空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理探討與展望

■ 杜曉明

中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 北京 100190

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的增長，建設(shè)覆蓋范圍廣的空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)[1-2]，充分利用空間、海洋與地面網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入和覆蓋范圍等方面的互補(bǔ)性，不僅成為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，也是我國科技創(chuàng)新的重要項(xiàng)目。作為近些年出現(xiàn)的國內(nèi)外前沿研究的重點(diǎn)之一，空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)采用探測傳感技術(shù)、觀測技術(shù)、通信技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，研究空天海地環(huán)境中環(huán)境參數(shù)與觀測目標(biāo)信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理、分析、管理、顯示和應(yīng)用，從而滿足環(huán)境變化監(jiān)測、自然災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警、國土資源智能規(guī)劃管理、城市建設(shè)發(fā)展、智慧農(nóng)業(yè)、智能交通、國家安全等重大需求，保障社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)是空間網(wǎng)絡(luò)、海洋網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。一體化觀測網(wǎng)絡(luò)由不同功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，為了完成觀測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸任務(wù)，這些節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成觀測網(wǎng)絡(luò)。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增加，網(wǎng)絡(luò)的管理越來越重要。網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力低，無法獨(dú)自完成復(fù)雜的應(yīng)用。因此，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)一般會(huì)分解成多個(gè)任務(wù)，然后將這些任務(wù)調(diào)度并分配到多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上處理完成，并且，這些任務(wù)之間具有一定的優(yōu)先級關(guān)系。一體化觀測網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)完成的時(shí)間成本及可靠程度是衡量觀測網(wǎng)絡(luò)管理性能的重要指標(biāo)，因此，其網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理及資源調(diào)度技術(shù)的研究需要考慮完成任務(wù)過程中的多個(gè)因素，比如，時(shí)間、能量消耗、可靠性等性能指標(biāo)[3]。

圖1 空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)

目前針對一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理研究大多集中在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)調(diào)度及資源管理方面[4-10]。YU 等[4]介紹了一種分布式任務(wù)分配算法，綜合考慮了通信、計(jì)算、感知及睡眠活動(dòng)的能量成本，針對傳感器節(jié)點(diǎn)上的工作負(fù)載進(jìn)行最優(yōu)平衡分配。KIRAN、ABDELSALAM、WANG 等[5-7]提出了動(dòng)態(tài)資源管理和規(guī)劃調(diào)度的方案和設(shè)計(jì)，目標(biāo)在于針對具體環(huán)境實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的任務(wù)管理和資源調(diào)度效果。同時(shí)，針對當(dāng)前云端一體化網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，針對不同場景的任務(wù)管理優(yōu)化方法也是研究熱點(diǎn)之一[8-10]。但是，現(xiàn)有研究都有各自的缺點(diǎn)，未考慮到當(dāng)前一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的工程復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜性雙重問題。

綜上所述，隨著萬物互聯(lián)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的觀測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以不同的方式接入到了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中來，越來越多的觀測業(yè)務(wù)和服務(wù)種類依托在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上，越來越大的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理承載在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上，整個(gè)觀測網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出異構(gòu)、泛在和復(fù)雜的特點(diǎn)。實(shí)際的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的工程復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜性越來越高。而且，觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也具有動(dòng)態(tài)性和不可預(yù)測性的特點(diǎn)，是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)。觀測網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀導(dǎo)致了資源利用率不高、功能擴(kuò)展造價(jià)高、管理復(fù)雜等種種問題。

為了有效應(yīng)對上述問題，本文將平行智能理論[11]引入到一體化觀測網(wǎng)絡(luò)，提出平行觀測網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，通過人工觀測網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及任務(wù)管理功能進(jìn)行軟件化定義，并與實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳遞及相互優(yōu)化，通過大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)來獲取網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理方案，實(shí)現(xiàn)對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理的實(shí)時(shí)決策指導(dǎo)及評估優(yōu)化，從而滿足不同觀測場景需求和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)服務(wù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對一體化觀測網(wǎng)絡(luò)及其任務(wù)管理的描述智能、預(yù)測智能和引導(dǎo)智能。

