航天試驗業務網的智慧物聯感知 體系架構研究與應用

陳洪雁 萬俊偉 李文溯 翟文麗

摘? 要： 在分析航天業務網絡的現狀及需求的基礎上，面對新興的智聯感知體系條件下，對現有航天業務網絡的不足，尤其是現有體系架構的不適應之處進行了總結分析，提出基于航天試驗任務網的智慧物聯感知信息系統體系架構，從系統組成和結構特點等方面對新體系架構與現存體系架構進行分析比較，探討了在新的體系架構下，構建未來航天業務網絡所涉及的關鍵技術以及應用優勢。

關鍵詞： 航天試驗業務網; 智慧感知; 物聯網; 體系架構; 基礎設施及服務; 信息系統

中圖分類號： TN99?34; TP393.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）13?0021?04

Research and application of intelligent perceptive IOT architecture

for aerospace experiment service network

CHEN Hongyan， WAN Junwei， LI Wensu， ZHAI Wenli

（Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology， Beijing 100094， China）

Abstract： On the basis of analyzing the current situation and requirements of the aerospace service network， the shortcomings of the existing aerospace service network， especially the inadequacies of the existing architecture， are summarized and analyzed under the background of the emerging intelligent perceptive system. The intelligent perceptive IOT information system architecture based on the aerospace experiment service network is proposed to analyze and compare the proposed system architecture and the existing one in the aspects of system composition and structural characteristics. The key technologies in the construction of future aerospace service network and its application advantages under the proposed architecture are discussed.

Keywords： aerospace experiment service network; intelligent perception; IOT; system architecture; infrastructure and service; information system

0? 引? 言

近年來，隨著物聯網、云計算、下一代互聯網和新一代移動網絡應用技術的出現和發展，使得“實時感知、海量計算、及時反饋”的“智慧系統”的概念有了可能性和技術基礎。智慧系統建設是通過物聯網把無處不在的被植入系統的智能傳感器連接起來，實現對整個系統的全面感知，利用云計算等智能處理技術對海量感知信息進行處理和分析，實現網上系統數字空間與物聯網的融合并發出指令，對包括科研辦公、裝備資產、環境安全等在內的各種需求做出智能化響應和智能化決策支持[1]。

航天試驗業務網是為了滿足特定試驗任務要求設計建設的專用網絡系統，是我國航天力量的重要支撐，是連接各類航天任務中所有參試要素，實現信息交互融合以及資源網絡化、服務化、體系化協同運用的基礎平臺。它對實時性、可靠性和安全性有特定的高要求，智慧物聯感知系統的“實時感知、海量計算、及時反饋”等技術特征和應用優勢為航天試驗領域信息系統在體系架構擴展、系統資源共享、任務能力生成、運行模式優化等方面提供了契機[2]。

本文通過對航天試驗業務網的智慧物聯網感知數據資源體系的建設，實現航天試驗業務網內的物聯網感知信息采集、匯聚、管理、共享，完善航天試驗業務網的實時感知體系建設，為大數據管理平臺提供動態感知數據支撐，并實現基于綜合業務的數據整合，為精細化航天試驗業務網管理的綜合研判和快速決策提供支持，優化并提升協同保障機制和效率，強化多體系協同管理與綜合治理機制。

1? 現狀分析

1.1? 體系架構現狀

航天試驗業務網以原航天試驗通信網為核心，在整合各航天力量的業務專網的基礎上構建，其體系架構主要由業務層、承載層、傳送層以及通信網絡管理系統、通信安全保密系統組成，如圖1所示。

其中，傳送層的主要任務是為承載層提供傳送通道，業務層設備不直接與傳送層設備連接，傳送層內部系統的相互連接不涉及業務層面。業務承載層統一采用IP技術體制，通過統一的組網模式和接口綜合承載各類業務。業務層提供業務應用，利用承載層實現信息獲取、處理和應用功能。通信安全保密主要采用網絡加密和安全防護等手段，實現網絡中各類節點和傳輸網的安全防護。通信網絡管理按照“設備?專業?系統”的模式實現分級組織、層次管理，完成通信系統的運行狀態監視、設備遠程監控以及資源調度等功能。

1.2? 不足與差距

根據現有航天試驗業務網的使用情況，存在一系列迫切需要解決的問題，分析如下：目前，測控、遙感、通信、導航、氣象等各航天力量業務專網正在進行物聯網應用相關建設，但重建設、輕標準，重系統、輕互通問題突出，形成新一輪“信息孤島”，此問題在各型業務專網的數據處理中心尤為突出，缺乏全局的統一管理和資源動態調配機制，導致系統資源使用效率不高，資源動態調控能力低，難以實現資源共享與高效運維，無法滿足各航天力量多元信息傳輸需求，限制了數據和信息共享、服務和應用融合。

