智能化海上目標觀測網絡任務管理系統設計

王蕓 鄭雨婷 應文 李暉 楊志霞

摘要：海上目標觀測網絡的大規模部署與應用成為海洋信息化發展的必然趨勢，隨著觀測網絡規模的不斷擴大，實現觀測網絡的有效管理與運行成為網絡發揮實際效用的關鍵因素，觀測任務管理系統是海上目標觀測網絡的核心組成部分，通過對觀測任務的有效規劃與管理驅動，網絡觀測節點得到有效運行。闡述了智能化海上目標觀測網絡任務管理系統的工程設計與實施，利用領域工程的分析與設計方法，從功能需求、業務過程、體系結構及系統設計等層面進行深入思考與工程設計，為大規模海上目標觀測系統任務管理提供參考。

關鍵詞：海洋觀測網絡；任務管理；規劃調度；管理控制

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

0引言

海上目標觀測網絡是觀測技術和網絡技術向海洋領域應用拓展的先行者，隨著海域安防、海上執法、漁業監管及資產保護等領域的迫切需求，海上目標觀測網絡及相應技術迎來了快速發展的機遇。當前，海上目標觀測網絡的建設模式正向大規模柵格化部署發展[1]，不同形態的觀測節點大量涌現，在觀測手段方面，正從單一手段向多元協同觀測演進[2]。隨著部署規模增加以及觀測手段逐漸豐富，有效統籌觀測資源以滿足實際觀測需求是亟需解決的關鍵問題。任務管理系統通過觀測任務驅動網絡中觀測節點的調度與操控，是海上目標觀測網絡達成觀測目的不可或缺的組成部分，在航天遙感遙測、應急指揮調度等領域具有豐富的理論基礎和應用經驗[3]。隨著智能化技術的不斷發展，任務管理過程逐漸向人工輔助規劃與決策方向發展。相比之下，海洋目標觀測領域任務管理在海洋目標觀測領域的應用與技術發展相對滯后，普遍缺乏有效的大規模網絡資源規劃與任務管理的方法與經驗。

本文介紹了一種具有普遍適應性的海上目標觀測網絡智能化任務管理系統的工程設計思路，為大規模海上目標觀測系統任務管理提供范例與參考依據。

1觀測任務特性分析

海上目標觀測的手段及應用場景多種多樣，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域內進行巡檢與搜索，獲得海上目標情報，巡檢與搜索的對象與范圍由相應的觀測策略決定，可以是整個觀測覆蓋區域或部分熱點區域。巡檢與搜索一般具有周期性和預先規劃的特性，通過人工經驗對觀測節點觀測范圍內的熱點區域、熱點固定目標進行標定，通過預先規劃行動預案，周期性地進行觀測。

（2）跟蹤與取證

跟蹤與取證主要針對觀測節點上的定向觀測資源，比如光電監控設備，通過人工或智能情報輸入，精確制導鎖定特定的海上目標，并對其進行持續觀測與取證。跟蹤與取證觀測具有突發性，在系統接收到情報輸入后要求立即開展行動。

由于海上目標觀測行為在觀測方式與特性上的差異，對海上目標觀測任務的定義與處理流程也可分為長期觀測任務與突發觀測任務2類：①長期觀測任務，通過提前規劃觀測資源的行動方式，保證海上目標觀測節點日常情況下有序運行；②突發觀測任務，通過快速響應特定目標的異常活動情況或突發事件，保證海上目標觀測節點對特定目標或事件的針對性觀測。

在觀測任務的優先級方面，突發觀測任務一般具有更高的優先級，因此在常規觀測任務執行時可能被更高優先級的突發觀測任務中斷，在突發觀測任務完成時恢復并繼續觀測。

2任務管理功能模型

2.1 Mobilenet_v1

從功能角度看，海上目標觀測網絡任務管理系統需實現的功能分為基礎支撐、業務運作和資源調度3個不同層次的能力，通過3個層次能力的協調運作，實現觀測資源高效的調度管理，如圖1所示。

資源調度位于頂層，面向任務管理業務過程，從業務運作層面提供對任務需求輸入管理和任務協同規劃，以及資源調度能力；業務支撐層作為中間層，對業務過程提供必要支撐能力和手段，包括觀測資源的規劃、任務隊列管理、優先級管理和任務資源沖突的消解，以及適當的人工干預能力；基礎支撐層作為底層服務，主要在數據與觀測網絡基礎支撐方面提供一系列的基礎支撐能力，包括數據交換、資源管理、控制信令轉換和設備狀態監控。

3任務管理過程模型

海上目標觀測網絡任務管理過程模型如圖2所示。目標觀測網絡由觀測需求驅動，觀測需求通過自動或人工手段輸入系統，系統按照觀測需求對觀測節點進行任務規劃并對規劃結果進行封裝，形成正式的觀測任務并根據時間順序與優先級別放入任務隊列中。在滿足任務開始的相關條件后，根據規劃方案對相應的資源進行調度，同時通過調度結果反饋以及設備監控對調度效力進行評估，在需要時通過自動或人工手段進行調整，對任務執行過程中形成的觀測結果，利用一系列目標識別、分析手段進行處理，進而形成關鍵情報。

