責(zé)虛擬任務(wù)間的通訊，對虛擬任務(wù)的管理以及維持操作系統(tǒng)的運行等工作。

3 防御任務(wù)的分配和移植

作戰(zhàn)過程中，虛擬機實時監(jiān)測無線節(jié)點組的狀態(tài)，無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，嵌入式虛擬機則會根據(jù)當(dāng)時的作戰(zhàn)情形，重新部署防御任務(wù)。主要包括兩個方面：防御任務(wù)的重新分配和移植。

3.1 任務(wù)分配

任務(wù)分配原則為：

1)確保鏈路質(zhì)量最大化的同時使所用的鏈路總長度最小。

2)盡量避免使用相交的路徑。

3)最小化共享鏈路的成本。以圖3為例進行說明。

圖3 無線網(wǎng)絡(luò)控制的參考模型

圖3中包括m個無線節(jié)點和p個控制過程，分別用集合V和J表示。有向邊表示無線網(wǎng)絡(luò)的連通性。無線節(jié)點間以及無線節(jié)點與傳感器和執(zhí)行器間采用基于TDMA的協(xié)議進行通訊。設(shè)有以下變量：

(1)

其中:i∈V,j∈J,st∈{a,b},令:

(2)

對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為：f(x,y)=w1fLN+w2fLQ+w3fSL。任務(wù)的分配問題即為求目標(biāo)函數(shù)的最小值問題，其中w1,w2,w3分別是對應(yīng)函數(shù)的權(quán)重。fLN代表鏈路的總數(shù)、fLQ代表鏈路總質(zhì)量的相反數(shù)、fSL代表共享鏈路的成本。具體定義如下：

代表無線節(jié)點i到魚雷或武器系統(tǒng)k的長度。

為了提高艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)的可靠性和及時響應(yīng)能力，在任務(wù)分配時要求：

1)每個防御任務(wù)分配到一個主節(jié)點和R個從節(jié)點，為任務(wù)移植提供方便。表達(dá)式如下：

高壓柔性直流電網(wǎng)分層協(xié)同自適應(yīng)下垂控制//陶艷,劉天琪,李保宏,苗丹,董語晴,盧智雪//(18):70

2)防御任務(wù)的主節(jié)點至少與相應(yīng)的武器系統(tǒng)有兩條路徑可達(dá)，防御任務(wù)主節(jié)點和從節(jié)點都必須與它相關(guān)的雷達(dá)相連。Aj和Sj分別是與第j個防御任務(wù)相關(guān)的雷達(dá)和武器系統(tǒng)。表達(dá)式如下：

?j∈J,ka∈Aj,ks∈Sj,?i∈V

一般將任務(wù)分配問題看作是一個二進制整形程序最優(yōu)化問題[5]，可以通過分支界限法解決。但在艦艇編隊一體化防御系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對較為復(fù)雜，用上述方法需要進行大量的計算，因此，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)性能，將約束條件寫成合取范式的形式[6]，最優(yōu)化問題則轉(zhuǎn)化為滿足性問題，可通過SAT求解器求解[7]。

3.2 任務(wù)移植

在作戰(zhàn)過程中，無線節(jié)點或鏈路隨時可能發(fā)生故障，嵌入式虛擬機則保證在不影響原系統(tǒng)工作的前提下，將防御任務(wù)從不可靠的無線節(jié)點或鏈路中分離出來，移植到可靠的環(huán)境中。移植前，將對被移植節(jié)點進行通訊和計算的調(diào)度分析，確保防御工作的順利進行。

虛擬任務(wù)的計算需要消耗時間，計算調(diào)度則在保證不影響節(jié)點中的任務(wù)執(zhí)行的前提下，能夠按期完成虛擬任務(wù)[8]。假設(shè)vi執(zhí)行的任務(wù)有T={Ti1,...,Tim,VTi1,...,VTin}，Tij為本地的任務(wù)，VTij為分配到節(jié)點上的虛擬任務(wù)。其中虛擬任務(wù)的優(yōu)先級按降序排列。HP_T(VT)是優(yōu)先級高于虛擬任務(wù)的所有本地任務(wù)。eVTi代表虛擬任務(wù)的執(zhí)行時間。則虛擬任務(wù)對應(yīng)的時間要求函數(shù)[8]如下：

令wVTi(t)=t，若所求的解小于虛擬任務(wù)的截止時間，則虛擬任務(wù)滿足計算調(diào)度要求。

4 虛擬機的設(shè)計流

基于虛擬機的架構(gòu)允許系統(tǒng)在運行時隨著自動設(shè)計流的設(shè)計對其功能進行擴展，即從Simulink到平臺無關(guān)的相關(guān)領(lǐng)域的特定語言，再到平臺相關(guān)的代碼的產(chǎn)生。三層的設(shè)計方案可以使控制工程師專注于控制器的設(shè)計，而不需要考慮底層的硬件平臺，協(xié)議和架構(gòu)等。

根據(jù)Simulink中控制系統(tǒng)的描述，虛擬機能夠自動地將其轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)相對應(yīng)的功能性的描述，此描述與平臺和節(jié)點無關(guān)。除了功能性的描述外，虛擬機設(shè)計流還可以從Simulink中自動的提取一些輔助的功能屬性，如時間和任務(wù)間的相互依賴關(guān)系。這些屬性以及對控制系統(tǒng)功能性的描述，共同用來被定義與平臺相關(guān)的虛擬任務(wù)。