1 網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理

空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)是以空間網(wǎng)絡(luò)、天基網(wǎng)絡(luò)、海洋網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，支持空、天、海、地各類用戶接入且按需服務(wù)的信息觀測網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)全球互聯(lián)互通的重大網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施，目前已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。另外，隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）[12]及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）[13]等技術(shù)的發(fā)展和成熟，為智能化且高效可靠的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)提供了開放環(huán)境。SDN 促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)管理的發(fā)展，允許對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)元素進(jìn)行復(fù)雜的管理，并可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)功能的重疊[14]。此外，通過NFV的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程，不斷適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)任務(wù)功能。一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是將整個(gè)空間的網(wǎng)絡(luò)資源整合到一起，全面共享、統(tǒng)一管理并調(diào)度各種網(wǎng)絡(luò)任務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，首先要明確可用資源有哪些[13-14]，用戶提交的任務(wù)需要由系統(tǒng)來分配資源并控制其運(yùn)行，包括要將其分配到哪些設(shè)備上運(yùn)行、調(diào)用哪些數(shù)據(jù)、何時(shí)開始運(yùn)行等。

因此，一體化觀測網(wǎng)絡(luò)必須具備兩種密不可分的基本功能[15-16]：資源管理和任務(wù)管理。資源管理的目的是使用戶了解目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各類資源的使用情況及儲(chǔ)備情況，為任務(wù)管理提供參考依據(jù)，并通過預(yù)留資源等設(shè)置，實(shí)現(xiàn)有效地使用一體化網(wǎng)絡(luò)資源。如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理主要包括3個(gè)部分：監(jiān)控、分析和執(zhí)行。監(jiān)控階段是從所處環(huán)境中獲取原始數(shù)據(jù)信息；而分析階段是基于對收集到的數(shù)據(jù)信息的解釋和推理；最后，在執(zhí)行階段，執(zhí)行相關(guān)的資源和任務(wù)管理操作。

圖2 網(wǎng)絡(luò)管理框圖

1.1 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)可以感知所處環(huán)境的相關(guān)信息，并對觀測到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，之后將其傳送到遠(yuǎn)程中心或需求用戶。觀測網(wǎng)絡(luò)具有以下幾項(xiàng)主要特點(diǎn)：（1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、數(shù)量多；（2）傳感器功耗低；（3）節(jié)點(diǎn)易故障；（4）動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（5）網(wǎng)絡(luò)多跳、自組織。

1.2 管理內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理主要包括任務(wù)的創(chuàng)建、提交、刪除、掛起和喚醒，以及實(shí)現(xiàn)任務(wù)的調(diào)度和任務(wù)狀態(tài)的跟蹤等。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理過程中，可以先針對任務(wù)進(jìn)行分解，分解后的子任務(wù)之間具有優(yōu)先級關(guān)系，然后將這些子任務(wù)分配調(diào)度到不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上完成。為了降低網(wǎng)絡(luò)的資源消耗，可以通過消除冗余和減少通信信息量來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。另外，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)的并行處理，需要解決的關(guān)鍵問題是如何找到最佳的任務(wù)管理及調(diào)度方案，也就是如何將特定的任務(wù)分配給最合適的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)去處理，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并滿足用戶的需求。

通常，一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的資源管理和任務(wù)調(diào)度問題都可以看作一定資源約束下的多目標(biāo)最優(yōu)化問題[17-18]。解決此類問題的方法一般是將其規(guī)約成線性或二次優(yōu)化模型。首先，確定對目標(biāo)值產(chǎn)生影響的決策變量；然后，用這些決策變量表達(dá)出目標(biāo)函數(shù)；最后，確定限制決策變量取值的約束條件。

