基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法与流程

本发明属于航天测量与控制领域，涉及一种基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法。
背景技术：
：航天测控中心应用路由系统是测控中心内外测控数据交换的枢纽。面对分布在全国十多个测控站点以及一些国外测控站，适应多变的测控数据实时路由与处理需求，这些需求主要有以下三类：一是常规测控数据路由需求，即按照现有测控数据传输协议(包含数据格式和传输要求)规定进行测控数据路由；二是任务特殊需求，此类需要往往不符合测控数据传输协议规定，是特定航天测控任务下的特殊需求；三是扩展业务需求，如火箭原始遥测、星遥预处理等，此类需求往往需要对现有路由系统进行扩充。航天测控中心的日常运行有其自身的特点：一是业务运行不中断，即7*24小时都有卫星测控任务，因此测控中心负责实时处理的软件系统必须稳健可靠，几年或者十几年无需停机维护；二是新的卫星测控任务可能会带来频繁的需求更动，需求更动导致的软件升级必须平稳顺畅，尽量不出现升级导致的故障，针对可能出现的故障点则应从设计上尽量保证故障是局部故障，而非全局停摆。根据传统的模式，航天测控中心应用路由系统由专门软件系统实现，该系统根据任务需求实现测控数据流转及处理，软件开发人员根据任务需求修改软件，并加强测试保证其稳定性，整体流程由同一进程实时在主备机同时运行，其硬件环境如图1所示，软件结构如图2所示。该模式在以往航天器发射密度较低、新增需求不多的情况下没有问题，但是随着近年来我国航天测控任务频度的增大，在轨卫星数量迅速增长，一些创新性任务如载人航天、探月等对测控数据流转、数据预处理等要求导致系统扩展、更新部署较多，对系统稳定性造成一定影响，甚至出现一些可能威胁航天器安全的问题，该问题是我国航天测控领域近年来面临的紧迫问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法，解决传统模式下的测控应用路由系统在需求和任务多的情况下，系统稳定性差和威胁航天器安全的问题。本发明所采用的技术方案是，基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法，具体操作步骤如下：步骤1.根据现有测控任务数据定义初始知识库，建立路由系统的基本运行规则：根据现有测控协议的规定，对知识库进行知识添加，依据不同类型的软件进程和测控任务实例对其应掌握的知识库进行一一对应设置；步骤2.分析新增测控任务需求，根据新增测控任务对现有知识库进行继承或更新，必要时新增处理软件以适应测控任务需求，从而得到测控应用路由系统：对于一般新增测控任务，测控任务状态完全符合测控数据传输协议规定，在系统中增加相应的任务路由软件；对于新增测控任务需要特殊处理时，则对现有知识库进行扩充或者修订，在扩充和修订的过程中应首先进行知识库验证，避免出现逻辑矛盾，导致实际处理与预期不一致的现象；步骤3.新增测控任务上线后，进行任务联试，验证测控路由系统是否既保证满足新增任务需求，又不对已经有的任务造成影响，验证确保成功后执行航天测控任务。本发明的其他特点还在于，知识库的推理算法具体过程如下：首先，定义推理知识单元k和知识运算符t；其中，k包括四个要素：优先级p、条件c、排他标识f和消息名字集r；知识运算符t：t(k1,k2,…,kn)(d)＝rr(ff,rf)，其中k1,k2,…,kn为知识单元组成的集合，d为待处理数据，rr为推理知识结果，由两部分组成，一是流程排他结果fr，二是消息名字集rs；然后，第一步读取所有知识单元集合中所有k的优先级p，进行排序，以0为最优先，形成若干知识单元子集；第二步对当前待处理数据d，即，需要进行路由计算的数据按照最高优先级知识单元子集顺次进行条件匹配，如果匹配成立，则舍弃后续知识单元子集，否则继续匹配，如果所有的匹配都不成立，则rr结果中fr为false，rs为空集；对于一个知识单元子集，如果第一条知识单元k匹配成功，则将其r并入rs，将fr置为f，如果再有