航天試驗業務網內部目前的網絡監測手段有限，實時監測能力不足，且尚未實現對網絡應用的感知與互動，面向服務的感知能力和手段不足，將直接影響體系協同能力。新的歷史時期，航天力量所面對的外部形勢更加復雜多變，各型任務組織模式機動、靈活，空間和地面組網形態多樣，航天任務中精確預報、快速響應等需求日益增強，面對上述新的要求，對信息網絡自愈能力和信息傳輸的可靠性要求日益提高。

因此，迫切需要按照統一規劃，構建網系劃分合理、功能定位明確、技術手段先進的體系架構的智慧物聯網感知數據資源信息系統，實現航天試驗業務網數據和信息的共享、服務、應用的融合。

2? 體系架構設計

2.1? 建設需求

從航天試驗智慧物聯感知信息系統統一建設、管理、整合和共享的層面，在整體思路框架下進行物聯網管理平臺及配套設施體系的建設。根據經濟和信息系統的發展，分階段實施，確保各階段成果成為平臺的一個有機整體，促進平臺的可持續發展。

1） 物聯網管理平臺系統具有如下功能：設備管理、連接管理、數據管理、應用支撐、網絡管理、安全管理、系統管理、統一展示門戶、業務門戶、平臺管理與運維門戶等。

2） 由物聯網管理平臺進行系統間對接，包括：大數據平臺、信息資源共享交換平臺、業務網運行指揮中心、視頻監控平臺和樓宇控制管理系統等。

3） 由物聯網管理平臺進行物聯感知終端集成，提供相關感知數據，實現業務支撐以及統一智慧終端管理，包括：智慧測控、智慧遙感、智慧通信、智慧導航、智慧氣象、智慧測繪等智慧應用[3]，為信息資源系統管理平臺提供感知數據與業務支撐。

4） 基于業務私有云基礎設施環境進行物聯網管理平臺部署。

2.2? 總體架構設計

基于航天業務網的智慧物聯感知管理網絡體系架構，以智聯網要求實現航天業務網統一傳感設備資產管理，強化精細化管理能力，同時，以形成一套創新的物聯感知管理模式的標準和規范體系的整體項目建設目的為要求，分為應用、平臺、數據、云基礎設施及感知網絡等幾個層次，以及安全保密管理體系和運維標準管理體系進行總體架構設計，如圖2所示。

2.2.1? 應用層

面向航天試驗業務網的智慧物聯感知體系運行管理中心以及相關測控、遙感、通信、導航、氣象等智聯感知應用，通過物聯網管理平臺獲取本業務物聯網監測與感知數據，同時根據業務協同的需要獲取其他業務監測與感知共享數據，并統一通過物聯網管理平臺進行相關傳感設備的統一管理與運行狀態的監控。各領域相關應用及航天試驗業務網綜合應用等業務，根據各自業務管理與區域業務管理的需求與特點，調用相關物聯網管理平臺提供各類服務與開放接口，提升智慧化業務能力。

2.2.2? 平臺層

實現多樣化感知設備管理能力統一傳感設備資產與管理、物聯網感知信息匯聚與共享，實現統一感知資產管理與精細化管理，同時，形成物聯感知管理模式的標準和規范體系，建設統一物聯網管理平臺。

物聯網管理平臺包含感知系統、管理系統以及統一的系統管理及安全管理，其中感知系統包括：感知業務運營子門戶、物聯平臺運營子門戶、物聯平臺維護子門戶，以及感知數據管理、感知管理、應用支撐、綜合服務等模塊。管理系統負責接入感知層的終端設備，并進行統一管理，包括應用使能、設備管理、鏈接管理等模塊，在確保物聯網安全可靠的前提下，原則上應實現區域物聯網資源統一接入、統一管理，物聯感知數據統一匯聚與服務，并提供相關面向多個業務子系統的物聯網服務。

2.2.3? 數據層

面向智慧感知物聯數據業務，依托物聯網管理平臺，形成相關基礎信息庫及物聯感知業務庫?；诳臻g信息、感知設備信息、對象管理維度形成基礎信息庫。同時，結合實際的業務需求及相關物聯網資產管理、信息目錄、編碼賦碼、信息融合等業務需求，建立相應的物聯感知業務庫。同時，在業務網已有的相關標準規范框架要求下，結合本項目需求形成新的物聯網基于數據相關標準與規范補充。

2.2.4? 云基礎設施及網絡層

針對物聯網管理平臺基礎設施部署環境，基于航天試驗業務網私有云管理的要求，物聯網管理平臺在業務網私有云基礎設施環境上進行部署。私有云提供本計算資源服務、存儲資源服務、網絡資源服務、安全資源服務，同時，平臺可在私有云環境中部署運行程序、中間件、數據庫軟件、操作系統等。

感知回傳網絡一般包括運營商蜂窩網絡、無線網、有限感知回傳網絡。同時，針對安防視頻監控平臺、管理系統、智慧應用等相關物聯傳感數據，與物聯網管理平臺進行數據交互時，需要采取必要網絡安全保障與防護。對于依托智慧應用進行有線感知采集獲取相關氣象、遙感、測控等傳感器數據，形成基于智慧應用為依托，打造業務網的神經網絡，實現區域業務網的精細化管理，并以此促進基于智慧應用統一感知設施掛載服務模式與管理模式。

