基于預(yù)測模板的雷達(dá)資源自適應(yīng)調(diào)度管理算法

徐嘉文 凌翔

摘 要：相控陣?yán)走_(dá)天線陣面具備波束捷變能力，能夠快速對多個目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤、驗(yàn)證等任務(wù)操作，而雷達(dá)系統(tǒng)的資源總量是有限的。如何實(shí)現(xiàn)雷達(dá)資源的最大化利用，保障搜索與跟蹤的性能需求一直是雷達(dá)后段軟件的重點(diǎn)難點(diǎn)。本文提出了一種基于預(yù)測模板的自適應(yīng)雷達(dá)資源動態(tài)自適應(yīng)規(guī)劃、分配及調(diào)度算法，結(jié)合了基于模板的調(diào)度策略和動態(tài)自適應(yīng)的調(diào)度策略的優(yōu)點(diǎn)，盡可能提高雷達(dá)整機(jī)資源的最大化利用，能夠根據(jù)當(dāng)前工作環(huán)境和任務(wù)壓力，動態(tài)地對雷達(dá)資源進(jìn)行分配調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化資源管理。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá);任務(wù)管理;資源調(diào)度;軟件化

中圖分類號：TN958 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）08-0027-02

雷達(dá)是一種高度可靠的遠(yuǎn)距離探測系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用在防空預(yù)警、航空航天、空間探測等多個領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的重大作用，尤其是在我國的國防戰(zhàn)略預(yù)警體系中扮演著不可或缺的角色，是戰(zhàn)略預(yù)警的基礎(chǔ)。相控陣?yán)走_(dá)在系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)了“雷達(dá)天線陣列+后端控制處理”的新型架構(gòu)，不同于傳統(tǒng)的機(jī)械雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)陣面可以在后端軟件系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)波束快速捷變，數(shù)字化合成不同的波束形狀，從而能夠同時對多個目標(biāo)進(jìn)行多種任務(wù)操作[1]。雷達(dá)的整機(jī)的時間、能量和系統(tǒng)軟硬件資源總量是有限的，當(dāng)系統(tǒng)處于高強(qiáng)度任務(wù)壓力下時，某些任務(wù)必然會因?yàn)橛邢薜馁Y源條件而無法得到執(zhí)行，而這些任務(wù)中可能包括高優(yōu)先級的重要作戰(zhàn)事件，這些任務(wù)的丟失是不可接受的。如何在外部環(huán)境實(shí)時快速變化的情況以及有限的雷達(dá)資源限制條件下，實(shí)現(xiàn)對任務(wù)資源的最優(yōu)化調(diào)度分配，確保任務(wù)不丟失或者執(zhí)行失敗，對雷達(dá)的工作性能提升有著十分巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

新型軟件化架構(gòu)防空反導(dǎo)一體化相控陣?yán)走_(dá)是新一代先進(jìn)雷達(dá)的代表，具備高度軟件可定義、模塊功能可擴(kuò)展的先進(jìn)特性，大幅提高了雷達(dá)裝備的靈活性和適應(yīng)性。該型雷達(dá)作戰(zhàn)環(huán)境較為復(fù)雜，設(shè)計作戰(zhàn)任務(wù)多樣化，要求能夠快速適應(yīng)不同戰(zhàn)場環(huán)境的反導(dǎo)防空任務(wù)要求，在實(shí)際情況下需要設(shè)計復(fù)雜多變的任務(wù)模式，需要盡可能的提高資源利用率，對于其資源的自適應(yīng)動態(tài)分配能力提出了較高的要求，本文對其資源管理需求進(jìn)行了深入分析，提出了一種基于預(yù)測模板的資源自適應(yīng)調(diào)度與管理算法，在幾種經(jīng)典調(diào)度算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了整合改進(jìn)，能夠完成系統(tǒng)高負(fù)荷情況下的雷達(dá)資源最優(yōu)化調(diào)度分配。