一条知识单元k匹配成功则将其r继续并入rs，fr的值为上次匹配fr与当前规则f逻辑求与，遍历所有当前知识单元子集，最终rs、fr将组成推理结果rr；步骤1中依据不同类型的软件进程和测控任务实例对其应掌握的知识库进行一一对应设置的具体过程如下：(1)对于测站代理软件一般情况下无需掌握任何知识，其知识库设置为空，按照系统设计将测控任务数据直接转发至对应任务路由软件；(2)任务路由软件掌握的知识库需要对现有测控数据传输协议进行充分理解，即，外来数据无条件路由给数据库系统存储，测控中心外发数据根据存储标示看是否路由给数据库，路由知识需要完备描述至任务路由软件知识库；(3)特殊处理软件一般无需知识库，但若复用路由系统现有进程，构建测控任务数据消息流转时需要增加。步骤2中对于新增测控任务需要特殊处理时，对现有知识库进行扩充或者修订的具体过程如下：如果新增测控任务需求仅涉及路由新规则，一般更新知识库增加新的路由规则；如果新增测控任务需求涉及新的处理，则需要将现有的测控数据使用知识库知识引出现有的处理流程，新增一个或一组软件进程处理后，依据充分利用现有进程协作关系的原则，完整实现新增任务需求。步骤3中任务联试的具体内容如下：(1)对新增测控任务进行功能检查，包括符合测控数据传输协议的数据是否路由正确以及不符合测控数据传输协议的数据是否被正确特殊处理；(2)如果涉及到测站代理软件和特殊处理软件的，是否会影响其它测控任务，需要做专项的兼容性检查或测试，路由系统中设计有专门的诊断机制，可以对进程间消息、网络信息进行实时监视，通过诊断机制发出的诊断信息可以确定整个路由系统的工作是否按照预期进行。本发明的有益效果是，基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法，解决传统模式下的测控应用路由系统在需求和任务多的情况下，系统稳定性差和威胁航天器安全的问题。相比于传统的测控应用路由系统具有以下优势：1)本发明的方法设计的基于知识库的航天测控中心应用路由系统，支持多测站、多任务、复杂需求下的测控数据路由与处理，降低了测控中心其他软件子系统的设计复杂度；2)本发明的方法设计了一套知识库描述语言和操作指引，可以适应共存需求，比如，数据既要路由给数据库子系统也要路由给设备监视系统的要求，也可以适应排他性需求；3)本发明的方法设计的基于知识库的航天测控中心应用路由系统，设计了路由系统进程诊断接口，在路由系统进行测控任务联试时，诊断接口及其分析工具可以有效诊断当前路由系统是否按照预期运行，未按预期运行时可以尽快找出问题的发生点。4)本发明的方法设计的基于知识库的航天测控中心应用路由系统能够满足现有测控任务数据路由与处理要求，而且具备可扩充性，通过增加路由知识和特殊处理软件，可以适应后续测控任务需求。附图说明图1是传统航天测控中心应用路由系统硬件环境示意图；图2是传统航天测控中心应用路由软件结构示意图；图3是本发明的基于知识库的航天测控中心路由系统的硬件环境示意图；图4是本发明的基于知识库的航天测控中心路由系统的软件结构示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明的核心要义是在测控中心建立一套独立运行的航天测控中心应用级路由系统，并设计了一套基于知识库的推理算法模型，系统在推理算法模型的指导下开展测控数据路由与处理。该系统可以运行在几组主备服务器上，每个服务器上由若干协同运行的软件进程组成，支持各航天器任务的测控数据路由、处理需求，整个系统硬件环境如图3所示，软件结构如图4所示。协同运行的软件进程大体分为三类：一是测站代理软件，面对测站、测量船、发射中心或国际联网，负责测控数据协议转换，当新增测站方向时需要根据网络通信协议、参数新配置软件进程；二是任务路由软件，负责特定航天测控任务的数据路由，当新增测控任务时需要根据测控数据路由需求新配置软件进程；三是特殊处理软件，负责数据处理、格式转换、时间发布等杂项功能，此类软件只有在应用路由系统功能扩充时需要增加。三类软件均调用知识推理算法库，根据路由计算结果构建测控数据进程间消息流转，协同完成航天测控任务。