電子戰(zhàn)作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)字孿生的資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳根余，閆啟帥，韓梅，許波

（成都四威功率電子科技有限公司，四川 成都 610097）

0 引 言

伴隨科技的發(fā)展，作戰(zhàn)系統(tǒng)不再是滿(mǎn)足于唯一的仿真驗(yàn)證階段還需要結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。章桂永在論文中采用了多種算法對(duì)電子對(duì)抗作戰(zhàn)系統(tǒng)裝備費(fèi)效分析，分析中指出電子對(duì)抗作戰(zhàn)系統(tǒng)由相互

關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成規(guī)模大、層次多很難找到合適的聚合效能指標(biāo)反映多個(gè)效能指標(biāo)，因此可以看出電子對(duì)抗作戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜度高，維護(hù)周期長(zhǎng)。數(shù)字孿生（digital twin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)的管理資源有用戶(hù)管理、設(shè)備管理、模型管理、文件管理、資源自身系統(tǒng)管理等，本文將探討一套資源管理系統(tǒng)對(duì)資源進(jìn)行模塊化管理和使用，在模塊化管理?xiàng)l件下滿(mǎn)足多方人員使用。

1 作戰(zhàn)系統(tǒng)資源模型組成結(jié)構(gòu)

1.1 作戰(zhàn)系統(tǒng)資源模型劃分

李婧嬌在論文中使用了云理論的知識(shí)來(lái)對(duì)多功能電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模進(jìn)行效能評(píng)估，分為定量和定性的方法使用到了大量設(shè)備和數(shù)據(jù)；劉永紅在論文中只對(duì)部分的關(guān)鍵類(lèi)型數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模，已然涉及了同類(lèi)數(shù)據(jù)的多樣性；許海龍?jiān)谡撐奶峒傲藝?guó)內(nèi)外數(shù)字化作戰(zhàn)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從設(shè)備到控制分析的典型現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)體系，提供了數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)管理中心，再到各個(gè)設(shè)備或指控平臺(tái)的多方交互模式，可以看出作戰(zhàn)系統(tǒng)包含多方數(shù)據(jù)來(lái)源：人機(jī)交互、設(shè)備上報(bào)、仿真平臺(tái)、想定配置等。從人機(jī)分類(lèi)有：多用戶(hù)、多設(shè)備；從開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)分類(lèi)有：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；從使用設(shè)備來(lái)分類(lèi)有：電源、雷達(dá)、發(fā)射機(jī)、干擾源、仿真電腦等?；诙鄠€(gè)維度進(jìn)行事務(wù)聚合，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)為：用戶(hù)管理、設(shè)備管理、模型管理、數(shù)據(jù)管理、文檔管理、系統(tǒng)管理。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 資源管理系統(tǒng)組成圖

1.2 作戰(zhàn)系統(tǒng)資源模型設(shè)計(jì)

功能模塊化的劃分形成整個(gè)資源系統(tǒng)的管控，為其他模塊提供需求交互，形成模塊化的低耦合設(shè)計(jì)。在丁剛的論文中設(shè)計(jì)了一套航空裝備保障的數(shù)字孿生方案，模塊的合理劃分為多樣化的快速試驗(yàn)研究提供的可靠的支持。

1.2.1 用戶(hù)管理

基于劃分不同用戶(hù)權(quán)限，實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)角色管理權(quán)限分層，自上而下地進(jìn)行管理，防止資源不合理或者產(chǎn)生使用沖突，劃分不同人員不同角色對(duì)應(yīng)不同的軟件功能界面，體現(xiàn)軟件獨(dú)立性和安全性。

資源系統(tǒng)角色權(quán)限管理包含基本功能權(quán)限和數(shù)據(jù)對(duì)象權(quán)限管理，兩者從不同維度分配角色權(quán)限，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全，滿(mǎn)足保密要求，滿(mǎn)足多層次管理系統(tǒng)的需求。

用戶(hù)安全采用第三方產(chǎn)品建立安全環(huán)境，可以采用CA系統(tǒng)進(jìn)行安全認(rèn)證登錄使用。針對(duì)用戶(hù)的操作行為進(jìn)行日志記錄，設(shè)計(jì)行為審核系統(tǒng)，通過(guò)和第三方提供的PKI系統(tǒng)的結(jié)合，提供防止抵賴(lài)和身份確認(rèn)的數(shù)字簽名支持。

