航天测控网系统体系结构设计研究

２０１３年６月　深空探测研究　ＤＥＥＰ　ＳＰＡＣＥ　ＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０Ｎ　Ｊｕｎｅ．２０１３　ＶｏＬ　１１　Ｎｏ．２　第１１卷第２期　航天测控网系统体系结构设计研究　１．北京理工大学信息电子学院　２．中原工学院　路向阳　’　贾丽娟　胡进　吴建光　杜世勇　摘要：我国航天测控网的发展面临信息化的挑战，为了更好地迎接这一挑战，需要根据我国航天发展的总体规划，　研究探讨航天测控网信息系统体系结构。本文分析航天测控网的复杂性特点，引入针对强约束、强对抗条件下复杂信息系　统设计与构建的方法论一多活性代理理论，指出该理论对于航天测控网体系结构设计的重要指导作用。本文论述了这一课　题的理论和实践意义，并初步探讨了该理论在测控网体系结构设计上的应用。　关键词：多活性代理理论；航天测控网；体系；设计　０　引言　测控网的信息化是一个系统工程，具体的　软硬件系统建设实施只是其中一环，系统实施　经过多年发展，我国航天测控网有了长足　之前的ＩＴ战略规划、业务流程梳理、流程优化、　发展，形成由航天测控站、任务中心、应用中　管理提升等，都具有非常重要的作用。这些工　心和测控中心等几个部分组成的庞大系统，为　作，可以简要概括为对系统的体系结构（或架　我国航天事业的快速发展，提供了有力的保　构）进行规划设计。目前，在信息系统的建设　障¨ｌ２』。但迅猛发展的航天工业，对航天测控网　中，有多种理念、技术或规范可用于指导系统　也提出了更高的要求。从外部环境看，航天器　架构设计，比如赛博物理系统（Ｃｙｂｅｒ　ＰｈｙｓｉｃＳ　数量大幅度增加，新型战略武器、载人航天、　Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＰＳ）　、面向服务架构（Ｓｅｒｖｉｃｅ　Ｏｒｉｅｎｔ　探月等重大工程和任务，以及部分任务的国际　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＳＯＡ）　Ｊ、云计算　等等。这些传　化需求，对测控网的工作效率和完全稳定等质　统设计技术针对的是系统的指标体系，从方法　量因素提出了更高的要求；从内部环境看，测　论来说，是采用形式语言对系统进行自顶向下　控网的物理结构日益复杂，天基测控子网的加　描述的方法，需要明确给出目标系统的所有规　入、各种异构测控设备的组合、测控技术的快　则和关系，并预见各种例外情况，这种任务在　速发展和更新，使得测控网内部的信息交流和　复杂系统设计中是种巨大的挑战，在实践中往　任务沟通面临巨大挑战。由于历史原因，我国　往是基于经验来完成的。其后果是，虽然这些　测控系统形成了“烟囱式”发展模式，不能适　技术在一定范围内获得了成功，然而在工程应　应当前的需求　Ｊ。具体表现为部门之间和任务　用中仍然存在不少问题，比如，其适用范围和　之间资源统筹利用困难，数据和流程难以实现　程度的界定较为模糊，难以形成持续、稳定的　共享和综合利用，信息资源浪费严重，系统综　技术方案，实施效果和持续改进难以得到有效　合建设效益不高等。因此，为了适应我国航天　保障（尤其是对于那些对质量因素要求很高的　工业的发展，需要对我国测控网体系结构进行　复杂系统）。另一问题是，由于缺乏底层系统理　深刻变革。对测控网进行信息化改造，是实现　论指导和各个层次的统一标准，这些技术通常　这一变革的重要手段，体现了信息化与工业化　与不同厂商的产品绑定在一起，相互间并不能　“两化融合”的国家战略　Ｊ。　很好兼容；实施这些技术的组织，通常会形成　．１６．　航天测控网系统体系结构设计研究　２０１３年６月　“供应商锁定（Ｖｅｎｄｏｒ　Ｌｏｃｋ—Ｉｎ）”的另外一种　反模式　’　，影响系统的灵活性和持续发展的　能力。　