强实时性系统信息智能分发技术框架研究

程翔+葛剑峰+张辉+郭红卫

摘 要： 针对强实时性系统中信息分发存在的问题，以美国C2BMC系统特点为背景，结合我军当前在此领域的研究基础，提出了一种智能化信息分发框架技术。本文首先分析了强实时性系统信息分发的需求及特点，针对性地介绍了DDS（Data Distribution Service）技术，结合DDS的QoS策略以保证系统数据分发的可靠传输以及基于本体的数据组织分类，为信息智能分发提供支撑。最后提出本框架的几个关键技术点。全文为实现强实时性系统信息智能分发提出了设想和建议。

关键词： DDS； QoS； 实时性； 智能分发； 可靠传输

中图分类号：TP399 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）06-12-04

Research on the framework of intelligent information distribution technology

for the strong real-time system

Cheng Xiang1， Ge Jianfeng2， Zhang Hui2， Guo Hongwei2

（1. The Navy Communication Agent's Office in Suzhou， Suzhou， Jiangsu 211100， China； 2. The 52nd research institute of CETC）

Abstract： Against the background of the features of USA C2BMC system， combining with the current research basis that our army has got in this field， this paper puts forward a kind of intelligent information distribution framework technology aiming at the information distribution problems existed in the strong real-time system. In this paper， at first， the demands and features of the information distribution in strong real-time system are analyzed. Specifically， the DDS （Data Distribution Service） technology is introduced， and combines with the QoS strategy of DDS to ensure the reliable transmission of data distribution and the ontology-based data organization classification， to provide support for intelligent information distribution， and finally， several key technical points of this framework are pointed out. The full text of this paper provides some ideas and suggestions for realizing the intelligent information distribution of strong real-time system.

Key words： DDS； QoS； real-time； intelligent distribution； reliable transmission

0 引言

21世紀初年，美军研制出了用于弹道导弹防御系统的指挥控制、作战管理与通信（C2BMC[1]）系统。该系统由庞大且复杂的网络、计算机、工作站、交换机、路由器、通讯设施等硬件和各类作战软件构成，具有态势感知、自适应规划、交战控制、建模/仿真/分析、通信五种能力；能接收来自地面、海上、空中和天基的传感器信息，协调地面、海上、空中和天基的武器对确定目标进行攻击。

弹道目标射程远、速度快、再入角大、雷达散射面积小、真假目标识别困难等特点，对C2BMC系统的实时性、自动化和智能化提出了很高要求。在导弹防御作战中分发的信息种类繁多、关系复杂、体制信道多样、实时性强、数据量大，因此信息分发系统的设计与研制难度较大[2]。

我国也开展了信息种类繁多、关系复杂、实时性强、数据量大的信息分发系统研究，并取得了突出成就，但也面临极大挑战，主要差距体现在以下方面：

⑴ 网络中心化服务体系建设尚处于起步和探索阶段，信息系统的集成方式难以适应网络化、服务化的发展方向，各业务系统间存在功能重叠，部分功能模块使用率不够高，且通信网络对恶劣环境的适应力较差，对实战化支撑能力不足；

⑵ 信息服务基础设施建设刚刚起步，缺乏大容量数据交换的有效支撑，无法满足图像、视频等大容量数据的实时传输和分发要求；

⑶ 信息资源的开发利用还处于分散无序状态，提高信息共享能力还存在诸多制约因素，在信息资源建设、信息共享模式和信息应用方式存在薄弱环节。

1 强实时性系统信息智能分发的应用需求

强实时性信息分发技术要求将各种异构动态的传感器节点、武器平台节点、指控节点和其他软硬件资源有机融合，能够对各类军用信息进行搜集、存储、传输、处理和分发，并对各类信息资源进行一体化的组织管理，支持节点随时接入、即插即用，支持信息实时共享、节点动态部署和军事行动全面协作。在军事应用背景下某些处于核心地位的系统，其功能和性能直接影响作战效果，具有更高的时效性、正确性、协同性要求。该类系统不仅要满足特殊环境下信息传输、处理与应用的需求，还应支持信息的实时互传与共享应用。

未来基于信息系统的体系作战能力要求要根据用户需要建立灵活的信息获取和分发机制，在海量信息存在的情况下实现信息灵活按需分发。因此，强实时性系统信息分发应满足强实时、高可靠、可扩展、智能化等要求。

⑴ 强实时

军事应用场景下很多情况下对信息实时性要求极强，只有满足实时性要求才能做出准确的决策和判断，这些决策和判定都需要很多的信息作为输入来完成，如何提供及时的信息往往是军事应用中很重要的一个因素。

⑵ 高可靠

军事应用环境下通常信息需要同时发送给多个用户，但该环境下的通信链路带宽较低，无法使用单播和广播技术，因此需要在节省网络带宽减少网络拥塞的情况下保证每份数据送达到每个需要数据的用户。另外，战场的环境是错综复杂的，作战单元的位置也是无法预知的，如某作战单元可能在某些区域内无法正确接收分发信息，但是当其离开这些区域后，要能准确地收到之前的战场信息，能够第一时间应对此信息。

