基于微服務(wù)的天基信息支援戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)

田原 仇林遙 吳彥峰 潘一凡 陸洲

摘要：針對天基信息支援作戰(zhàn)應(yīng)用由戰(zhàn)役級向戰(zhàn)術(shù)級的發(fā)展方向，對美國現(xiàn)有天基信息支援戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹與分析，面向天基信息支援戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用服務(wù)的功能彈性化和定制化的發(fā)展趨勢，提出了一種基于微服務(wù)的終端彈性可重構(gòu)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)與輕量化增量資源封裝與加載應(yīng)用流程，實(shí)現(xiàn)面向不同任務(wù)、不同平臺的終端應(yīng)用功能重構(gòu)及個(gè)性化精準(zhǔn)定制。

關(guān)鍵詞：天基信息支援；戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用；美軍發(fā)展趨勢；彈性定制；微服務(wù)

中圖分類號：TP79文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）16-64-5

0引言

在未來局部戰(zhàn)爭中，依托信息化裝備的小規(guī)模戰(zhàn)術(shù)行動作用越來越凸顯，戰(zhàn)術(shù)行動的數(shù)據(jù)保障與服務(wù)保障至關(guān)重要[1-2]。這類戰(zhàn)術(shù)行動作戰(zhàn)單元相對前置，對戰(zhàn)場環(huán)境透明化感知、目標(biāo)精準(zhǔn)識別、目標(biāo)持續(xù)跟蹤、目標(biāo)行為趨勢、目標(biāo)指示等需求高，天基信息具有大范圍、高精度等特點(diǎn)，是保障戰(zhàn)術(shù)行動的重要內(nèi)容[3]。同時(shí)，由于攜帶裝備能力限制，戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜多變、通信條件不穩(wěn)定，為保證不依托網(wǎng)絡(luò)支援獨(dú)立使用的最低要求，需要簡單實(shí)用、直接有效的天基信息應(yīng)用終端。在各類戰(zhàn)術(shù)信息應(yīng)用終端，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)、保障條件和戰(zhàn)術(shù)需要，靈活裝載基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)天基資源應(yīng)用能力的躍升。當(dāng)通信條件不允許時(shí)，可以依托終端進(jìn)行端內(nèi)處理，實(shí)現(xiàn)對戰(zhàn)場目標(biāo)的初步識別和分析。在通信條件較差的條件下，還可以通過接收輕量化的戰(zhàn)場動態(tài)增量數(shù)據(jù)，使戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)單元及時(shí)準(zhǔn)確掌握戰(zhàn)場態(tài)勢。

傳統(tǒng)的單體服務(wù)架構(gòu)難以滿足戰(zhàn)術(shù)信息應(yīng)用中隨不同任務(wù)、需求變化的功能靈活可變的需求，提出了一種基于微服務(wù)的終端彈性可重構(gòu)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)與輕量化增量資源封裝與加載應(yīng)用流程，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用功能的靈活定制與可擴(kuò)展性。

1美軍天基信息支援戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力現(xiàn)狀

美軍已建成體系完備、領(lǐng)域全面、要素齊全的天基信息支援保障體系，具備情報(bào)自動獲取、多源信息融合處理、近實(shí)時(shí)共享分發(fā)服務(wù)能力，應(yīng)用服務(wù)已下沉至戰(zhàn)術(shù)級[4-5]。

