智能化海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計

王蕓 鄭雨婷 應(yīng)文 李暉 楊志霞

摘要：海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署與應(yīng)用成為海洋信息化發(fā)展的必然趨勢，隨著觀測網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，實現(xiàn)觀測網(wǎng)絡(luò)的有效管理與運(yùn)行成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮實際效用的關(guān)鍵因素，觀測任務(wù)管理系統(tǒng)是海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，通過對觀測任務(wù)的有效規(guī)劃與管理驅(qū)動，網(wǎng)絡(luò)觀測節(jié)點得到有效運(yùn)行。闡述了智能化海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)的工程設(shè)計與實施，利用領(lǐng)域工程的分析與設(shè)計方法，從功能需求、業(yè)務(wù)過程、體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計等層面進(jìn)行深入思考與工程設(shè)計，為大規(guī)模海上目標(biāo)觀測系統(tǒng)任務(wù)管理提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋觀測網(wǎng)絡(luò)；任務(wù)管理；規(guī)劃調(diào)度；管理控制

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）07-65-4

0引言

海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)是觀測技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向海洋領(lǐng)域應(yīng)用拓展的先行者，隨著海域安防、海上執(zhí)法、漁業(yè)監(jiān)管及資產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域的迫切需求，海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)技術(shù)迎來了快速發(fā)展的機(jī)遇。當(dāng)前，海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)模式正向大規(guī)模柵格化部署發(fā)展[1]，不同形態(tài)的觀測節(jié)點大量涌現(xiàn)，在觀測手段方面，正從單一手段向多元協(xié)同觀測演進(jìn)[2]。隨著部署規(guī)模增加以及觀測手段逐漸豐富，有效統(tǒng)籌觀測資源以滿足實際觀測需求是亟需解決的關(guān)鍵問題。任務(wù)管理系統(tǒng)通過觀測任務(wù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)中觀測節(jié)點的調(diào)度與操控，是海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)達(dá)成觀測目的不可或缺的組成部分，在航天遙感遙測、應(yīng)急指揮調(diào)度等領(lǐng)域具有豐富的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗[3]。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，任務(wù)管理過程逐漸向人工輔助規(guī)劃與決策方向發(fā)展。相比之下，海洋目標(biāo)觀測領(lǐng)域任務(wù)管理在海洋目標(biāo)觀測領(lǐng)域的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展相對滯后，普遍缺乏有效的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃與任務(wù)管理的方法與經(jīng)驗。

本文介紹了一種具有普遍適應(yīng)性的海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)智能化任務(wù)管理系統(tǒng)的工程設(shè)計思路，為大規(guī)模海上目標(biāo)觀測系統(tǒng)任務(wù)管理提供范例與參考依據(jù)。

1觀測任務(wù)特性分析

海上目標(biāo)觀測的手段及應(yīng)用場景多種多樣，觀測模式與方法可以歸納為以下2類。

（1）巡檢與搜索

通過控制傳感器在觀測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行巡檢與搜索，獲得海上目標(biāo)情報，巡檢與搜索的對象與范圍由相應(yīng)的觀測策略決定，可以是整個觀測覆蓋區(qū)域或部分熱點區(qū)域。巡檢與搜索一般具有周期性和預(yù)先規(guī)劃的特性，通過人工經(jīng)驗對觀測節(jié)點觀測范圍內(nèi)的熱點區(qū)域、熱點固定目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，通過預(yù)先規(guī)劃行動預(yù)案，周期性地進(jìn)行觀測。

（2）跟蹤與取證

跟蹤與取證主要針對觀測節(jié)點上的定向觀測資源，比如光電監(jiān)控設(shè)備，通過人工或智能情報輸入，精確制導(dǎo)鎖定特定的海上目標(biāo)，并對其進(jìn)行持續(xù)觀測與取證。跟蹤與取證觀測具有突發(fā)性，在系統(tǒng)接收到情報輸入后要求立即開展行動。

由于海上目標(biāo)觀測行為在觀測方式與特性上的差異，對海上目標(biāo)觀測任務(wù)的定義與處理流程也可分為長期觀測任務(wù)與突發(fā)觀測任務(wù)2類：①長期觀測任務(wù)，通過提前規(guī)劃觀測資源的行動方式，保證海上目標(biāo)觀測節(jié)點日常情況下有序運(yùn)行；②突發(fā)觀測任務(wù)，通過快速響應(yīng)特定目標(biāo)的異?；顒忧闆r或突發(fā)事件，保證海上目標(biāo)觀測節(jié)點對特定目標(biāo)或事件的針對性觀測。