1.3 管理分類

一體化觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理一般情況下主要包括：網(wǎng)絡(luò)感知任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)路由任務(wù)管理以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的管理。網(wǎng)絡(luò)感知任務(wù)主要是指感知觀測區(qū)域內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)、圖像、音頻、視頻等關(guān)鍵信息；網(wǎng)絡(luò)路由任務(wù)管理則用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)針對所需傳輸信息的中繼、轉(zhuǎn)發(fā)、及協(xié)作傳輸?shù)?；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理任務(wù)是通過整理所有接收到的來自不同傳感器節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)分為獨(dú)立性任務(wù)及合作性任務(wù)。其中，獨(dú)立性任務(wù)是指當(dāng)完成網(wǎng)絡(luò)中任務(wù)不依賴其他任務(wù)時(shí)，也就是這些任務(wù)之間沒有相關(guān)的優(yōu)先級關(guān)系；而合作性任務(wù)是指完成某一網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時(shí)會(huì)受到其他任務(wù)的完成情況的影響，即任務(wù)之間具有相關(guān)性。同無線傳感網(wǎng)絡(luò)一樣，空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理問題可采用智能優(yōu)化算法在任務(wù)分配與資源調(diào)度可能的方案空間內(nèi)尋找最優(yōu)解，并且在可接受的時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)找到較優(yōu)的方案。

1.3.1 集中式任務(wù)管理

在集中式管理的觀測網(wǎng)絡(luò)中，中心控制管理器負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)等。中心控制管理器可以實(shí)時(shí)獲取所有該網(wǎng)絡(luò)中正在運(yùn)行中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，并將這些信息集中存儲(chǔ)，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的任務(wù)管理需求，綜合考慮整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)后作出相關(guān)的任務(wù)管理方案決策。集中式管理的觀測網(wǎng)絡(luò)具有模型易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但其需要強(qiáng)大的綜合處理及計(jì)算能力，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的全局信息處理及任務(wù)管理方案的下發(fā)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度高、處理時(shí)間長，已成為集中式管理任務(wù)的難題之一。例如，當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)中某一分支節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)管理的性能產(chǎn)生影響，因?yàn)樾枰獜恼麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)資源系統(tǒng)中終止故障節(jié)點(diǎn)的任務(wù)管理程序。而且，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息都需要實(shí)時(shí)地直接反饋到中心管理控制器，給網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載帶來了很大的壓力。但是，集中式管理的優(yōu)勢在于，中心管理控制器通過整合分析整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，產(chǎn)生非常有效且理論上最優(yōu)的任務(wù)管理及調(diào)度方案。

總的來說，集中式任務(wù)管理方案通常適用于小型的觀測網(wǎng)絡(luò)，通過考慮全局網(wǎng)絡(luò)任務(wù)及資源來綜合分析并分配任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源，從而實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的狀態(tài)。由中心管理節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃管理，之后分配到該網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)上完成網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)。該方案不要求任務(wù)之間具有很高的相關(guān)性，一般情況下對于靜態(tài)的任務(wù)管理環(huán)境更加適合。集中式任務(wù)管理與調(diào)度的基本算法都在中心管理控制器上實(shí)施運(yùn)行，主要包括基于進(jìn)化算法、基于拍賣機(jī)制以及基于搜索算法的任務(wù)管理方法等，從而實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)一管理該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的任務(wù)分配及資源調(diào)度。

1.3.2 分布式任務(wù)管理

分布式任務(wù)管理是指對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中任務(wù)管理和資源調(diào)度進(jìn)行分布式的處理，無須中心控制器進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，分布式處理過程中任務(wù)之間彼此交互。該方法不是通過點(diǎn)對點(diǎn)的方式直接收集系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，從而通過有效避免集中式任務(wù)管理調(diào)度中所需要的信息處理及傳輸時(shí)延上的問題，提升觀測網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。而且，一旦網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障停止工作，也不會(huì)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能造成嚴(yán)重的影響。與集中式任務(wù)管理模式相比，分布式任務(wù)管理使得觀測網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性更強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性更高。但是，分布式任務(wù)管理調(diào)度因?yàn)椴荒軐?shí)時(shí)了解到全網(wǎng)任務(wù)管理及資源調(diào)度情況，無法進(jìn)行全局任務(wù)管理。所以，其管理調(diào)度方案無法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)，通常可以得到次優(yōu)方案。

在分布式任務(wù)管理中，負(fù)責(zé)完成任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，這對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性是非常重要的。一般情況下，可以通過社會(huì)和經(jīng)濟(jì)啟發(fā)方法，來對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的任務(wù)安排進(jìn)行協(xié)調(diào)處理?；诓煌膮f(xié)調(diào)處理方案，分布式管理可以分為基于市場機(jī)制的管理、基于社會(huì)機(jī)制的管理及基于代理的管理等方法。其中，博弈論、拍賣和契約等機(jī)制屬于基于市場機(jī)制的管理方法；戰(zhàn)略傳播、聯(lián)盟形成和集體機(jī)制等屬于基于社會(huì)機(jī)制的管理方法；而基于代理的管理方法是指利用代理的自主建模和分布式計(jì)算能力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的管理和資源的分配。