1.1旅級部隊(duì)天基情報(bào)服務(wù)共享保障能力

美陸軍已構(gòu)建起綜合情報(bào)支援保障體系，主要通過分布式通用地面系統(tǒng)（DCGS）的全球化情報(bào)信息網(wǎng)絡(luò)，提供旅級部隊(duì)多源情報(bào)融合處理與近實(shí)時(shí)共享分發(fā)能力，下沉靠前配置保障一線部隊(duì)。通過旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，將士兵、武器/平臺、指揮所和其他作戰(zhàn)設(shè)施的地理位置展示在一張態(tài)勢圖中，并在作戰(zhàn)中應(yīng)用，使態(tài)勢感知時(shí)間從60 s縮短到7.5 s，信息接通率從29%提高到81%，使部隊(duì)可以“看到敵人、看清地形、看到自己”[6]。自阿富汗戰(zhàn)爭開始，構(gòu)建起近實(shí)時(shí)共享分發(fā)服務(wù)體系，配備機(jī)動式多源測繪信息接收處理系統(tǒng)、陸軍“士兵戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng)絡(luò)”系統(tǒng)、旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)等典型應(yīng)用裝備及系統(tǒng)，將天基信息與指控系統(tǒng)、武器平臺和戰(zhàn)術(shù)末端緊密鉸鏈，實(shí)現(xiàn)情報(bào)和態(tài)勢無縫隙全源共享和戰(zhàn)場協(xié)同，例如，在伊拉克戰(zhàn)爭中，共裝備8 000套旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)向旅及旅以下戰(zhàn)術(shù)指揮層、單兵傳輸實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)態(tài)勢感知、指揮控制和友軍位置信息[7]。

1.2美軍天基信息支援戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用系統(tǒng)

美軍在使用移動終端方面走在世界前列。早在20世紀(jì)90年代，DARPA就開始了旨在開發(fā)裝備于士兵的可穿戴計(jì)算機(jī)的“數(shù)字士兵計(jì)劃”。早年的“陸地勇士”系統(tǒng)于2007年升級為“奈特勇士”系統(tǒng)，集成無線電臺、全球定位系統(tǒng)以及儲存戰(zhàn)場簡單態(tài)勢、導(dǎo)航視圖、目標(biāo)對象圖片等情報(bào)信息，通過穿戴式終端和智能手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)術(shù)電臺，為作戰(zhàn)單兵共享戰(zhàn)場態(tài)勢情報(bào)[8]。SeeMe系統(tǒng)使作戰(zhàn)單兵可以通過地面移動終端直接指揮天基載荷并接收圖像，獲取即時(shí)響應(yīng)的天基戰(zhàn)術(shù)情報(bào)支持，從上傳目標(biāo)成像任務(wù)請求到接收下傳圖像情報(bào)，實(shí)現(xiàn)時(shí)效性優(yōu)于90 min的即指即拍[9]。藍(lán)軍跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于從旅級到士兵/平臺級的所有戰(zhàn)場功能領(lǐng)域，采用GPS定位，為遂行乘車/下車戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗、戰(zhàn)斗支援、戰(zhàn)斗勤務(wù)支援的指揮官、班組長和士兵提供綜合的、運(yùn)動中的、實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)指揮信息和態(tài)勢感知能力[10]。“士兵之眼”系統(tǒng)可通過政府用移動通信鏈路，使前出作戰(zhàn)士兵從通用作戰(zhàn)圖中獲取實(shí)時(shí)信息，并可向C4ISR系統(tǒng)上報(bào)關(guān)鍵地理坐標(biāo)等情報(bào)；采用開放式體系結(jié)構(gòu)，可通過多方研發(fā)機(jī)構(gòu)快速、有效地?cái)U(kuò)充研發(fā)作戰(zhàn)任務(wù)需求功能，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)性能的快速與持續(xù)升級[11]。美軍軍事情報(bào)部隊(duì)基于安卓智能手機(jī)終端，開發(fā)“風(fēng)切變”專業(yè)軍事軟件，可通過安全移動云網(wǎng)絡(luò)為特種前出作戰(zhàn)人員提供生物識別信息、GPS和其他情報(bào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場即時(shí)信息的實(shí)時(shí)更新。美國陸軍開發(fā)軍用版的手機(jī)應(yīng)用軟件商店“陸軍軟件”———Apps4Army，采用類似于安卓系統(tǒng)的開放式模式，士兵可通過智能手機(jī)終端，依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求下載配置應(yīng)用功能，從而具備多樣化的終端戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力。

2彈性化、定制化的天基信息支援戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用服務(wù)發(fā)展趨勢

綜合分析美軍天基信息終端戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用能力及裝備系統(tǒng)發(fā)展趨勢可知，隨著邊緣計(jì)算、人工智能技術(shù)正在逐步得到突破，在其基礎(chǔ)上，發(fā)展功能彈性化可重構(gòu)、資源輕量化精準(zhǔn)定制的戰(zhàn)術(shù)信息支援應(yīng)用服務(wù)迫在眉睫，進(jìn)而打造適用于戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)任務(wù)、戰(zhàn)場情況靈活重構(gòu)應(yīng)用的天基信息應(yīng)用終端，充分依托已有情報(bào)處理體系能力，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)前端應(yīng)用能力的增量提升，大幅提高戰(zhàn)術(shù)行動的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力。