这样的设计降低了测控路由系统软件开发维护的工作量，缩减了任务准备时间，提高了系统的可靠性。本发明的基于知识库的航天测控中心路由系统的设计方法，具体操作步骤如下：步骤1.根据现有测控任务数据定义初始知识库，建立路由系统的基本运行规则：根据现有测控协议的规定，对知识库进行知识添加，依据不同类型的软件进程和测控任务实例对其应掌握的知识库进行一一对应设置；步骤1中依据不同类型的软件进程和测控任务实例对其应掌握的知识库进行一一对应设置的具体过程如下：(1)对于测站代理软件一般情况下无需掌握任何知识，其知识库设置为空，按照系统设计将测控任务数据直接转发至对应任务路由软件；(2)任务路由软件掌握的知识库需要对现有测控数据传输协议进行充分理解，即，外来数据无条件路由给数据库系统存储，测控中心外发数据根据存储标示看是否路由给数据库，路由知识需要完备描述至任务路由软件知识库；(3)特殊处理软件一般无需知识库，但若复用路由系统现有进程，构建测控数据消息流转时需要增加。步骤2.分析新增测控任务需求，根据新增测控任务对现有知识库进行继承或更新，必要时新增处理软件以适应测控任务需求，从而得到测控应用路由系统：对于一般新增测控任务，测控任务状态完全符合测控数据传输协议规定，在系统中增加相应的任务路由软件；对于新增测控任务需要特殊处理时，则对现有知识库进行扩充或者修订，在扩充和修订的过程中应首先进行知识库验证，避免出现逻辑矛盾，导致实际处理与预期不一致的现象；步骤2中对于新增测控任务需要特殊处理时，对现有知识库进行扩充或者修订的具体过程如下：如果新增测控任务需求仅涉及路由新规则，一般更新知识库增加新的路由规则；如果新增测控任务需求涉及新的处理，则需要将现有的测控数据使用知识库知识引出现有的处理流程，新增一个或一组软件进程处理后，依据充分利用现有进程协作关系的原则，完整实现新增任务需求。步骤3.新增测控任务上线后，进行任务联试，验证测控路由系统是否既保证满足新增任务需求，又不对已经有的任务造成影响，验证确保成功后执行航天测控任务。步骤3中任务联试的具体内容如下：(1)对新增测控任务进行功能检查，包括符合测控数据传输协议的数据是否路由正确以及不符合测控数据传输协议的数据是否被正确特殊处理；(2)如果涉及到测站代理软件和特殊处理软件的，是否会影响其它测控任务，需要做专项的兼容性检查或测试，路由系统中设计有专门的诊断机制，可以对进程间消息、网络信息进行实时监视，通过诊断机制发出的诊断信息可以确定整个路由系统的工作是否按照预期进行。路由系统的每个进程都可以具备不同的知识库，知识库是由基本的推理知识单元组成，知识库的推理算法具体过程如下：首先，定义推理知识单元k和知识运算符t；其中，k由四个要素组成，即优先级p(p为大于等于0的整数，数字越小优先级越高)，条件c(根据测控数据传输协议定义了一组标签，如图1所示，用于确定当前待处理测控数据是否符合当前推理知识单元)，排他标识f(本条知识单元是否颠覆当前进程既有处理逻辑)，消息名字集r(消息名字符串集，该集可以为空集，系统进程间通信采用订阅发布式，特定的消息名被特定的进程所订阅，消息名决定数据在进程间的路由)；知识运算符t：t(k1,k2,…,kn)(d)＝rr(fr,rs)，其中k1,k2,…,kn为知识单元组成的集合，d为待处理数据，rr为推理知识结果，由两部分组成，一是流程排他结果fr(布尔变量)，二是消息名字集rs(字符串集合)。然后，第一步读取所有知识单元集合中所有k的优先级p，进行排序，以0为最优先，形成若干知识单元子集；第二步对当前待处理数据d，即，需要进行路由计算的数据按照最高优先级知识单元子集顺次进行条件匹配，如果匹配成立，则舍弃后续知识单元子集，否则继续匹配，如果所有的匹配都不成立，则rr结果中fr为false，rs为空集；对于一个知识单元子集，如果第一条知识单元k匹配成功，则将其r并入rs，将fr置为f，如果再有一条k匹配成功则将其r继续并入rs，fr的值为上次匹配fr与当前规则f逻辑求与，遍历所有当前知识单元子集，最终rs、fr将组成推理结果rr。