1.3.3 混合式任務(wù)管理

通過上述可知，集中式任務(wù)管理對于小型的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更加適用，而大型的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則更適合采用分布式的任務(wù)管理方法。那么，對一些中型的觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，尤其是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而不斷發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以上兩種方案都不能獲得很好的任務(wù)管理性能。因此，考慮將集中式和分布式任務(wù)管理綜合考慮，充分利用他們各自的優(yōu)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的管理優(yōu)化和資源的高效利用，也就是混合式任務(wù)管理。例如，將觀測網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)分割為子任務(wù)，使用集中式管理將網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)安排為子任務(wù)的管理節(jié)點(diǎn)，而子任務(wù)的管理節(jié)點(diǎn)之間可以通過分布式管理方案進(jìn)行協(xié)商談判，進(jìn)行任務(wù)管理與資源分配，而對于子任務(wù)及子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的管理方案由該管理節(jié)點(diǎn)自行選擇管理方案。

2 問題與挑戰(zhàn)

2.1 節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能源消耗

觀測網(wǎng)絡(luò)很多時(shí)候應(yīng)用在環(huán)境危險(xiǎn)、面積空曠的區(qū)域作業(yè)。網(wǎng)絡(luò)部署組成后，很難在觀測環(huán)境中為感知節(jié)點(diǎn)更換電池。節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是進(jìn)行信息的感知和傳輸。如何均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)及能源消耗，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，成為需要解決的關(guān)鍵問題之一。

2.2 節(jié)點(diǎn)的不穩(wěn)定性影響

現(xiàn)有的大部分研究關(guān)注于研究網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理調(diào)度過程中消耗的能量及完成任務(wù)所需要的時(shí)間成本，但是沒有同時(shí)綜合考慮觀測網(wǎng)絡(luò)中的其他性能特點(diǎn)，比如任務(wù)完成的可靠性會(huì)受到節(jié)點(diǎn)的不穩(wěn)定性影響，網(wǎng)絡(luò)的生命周期會(huì)因節(jié)點(diǎn)的不均衡負(fù)載而縮短。在多任務(wù)的管理調(diào)度優(yōu)化的研究中，大部分的研究首先對所有任務(wù)進(jìn)行梳理，之后按照一定的順序?qū)@些目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化管理，這類方法的復(fù)雜度高，大大增加了任務(wù)管理的運(yùn)行時(shí)間，影響了算法的可實(shí)施性。因此，如何將任務(wù)完成的可靠性、能量消耗、時(shí)間成本以及能量均衡等系統(tǒng)性能指標(biāo)同時(shí)綜合考慮，并對其任務(wù)管理方案進(jìn)行優(yōu)化及對資源有效利用，是重要的挑戰(zhàn)之一。

2.3 動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度與優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度優(yōu)化方法研究中很多都是靜態(tài)的任務(wù)調(diào)度，動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度研究不多，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)因故障引起狀態(tài)變化時(shí)，為了繼續(xù)執(zhí)行完成任務(wù)，一般會(huì)采用遷移任務(wù)或者進(jìn)行任務(wù)冗余備份的方式，這類方法會(huì)影響任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間有效性，并引起網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。另外，觀測網(wǎng)絡(luò)因其隨機(jī)變化的環(huán)境特點(diǎn)，在任務(wù)管理方案及算法運(yùn)行過程中，環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化。目前，研究沒有考慮到環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致這些已在運(yùn)行算法的任務(wù)管理調(diào)度方案無法滿足變化后的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)，因此后續(xù)需要將任務(wù)進(jìn)行遷移，增加了任務(wù)管理的成本代價(jià)。為了應(yīng)對這類問題，基于智能優(yōu)化的任務(wù)管理算法是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理調(diào)度的主要研究方向，例如遺傳算法、粒子群算法等。然后這些方法仍然存在局限性，比如，如何模擬動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如何更有效地跟蹤網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化情況，是這類方法的研究挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。