从系统理论的角度看，传统设计方法关注　的是系统的现象（指标），而忽略了产生现象的　原因（机理）。针对这一问题，近几年发展起来　的多活性代理理论¨　“Ｊ，将“活性”、“活性代　理”、“活性自组织机制”引入复杂信息系统的　体系结构设计中，是一种针对大型复杂信息系　统架构设计的有效方法论。基于这一方法论，　测控网信息系统的体系架构设计可以充分化解　系统复杂性，摆脱依赖经验带来的风险，使得　系统架构设计方法在开发组织内可以稳定地传　承，按照一贯的基本原理和清晰的逻辑体系不　断发展、创新，以更稳健的方式在实践中推行。　本文结构如下：在第２节中，分析我国测控　网的复杂性特点；在第３节，针对具有这类复　杂性特点的信息系统，引出多活性代理信息系　统理论在系统结构设计和构建中的重要指导思　想；第４节给出多活性代理航天测控网设计的　方法及设计步骤并在第５节给出总结。　１　我国航天测控网信息系统的特点　将我国航天测控网视为一个庞大的信息系　统的话，其如下几个重要特征非常突出：　第一，系统处于强约束条件之下。测控网　系统在国计民生中扮演重要角色，除了要求其　具体业务能力更加强劲之外，人们对于其稳定　性、可靠性、安全性、可扩展性这些基本系统　性能，提出了比传统信息系统更加苛刻的要求。　第二，与强约束条件相矛盾的是，测控网　系统往往处于较强的对抗环境之中。这种对抗　是广义的，首先系统运行的物理环境变得更加　具有挑战性：系统不但运行于拓扑复杂的广域　网，还要支持部分子网的互联网上的开放平台；　系统的节点除了需要部署到一般区域外，还要　扩展到无人（少人）区、环境气候恶劣区域、　太空等区域；其次系统的用户不但有协作用户，　还包括非友好用户、敌意用户，核心关键系统　还要考虑面对自然灾难、战争等极端条件。这　样复杂多变、不确定性高的广义对抗环境，使　得系统的强约束条件的实现更加困难。　第三，系统需要多种功能的动态运筹协调。　随着航天器种类、数量的增多，测控任务的多　样性和复杂性增强，测控系统需要提供综合的、　长流程、大回路、宽范围的服务，同时要求任　务的执行能够快速响应、灵活高效。系统需要　支持的业务功能种类、数量比较多，而且功能　之间大部分不是单纯的并列或独立关系，而是　需要子系统之间资源共享，相互协调、配合，　甚至需要通过复制的业务逻辑或人工智能来调　度和平衡。这种系统功能上的复杂性，在系统　的物理构成上，往往表现为利用综合集成的方　法和技术将多种异构的子信息系统整合为一个　综合信息系统，使得系统的结构和组分（比如　系统的测控资源或软件硬件设备）变得复杂。　毫无疑问，这种复杂性将给系统的强约束条件　带来进一步的挑战。　第四，系统需要嵌入更大的系统作为子系　统来考虑。这个特征可从两个层面来考虑：首　先从系统的提供的功能层面看，尽管测控网系　统本身已经是比较庞大的信息系统，其业务流　程中具有一定的相对独立性，然而，它仍然是　整体航天系统的子系统，受到整体系统发展的　影响很大。设计系统架构时，需要对这一特性　有充分考虑；其次从系统实现的技术层面看，　系统基于多种异构技术和多种运行机理，这些　实现技术和机理在现代信息技术发展条件下，　受到相关上下游技术发展的影响较大。为提供　足够强劲和与主流技术发展整体匹配的性能，　在设计和构建系统时，系统的实现技术需要嵌　人到更大的技术和理论背景之下来考察。综合　来说，系统的这种需要嵌入更大的系统作为子　系统来考虑的特性，体现了对于系统的可扩展　性和灵活性的高度要求，以提升系统的业务支　持能力、业务拓展能力、优化组合能力等。　测控网的以上四个特点，构成了系统复杂　性，并对其体系结构的设计提出了很高的要求。　如果以传统方式仅仅按照指标体系对系统进行　设计，试图自顶向下的预先对系统进行完备描　２０１３年６月　深空探测研究　．１７．　述，必然难以克服这些复杂性带来的困扰。