表1条件标签列表标签名类型意义src16进制整数数据来源地址等于描述值符合条件exsrc16进制整数数据来源地址不等于描述值就符合条件dst16进制整数数据目的地址等于描述值符合条件exdst16进制整数数据目的地址不等于描述值就符合条件mid16进制整数数据任务id等于描述值符合条件exmid16进制整数数据任务id不等于描述值就符合条件bid16进制整数数据类型标识等于描述值符合条件exbid16进制整数数据类型标识不等于描述值就符合条件enc加解密标识加解密标志等于描述值符合条件save存储标识存储标志等于描述值符合条件sim仿真标识仿真标志等于描述值符合条件本发明的方法具有以下优势：通过设计了一套知识库描述语言和操作指引。知识库描述语言使用了xml格式，其要素由优先级、条件、排他标识、结果消息名字集组成，可以适应共存需求，如数据既要路由给数据库子系统也要路由给设备监视系统的要求，也可以适应排他性需求，如数据符合某种特征仅路由给加解密系统，其他路由规则均不生效，这样的设计提高了路由知识的灵活性，可以满足测控任务数据路由的各种需求。本发明设计的基于知识库的航天测控中心路由系统，如图3所示，系统硬件上包括中心服务器端和客户端两个部分。该系统位于中心主干通信网上，以便能够处理测站与中心、中心内部的数据交换、处理任务，服务器双机运行、互为备份，对其操作可通过客户端pc机进行。如图4所示，系统的软件以c/s(client-server)的模式运行，同样包括中心服务器端和客户端两部分。中心服务器端软件为server，面向中心内外所有设备以及子系统，服务器端采用多进程协调工作模式，进程间采用订阅发布式消息通信，每个进程都调用知识库实现动态库，以下将描述知识库算法模型。本发明设计的基于知识库的航天测控中心应用路由系统具有以下优势：支持多测站、多任务、复杂需求下的测控数据路由与处理。测站代理软件屏蔽了各测站、发射场、测量船、国际联网站测控数据传输协议的差异，为测控中心统一处理奠定了基础，降低了测控中心其他软件子系统的设计复杂度；任务路由软件的知识库设计避免了因任务需求反复修改软件，将技术人员对任务测控数据的流转规划转化为计算软件识别的规则，降低了测控路由系统软件开发维护的工作量，减少了任务准备时间，提高了系统的可靠性；特殊处理软件，可以进行更复杂的处理，如对大码流火箭数据进行实时接收并计算弹道避免了后端处理导致的大码流数据对中心网络的冲击，此类进程接口公开，可以由不同专业的软件人员进行开发，经分析需要路由系统进行第一时间处理的测控数据均由此类软件完成；设计的路由系统包含有路由系统进程诊断接口，在路由系统进行测控任务联试时，诊断接口及其分析工具可以有效诊断当前路由系统是否按照预期运行，未按预期运行时可以尽快找出问题的发生点。具体实施例如下：以下以一个简化的、典型的测控任务为例，给出各步骤的实施要点：步骤1初始知识库的建立通常情况下，测控数据的路由处理由常规路由系统(简称为：dods)处理，完成测控数据传输协议基本要求，关于路由的协议如下表2所示：表2常规路由列表测控数据传输协议字段中加解密字段为需加密或需解密标志时，数据无条件转发至加解密系统，不做其他路由或处理，此要求为高优先级要求；如果数据有存储标识时，应将数据路由至数据库系统存档；如果数据为外测数据(假设外测数据类型标识号为0x01234567)，则转发给轨道系统实时接收处理，为轨道确定做准备。上述需求为常规需求，是一个典型测控任务的简化，则需要给相应任务路由软件配置如下知识库：显而易见，上述知识库由3个推理知识单元组成，在路由系统初次上线时即进行描述，是大多数航天测控任务都需要遵守的知识库，在新增测控任务时，增加此任务的软件进程，并将此描述配置给新增的任务路由软件进程；步骤2.任务知识库的扩充与特殊处理扩充某特定任务可能会要求，将不符合测控数据传输协议的数据进行特殊处理，例如，假设weinan1站方向有一种特殊数据类型为0x11112222，不符合测控数据传输协议规定，但需要测控中心实时数据处理子系统进行处理来监视任务状态，则需要给weinan1方向测站代理进程专门增加相关推理知识单元的描述。