綜上所述，空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)目前研究面臨的主要問題是缺乏對網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理系統(tǒng)化的整體研究。一體化觀測網(wǎng)絡(luò)是典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有工程復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜性的特點(diǎn)，而其網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理具有無法拆分還原、不確定性高、多樣化等特征，迫切需要預(yù)先針對網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理方案進(jìn)行全面且準(zhǔn)確的預(yù)測、評估和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對一體化觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。目前，研究并沒有提供一種較好的解決方案。因此，本文提出引入ACP 平行智能方法對觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模，以人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為“實(shí)驗(yàn)室”，進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)，并平行執(zhí)行引導(dǎo)實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效應(yīng)對該復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的上述問題。

3 平行觀測網(wǎng)絡(luò)

本文基于平行智能理論和ACP 方法[11]，提出集空天海地一體化數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)、云計(jì)算支撐平臺(tái)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)于一體的基于平行智能的平行觀測網(wǎng)絡(luò)，以有效應(yīng)對目前一體化觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理研究及建模面臨的主要問題。

3.1 平行智能方法

平行智能系統(tǒng)主要分為3 部分，如圖3所示，包括人工系統(tǒng)（Artificial Systems）、計(jì)算實(shí)驗(yàn)（Computational Experiments）、平行執(zhí)行（Parallel Execution）。平行智能基礎(chǔ)是ACP 方法，其核心思想為：針對具有工程復(fù)雜性和社會(huì)復(fù)雜性的復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)造與其實(shí)際系統(tǒng)對應(yīng)的人工系統(tǒng)，并使得人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)之間平行互動(dòng)，形成平行系統(tǒng)。平行系統(tǒng)的目標(biāo)是引導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)逼近人工系統(tǒng)，而不是人工系統(tǒng)逼近實(shí)際系統(tǒng)；借助人工系統(tǒng)使復(fù)雜問題簡單化，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的描述智能、預(yù)測智能和引導(dǎo)智能。平行智能的主要特點(diǎn)是人工系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，基于實(shí)際系統(tǒng)數(shù)據(jù)和人工系統(tǒng)數(shù)據(jù)，利用大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的行為進(jìn)行分析和評估，通過虛實(shí)互動(dòng)、滾動(dòng)優(yōu)化的平行執(zhí)行來完成任務(wù)，從而減小高復(fù)雜性目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)差距的“建模鴻溝”。

圖3 平行智能系統(tǒng)

平行智能研究主要面向“人在環(huán)路中”、具有高度社會(huì)和工程復(fù)雜性的社會(huì)物理信息系統(tǒng)，通過研究數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的描述智能、實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測智能，以及互動(dòng)反饋的引導(dǎo)智能，為不定、多樣和復(fù)雜的問題提供靈捷、聚焦和收斂的解決方案。目前，平行智能已在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的理論和實(shí)踐成果，如平行交通、平行駕駛、平行控制、平行視覺、平行網(wǎng)絡(luò)、平行社會(huì)、平行農(nóng)業(yè)、國防安全等[19-27]。

3.2 平行觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

平行觀測網(wǎng)絡(luò)包括實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩部分，如圖4所示。以平行系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，以人工觀測網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)為技術(shù)基礎(chǔ)，建立適應(yīng)具體觀測需求的網(wǎng)絡(luò)模型和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?；跀?shù)據(jù)庫、決策庫、代理模型庫、時(shí)間庫等方法，通過設(shè)計(jì)大量的人工實(shí)驗(yàn)場景及人工事件進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)和虛擬培訓(xùn)，從而有效地改善一體化觀測網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，提高實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息處理傳遞效率及提升用戶體驗(yàn)狀態(tài)。

平行觀測網(wǎng)絡(luò)將基于ACP 方法的平行智能理論引入到一體化觀測網(wǎng)絡(luò)，在物理和網(wǎng)絡(luò)信息空間數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，結(jié)合無線傳感、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，借助平行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)理論，針對空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)平行的人工觀測網(wǎng)絡(luò)，然后利用人工觀測網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)與平行執(zhí)行來建立虛實(shí)交互、協(xié)同演化、閉環(huán)反饋的平行觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)智能化的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理。