⑶ 可扩展

当前军备的发展速度非常迅猛，能够高效低耗的完成对军事设备单元的伸缩扩展是军事应用系统一项非常必要的能力。系统应具备模块化、即插即用、随遇接入、松耦合、可裁剪组合、灵活动态部署等特点，应支持不同通信体制、数据类型和操作系统，信息能够无缝连接。

⑷ 智能化

随着大数据时代下计算机技术、通信技术和网络技术的发展，情报收集能力越来越强，信息共享的范围及共享途径也随着扩大。“信息优势”、“联合作战”、“网络中心战”等作战理念的提出带来了作战模式变革。传统的指挥方式和手段速度慢、准确率低、对指挥员个人能力依赖性大。面对海量信息及大量精确制导武器的突袭，传统的指挥控制方式已经难以满足要求，这些都加速了指挥控制系统的自动化智能化进程，需要将信息优势转化为决策优势，实现指挥智能化。

2 DDS数据分发技术

DDS是由OMG发布的一个关于分布式实时系统中发布/订阅（Publish/Subscribe）模型的规范。规范的核心是以数据为中心的发布/订阅——为应用程序发布和订阅数据提供了基础架构。发布/订阅模型通信规范具有匿名通信、按需分发数据、一对多通信等特性，能够很好地满足大型分布式系统松耦合结构的需求，适合于网络环境下的信息分发共享，[3]支持应用程序之间高效地分发数据。在这种模型中，节点只需要订阅它所感兴趣的数据，或者发布它所能提供的数据。前者称为订阅者（Subscriber），后者称为发布者（Publisher），該模型中发布者和订阅者之间的通信完全是由中间件来完成的。几种发布/订阅模型如图1所示。

可以看到，在一个系统中，每个角色即可能是一种信息的发布者，也可能是另外一种信息的订阅者，其优点是系统中各个节点之间是松耦合的关系，这就实现了各个节点间的异步独立性[4]。

DDS将区别数据类型的主题与不同的QoS策略组合，适当的QoS策略使系统具有良好的可扩展性，即使某个网络节点发生故障，其他部分仍然能正常工作。当网络过载或拥塞时，QoS能够保证传输的关键数据不被丢弃，同时能使网络系统高效运行。多点传送则是把单个网络分组同时发送给多个分布式节点，极大地增加了大规模网络的吞吐量。通过QoS提供的通讯机制控制服务行为和调整需求，满足分布式实时系统的实时性与网络性能的要求，在传输大量数据和通信性能方面有着良好的可预测性和明显的优势[5]。

目前市场上DDS规范的实现产品比较有名的有RTI DDS、OpenDDS以及Opensplice DDS三种。图2展示了一种被被广泛应用于军事作战管理、航天航空、空中交通流量控制等领域的DDS应用框图。它独立于操作系统和编程语言，极大地方便不同系统之间的通信。

结合DDS的优势及应用场景，针对强实时性系统信息分发的特点，基于DDS总线实现的信息分发系统具有以下优点：

⑴ 可以有效的降低设备之间的耦合性，提高系统稳定系；

⑵ 屏蔽多种设备连接接口的差异性，降低数据控制交换复杂程序；

⑶ 设备之间的数据交换格式增加时，研发人员无需扩充原有的程序，只需专注于解决业务逻辑；

⑷ 结合将DDS的topic和QoS策略组合，可以很好的适应恶劣的网络通信环境。

3 强实时性系统信息智能分发技术框架

强实时性系统信息智能分发技术以DDS为基础，一方面高效地整合和管理异构数据资源，另一方基于DDS技术，面向业务层按需提供数据智能化推送服务。主要功能包括：

⑴ 提供基于海量数据的存储管理能力，实现海量异构数据存储和管理；

⑵ 支持存储虚拟化，能够将多台存储设备的存储空间整合为存储资源池，实现存储空间的动态划分；

⑶ 支持异构数据元模型设计、抽象异构数据构建本体信息库、管理分布式本体库，支持分布式信息检索，提供数据快速检索、数据精确定位；

⑷ 提供基于Web的运维管理服务，提供运维管理工具集，能够对系统服务进行管理，支持数据订阅分发服务的QoS策略自定义设置；

⑸ 支持权限划分，数据本身、使用数据的使用者均可根据需要赋予相应的级别和权限，在数据智能化推荐时结合用户身份进行针对性的过滤筛选敏感数据；

⑹ 提供标准的技术开发规范，包括服务接口规范——支持发布/订阅设计思想的应用程序接口（API）；数据交换规范—提高信息共享能力，支持大容量情报数据交换；数据元数据管理规范—提升信息资源建设能力，为信息应用提供基础加强信息共享。

3.1 强实时性系统信息智能分发技术总体架构

强实时性系统信息智能分发技术总体框架如图3所示。

基于自主软硬件的计算、存储和交换资源为共用信息基础服务提供信息基础设施。资源虚拟化通过集群、分布式文件系统等技术，实现本地异构信息系统之间和多中心之间的协同工作，对外提供统一的资源管理，为更高效、更可靠的信息分发服务性能提供底层资源保障。