5 仿真

為了證明基于嵌入式虛擬機架構(gòu)和算法的可行性，對航母編隊一體化防御系統(tǒng)進行了仿真，假設(shè)編隊中有1艘航母、2艘護衛(wèi)艦和1艘驅(qū)逐艦。護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦上分別裝有雷達(dá)和近防炮。航母、護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，即在編隊中部有無線節(jié)點。防御目標(biāo)是具有蛇形彈道的馬斯基特彈。如圖4(a)所示，其中雷達(dá)的輸入為目標(biāo)位置、航向、速度以及炮筒所在的位置、指向、射速。輸出為兩者的相對參數(shù)差?？刂破鲗走_(dá)輸出信息匯總、計算，將控制量炮口方向、發(fā)射時機輸出給炮筒執(zhí)行器，最終對其控制。

圖4 VM在編隊防御系統(tǒng)中的應(yīng)用

圖(b)呈現(xiàn)了作戰(zhàn)環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)錀l件以及對應(yīng)于此條件下，控制任務(wù)分配的主節(jié)點和從節(jié)點。圖(d)初始的拓?fù)錀l件下，系統(tǒng)對于不同的輸入的響應(yīng)(周期為60 ms)。圖(c)是圖(b)發(fā)生鏈路故障時的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中虛線代表故障鏈路。圖(e)是在鏈路發(fā)生故障后，僅僅利用無線網(wǎng)路的自組織能力，重新選擇了路由，而沒有改變主節(jié)點和從選節(jié)點的位置時的系統(tǒng)響應(yīng)。由于從所有傳感器到主節(jié)點再到所有執(zhí)行器的通訊時間的增加，導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。圖(f)為圖(b)在t=60 ms變?yōu)閳D(c)后，使用式虛擬機(將任務(wù)進行了移植，重新選擇了主從節(jié)點和路由)時系統(tǒng)的響應(yīng)，由圖可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)與初始條件下系統(tǒng)的響應(yīng)基本一致。

結(jié)果證明，通過使用虛擬機，可以實時監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點和鏈路的狀態(tài)，當(dāng)其發(fā)生變化時，解耦合出底層的不可靠節(jié)點中的控制任務(wù)，將其移植到可靠的無線節(jié)點中。嵌入式虛擬機實現(xiàn)了底層不可靠物理設(shè)備和控制方法的無縫連接。

6 總結(jié)

編隊一體化防御系統(tǒng)的目的是通過網(wǎng)絡(luò)綜合集成各種作戰(zhàn)資源，實現(xiàn)體系內(nèi)的各種作戰(zhàn)要素之間的信息共享和綜合運用，以形成一個體系配套、多武器協(xié)調(diào)的良好防御體系。將戰(zhàn)爭從“作戰(zhàn)平臺中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”。

然而，由于作戰(zhàn)環(huán)境惡劣，無線網(wǎng)絡(luò)自身的不可靠，節(jié)點或鏈路可能發(fā)生故障，最終導(dǎo)致通訊失敗，嚴(yán)重則造成整個系統(tǒng)不可控。

本文提出的基于嵌入式虛擬機的構(gòu)架及其分配和移植算法，能夠靈活應(yīng)對作戰(zhàn)環(huán)境，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動態(tài)的將控制任務(wù)移植或分配到可靠的無線節(jié)點中。通過系統(tǒng)仿真證明了此方案的可行性，嵌入式虛擬機實現(xiàn)了控制算法和底層不可靠無線網(wǎng)絡(luò)的友好連接，對基于無線網(wǎng)絡(luò)的控制算法的研究具有一定的借鑒意義。

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[8] Liu J. Real-Time Systems[M]. Prentice Hall, Inc., 2000.

ApplicationofVirtualMachineinWarshipFormationDefenseSystem

Hou Yuanyuan1,Li Jianghong1,Gong Jutao1,Wu Yafeng2

(1.School of Power and Energy,Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China;2.Factory No.200,Beijing 100039,China)

In the face of information technology, long-range precision strike air combat, we must build networked, integrated air defense combat system. Due to unreliability of the wireless links and nodes in the warship formation, an embedded architecture is designed. Based on this architecture, a dynamic allocation and transplantation algorithm is proposed. According to the network topology of the operational environment, control task can be dynamically assigned to the wireless node by the virtual machine, and then network state is monitored. Our approach is to decouple the functionality from the inherently unreliable physical substrate and allow tasks to migrate/adapt to changes in the topology. This method can solve the instability problem caused by the bad environment and the wireless network. The simulation results show that when the links fault, it can reconstruct control architecture based on the same control algorithms. This is not only suitable for the integrated defense system of warship formation which is time-critical and safety-critical, but also for the control system based on wireless network.

embedded architecture; task assignment; migrate; topological condition

2017-03-16；

2017-04-18。

侯媛媛(1986-)，女，西安人，博士研究生，主要從事航空宇航科學(xué)與技術(shù)方向的研究。

李江紅(1970-)，男，西安人，碩士生導(dǎo)師，主要從事嵌入式計算機、控制理論與工程方向的研究。

1671-4598(2017)10-0158-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.041

TP273

A