一种网络化武器控制系统动态重构设计方法与流程

本方法发明涉及可靠性设计技术领域，具体涉及一种网络化武器控制系统动态重构设计方法。

背景技术：

网络化武器控制系统是一个基于网络基础设施的快速、动态的自组织网络应用系统，其采用面向服务架构的技术体制，形成一个扁平化的应用层网络，将系统的所有节点(构件)连接成一个整体网络，节点即插即用、信息按需获取、系统动态重构，实现系统快速反应、快速打击的目的。

系统动态重构是网络化武器控制系统的一种重要能力，当系统发生节点损毁、构件故障或指挥关系变更时，通过动态重构设计，寻找可替换的构件，改变系统的配置状态，使系统恢复到健康的运行状态，保证系统持续作战能力。目前系统动态重构设计方法主要是基于体系架构描述的方法，通过描述当前体系架构和目标体系架构，将系统从当前体系架构转换到目标体系架构，完成系统动态重构。基于体系架构描述的方法主要分为3种：(1)基于图的架构，使用图来描述系统架构，并利用图重写规则定义重构；(2)基于规程代数的架构，使用代数和微积分描述过程，验证系统运行规则；(3)基于逻辑的架构，通过逻辑推理完成系统重构。

目前研究主要集中在基于体系架构描述的系统动态重构设计方法，主要针对相对固定体系架构的系统。然而，网络化武器控制系统具有松散耦合、动态、开放性特点，使得该方法不适用于网络化武器控制系统的动态重构设计；此外，网络化武器控制系统只有某个节点或构件发生故障时，只需隔离和调度某些构件进行系统重构，如果重构整个系统架构，会造成较大的系统负担或严重影响系统重构性能。基于上述分析，目前缺乏一种行之有效的网络化武器控制系统动态重构设计方法。

本发明主要针对网络化武器控制系统的构件故障，提出一种基于构件冗余的网络化武器控制系统动态重构设计方法。首先进行构件冗余方案设计，为系统动态重构提供设计基础；其次确定系统重构节点，以解决系统重构带来的负载失衡问题；最后，在上述基础上，进行系统动态重构过程设计，便于网络化武器控制系统动态重构设计的实施。本发明主要采用构件调度方式完成系统重构，适用于开放、动态的网络化武器控制系统，充分考虑对系统性能的影响，给出了具体的系统动态重构过程设计，保证了系统动态重构设计的合理性，达到设计的经济性和有效性。

技术实现要素：

网络化武器控制系统具有松散耦合、动态、开放性的体系架构，基于固定体系架构的系统重构方法不适用，此外当网络化武器控制系统只有某个节点或构件发生故障时，只需隔离和调度某些构件进行系统重构，如果重构整个系统架构，会造成较大的系统负担或严重影响系统重构性能。

为解决上述问题，本发明提供一种网络化武器控制系统动态重构设计方法。设计步骤如下：

步骤一、系统各节点对本节点上所有构件运行状态周期性进行监测，若某个构件发生严重故障不能继续运行，确认该节点为构件故障节点，同时向系统重构决策节点发送构件故障重构请求指令，该指令携带故障构件信息；

步骤二、所述系统重构决策节点接收到所述构件故障重构请求指令后，首先利用收集的除构件故障节点外的其它节点负载信息，构造负载决策矩阵，利用熵值法确定系统重构节点；然后向所述构件故障节点发送构件去活指令，向所述系统重构节点发送构件激活指令，并携带故障构件信息；

步骤三、所述构件故障节点接收到所述构件去活指令后，利用构件接口进行构件调度，触发故障构件去活过程，包括故障构件全局去活、去活和卸载；

步骤四、系统重构节点接收到构件激活指令后，根据构件冗余方案，首先判断故障构件在系统重构节点上冗余构件为热备构件还是冷备构件，若是热备构件，直接全局激活；若冷备构件，则进行装载、激活、全局激活过程，完成故障构件的重构；

若出现多个构件故障，则执行步骤一至步骤四，完成故障构件重构；

如果系统重构决策节点出现故障构件，则指定系统另一个节点作为系统重构决策节点。

所述步骤二中利用熵值法确定系统重构节点的具体过程如下：

步骤201：收集节点负载信息，包括系统中所有节点cpu使用率、内存使用率和网络流量；

步骤202：构造决策矩阵；根据所有节点负载值，构造决策矩阵，矩阵每行表示系统中节点，每列表示负载值，形成负载决策矩阵；

步骤203：负载值归一化处理；

步骤204：采用熵值法计算各节点负载综合评分，将综合评分最小的节点确定为系统重构节点。

所述热备构件的确定流程主要包括以下步骤：

步骤301：根据系统任务需求，分析系统任务包含的构件，以及任务执行时构件状态、连接关系、交互报文，建立任务模型；然后以构件状态覆盖为准则，进行路径分支判断，形成任务执行路径集合，采用基于图的深度优先搜索策略生成任务执行路径；