1.2.2 設(shè)備管理

管理各種設(shè)備，包括UPS電源、電子目標(biāo)、發(fā)射機(jī)、射頻前端、干擾源等，提供設(shè)備基本信息的管理，具有設(shè)備活動(dòng)記錄、活動(dòng)預(yù)警、使用管理、設(shè)備使用日志等功能，設(shè)備狀態(tài)模型的導(dǎo)出提供先驗(yàn)條件。

通過(guò)設(shè)備的活動(dòng)狀況和預(yù)警配置，可以有效地形成完善的使用先驗(yàn)條件，防止設(shè)備在未準(zhǔn)備充分或數(shù)據(jù)未校正的情況下進(jìn)行使用，得到錯(cuò)誤的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。

1.2.3 模型管理

管理各種模型，為模型模擬提供參數(shù)數(shù)據(jù)，模型包括評(píng)估算法、裝備模型、環(huán)境模型、目標(biāo)模型等，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提供分層權(quán)限管理，對(duì)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性判斷，對(duì)模型的出入進(jìn)行把控，防止模型在使用過(guò)程中進(jìn)行了變動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)異常等問(wèn)題，同時(shí)提供模型導(dǎo)出和統(tǒng)計(jì)分析功能。

模型模塊可以考慮與高校、研究所等專(zhuān)業(yè)單位或部門(mén)合作，所以本模塊的用戶(hù)多樣性管控需要記錄，并可以根據(jù)用戶(hù)提供的算法、模型等的使用率、有效率方面去綜合評(píng)估算法的好壞，為后續(xù)的迭代提供整改方向。

1.2.4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)分析和評(píng)估會(huì)在不同的維度和時(shí)間去反復(fù)使用，所以數(shù)據(jù)的持久存儲(chǔ)和讀取是必要的基礎(chǔ)功能。記錄和保存系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等，支持多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如.data、.txt、.tdms或自定義數(shù)據(jù)格式。對(duì)數(shù)據(jù)提供查詢(xún)功能、下載功能用于進(jìn)行分析、評(píng)估、回放等功能使用，提供離線(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、導(dǎo)出功能。

1.2.5 文檔管理

文檔管理主要管理想定戰(zhàn)場(chǎng)、環(huán)境配置文件等各種文檔，對(duì)文件提供上傳、下載、修改、文件授權(quán)、文件操作記錄等功能。方便試驗(yàn)結(jié)束后的重復(fù)的快速使用以及試驗(yàn)的快速重現(xiàn)，節(jié)約大量時(shí)間。

1.2.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)資源系統(tǒng)，包括系統(tǒng)備份與恢復(fù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、日志管理、系統(tǒng)預(yù)警、系統(tǒng)監(jiān)控、故障處理、通信管控、資源分析、安全檢測(cè)等功能。針對(duì)整個(gè)的資源系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，能提前暴露資源系統(tǒng)的問(wèn)題，比如：系統(tǒng)存儲(chǔ)的空間不足；某模塊提交的錯(cuò)誤個(gè)數(shù)和日志統(tǒng)計(jì)得到模塊的兼容穩(wěn)定性不足；某模塊請(qǐng)求資源經(jīng)常斷線(xiàn)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題；某模塊經(jīng)常有非法訪(fǎng)問(wèn)導(dǎo)致有攻擊行為等。為整個(gè)資源系統(tǒng)保駕護(hù)航。

1.3 總結(jié)

針對(duì)系統(tǒng)模塊的數(shù)據(jù)安全，我們應(yīng)該還要考慮多機(jī)備份和負(fù)載均衡的設(shè)計(jì)，伴隨著系統(tǒng)的使用時(shí)間越長(zhǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)資源就越多，甚至還會(huì)伴隨著作戰(zhàn)系統(tǒng)的升級(jí)帶來(lái)的版本迭代需求，所以設(shè)計(jì)為模塊分離有著天然的優(yōu)勢(shì)，方便對(duì)資源系統(tǒng)進(jìn)行修、升級(jí)和擴(kuò)展。

2 資源管理系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

數(shù)據(jù)的角度來(lái)探討資源系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，如圖2所示。在整個(gè)試驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)候，會(huì)在指控上對(duì)需要參與試驗(yàn)的設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)狀態(tài)，防止設(shè)備的狀態(tài)不對(duì)導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，并對(duì)需要參與的模塊進(jìn)行加載鎖定，防止有用戶(hù)對(duì)模型進(jìn)行修改變動(dòng)導(dǎo)致試驗(yàn)的數(shù)據(jù)不具備唯一性，檢測(cè)完畢兩個(gè)模塊后，開(kāi)始對(duì)試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行加載，加載預(yù)先編輯好的想定任務(wù)，試驗(yàn)進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。