不同的作戰(zhàn)場景具有不同的終端軟硬件能力和網(wǎng)絡(luò)傳輸條件。傳統(tǒng)的天基資源保障未能區(qū)分不同場景下天基資源的預(yù)裝加載需求，通過收集分析作戰(zhàn)終端、網(wǎng)絡(luò)傳輸、應(yīng)用場景的實(shí)際狀態(tài)，建立柔性的分配機(jī)制，進(jìn)行有針對性的輕量化數(shù)據(jù)和功能封裝，在保障用戶應(yīng)用需求的前提下，減少實(shí)時(shí)增量數(shù)據(jù)的傳輸總量，同時(shí)能夠依據(jù)服務(wù)的負(fù)載狀況啟停服務(wù)實(shí)例，提高資源的利用率，從而全面提升天基資源的服務(wù)效率和用戶終端的天基資源應(yīng)用體驗(yàn)。

綜上所述，天基信息戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)可擴(kuò)展性、服務(wù)定制能力和高可靠性，具體包含：平臺需要具有高度的可擴(kuò)展性，能夠在運(yùn)行時(shí)動態(tài)添加新的處理算法、新的在線服務(wù)，接入新的數(shù)據(jù)；平臺需要彈性伸縮的能力，能夠在運(yùn)行時(shí)對特定的服務(wù)動態(tài)增加資源來應(yīng)對繁忙的分發(fā)任務(wù)，也能夠在運(yùn)行時(shí)對計(jì)算量小的服務(wù)回收資源，來提高資源利用率；平臺需要能夠提供足夠的定制能力，依據(jù)終端平臺差異和網(wǎng)絡(luò)條件，能夠應(yīng)對多樣的個(gè)性化、輕量化的封裝加載需求。

3基于微服務(wù)的終端彈性可重構(gòu)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)

3.1基于微服務(wù)架構(gòu)的終端功能彈性定制

傳統(tǒng)的單體架構(gòu)難以滿足多樣化戰(zhàn)術(shù)終端應(yīng)用軟件的靈活性、可定制化、隨任務(wù)可變的需求，基于微服務(wù)架構(gòu)[12]技術(shù)，將應(yīng)用程序分解為一系列小而自主獨(dú)立的個(gè)體，各服務(wù)按業(yè)務(wù)功能垂直劃分、專注于單一功能并在各自的進(jìn)程中獨(dú)立運(yùn)行，服務(wù)間通過輕量級通信協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)終端應(yīng)用部署的高度可擴(kuò)展、可伸縮、可定制和高可靠保障，如圖1所示。

①功能可擴(kuò)展：衛(wèi)星應(yīng)用中的功能模塊通過合理分解，開發(fā)成一組獨(dú)立運(yùn)行、測試和維護(hù)的微服務(wù)。微服務(wù)可以動態(tài)部署發(fā)布到容器中，從而在不停機(jī)的情況下，動態(tài)擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

②性能可伸縮：提供支持動態(tài)負(fù)載均衡的服務(wù)網(wǎng)關(guān)，相同的服務(wù)部署在多個(gè)容器中時(shí)，會自動被發(fā)現(xiàn)并形成一個(gè)集群。當(dāng)服務(wù)請求過多時(shí)，可以增加服務(wù)的容器實(shí)例數(shù)目，實(shí)現(xiàn)動態(tài)負(fù)載均衡；服務(wù)請求較少時(shí)，可以停止或移除服務(wù)實(shí)例。

③業(yè)務(wù)可定制：提供天基資源微服務(wù)的流程編排功能，可以通過對各種天基信息處理的微服務(wù)進(jìn)行組合編排、定制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)針對用戶特定需求的個(gè)性化天基資源定制封裝。

3.2天基資源微服務(wù)集成平臺

天基資源微服務(wù)集成平臺，包括建立天基數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用資源封裝匯聚的云中心，進(jìn)而面向不同作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)平臺進(jìn)行終端功能的定制、分發(fā)和裝載，平臺總體架構(gòu)如圖2所示。