1 雷達(dá)資源調(diào)度算法

常用的資源調(diào)度分配算法包括：模板化調(diào)度策略和自適應(yīng)資源調(diào)度與管理策略。其中模板化調(diào)度策略包括：固定模板調(diào)度，多模板調(diào)度和部分模板調(diào)度;自適應(yīng)資源調(diào)度與管理策略常用的方法包括：基于優(yōu)先級的時間資源自適應(yīng)調(diào)度，帶時間窗的自適應(yīng)調(diào)度，基于綜合優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度。

模板化調(diào)度策略的核心思想是將雷達(dá)工作流程切割為一個個調(diào)度間隔，將這些間隔劃分為一個個時間槽，每一個時間槽用來執(zhí)行一個任務(wù)時間，將雷達(dá)整機(jī)的資源在時域上切割為不同用途的時間片單位，系統(tǒng)自動選取該類型的時間槽作為調(diào)度載體，在事件執(zhí)行完畢后再處理下一個事件，不同的模板調(diào)度策略有不同的時間槽編排算法和分配比例，固定模板根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計有固定的時間槽排列，雷達(dá)裝備整機(jī)均按照一個固定的時間槽來進(jìn)行實(shí)際工作;多模板針對不同的工作模式有不同的排列，能夠針對不同的工作模式進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整;部分模板只排列好一部分事件，在間隔內(nèi)留出了空閑段作為動態(tài)調(diào)度空間，盡可能的在模板調(diào)度算法中保留了靈活性。

自適應(yīng)調(diào)度算法的基本設(shè)計思路為每一種類型的任務(wù)時間設(shè)置對應(yīng)的優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行實(shí)時調(diào)度分配，在此基礎(chǔ)上帶時間窗的自適應(yīng)調(diào)度具備根據(jù)事件是否落在窗內(nèi)決定事件在哪個間隔內(nèi)執(zhí)行的特性，能夠最大化利用每一個間隔內(nèi)的資源。自適應(yīng)調(diào)度算法實(shí)時分析當(dāng)前各個任務(wù)的緊迫程度，得到各個任務(wù)的優(yōu)先級分布，根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行綜合調(diào)度，使得各種類型的任務(wù)負(fù)載都可以得到均衡和保障，同時緊急任務(wù)可能得到迅速執(zhí)行。固定優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度為雷達(dá)每個類型的任務(wù)事件設(shè)置了固定的優(yōu)先級數(shù)值，在實(shí)際調(diào)度時按照優(yōu)先級從高到低進(jìn)行調(diào)度;動態(tài)優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度在各個事件優(yōu)先級數(shù)值的基礎(chǔ)上，加入了優(yōu)先級動態(tài)調(diào)整的機(jī)制;基于綜合優(yōu)先級的自適應(yīng)調(diào)度對事件的優(yōu)先級進(jìn)行深入分析，計算事件的二次優(yōu)先級，統(tǒng)計學(xué)特性優(yōu)先級等，對雷達(dá)工作趨勢進(jìn)行預(yù)測。

固定模板調(diào)度策略和自適應(yīng)資源調(diào)度與管理策略各有優(yōu)缺點(diǎn)。固定模板調(diào)度策略在系統(tǒng)接近滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下可以較好地保證各種類型任務(wù)的有效執(zhí)行，任務(wù)的截止期錯失率可以很小，甚至為零，但對于驗(yàn)證和失跟波束請求不能及時響應(yīng)，當(dāng)跟蹤目標(biāo)較少，系統(tǒng)出現(xiàn)空閑時間時，系統(tǒng)資源利用率降低的問題也不可避免，在系統(tǒng)低負(fù)載量的情況下仍然需要較多的資源來保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。自適應(yīng)資源調(diào)度與管理策略的方法較為靈活，可以實(shí)時地平衡各種系統(tǒng)波束請求所要求的時間、能量和計算機(jī)資源，及時響應(yīng)各種類型的波束請求，提高系統(tǒng)的資源利用率，最大化的確保各類任務(wù)的最優(yōu)化調(diào)度，但是算法流程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)先級體系設(shè)計，對雷達(dá)作戰(zhàn)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各類情況進(jìn)行提前分析，程序本身的運(yùn)算量大，與模板調(diào)度相比實(shí)時性低、可靠性不夠，在高負(fù)荷情況下可能會跟不上雷達(dá)工作時序。