分布式存储管理实现存储空间和存储数据的基础管理，包括存储空间管理、数据加密、数据压缩、重复数据删除、数据备份容灾和数据迁移等功能。

数据存储服务提供可供多系统多用户共享的数据存储机制，包括文件存储、数据库存储和数据仓库等服务。元数据管理遵循一定的数据策略和数据标准对数据模型和数据元素进行存储和管理，并提供对元数据的访问接口。元数据反映了数据内容与数据源之间的关系，通过元数据库，管理员可以对云存储系统进行全面的管理和维护，用户可方便的了解系统中的数据概括。数据交换服务提供面向任务的数据包生产、数据导入导出和跨库数据交换。

数据订阅分发服务基于DDS实现数据订阅、发布和推送功能，可在数据创建时自动快速地将数据推送给需要该数据的用户，实现信息数据按需分配并提高数据的时效性。基于DDS的 Qos策略绑定不同的主题可以有效的实现数据可靠传输。基于角色权限的信息访问控制可以实现数据分类访问。

运维管理提供可视化的管理和访问工具，包括云存储系统运行维护管理工具、元数据管理和访问工具、数据集成工具和数据标准一致性验证工具等。

设计开发规范提供定义数据共享的元数据管理规范、大容量数据交换规范、服务接口规范，以及保证存储系统安全可靠运行的Qos策略定义。

3.2 基于DDS的数据总线服务

基于DDS的数据总线服务可以使应用层不再需要关心数据放在哪里、怎么管理以及如何进行数据安全防护，通过订阅/发布相应的主题为用户提供数据服务。如图4显示的是基于DDS的数据总线服务模式。

公用信息基础服务实现了数据存储、组织、关联、检索查询等功能。根据不同的业务需要通过DDS数据总线进行不同的主题订阅，实现数据按需分发。运维管理部分通过web服务实现QoS策略可配置功能，在线提供运维工具以及相关服务状态信息管理。

4 强实时性系统信息智能分发的关键技术

强实时性系统信息分发技术研究的关键点有以下。

⑴ 数据组织、分布式存储与快速查询技术。分析数据特点，研究数据的组织与存储形式；分析本体库对标准化定义数据的影响；分析需求，开展基于本体的数据组织、分布式存储和快速查询技术的研究，提出分布式本体库构建方法和元数据管理规范。

⑵ 基于DDS的数据总线。为军用系统平台提供统一的数据分发、处理机制和接口标准，使各个信息系统部件可以在总线上“即插即用”，满足军用系统松耦合的需求。

⑶ 本体库构建技术。异构数据的一体化抽象定义的关键就是本体信息构建，该技术将直接影响数据管理和服务的一体化。军用领域本体库构建及快速检索技术，实质是异构数据语义定义、元数据管理和分布式信息检索的设计问题，难点是基于本体的军用系统数据元模型设计、分布式领域本体库的高效数据管理和快速检索、精确数据定位[6]。

⑷ 面向需求的信息关联推荐。数据关联推荐是信息智能化分发的核心技术，是突破数据化被动为主动使用的关键。其实质是数据发现并推送的设计问题。难点在于结合典型任务需求的流程要求、参与者角色及其权限进行信息关联和价值评估，并尽可能地优化设计提高准确度。

5 结束语

本文针对强实时性系统中强实时、高可靠、可扩展、智能化的需求，围绕特定环境下信息服务可靠性不足、大容量情报信息交换时效性差、信息资源分散无序等问题，提出一种信息智能分发系统的框架，旨在满足系统的实时性要求，提供可靠的数据传输服务，并在系统进行设备调整和修改时，降低对系统影响，从而保证系统的稳定性。

结合DDS数据总线技术，配合不同的DDS QoS策略可以很好地保障数据的可靠传输，依据DDS的订阅/发布模型进行设备间通信，可以很好的保障系统的稳定性，将设备的调整与修改对系统的影响降到最低。

智能信息分发系统，如何实现信息的智能化推荐是一个值得进一步研究的课题，智能化的程度将会直接影响到应用业务的逻辑决策。基于本体的数据组织和管理便于进行数据关联，数据关联如何更好的满足实际业务逻辑，是一个更深层次的课题。结合当前大数据技术，进行深度的數据挖掘，提升按照领域进行数据关联，并推送到业务层，从而实现数据的智能推送，进而满足强实时性系统的智能化需求。

参考文献（References）：

[1] 夏旻，孟凡松.美军导弹防御C2BMC系统功能描述及作战运

用分析[C].中国指挥控制大会，2014.

[2] 李俊超，张占月，许莉.美军C2BMC系统能力研究[J].装备学

院学报，2013.5：78-82

[3] 冯国良.基于DDS的数据分发中间件的设计与实现[D].南京

航空航天大学硕士学位论文，2011.

[4] 卢传富，钱兴华.实时数据发布服务的研究[J].舰船电子工程，

2006.26（1）：64-67

[5] 徐涛.基于发布/订阅机制的传感器数据分发系统的设计与

实现[D].电子科技大学硕士学位论文，2011.

[6] 李善平，尹奇韡，胡玉杰等.本体论研究综述[J].计算机研究与

发展，2004.41（7）：1041-1052