基礎(chǔ)層主要包括計(jì)算、消息中間件和存儲等，提供通用基礎(chǔ)服務(wù)。數(shù)據(jù)層主要包括應(yīng)用服務(wù)庫和情報(bào)數(shù)據(jù)庫，分別保存服務(wù)元數(shù)據(jù)、應(yīng)用流程數(shù)據(jù)等應(yīng)用功能資源及情報(bào)信息數(shù)據(jù)、任務(wù)數(shù)據(jù)等支援信息資源。應(yīng)用層主要包括封裝規(guī)范框架、服務(wù)運(yùn)行、流程運(yùn)行、任務(wù)定制封裝與執(zhí)行等，提供微服務(wù)封裝與發(fā)布、服務(wù)調(diào)用、流程編排、部署執(zhí)行等功能支持。展示層提供面向任務(wù)定制人員及服務(wù)開發(fā)人員的交互界面。

3.3輕量化增量資源封裝與加載應(yīng)用流程

基于天基資源微服務(wù)集成平臺，面向終端的輕量化增量資源封裝與加載應(yīng)用流程如圖3所示。

（1）任務(wù)解析與資源封裝規(guī)范

在天基資源云中心，由作戰(zhàn)任務(wù)目標(biāo)與天基資源需求解析，得到針對特定任務(wù)的終端資源需求清單，包括完成任務(wù)所需要的數(shù)據(jù)、服務(wù)和終端App三種資源類型，作戰(zhàn)規(guī)劃人員可通過資源動態(tài)可視化定制模塊調(diào)整資源，形成最終的終端功能定制計(jì)劃。根據(jù)形成的終端定制計(jì)劃，基于異構(gòu)數(shù)據(jù)/算法資源封裝規(guī)范，從天基數(shù)據(jù)庫、天基服務(wù)庫與終端App庫中獲取資源，生成封裝資源包。

其中，對于天基應(yīng)用服務(wù)，將天基應(yīng)用的各種算法模型使用微服務(wù)技術(shù)，封裝為可以動態(tài)部署裝載和注冊發(fā)現(xiàn)的天基信息微服務(wù)；對于天基數(shù)據(jù)，則是將數(shù)據(jù)體及其元數(shù)據(jù)封裝為支持自動接入和整合的數(shù)據(jù)包；對于天基終端App，則是將終端App打包，添加自動安裝腳本，成為可以自動安裝的終端應(yīng)用包。

（2）封裝資源包可視化定制

在封裝資源動態(tài)可視化定制階段，使用虛擬資源盒來規(guī)劃展示各個(gè)任務(wù)單元的服務(wù)器、終端的已有資源和需要裝載的增量資源，規(guī)劃人員可以動態(tài)調(diào)整資源，形成最終的封裝計(jì)劃。

虛擬資源盒模擬參與單位的服務(wù)器和終端的配置信息，包括CPU、內(nèi)存、操作系統(tǒng)及存儲空間等。這些信息可以用來定制裝載的應(yīng)用類型和數(shù)據(jù)類型。同時(shí)虛擬資源盒中描述了目前已有的服務(wù)器/終端中的已有服務(wù)、App和數(shù)據(jù)資源，用來支持增量的封裝計(jì)劃。

在封裝定制平臺中，將提供可視化的定制功能，將各個(gè)單位的服務(wù)器和終端以資源盒形式展示，根據(jù)任務(wù)資源計(jì)劃，展示需要裝載的數(shù)據(jù)、服務(wù)或App。利用虛擬資源盒，可以模擬最終的裝載效果，分析可能存在的問題，并可以人工調(diào)整封裝資源，來處理特殊的任務(wù)要求。

通過可視化的虛擬資源盒定制，可以生成針對不同任務(wù)單位的服務(wù)器和終端的封裝計(jì)劃。計(jì)劃中定義了需要裝載的服務(wù)、App和數(shù)據(jù)資源，作為封裝包的生成基礎(chǔ)。

（3）封裝資源包生成與分發(fā)