步骤302：根据系统任务执行路径，统计所有任务路径中构件出现的频率作为构件动态重要性评价指标；

步骤303：设定构件重要性评价指标阈值，若构件动态重要性指标小于所述构件重要性评价指标阈值，则为非重要构件，其他为重要构件；

步骤304：所述重要构件采用热备的冗余方式，即为热备构件，非重要构件采用冷备的冗余方式，则为冷备构件。

所述热备构件的数量通过如下方法确定：

系统中重要构件数量为m，记为c1，c2，…，ci，…,cm，

首先，将构件重要性评价指标从小到大排序，如d＝{dc1，dc2，…，dci，…,dcm}；

设δ＝(dcm-dc1)/(n-1)，将d划分为n-1个区间：{[dc1，dc1+δ]，[dc1+δ，dc1+2δ]，…,[dc1+(i-1)δ，dc1+iδ]，…,[dc1+(n-2)δ，dc1+(n-1)δ]}；

将dci与区间[dc1+(i-1)δ，dc1+iδ]进行对应，若dci位于该区间之内，则该构件的热备构件为i个。

所述热备构件在各个节点上的分布确定步骤如下：

步骤501：将系统构件按重要性评价指标从小到大排序；

步骤502：收集某节点外其它n-1个节点负载，计算负载综合评分s，并按负载综合评分从小到大排序，记为s＝{s1，s2，…，si，…,sn-1}；

步骤503：若所述某节点热备数量为k，则该节点热备构件分布在s1，s2，…，sk所在的节点上。

本发明所提供的网络化武器控制系统动态重构设计方法，将构件冗余方案设计、系统重构节点确定、系统动态重构过程设计结合起来，构件冗余方案设计避免了系统正常工作开销的增加，系统重构节点确定保证了系统动态重构后负载均衡；系统动态重构过程设计确保了工程设计的可操作性。

附图说明

图1网络化武器控制系统动态重构设计总体框图

图2网络化武器控制系统动态重构过程设计流程

具体实施方式

本发明的核心是网络化武器控制系统动态重构设计方法，首先利用网络化武器控制系统任务路径确定重要构件，根据重要构件进行系统构件冗余方案设计；然后通过收集系统节点负载，构造决策矩阵，利用熵值法确定系统动态重构节点；最后依据构件冗余方案和确定的系统动态重构节点，进行故障构件去活设计、冗余构件的激活设计，完成系统动态重构过程设计。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

第一步，设计系统构件冗余方案。

网络化武器控制系统节点包括：武器控制台、信息处理台、卫星定位设备、发射控制台、定位定向设备、发控单元等，目前的设计是每个节点上部署所有构件，并均采用热备方式，造成较大的系统开销。本发明为网络化武器控制系统设计了基于冷热备混合的构件冗余方案，即重要构件采用热备方式，其它构件采用冷备方式，并根据构件重要性进行设计。

步骤101：系统任务路径生成。

根据系统任务需求，分析系统任务包含的构件，以及任务执行时构件状态、连接关系、交互报文，建立任务模型；然后以构件状态覆盖为准则，进行路径分支判断，形成任务执行路径集合，采用基于图的深度优先搜索策略生成任务执行路径。

步骤102：构件重要性评价。

根据系统任务执行路径，统计所有任务路径中构件出现的频率作为构件动态重要性评价指标。假设构件i的动态重要性评价指标为dci，则系统中构件动态重要性评价向量为：

d＝{dc1，dc2，…，dci，…,dcn}

其中，ci代表第i个构件，n代表n个构件。

步骤103：重要构件确定。

设定一个构件的重要度评价指标阈值，如构件重要性评价阈值为dthresh，当向量中的构件重要性指标大于等于评价阈值时，该构件即为重要构件，向量中的其它构件为非重要构件。

步骤104：系统构件冗余设计。

系统中的重要构件采用热备的冗余方式，非重要构件采用冷备的冗余方式，具体方法如下：

①系统中热备构件数量确定。

系统中热备构件的数量根据构件的重要性评价指标来确定，即构件越重要其热备数量越多，非重要构件热备构件数量为0个，重要构件的热备构件数量按重要性确定。假设系统确定的重要构件数量为m，记为c1，c2，…，ci，…,cm，每个重要构件的热备构件数量的确定方法如下：