因　此，必须对复杂信息系统运行的核心原理、基　本规律进行把握，按照科学有效的方法论指导，　提炼出优秀系统具有的本质特点而进行系统的　息系统的体系结构，能够提供更加一般、更加　深刻的方法论指导，对于保证系统的设计质量　具有重要的现实意义。　体系结构设计。多活性代理复杂信息系统理论　３　多活性代理指导航天测控网体系设计　正是基于这样的目的提出的。　２多活性代理理论　多活性代理（Ｍｕｌｔｉ—Ｌｉｖｉｎｇ　Ａｇｅｎｔ，ＭＬＡ）　复杂信息系统理论　“　是近年提出的一种主要　针对以上几个特点的人工设计系统的研究理论。　该理论指出，从系统理论中系统动态演化角度　看，人工系统最基本的系统演化原理和演化表　现，与物理系统在原则上是一致的，即体现着　耗散自组织结构的基本原理和原则，有开放、　有涨落、远离平衡态，才最后导致系统的有序　或进化。因此，这些基本系统原理，对复杂信　息系统的构建研究具有重要的指导意义。　多活性代理复杂信息系统理论建立起一套　框架理论，立足于系统的本质特征，从系统存　在、运行、演化的基本原理出发得到的人工系　统设计方法论，适合于复杂系统架构及功能的　设计研究，多活性代理理论认为影响系统动力　学规律的变量很多，也无法穷尽，但在人工系　统的设计中可以从系统的设计目的出发，以系　统各层次代理的活性调整和保持为核心，以更　好适应功能和性能需求。其理论要点是：一，　系统由有层次的代理组成，代理及其自组织机　制提供了系统的功能，并给出了代理的动力学　六元组模型；二，代理本身、代理间的自组织　机制都具有活性。这一活性是系统演化的本质　因素。理论给出了自组织机制的两集合模型、　系统代理结构的三集合模型。第三，各层次活　性保持和调整是设计的重要目标，并给出了活　性保持调整的一般结构和方法。事实上，目前　常见的一些信息系统架构理论和系统构建理念，　如前面提到的赛博物理系统、面向服务架构、　云计算等等，都是多活性代理理论和方法在不　同视角、不同层次上的展现。因此，基于多活　性代理复杂信息系统理论来设计航天测控网信　多活性代理信息系统理论将基于指标体系　（现象）的设计，转变为基于系统动力学机制，　面向机理的设计。系统分为不同的层次和剖面，　可用代理或者分代理、子代理来表示，同时在　代理本体、代理和代理间、代理和管控代理以　及管控代理和管理员等四个层次引入活性保持　机制。系统的架构的基本设计目标，就是取得　系统的更好的活性，以及活性保持和维护。活　性，这一反映系统生存和演化基本特征的概念，　是系统架构设计中基础的、统一的目标，可以　在某些情况下进行量化，将系统运行的基本动　力学特征，与特定的系统功能联系起来，克服　传统设计方法中存在的静态、固定设计思想，　并将功能性与稳定性、灵活性等质量要素的设　计统一起来，为系统的结构设计提供了明确的　方向和清晰的改进逻辑。　按照这样的思想，首先需要将测控网划分　为不同层次的代理，并以活性为基础，进行代　理的设计，实现活性保持、增强等功能。受篇　幅所限，本文仅讨论大粒度上的代理划分。将　航天测控网系统中的应用中心、任务中心、测　控中心等分别设计为活性代理，利用它们本体　功能和相互之间的自组织机制，保证系统的功　能发挥。不仅如此，将这些物理代理之间传送　的信息，也设计为可移动活性代理，以增强系　统的适应性和灵活性。　应用中心代理产生应用代理，并将应用代　理交给任务中心代理，任务中心将应用代理处　理后，形成面向测控的任务代理，并将其分配　到测控中心代理，由其来调度各测控设备代理　来完成任务。在这一过程中，测控设备代理对　任务中心代理是透明的。任务中心代理只负责　任务逻辑层次的处理，如任务分解，排序等，　对于任务在物理层次上的执行过程并不关注，　交给测控中心代理来负责。基于代理描述的测　．１８．　航天测控网系统体系结构设计研究　２０１３年６月　控过程如图１所示。　