在觀測任務(wù)的優(yōu)先級方面，突發(fā)觀測任務(wù)一般具有更高的優(yōu)先級，因此在常規(guī)觀測任務(wù)執(zhí)行時可能被更高優(yōu)先級的突發(fā)觀測任務(wù)中斷，在突發(fā)觀測任務(wù)完成時恢復(fù)并繼續(xù)觀測。

2任務(wù)管理功能模型

2.1 Mobilenet_v1

從功能角度看，海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能分為基礎(chǔ)支撐、業(yè)務(wù)運(yùn)作和資源調(diào)度3個不同層次的能力，通過3個層次能力的協(xié)調(diào)運(yùn)作，實現(xiàn)觀測資源高效的調(diào)度管理，如圖1所示。

資源調(diào)度位于頂層，面向任務(wù)管理業(yè)務(wù)過程，從業(yè)務(wù)運(yùn)作層面提供對任務(wù)需求輸入管理和任務(wù)協(xié)同規(guī)劃，以及資源調(diào)度能力；業(yè)務(wù)支撐層作為中間層，對業(yè)務(wù)過程提供必要支撐能力和手段，包括觀測資源的規(guī)劃、任務(wù)隊列管理、優(yōu)先級管理和任務(wù)資源沖突的消解，以及適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)能力；基礎(chǔ)支撐層作為底層服務(wù)，主要在數(shù)據(jù)與觀測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)支撐方面提供一系列的基礎(chǔ)支撐能力，包括數(shù)據(jù)交換、資源管理、控制信令轉(zhuǎn)換和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

3任務(wù)管理過程模型

海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理過程模型如圖2所示。目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)由觀測需求驅(qū)動，觀測需求通過自動或人工手段輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)按照觀測需求對觀測節(jié)點進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃并對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行封裝，形成正式的觀測任務(wù)并根據(jù)時間順序與優(yōu)先級別放入任務(wù)隊列中。在滿足任務(wù)開始的相關(guān)條件后，根據(jù)規(guī)劃方案對相應(yīng)的資源進(jìn)行調(diào)度，同時通過調(diào)度結(jié)果反饋以及設(shè)備監(jiān)控對調(diào)度效力進(jìn)行評估，在需要時通過自動或人工手段進(jìn)行調(diào)整，對任務(wù)執(zhí)行過程中形成的觀測結(jié)果，利用一系列目標(biāo)識別、分析手段進(jìn)行處理，進(jìn)而形成關(guān)鍵情報。

在此過程中，規(guī)劃模型及算法起到了核心作用，針對不同的觀測需求，需要選用合適的觀測模型與算法，達(dá)到最為優(yōu)化的任務(wù)規(guī)劃方案。具體來說，針對長期觀測需求周期性和預(yù)先規(guī)劃的特性，通過選取基于差分進(jìn)化算法[4]及蟻群算法[5]等演化類算法的任務(wù)規(guī)劃模型，在大時間跨度對批量觀測資源使用情況進(jìn)行精確規(guī)劃，形成最優(yōu)的觀測方案。針對突發(fā)觀測需求實時要求高、優(yōu)先級高、相對約束較少的特點，可通過基于貪心策略的算法模型[6]進(jìn)行快速規(guī)劃。

4任務(wù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)基于面向服務(wù)應(yīng)用思想進(jìn)行設(shè)計，在系統(tǒng)架構(gòu)上常采用多層分布式應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)，具有業(yè)務(wù)可重構(gòu)、功能可擴(kuò)充及易維護(hù)管理等優(yōu)點，自上而下劃分為表示層、服務(wù)邏輯層、業(yè)務(wù)邏輯層、基礎(chǔ)服務(wù)層及數(shù)據(jù)層，如圖3所示。

（1）表示層

實現(xiàn)與任務(wù)管理業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的信息展示、人機(jī)交互以及操作控制接口，包括觀測需求的輸入/接入、任務(wù)規(guī)劃過程的展示和操作、任務(wù)實施過程及實施動態(tài)的展示與人工干預(yù)操作以及觀測分析結(jié)果的展示等。

（2）服務(wù)邏輯層

通過引入工作流引擎，串聯(lián)表示層與數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層以及業(yè)務(wù)邏輯層，滿足下層數(shù)據(jù)、服務(wù)的按需調(diào)用，實現(xiàn)流程的按需定制。