2.2.5? 感知層

業務網物聯感知設備采集物聯感知信息，并通過感知網絡接入物聯網管理平臺，相關測控、遙感、通信、導航、氣象等物聯感知應用通過物聯網管理平臺獲取本業務物聯網監測與感知數據，同時，根據業務協同的需要獲取其他業務監測與感知共享數據，并統一通過物聯網管理平臺進行相關傳感設備的統一管理與運行狀態的監控。各領域相關應用及區域管理應用可以依托感知網絡系統進行相關數據回傳與采集，并調用相關物聯網管理平臺提供各類服務與開放接口，提升智慧化業務能力。

2.2.6? 安全保密管理體系

安全保密系統主要包括安全運維、安全態勢、監測預警、安全防護等功能。從終端接入、網絡傳輸、網絡互聯和網間隔離交換等多個方面為地面傳輸網絡基礎設施提供多層次的安全防護。

2.2.7? 運維管理標準體系

運維管理系統是確保航天業務網絡高效可靠運行的重要支撐系統，提供應用主動感知、多維多域態勢融合呈現等功能，提供資源按需調控策略決策等智能化管理手段，實現統一運維管理。

3? 關鍵技術

1） 采用設備代理及云網關支持各種類型設備的接入

業務網的智慧感知系統面臨多種多樣的物聯感知設備，這些設備有各種類型的硬件，包括8051，ARM，Intel等，運行著各種類型的操作系統，包括Linux，RTOS，WinCE，Android。接入方式也不同，包括RS 232/RS 485/Ethernet等有線方式，也包括2G/3G/4G/NB?IoT/eLTE等無線方式。接入協議也多種多樣，包括MQTT/COAP/HTTP/JT808以及一些私有協議。物聯網管理平臺通過設備代理及云網關做到接入設備類型、廠家無關，支持各樣的物聯感知設備的接入。

2） 采用縱深防御機制保障物聯網安全

物聯網管理平臺采用縱深防御機制，在物聯感知設備中，通過安全接入為設備提供一定的安全防護能力。在設備被侵入后，在平臺中對被入侵的設備進行檢測與隔離，保障物聯網安全。

3） 采用云化架構支持業務的彈性伸縮

物聯網管理平臺基于云化的架構設計，能夠部署在云平臺上，支持平滑擴容。通過對平臺進行分片，可以靈活對接不同的業務需求[4]。

4） 采用多級負載均衡機制實現海量終端接入

物聯網管理平臺基于SOA（Service Oriented Architecture，面向服務的體系結構）的架構設計，采用無狀態分布式系統，數據與業務分離的架構。通過多級負載均衡機制實現海量終端接入，最大支持1 000萬并發聯接。

5） 采用開放性標準與周邊系統集成

物聯網管理平臺提供強大的開放能力和集成能力，簡化應用開發和集成難度。平臺提供標準REST接口。

6） 采用邊緣計算架構融合網絡、計算、存儲、應用等核心能力

邊緣計算網關具備豐富的工業級接口，支持各種有線、無線接入方式，滿足各種終端接入，具有寬溫、防塵防水、抗電磁干擾、抗振動等特點，邊緣計算網關具備邊緣計算能力，可提供開放的容器、虛擬機和計算資源，可安裝Agent APP在本地快速處理數據，支持數據本地預分析，滿足業務實時、業務智能、數據聚合和安全等關鍵需求。

7） 采用大數據、人臉識別等多項技術與物聯網技術融合

采用大數據平臺架構，具有海量數據處理能力，可實現數據存儲、處理、分析一體化結構等優勢。結合人、車、物進行綜合關聯分析，利用視頻識別、物聯網采集與感知、業務網感知WiFi探測等技術，結合物聯感知智能分析算法，實現智慧化物物聯動、人物互動、對人服務，有力支撐智慧測控、智慧遙感、智慧通信、智慧導航、智慧氣象、智慧測繪等多個業務應用場景[5]。

4? 結? 論

基于航天業務網絡的智慧感知物聯信息系統是一個與航天力量未來任務組織指揮模式、信息應用和服務需求、信息網絡技術發展態勢密切相關的復雜系統，本文對現有系統架構在面向未來航天任務需求的不足基礎上，針對航天試驗信息系統業務對物聯信息共享和感知服務的需求，對平臺的建設與可持續發展進行統籌規劃，實現了在一體化、自動化、智能化、服務化方面更具有優越性的新的體系架構。

通過物聯網感知能力有力支撐航天試驗業務網整體信息化工作統籌，逐步消除信息孤島，以“對物的全面感知和智能管控，對人的精準服務和綜合辦公”為目標，基于感知數據流為依托，全面打通數據線和服務線，實現全域一網、全域感知、全鏈條打通的航天試驗業務網運行管理系統?？梢灶A見，未來航天業務網絡必將在可知、可管、可控、可信等方面得到較大提升，最終為航天力量一體化、協同化發展提供良好的網絡基礎。

參考文獻

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