2 基于預(yù)測模板的雷達(dá)資源自適應(yīng)調(diào)度管理算法

相控陣防空反導(dǎo)一體化雷達(dá)在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時，最常用的兩種工作模式包括搜索與跟蹤（TAS）和邊搜索邊跟蹤（TWS）兩種工作模式[2]。TAS工作模式下要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r對多個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，發(fā)射專門的精確跟蹤波位鎖定目標(biāo)并進(jìn)行實(shí)時跟蹤，同時也要確保最低的搜索任務(wù)量，保證不遺漏新目標(biāo)，其任務(wù)種類多，運(yùn)行機(jī)制較為復(fù)雜;TWS以搜索為主要工作模式，其工作特點(diǎn)為在每一幀都按照全空域搜索的方式進(jìn)行工作，不發(fā)射專用的跟蹤波束進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，其跟蹤實(shí)時性較低，運(yùn)行機(jī)制較為簡單。任務(wù)具有高實(shí)時性、動態(tài)性、非周期性等特點(diǎn)，典型事件包括：搜索、跟蹤、確認(rèn)和驗(yàn)證等任務(wù)事件。

對多種雷達(dá)偵察系統(tǒng)的實(shí)際作戰(zhàn)運(yùn)行情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在負(fù)荷較重的情況下，系統(tǒng)任務(wù)的競爭基本都來自于周期頻繁的跟蹤任務(wù)，在實(shí)時跟蹤任務(wù)請求產(chǎn)生頻率高的情況下，系統(tǒng)內(nèi)部的資源競爭會大幅上升。為了既能夠提高系統(tǒng)資源利用效率，避免任務(wù)競爭，在系統(tǒng)研發(fā)過程中，我們試驗(yàn)了多種調(diào)度算法策略，傳統(tǒng)的模板調(diào)度和自適應(yīng)調(diào)度均無法很好的適應(yīng)軟件化雷達(dá)系統(tǒng)需求。為此我們對資源管理調(diào)度算法進(jìn)行深入研究，提出了采用基于預(yù)測模板的自適應(yīng)資源調(diào)度與管理算法。這種算法的核心設(shè)計思想是將基于模板的方法和自適應(yīng)的方法的優(yōu)勢結(jié)合起來，最大限度的減少任務(wù)執(zhí)行之間的資源浪費(fèi)，在事件產(chǎn)生模式較為固定和緊急任務(wù)較為頻繁的情況下都能最大化系統(tǒng)的資源利用率。其算法流程詳細(xì)如下。