（3）業(yè)務(wù)邏輯層

通過注冊服務(wù)的方式對上層提供與任務(wù)管理業(yè)務(wù)緊密關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)功能，主要包括規(guī)劃模型算法、沖突消解引擎、任務(wù)隊列、資源調(diào)度引擎、任務(wù)過程跟蹤引擎，以及目標(biāo)行為識別模型等。

（4）基礎(chǔ)服務(wù)層

包含展示層以及業(yè)務(wù)邏輯層服務(wù)所需的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)功能，以及數(shù)據(jù)交換、存儲、備份等數(shù)據(jù)層面的基礎(chǔ)服務(wù)。

（5）數(shù)據(jù)層

提供系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行以及配置管理所需的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)存儲環(huán)境支撐，任務(wù)管理系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)根據(jù)交換與存儲格式不同可劃分為實時流數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)以及文件格式數(shù)據(jù)，3類數(shù)據(jù)分別通過實時數(shù)據(jù)總線，綜合數(shù)據(jù)庫以及文件系統(tǒng)進(jìn)行交換和存儲。

5任務(wù)管理系統(tǒng)組成

海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)組成主要考慮功能模型要求和過程模型所表現(xiàn)的各功能模塊之間的協(xié)同關(guān)系，依次劃分為長期觀測任務(wù)規(guī)劃、突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)管理以及服務(wù)支撐4個子系統(tǒng)，其中長期觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)和突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)面向任務(wù)規(guī)劃過程，任務(wù)管理子系統(tǒng)面向任務(wù)執(zhí)行過程，服務(wù)支撐子系統(tǒng)面向系統(tǒng)基礎(chǔ)支撐能力和日常管理能力的實現(xiàn)，關(guān)系如圖4所示。

（1）長期觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)

長期觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)是一個獨立的功能軟件，有長期觀測需求管理、規(guī)劃模板管理及長期任務(wù)規(guī)劃模型算法等功能，提供UI以及規(guī)劃模板，協(xié)助海上觀測網(wǎng)絡(luò)管理員對長期觀測需求進(jìn)行新建或修訂，并通過調(diào)用長期任務(wù)規(guī)劃模型算法生成新的長期觀測任務(wù)。

（2）突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)

突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)是一個運(yùn)行于后臺的任務(wù)規(guī)劃服務(wù)，自動接收各類突發(fā)管理需求，具體包括長期觀測任務(wù)中形成的目標(biāo)運(yùn)動異常情報、可視化界面上人工選擇的需要持續(xù)關(guān)注的目標(biāo)航跡及外部用戶的觀測需求等，通過調(diào)用突發(fā)任務(wù)規(guī)劃模型算法快速形成響應(yīng)突發(fā)觀測的資源調(diào)度方案。

（3）任務(wù)管理子系統(tǒng)

任務(wù)管理子系統(tǒng)是一個獨立的應(yīng)用軟件，主要實現(xiàn)以下3個核心能力：①匯聚長期觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)和突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)發(fā)布的觀測任務(wù)，將調(diào)度方案分配到各觀測資源的任務(wù)隊列中，并對隊列中各任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行全時跟蹤；②提供沖突監(jiān)測服務(wù)、響應(yīng)長期觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)及突發(fā)觀測任務(wù)規(guī)劃子系統(tǒng)的詢問，對規(guī)劃造成的沖突以及與之沖突的任務(wù)進(jìn)行反饋，為規(guī)劃子系統(tǒng)消解沖突提供依據(jù)；③根據(jù)調(diào)度方案對各觀測資源進(jìn)行調(diào)度。

（4）服務(wù)支撐子系統(tǒng)

服務(wù)支撐子系統(tǒng)是多個分散的基礎(chǔ)服務(wù)，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、協(xié)議轉(zhuǎn)換及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等與業(yè)務(wù)不直接相關(guān)的基礎(chǔ)支撐能力。

6結(jié)束語

本文提出了一種智能化海上目標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)，通過對觀測任務(wù)的有效規(guī)劃與管理驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)觀測節(jié)點有效運(yùn)行。分析了觀測任務(wù)的特性，并利用領(lǐng)域工程方法進(jìn)行需求分析與系統(tǒng)設(shè)計，在任務(wù)管理功能模塊、任務(wù)管理過程模型、任務(wù)管理系統(tǒng)架構(gòu)及任務(wù)管理系統(tǒng)組成等方面進(jìn)行了深入思考與工程設(shè)計，可為大規(guī)模海上目標(biāo)觀測系統(tǒng)任務(wù)管理提供范例與參考依據(jù)。

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