在此過程中，規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，達到最為優化的任務規劃方案。具體來說，針對長期觀測需求周期性和預先規劃的特性，通過選取基于差分進化算法[4]及蟻群算法[5]等演化類算法的任務規劃模型，在大時間跨度對批量觀測資源使用情況進行精確規劃，形成最優的觀測方案。針對突發觀測需求實時要求高、優先級高、相對約束較少的特點，可通過基于貪心策略的算法模型[6]進行快速規劃。

4任務管理系統架構

海上目標觀測網絡任務管理系統基于面向服務應用思想進行設計，在系統架構上常采用多層分布式應用的體系結構，具有業務可重構、功能可擴充及易維護管理等優點，自上而下劃分為表示層、服務邏輯層、業務邏輯層、基礎服務層及數據層，如圖3所示。

（1）表示層

實現與任務管理業務邏輯相關的信息展示、人機交互以及操作控制接口，包括觀測需求的輸入/接入、任務規劃過程的展示和操作、任務實施過程及實施動態的展示與人工干預操作以及觀測分析結果的展示等。

（2）服務邏輯層

通過引入工作流引擎，串聯表示層與數據層、基礎服務層以及業務邏輯層，滿足下層數據、服務的按需調用，實現流程的按需定制。

（3）業務邏輯層

通過注冊服務的方式對上層提供與任務管理業務緊密關聯的業務功能，主要包括規劃模型算法、沖突消解引擎、任務隊列、資源調度引擎、任務過程跟蹤引擎，以及目標行為識別模型等。

（4）基礎服務層

包含展示層以及業務邏輯層服務所需的基礎業務功能，以及數據交換、存儲、備份等數據層面的基礎服務。

（5）數據層

提供系統業務運行以及配置管理所需的數據以及數據存儲環境支撐，任務管理系統中存在的數據根據交換與存儲格式不同可劃分為實時流數據、關系型數據以及文件格式數據，3類數據分別通過實時數據總線，綜合數據庫以及文件系統進行交換和存儲。

5任務管理系統組成

海上目標觀測網絡任務管理系統組成主要考慮功能模型要求和過程模型所表現的各功能模塊之間的協同關系，依次劃分為長期觀測任務規劃、突發觀測任務規劃、任務管理以及服務支撐4個子系統，其中長期觀測任務規劃子系統和突發觀測任務規劃子系統面向任務規劃過程，任務管理子系統面向任務執行過程，服務支撐子系統面向系統基礎支撐能力和日常管理能力的實現，關系如圖4所示。

（1）長期觀測任務規劃子系統

長期觀測任務規劃子系統是一個獨立的功能軟件，有長期觀測需求管理、規劃模板管理及長期任務規劃模型算法等功能，提供UI以及規劃模板，協助海上觀測網絡管理員對長期觀測需求進行新建或修訂，并通過調用長期任務規劃模型算法生成新的長期觀測任務。

（2）突發觀測任務規劃子系統

突發觀測任務規劃子系統是一個運行于后臺的任務規劃服務，自動接收各類突發管理需求，具體包括長期觀測任務中形成的目標運動異常情報、可視化界面上人工選擇的需要持續關注的目標航跡及外部用戶的觀測需求等，通過調用突發任務規劃模型算法快速形成響應突發觀測的資源調度方案。

（3）任務管理子系統

任務管理子系統是一個獨立的應用軟件，主要實現以下3個核心能力：①匯聚長期觀測任務規劃子系統和突發觀測任務規劃子系統發布的觀測任務，將調度方案分配到各觀測資源的任務隊列中，并對隊列中各任務的執行狀態進行全時跟蹤；②提供沖突監測服務、響應長期觀測任務規劃子系統及突發觀測任務規劃子系統的詢問，對規劃造成的沖突以及與之沖突的任務進行反饋，為規劃子系統消解沖突提供依據；③根據調度方案對各觀測資源進行調度。

（4）服務支撐子系統

服務支撐子系統是多個分散的基礎服務，主要實現數據交換、協議轉換及基礎數據管理等與業務不直接相關的基礎支撐能力。

6結束語

本文提出了一種智能化海上目標觀測網絡任務管理系統，通過對觀測任務的有效規劃與管理驅動網絡觀測節點有效運行。分析了觀測任務的特性，并利用領域工程方法進行需求分析與系統設計，在任務管理功能模塊、任務管理過程模型、任務管理系統架構及任務管理系統組成等方面進行了深入思考與工程設計，可為大規模海上目標觀測系統任務管理提供范例與參考依據。

參考文獻

[1]潘嵩，王曉宇，高志剛，等.海上目標監視監測系統建設現狀與思考[J].海洋信息，2018，33（4）：50-55.

[2]白晶，文義紅.多傳感器海面目標協同探測技術[J].無線電工程，2015，45（3）：10-13，40.

[3]齊云菲.基于可視化技術的衛星數據處理任務管理系統設計與實現[D].南京：南京理工大學，2013.

[4]侍倩.基于差分進化算法的多目標優化問題的研究[D].上海：東華大學，2016.

[5]陳宇寧，邢立寧，陳英武.基于蟻群算法的靈巧衛星調度[J].科學技術與工程，2011，11（3）：484-489，502.

[6]陳學通，凌超，薛峰，等.一種基于貪心算法的緊急控制策略優化搜索方法[J].電力系統保護與控制，2017，45（23）：74-81.