首先根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的工作情況動態(tài)地將雷達(dá)工作流程劃分為一個個可變模板（時間片Time），模板時間片的長度由系統(tǒng)當(dāng)前的工作負(fù)載輸入情況來動態(tài)決定，其決定依據(jù)是一個可擴(kuò)展的集合Event={跟蹤數(shù)據(jù)率，資源利用率，搜索類型…}，根據(jù)用戶選取的因素來確定時間片的決定因素;在確定了各個模板的長度之后，對各個類型的事件優(yōu)先級進(jìn)行分析設(shè)計;最后在模板內(nèi)部根據(jù)事件的優(yōu)先級進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，調(diào)度算法采用成熟的綜合優(yōu)先級分析算法。本論文在進(jìn)行算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時，選用跟蹤數(shù)據(jù)率作為時間片分割輸入，算法運(yùn)行時對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時把系統(tǒng)工作時間劃分為若干個時間片，如跟蹤數(shù)據(jù)率為1赫茲時，時間片為1秒;數(shù)據(jù)率為2赫茲時，時間片為100毫秒。任務(wù)管理軟件在收到航跡處理計算機(jī)發(fā)來的跟蹤波束申請時并不按照波束期望時間的要求立即響應(yīng)執(zhí)行，而只是把跟蹤波束申請的相關(guān)信息（如目標(biāo)的方位、距離、仰角等）先存儲起來，在系統(tǒng)工作時間進(jìn)行到每個時間片的開始時再按照存儲的信息發(fā)送跟蹤波束，執(zhí)行完跟蹤波束后在當(dāng)前時間片的剩余時間內(nèi)再響應(yīng)執(zhí)行搜索、驗(yàn)證等波束。該算法的優(yōu)點(diǎn)在于，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工作情況將資源切割成適應(yīng)性較強(qiáng)的時間片集合，最大限度的避免了調(diào)度間隔內(nèi)部的無序競爭和時間碎片，在時間片內(nèi)部采用自適應(yīng)調(diào)度算法對不同類型的任務(wù)事件進(jìn)行調(diào)度編排，既確保緊急任務(wù)的實(shí)時執(zhí)行，又能保證系統(tǒng)正常工作模式的各項任務(wù)需求。本調(diào)度策略在進(jìn)行實(shí)際研發(fā)過程中，在可變模板分割算法和自適應(yīng)調(diào)度算法兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計了擴(kuò)展接口，可以根據(jù)實(shí)際需求對算法進(jìn)行替換、擴(kuò)展和優(yōu)化。圖1為此算法下的時間片的設(shè)計。

在應(yīng)用這種算法設(shè)計之后，系統(tǒng)跟蹤波束的發(fā)送時間基本嚴(yán)格按照時間片的大小來進(jìn)行，從而在跟蹤數(shù)據(jù)率較高的情況下也可以獲得較為均勻的點(diǎn)跡時間間隔。它保留了模板法的思路，模塊自動地把調(diào)用頻繁的周期性跟蹤任務(wù)集中編排在一個固定時間段，盡可能避免任務(wù)間競爭，提高調(diào)度效率;同時又采取自適應(yīng)調(diào)度策略，對剩余的時間資源進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)度，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力得到大幅提高。該方法中，模板時間段的大小通過預(yù)測進(jìn)行改變，增強(qiáng)了系統(tǒng)對外界動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)能力?；陬A(yù)測模板的自適應(yīng)調(diào)度算法的核心是根據(jù)系統(tǒng)周期性任務(wù)預(yù)測下一個探測周期中模板時間的長短，而把剩余時間分配給自適應(yīng)調(diào)度需求。同時本方法的可擴(kuò)展性也為后續(xù)的升級優(yōu)化預(yù)留了提升空間。

3 結(jié)語

新一代相控陣?yán)走_(dá)的設(shè)計指標(biāo)提出了高適應(yīng)性、多功能一體化、靈活可擴(kuò)展的性能要求，如何在有限的雷達(dá)資源限制下，實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化調(diào)度分配已經(jīng)成為新一代雷達(dá)研制的重難點(diǎn)問題。本文對已有調(diào)度算法進(jìn)行了深入分析對比，開展了廣泛的仿真實(shí)驗(yàn)，提出了一種基于預(yù)測模板的資源自適應(yīng)調(diào)度分配算法，結(jié)合了模板和自適應(yīng)兩大類經(jīng)典調(diào)度算法的優(yōu)勢設(shè)計，在確保高優(yōu)先級跟蹤任務(wù)能夠正確實(shí)時執(zhí)行的前提下，最大化了每個時間片內(nèi)的資源利用率，上述自適應(yīng)資源調(diào)度與管理與管理算法已在多個產(chǎn)品和課題項目中得到了充分的技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳大偉.相控陣?yán)走_(dá)自適應(yīng)調(diào)度算法研究[D].成都：電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2011.

[2] 張貞凱，汪飛，周建江，等.多目標(biāo)跟蹤中的自適應(yīng)資源調(diào)度[J].航空學(xué)報，2011，32（3）：522-530.