3.2.1 人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

人工系統(tǒng)建模是要建立與實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)等價(jià)的人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過在人工觀測網(wǎng)絡(luò)上的大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)找到實(shí)際系統(tǒng)的等價(jià)結(jié)果，保證從人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上得到的認(rèn)識(shí)等價(jià)于實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)果等價(jià)于對實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理與控制。人工觀測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用創(chuàng)建虛擬的網(wǎng)絡(luò)代理的方法，這些代理邏輯上彼此隔離，但可共享底層物理網(wǎng)絡(luò)，從而通過網(wǎng)絡(luò)任務(wù)軟件定義的管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)及資源管理的靈活按需調(diào)配。

圖4 平行觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2.2 計(jì)算實(shí)驗(yàn)

計(jì)算實(shí)驗(yàn)是通過在人工觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的各種實(shí)驗(yàn)，對網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理及相關(guān)服務(wù)優(yōu)化進(jìn)行分析和預(yù)測，從而引導(dǎo)實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。在人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，分析和預(yù)測復(fù)雜觀測網(wǎng)絡(luò)的行為。系統(tǒng)地設(shè)計(jì)大量不同的試驗(yàn)，引入各種不確定或者一般意義上難以量化的事件和因素，多次重復(fù)并以統(tǒng)計(jì)歸納的方法對結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而用來驗(yàn)證對復(fù)雜觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特征和行為進(jìn)行分析得到的各種可能和假設(shè)。

通過人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的計(jì)算實(shí)驗(yàn)，可以迅速地學(xué)習(xí)并掌握觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)前任務(wù)管理的各種狀況以及對應(yīng)的策略。另外，通過人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)K，分析了解各種不同網(wǎng)絡(luò)場景和觀測需求情況下的系統(tǒng)狀態(tài)和行為，并且評估系統(tǒng)在采用不同解決方案時(shí)的性能效果，這些解決方案可以作為觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理與控制決策的依據(jù)。最后，人工觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為進(jìn)行預(yù)估，從而為尋找對實(shí)際觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有效的任務(wù)管理和服務(wù)并優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2.3 平行執(zhí)行

平行控制和平行測試是平行觀測網(wǎng)絡(luò)平行執(zhí)行環(huán)節(jié)的重要技術(shù)。平行控制和平行測試使人工觀測系統(tǒng)和實(shí)際觀測系統(tǒng)能夠平行交互、在線驗(yàn)證，能夠針對不同的任務(wù)實(shí)例優(yōu)化任務(wù)調(diào)度和資源管理。因此，相比于傳統(tǒng)觀測網(wǎng)絡(luò)更加智能。平行控制基于實(shí)際系統(tǒng)的信號，收集狀態(tài)-執(zhí)行-獎(jiǎng)懲信號，建立人工系統(tǒng)，產(chǎn)生人工數(shù)據(jù)；基于不同的人工系統(tǒng)訓(xùn)練多組優(yōu)化控制策略，并基于最優(yōu)性原理，訓(xùn)練評判網(wǎng)絡(luò)對優(yōu)化策略進(jìn)行評判，擇優(yōu)對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行控制和優(yōu)化。平行測試融合專家經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)虛擬測試，它能夠通過人類專家的指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知機(jī)制的自動(dòng)升級，同時(shí)通過對抗式學(xué)習(xí)模型自動(dòng)生成新的測試任務(wù)，進(jìn)一步提升其自動(dòng)測試驗(yàn)證能力。

4 結(jié)論與展望

本文首先綜合探討了空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理需求與面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理的特點(diǎn)、主要內(nèi)容和關(guān)鍵管理算法。為了應(yīng)對現(xiàn)有觀測網(wǎng)絡(luò)面臨的問題和挑戰(zhàn)，本文結(jié)合平行智能理論，提出了平行觀測網(wǎng)絡(luò)，介紹了軟件定義復(fù)雜異構(gòu)的人工觀測網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法以及平行執(zhí)行過程。平行觀測網(wǎng)絡(luò)的思路可為空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)高效的任務(wù)管理提供技術(shù)指導(dǎo)。本文提出的平行觀測網(wǎng)絡(luò)為空天海地一體化觀測網(wǎng)絡(luò)任務(wù)管理的科學(xué)化、高效化和系統(tǒng)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)和指導(dǎo)。