首先，将构件重要性评价指标从小到大排序，如d＝{dc1，dc2，…，dci，…,dcm}；

然后，设δ＝(dcm-dc1)/(n-1)，将d划分为n-1个区间：{[dc1，dc1+δ]，[dc1+δ，dc1+2δ]，…,[dc1+(i-1)δ，dc1+iδ]，…,[dc1+(n-2)δ，dc1+(n-1)δ]}；

最后，将dci与区间[dc1+(i-1)δ，dc1+iδ]进行对应，如果dci位于该区间之内，则该构件的热备构件为i个。

②热备构件在系统各节点上的分布。

热备构件在系统各节点上的分布是根据各节点负载情况进行确定，即热备构件尽可能运行在负载较小的节点上。具体方法如下：

首先，将系统重要构件按重要性评价指标从小到大排序，如d＝{dc1，dc2，…，dci，…,dcn}；

然后，收集ci所在节点外其它n-1个节点负载，计算负载综合评分s(计算方法见步骤204)，并按负载综合评分从小到大排序，记为s＝{s1，s2，…，si，…,sn-1}

最后，假设构件ci的热备构件数量k，则ci的热备构件在负载综合评分为s1，s2，…，sk的节点上热备；

第二步，确定系统重构节点。

采用负载均衡方法，收集各系统节点的负载信息，构造决策矩阵，采用熵值法选择负载综合评分最低的节点作为系统重构节点，具体方法如下：

步骤201：节点负载信息收集。

周期性收集节点的负载值，包括系统中所有节点cpu使用率、内存使用率和网络流量。

步骤202：构造决策矩阵。

根据所有节点负载值，构造决策矩阵。矩阵每行表示系统中节点，每列表示负载属性，如节点的cpu使用率、内存使用率和网络流量等。形成的决策矩阵{aij}(i＝1、2，…,n；j＝1、2，…,m)，其中，i表示矩阵行的第i个节点，j表示矩阵列的第j个负载，aij即为第i个节点的第j个负载值,n为系统中的节点总数，m为负载数。

步骤203：负载值归一化处理

由于负载值的计量单位不统一，如cpu使用率、内存使用率为无单位的百分比值，而网络流量为bps，因此需进行归一化处理。使用的归一化公式为

得到负载值归一化处理后的决策矩阵{bij}，其中，mj是j列的最大值，mj是j列的最小值。

步骤204：计算节点负载综合评分

采用熵值法计算各节点负载综合评分，具体如下：

①计算第j项负载在第i个节点上所占的比重p，

②计算j项负载的熵值e，

其中，k＝1/ln(n)>0。

③计算熵冗余度d，

dj＝1-ej

④计算各负载的权值w，

⑤计算各节点负载综合评分s

步骤205：确定系统重构节点

根据系统各节点的负载综合评分，将综合评分最小的节点确定为系统重构节点。

第三步，根据系统构件冗余设计方案、系统重构节点，进行系统动态重构过程设计。

本发明主要针对系统节点构件故障进行系统动态重构过程设计，当构件发生故障不能继续运行时，就会触发动态重构过程，动态重构过程相关节点发送指令，接收指令的节点执行相应的重构过程。为了描述方便，系统动态重构过程相关节点定义如下：

重构决策节点：用于确定功能重构节点的节点。

系统重构节点：节点构件发生严重故障或系统发生严重负载失衡故障后，用于恢复故障构件功能，进行系统重构的节点

构件故障节点：某个构件发生严重故障的节点。

如附图2所示，系统动态重构过程设计流程如下：

步骤301:系统各节点对本节点上所有构件运行状态周期性进行监测，当某个构件发生严重故障不能继续运行时，确认该节点为构件故障节点，同时向系统重构决策节点发送“构件故障重构请求”指令，该指令携带故障构件信息；

步骤302:系统重构决策节点接收到“构件故障重构请求”指令后，首先利用收集的除构件故障节点外的其它节点负载信息，构造负载决策矩阵，利用熵值法确定系统重构节点；然后向构件故障节点发送“构件去活指令”，向系统重构节点发送“构件激活指令”，并携带故障构件信息。

步骤303:构件故障节点接收到“构件去活指令”后，利用构件接口进行构件调度，触发故障构件去活过程，包括故障构件全局去活、去活和卸载。

步骤304:系统重构节点接收到“构件激活指令”后，根据构件冗余方案，首先判断故障构件在系统重构节点上冗余构件为热备构件还是冷备构件，如果是热备构件，直接全局激活；如果是冷备构件，则进行装载、激活、全局激活过程；通过上述过程完成故障构件的重构。

步骤305:如果出现多个构件故障，则执行步骤301-步骤304，完成故障构件重构；如果系统重构决策节点出现故障构件，则指定系统另一个节点作为系统重构决策节点。