文件名：dods_sr_weinan1.xml\\知识库是针对weinan1方向的描述<knowledge><bid>0x11112222</bid>\\数据类型；<priority>2</priority><default>false</default>\\推理结果排他，不再发任务路由软件处理<msg>rdtsrelay</mgs>\\产生实时数据子系统路由消息</knowledge>上述推理知识单元生效后，收到0x11112222数据后将产生一个rdtsrelay消息，包含0x11112222数据本身，从而路由给中心实时数据处理子系统。假设此任务，还有一种火箭遥测原始数据0x66666666为大码流数据不适合直接路由进测控中心处理，避免对中心网络的冲击，也不适合在常规路由系统(简称为：dods)同一服务器上处理，避免处理开销影响常规测控数据路由，则需要在另一组主备服务器(简称为：rsrt)上建立路由系统，并通过适当的知识库描述与新增火箭遥测原始数据处理软件，完成此项测控需求。完成此项工作主要分两个步骤，在dods上测站代理规则中拒收此类数据，仍然以weinan1为例，在文件rsrt_sr_weinan1.xml中增加如下知识单元：<knowledge><bid>0x66666666</bid>\\数据类型；<priority>2</priority><default>false</default>\\推理结果排他，不再发任务路由软件处理</knowledge>这样的知识描述将此类型数据收到后直接丢弃，确保不影响常规路由系统。在rsrt系统中，对weinan1方向的知识库设置如下：文件名：rsrt_sr_weinan1.xml<knowledge><exbid>0x66666666</exbid>\\数据类型条件为非0x66666666；<priority>2</priority><default>false</default>\\推理结果排他，不再发任务路由软件处理</knowledge>这样的知识描述将确保rsrt仅处理0x66666666数据，在任务路由处理软件中类似于加解密处理，将此类测控数据引出为其他消息，经特殊处理进程处理后，再路由给中心实时处理子系统。文件名：rsrt_mr_0x1234.xml\\知识库文件是针对任务0x1234的描述<knowledge><bid>0x66666666</bid><priority>1</priority><default>false</default><msg>rocketrelay</mgs></knowledge>当系统收到火箭遥测原始数据会产生消息rocketrelay，路由给火箭遥测原始数据处理专门进程负责，完成处理后再产生路由给中心实时数据处理子系统，从而实现了测控任务需求，在此过程中，增加了特殊了处理，也充分利用了现有的进程协同特性。表3两种路由系统设计模式的对比情况表步骤3.中心联试检查验证在中心联试检查验证环节中，针对dods、rsrt的工作状态进行检查，主要是针对各类符合推理知识单元条件的数据有无按照既定设计产生相关的消息，产生的消息名称集应不多不少，不多是指排他标识作用范围内默认产生的消息应被禁止，不少是指应该产生的路由消息均应符合知识库描述产生。此类检查可以使用路由系统进程诊断特性逐一检查，快速完成。本发明在西安卫星测控中心得到应用，测控中心依据方案开发了前端系统，在任务网上部署了专用前端通信服务器、前端火箭原始遥测处理服务器、前端星遥预处理服务器，并在中心监控机房部署了客户端。以现有中心状态为例，航天测控中心应用路由系统负责常规测控数据路由、火箭原始遥测数据处理、星遥预处理、不符合测控数据传输协议的数据按照特殊要求路由分发。上述需求构成了包括载人航天、探月工程、北斗在内及所有西安卫星测控中心执行的航天测控任务，这些任务在前端系统的有力支持下，均顺利完成。对比传统的航天测控中心应用路由系统，有如下的改进，如表3所示：从表3中可得出：本发明的航天任务测控数据路系统设计方面存在的系统可扩展性、稳定性方面的问题，优化航天任务中测控数据流转与处理，为航天任务的早期测控与长管工作的顺利进行奠定了重要基础。当前第1页12