如圖4所示，封裝資源包罐裝需要經(jīng)過封裝應(yīng)用和罐裝數(shù)據(jù)2個(gè)步驟。封裝應(yīng)用階段選擇自主應(yīng)用對應(yīng)的容器鏡像，創(chuàng)建一組容器。罐裝數(shù)據(jù)階段在容器中罐裝數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)以及發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)。

在完成了封裝包定制之后，各種異構(gòu)的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)都存儲在容器的數(shù)據(jù)卷中，也就是存放到對應(yīng)的文件夾下面。將各個(gè)自主應(yīng)用的鏡像文件，連同數(shù)據(jù)卷對應(yīng)的文件夾進(jìn)行整體打包，生成一個(gè)可以進(jìn)行部署允許的封裝包。

封裝包可以通過在線分發(fā)或者離線分發(fā)。在線分發(fā)是封裝包將被推送到天基資源中心的各個(gè)單位的工作空間中。各個(gè)單位可以在工作空間直接進(jìn)行動態(tài)裝載，實(shí)現(xiàn)動態(tài)的封裝包下載與集成。離線分發(fā)模式可以將封裝包導(dǎo)出到存儲設(shè)備上，然后在被封裝服務(wù)器或終端上離線導(dǎo)入進(jìn)行裝載和集成。

通過云+端協(xié)同，可為用戶提供請求模式、訂閱模式、推送模式和瀏覽模式4種服務(wù)模式的多樣化、智能化、精準(zhǔn)化、主動化的資源分發(fā)服務(wù)。

（4）封裝資源終端動態(tài)部署與更新

在前出機(jī)動指揮平臺中，可以在線下載或者離線導(dǎo)入服務(wù)器封裝資源包，并對封裝資源包中的服務(wù)進(jìn)行動態(tài)部署到機(jī)動平臺的服務(wù)器上，并將封裝資源包中的數(shù)據(jù)動態(tài)融合到服務(wù)器的天基數(shù)據(jù)庫中。

在手持終端平臺，提供App形式的封裝資源包的統(tǒng)一管理與更新，可在線下載或者離線導(dǎo)入封裝資源包，并對資源包中的服務(wù)進(jìn)行動態(tài)部署、數(shù)據(jù)動態(tài)匯集入庫。

4典型應(yīng)用

參照美陸軍單兵作戰(zhàn)導(dǎo)航與態(tài)勢共享應(yīng)用功能，設(shè)計(jì)單兵終端前出作戰(zhàn)天基信息支援服務(wù)流程示例，圖5為該流程的編排設(shè)計(jì)內(nèi)容。

任務(wù)服務(wù)流程包含目標(biāo)識別、位置實(shí)時(shí)獲取、目標(biāo)情報(bào)獲取、行軍路徑顯示與更新、緩沖區(qū)分析與告警等一系列基礎(chǔ)功能服務(wù)，各服務(wù)均與前序服務(wù)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行綁定，同時(shí)目標(biāo)情報(bào)服務(wù)、行軍路徑服務(wù)分別與任務(wù)目標(biāo)信息數(shù)據(jù)、任務(wù)規(guī)劃路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝綁定，在天基資源微服務(wù)集成平臺進(jìn)行服務(wù)封裝、流程編排及手持終端發(fā)布部署，演示了終端的行軍路徑導(dǎo)航及目標(biāo)實(shí)時(shí)事件響應(yīng)的信息告警和路徑更新應(yīng)用功能，從而實(shí)現(xiàn)基于微服務(wù)的終端應(yīng)用功能按需定制試驗(yàn)。

5結(jié)束語

提出一種基于微服務(wù)的天基信息應(yīng)用終端彈性可重構(gòu)應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，建立面向任務(wù)、平臺的差異化適配、精準(zhǔn)定制的應(yīng)用功能輕量化封裝與裝載技術(shù)流程，基于云端協(xié)同服務(wù)理念，統(tǒng)籌戰(zhàn)術(shù)終端平臺的存儲與運(yùn)算能力，為天基信息支援應(yīng)用向戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)的能力前移、作戰(zhàn)態(tài)勢情報(bào)向作戰(zhàn)單元的下沉保障、處理功能服務(wù)向終端平臺的前出遷移提供支持，提升戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用終端的天基信息應(yīng)用效能與自主智能服務(wù)水平。

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