《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于云原生的航天發(fā)射一體化指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎設(shè)計(jì)
電子技術(shù)應(yīng)用
董宇航，焦冬冬，尹志鋒，孟令剛，淮曉永
華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所
摘要： 針對(duì)航天發(fā)射領(lǐng)域多種類與多任務(wù)并行的發(fā)展趨勢(shì)，剖析了現(xiàn)行指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎軟件架構(gòu)的局限，通過構(gòu)建多級(jí)緩存，優(yōu)化Flink任務(wù)調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)了基于云原生的數(shù)據(jù)處理機(jī)制和數(shù)據(jù)引擎系統(tǒng)。系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)，以容器技術(shù)打包并布設(shè)了面向航天領(lǐng)域的數(shù)據(jù)接入、分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)多級(jí)緩存等核心模塊，有效緩解了系統(tǒng)運(yùn)行壓力，提高了數(shù)據(jù)處理與任務(wù)態(tài)勢(shì)信息獲取的時(shí)效性，為數(shù)據(jù)可視化與輔助判決提供了更加全面精確的數(shù)據(jù)支撐。在整體開發(fā)運(yùn)維流程上融入DevSecOps思想，支持快速開發(fā)、部署和交付，為下一代指揮顯示系統(tǒng)的研發(fā)提供了參考。
中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.244899
中文引用格式： 董宇航，焦冬冬，尹志鋒，等. 基于云原生的航天發(fā)射一體化指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(7)：118-124.
英文引用格式： Dong Yuhang，Jiao Dongdong，Yin Zhifeng，et al. The design of data engine for the integrated command display system of aerospace launch based on cloud-native[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(7)：118-124.
The design of data engine for the integrated command display system of aerospace launch based on cloud-native
Dong Yuhang，Jiao Dongdong，Yin Zhifeng，Meng Linggang，Huai Xiaoyong
National Computer System Engineering Research Institute of China
Abstract： The article analyzes the limitations of the current command and display system data engine software architecture in response to the aerospace launch field′s trend towards diverse types and parallel tasks. It outlines the construction of a multi-level cache and the optimization of Flink task scheduling algorithms to achieve a cloud-native data processing mechanism and data engine system. The system adopts a microservices architecture, utilizing container technology to deploy core modules for aerospace-focused data access, distributed computing, and multi-level data caching, effectively easing system operational pressures and enhancing the timeliness of data processing and task situation information retrieval. This provides more comprehensive and precise data support for data visualization and decision-making. By integrating DevSecOps into the overall development and operations processes, it supports rapid development, deployment, and delivery, offering a reference for the research and development of the next-generation command and display systems.
Key words : cloud-native；data engine；space experiment data；system design；command and display

引言

近年來，航天發(fā)射任務(wù)呈現(xiàn)出載荷型號(hào)多樣、多任務(wù)并行開展等新特點(diǎn)，迫切需要高效、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)引擎，來優(yōu)化指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用效能，提升任務(wù)決策指揮效率。因此，航天發(fā)射指揮顯示系統(tǒng)一體化發(fā)展被提上了日程[1-4]。目前，通過構(gòu)建通用數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各發(fā)射場(chǎng)不同數(shù)據(jù)協(xié)議、流程的支持，推進(jìn)了一體化發(fā)展進(jìn)程[3]。然而，受限于單體軟件架構(gòu)，仍存在以下不足：(1)缺乏快速部署與跨平臺(tái)應(yīng)用手段，持續(xù)集成能力有限；(2)終端設(shè)備性能差異，導(dǎo)致設(shè)備間數(shù)據(jù)不同步；(3)未根據(jù)使用需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，部分類型數(shù)據(jù)訪存時(shí)延較高。

針對(duì)上述不足，袁國(guó)偉等[5]通過構(gòu)建分布式算網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度任務(wù)下數(shù)據(jù)的分布式共識(shí)計(jì)算，但該系統(tǒng)部署過程較復(fù)雜，且新需求下拓展性有限；趙振杰等[6]采用Oracle及ClickHouse構(gòu)建多級(jí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，來增強(qiáng)數(shù)據(jù)管理和分析效能，但跨平臺(tái)部署能力也存在不足，數(shù)據(jù)分類管理設(shè)計(jì)較弱；鐘偉宏等[7]通過對(duì)服務(wù)進(jìn)行劃分，并依托Kubernetes進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)部署以及服務(wù)的高可用性，但持續(xù)交付與敏捷開發(fā)方面仍有不足。

在尋找解決方案時(shí)，其他領(lǐng)域的成功實(shí)踐提供了借鑒。Solomon等[8-9]通過云原生技術(shù)在航空空域管理自動(dòng)化領(lǐng)域構(gòu)建了一種基于服務(wù)的新架構(gòu)，在提供可靠數(shù)據(jù)服務(wù)的同時(shí)，降低了系統(tǒng)研發(fā)成本，縮短了新功能交付部署所需時(shí)間，顯著提高了服務(wù)的整體效率及靈活性。于景鑫等[10]在土壤墑情監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也通過云原生技術(shù)，消除了環(huán)境制約，通過布設(shè)多個(gè)不同服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)了靈活、高效的敏捷開發(fā)。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以采用類似解決方案。

本文針對(duì)此背景，結(jié)合一體化指揮顯示系統(tǒng)中數(shù)據(jù)引擎軟件實(shí)際使用需要，系統(tǒng)性地設(shè)計(jì)了一種基于云原生技術(shù)的航天發(fā)射一體化指揮顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)引擎架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理機(jī)制，旨在實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）設(shè)計(jì)一種基于云原生的數(shù)據(jù)引擎系統(tǒng)，支持快速部署與動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，運(yùn)行穩(wěn)定；（2）提出航天試驗(yàn)任務(wù)數(shù)據(jù)處理機(jī)制，解決負(fù)載均衡問題并提高了運(yùn)算效率，顯著提升了數(shù)據(jù)訪存速度；（3）對(duì)上述數(shù)據(jù)引擎架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理機(jī)制進(jìn)行測(cè)試，并驗(yàn)證其有效性。


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作者信息：

董宇航，焦冬冬，尹志鋒，孟令剛，淮曉永

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京 100083）


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