圖2 資源管理系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

試驗(yàn)過(guò)程中，硬件設(shè)備集群用于產(chǎn)生模擬設(shè)備和設(shè)備真實(shí)的數(shù)據(jù)，得到的設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到資源管理系統(tǒng)，由資源管理系統(tǒng)進(jìn)行分發(fā)至對(duì)應(yīng)的需求模塊。仿真系統(tǒng)對(duì)接一切環(huán)境數(shù)據(jù)和參與試驗(yàn)的模型數(shù)據(jù)、算法數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分別返回到指控系統(tǒng)和顯控操作席位系統(tǒng)。指控系統(tǒng)可以為顯控系統(tǒng)下達(dá)指揮中心的命令，顯控操作席位人員則進(jìn)行常規(guī)操作和命令的任務(wù)執(zhí)行操作，所有的反饋都會(huì)集中到仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，針對(duì)設(shè)備的操作會(huì)直接下發(fā)到設(shè)備產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)到資源系統(tǒng)，資源系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參與性進(jìn)行存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)至顯控系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)。

試驗(yàn)完畢后，評(píng)估系統(tǒng)請(qǐng)求資源管理系統(tǒng)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù)，并在一定程度上進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放，回放得到試驗(yàn)的基本評(píng)判主要是確認(rèn)數(shù)據(jù)的有效性，再進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估。

這樣一個(gè)比較經(jīng)典的作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)執(zhí)行完畢，所有的數(shù)據(jù)都得到了管理和派發(fā)，可以對(duì)想定任務(wù)進(jìn)行設(shè)備性能模擬驗(yàn)證，也可以對(duì)參與的模型算法等進(jìn)行初步評(píng)估，為后續(xù)的設(shè)備制造提供參考依據(jù)。

3 資源管理系統(tǒng)布置

根據(jù)以上的模塊，我們可以輕松地通過(guò)集中式布局和分布式布局來(lái)滿(mǎn)足各種需求。

部署一套資源管理系統(tǒng)供各部門(mén)訪(fǎng)問(wèn)，此模式可以支持多科室、多部門(mén)內(nèi)部訪(fǎng)問(wèn)。通過(guò)功能授權(quán)和數(shù)據(jù)共享權(quán)限的方式來(lái)保證系統(tǒng)整體應(yīng)用。此情況適合集中式布局，布局如圖3所示，該模式有系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，此模式適用于單位內(nèi)部應(yīng)用。

圖3 資源管理系統(tǒng)集中式布置圖

多個(gè)分機(jī)和系統(tǒng)都直接從資源管理集群服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互，由資源管理集群服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度和管理。

對(duì)于整個(gè)企業(yè)而言，管理的試驗(yàn)種類(lèi)多，參與的人員多，試驗(yàn)任務(wù)級(jí)次多，各部門(mén)之間職能相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)安全性、保密性要求高，對(duì)于此類(lèi)需求，系統(tǒng)支持分布式應(yīng)用模式。在此模式如圖4支持部署多套系統(tǒng)。各套系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立運(yùn)行，多套系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)共享。該模式可滿(mǎn)足各部門(mén)之間系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，數(shù)據(jù)安全性好。

圖4 資源管理系統(tǒng)分布式布置圖

由于資源管理系統(tǒng)為模塊化功能集成，所以可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)分離，每一個(gè)單獨(dú)的模塊可以布置為單獨(dú)的資源系統(tǒng)，通過(guò)么有云進(jìn)行資源信息交互，資源數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)授權(quán)和資源傳輸，每一個(gè)系統(tǒng)都經(jīng)過(guò)自己的資源系統(tǒng)進(jìn)行交互，而跨系統(tǒng)交互則必須通過(guò)資源管理系統(tǒng)之間交互再下發(fā)到請(qǐng)求的客戶(hù)手里。

4 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)對(duì)人員、硬件設(shè)備、軟件算法、配置文件進(jìn)行全方位的管理，有效的獨(dú)立劃分出開(kāi)發(fā)功能并可以根據(jù)業(yè)務(wù)的大小去優(yōu)化迭代開(kāi)發(fā)，防止資源過(guò)多導(dǎo)致使用混亂而難優(yōu)化設(shè)計(jì)的局面，更促進(jìn)了多方人員的協(xié)同，從而串聯(lián)了一整套系統(tǒng)資源調(diào)度，滿(mǎn)足各個(gè)資源迭代，降低資源耦合度。