ｋ　三画　Ｉ　ｊ测控设备资源代理ｌ…・ｌ测控设备资源代理ｌ　３　测控中心代理　（任务代理）ｌ　ｆ（任务代理）　任务中心代理　（应用代理）ｉ　ｆ（应用代理）　应用中心代理　图１任务产生完成各代理分布图　各个代理都设计有活性保持环节，按照前　述四个层次引入活性保持机制。代理的原理结　构如图２所示。为保证代理间有定义良好的松　耦合接口，需要在现有系统的底层，增加代理　的运行时间支撑。引入活性保持机制，尽管增　加了系统的设计和运行开销，但保证了系统的　高质量运行，更好地适应其强约束、强对抗等　复杂性。　由于系统基于活性代理设计，不同的活性度　量可由不同的活性代理实现，利用代理的自治　性，可方便的切换不同的代理，来实现不同的活　性策略，提高了系统的灵活性。　旨｝感知　，Ｉ　　：活——　—Ｊｌ任务环境感知Ｉ、＼　　学习　———　箔１分析决策ｔ辑　０　，一－－，　　更新　　ｉＩ　关代理　其他相　Ｉ调整执行Ｉ：　运行时间支撑系统ＲＴＩ　底层支持系统（网络通信或共享内存）　图２代理的原理图　４结论　本文分析航天测控网系统的强约束、强对抗　环境和动态发挥功能等特征，指出多活性代理理　论作为强约束、强对抗条件下复杂信息系统设计　的理论，为指导设计未来的航天测控系统提供了　一个强有力的工具。在这种方法论下，系统设计　的目标，不仅仅关注其指标体系，即系统的表　现，同时也关注到系统的运行机理，即系统表现　的原因。这一设计目标，通过活性代理体现出　来。用活性来描述系统运行过程中不同层次的完　成任务的能力，通过不同层次代理或子代理的　“活性”描述来建立整个航天测控系统完成功能　的能力，以及克服强约束、强对抗等复杂性，形　成高质量系统的能力。　本文给出关于这一课题的初步分析，简要阐　明了多活性代理理论在航天测控系统体系结构设　计上的必要性和重要性。文中给出的具体应用结　果，只是一个初步、概要的原理性设计，旨在说　明这种新的设计思想的核心要点。课题的进一步　细化，比如更细粒度的活性代理划分，针对不同　的航天测控网服务行为的静态和动态特征的活性　保持机制要点等课题，将在后续研究中陆续展开。　参考文献　［１］曲卫，贾鑫．我国航天测控系统体制与技术现　状以及发展［Ｊ］．科技信息．２０１０．５．１５．　［２］于志坚．航天测控系统工程［Ｍ］．国防工业出　版社．２００８．８．　［３］姜月秋，冯永新，刘治国，王光兴．基于卫星　综合信息网的网络管理模型［Ｊ］．东北大学学报（自然　科学版）２００３．１．　［４］金江军．两化融合的现状、经验和趋势分析　［Ｊ］．中国信息界２０１１．１０．９—１１．　［５］林峰，舒少龙．赛博物理系统发展综述［Ｊ］．　同济大学学报（自然科学版）．２０１０．８．１２４３—１２４８．　［６］武装，李洪奇．一种分布式ＳＯＡ体系结构的设　计与实现［Ｊ］．微计算机信息２００８．２４．　［７］陈康，郑纬民．云计算：系统实例与研究现状　［Ｊ］．软件学报，２００９，２０（５）．１３３７—１３４８．　［８］陈禹．复杂性研究的新动向一基于主体的建模　２０１３年６月　深空探测研究　．１９．　方法及其启迪［Ｊ］．系统辩证学学报．第１１卷，第１　期．２００３．１．　社，２００８年出版．　［１０］王越，陶然，李炳照．基于多活性代理的复杂　信息系统研究［Ｊ］．中国科学。２００８．１２．１５．　［１１］王越，陶然，张昊．基于多活性代理的分布式　入侵检测系统构建分析［Ｊ］．中国科学。２０１０．４．１５．　［９］Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｊ．Ｂｒｏｗｎ，Ｒａｐｈａｅｌ　Ｃ．ＭＭｖｅａｕ，Ｈａｙｄｓ　Ｗ．ＭｃＣｏｒｍｉｃｋ，Ｔｈｏｍａｓ　Ｊ．Ｍｏｗｂｒａｙ著，宋锐等译，《反模　式：危机中软件、架构和项目的重构》，人民邮电出版