CN109522002A - 一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，该架构面向不同无人机系统指挥控制平台，满足装备体系化发展需求，明确定义框架内系统、子系统和服务组件的数据模型，针对不同应用进行功能域和平台域划分，并基于平台无关模型建立无人机指挥控制标准化服务，实现应用与平台的分离。同时结合平台域相关服务、中间件选择与软件架构，采用模型驱动过程完成平台无关模型向平台相关模型的转换，支撑后续应用APP代码自动生成等开发需求，将地面指控系统的开发设计和运行平台分离，实现“核心应用软件”与“底层硬件”的解耦，支撑通用化应用软件的快速移植、管理和部署。

Description

一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构

技术领域

本发明属于无人机指挥控制体系架构应用领域，具体涉及一种基于模型驱动的无人机 地面站开放式架构，解决无人机地面站针对不同机型特点的灵活适配问题。

背景技术

传统无人机系统大都独立发展、自成体系，不同种类的无人机配备不同的地面站，大大 制约了各系统效能的有效发挥，增加了无人机系统应用的复杂性。目前，随着通用化地面控 制站的发展，基本解决了无人机指挥控制互联互通互操作问题。但是目前，地面站随各型号 独立采购集成模式只能确保系统内部紧密耦合协同工作，当地面站需要增加新功能、植入新 技术时，需要增加大量的额外开销，不同型号的个性化需求导致出现重复研发、供应商竞争 不充分的现象，成本管控难度大大增加，还没有一套完整的面向智能无人机的开放式体系架 构来定义标准化的应用与服务。

在信息化战争逐步由“平台中心战”向“网络中心战”转变的今天，无人机系统不再是 传统意义上受限于“烟囱式”发展、被割裂开、互联互通困难的“无人飞行器平台”和“地面指挥控制站”，而是以“任务”为中心、面向“协同”和“网络中心站”的多种作战想定， 构成体系化作战大系统中的综合子系统。

针对未来战场空间全维一体、信息系统无缝对接、指挥控制灵敏高效及作战行动整体联 动的任务特点，对无人机指挥控制系统的核心能力需求提出了更高层次的要求，在通用化的 互操作能力、自动化的操控能力、网络化的协同能力的基础上增加了按需配置、灵活可组、 智能高效的新需求。

发明内容

发明目的

随着军用无人机应用的广泛程度进一步提升，对于国内通用化地面站的核心需求提出来 更高层次的要求。针对无人机地面站应用与服务个性化开发导致重构性差的问题，本发明提 供了一种为地面控制站提供按需配置、灵活可组、智能高效的开放式架构，可以依据项目需 求进行功能裁剪与集成，实现跨服务和联合项目的重用和定制，进一步提升地面控制站的通 用化能力，提高系统可重构能力，降低开发成本，增加资源复用率，提升经济效益。

发明技术解决方案

为了实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，即GCSOA，包括应用架构建模，基于 GCSOA架构应用层功能域划分，开展用例建模，实现对各功能域、子域和服务的模型化解释，并建立系统概念数据模型CDM，实现概念数据模型向逻辑数据模型LDM的转换；平台 架构建模，基于GCSOA架构平台层功能域划分定义，构建平台层功能域模型，为应用层提 供数据存储、数据访问、消息传递服务，支持不同软硬件实体的适配，同时提供信息访问管 理和策略管理；模型驱动转化过程为实现多无人机系统之间的互操作性，选用模型驱动过程MDA，模型驱动过程MDA把地面站包含在应用架构中的业务逻辑和数据进行分离，在模型 驱动过程MDA过程中，把应用软件定义为一系列平台无关模型PIM，结合平台选择和软件 运行架构选择，将平台无关模型PIM转化成平台相关模型PSM，平台相关模型PSM通过代 码生成器和自动化过程转化为源码，用于集成、测试、部署。

优选的，应用架构建模时将地面站系统用例进一步划分为更低级别的用例，具体划分为 0级-系统视角，1级-域视角，2级-子域视角，3级-服务视角。

优选的，应用架构建模时将功能域划分为监控域、规划域、态势域、C4I域、情报域、管理域，每个域又包含子域。

优选的，平台架构建模时将平台域划分为7个子域：平台协同、通信服务、数据管理、 网络服务、安全、信息保障、SOA运行基础设施、系统管理。

优选的，其实施途径包括如下步骤：

步骤1：通过作战概念研究，围绕典型作战场景，分析面向任务应用的无人机作战体系 能力需求，提供合理、有效的体系作战任务描述，建立用户需求模型；

步骤2：在作战使用研究与需求分析的基础上，建立平台无关模型PIM，形成无人机地 面指挥控制标准化服务，实现应用与平台的分离；

步骤3：结合运算平台和基础设施服务，构建支持平台无关模型PIM应用程序体系结构 的平台架构模型，确保服务的语义互操作性；

步骤3：基于模型驱动转化过程，得到平台相关模型，再通过代码生成器自动转化为源 码，实现建模语言到编程语言的转换；

步骤4：搭建系统研发验证环境，研制具备系统集成验证、功能演示能力的系统样机及 配套设备。

优选的，实施途径步骤1采用DoDAF方法的无人作战体系能力需求分析技术实现，具 体过程包括：a)作战使命，由军方制定下发，是任务架构分析设计的顶层需求；b)场景分析，研究作战使命下的作战场景；c)时空场景建模，根据作战任务想定构建场景模型，生 成STK场景模型。通过模型运行对任务想定进行验证、迭代；d)作战视图分析，根据作战 任务想定构建DoDAF作战视图模型；e)系统视图分析，用于系统能力分析；f)能力需求 合并，根据系统功能能力描述视图，将系统能力项进行合并，并依此梳理出各作战节点的能 力目录，通过能力目录分析，对系统视图进行验证、迭代。

优选的，实施过程中在作战使用研究与需求分析的基础上，引入基于模型系统工程 MBSE方法论，工作流程包括：a)通过需求分析过程，确定系统典型用例，将无人机控制站的能力目录分解到系统用例，建立L0～L3级用例，根据代表特定期望的用例、代表用户或系统的执行者、代表系统范围的边界及代表执行者与用例之间关系的关联，完成需求的分 解与追踪；b)通过用例分析，能够建立一个基于实体的数据模型，数据模型提供了一种稳 定的、可拓展的体系架构；c)通过功能分析聚类，划分功能域，确定无人机控制站执行典型系统用例的功能逻辑、交互逻辑以及与外部系统的接口和端口，通过状态图运行对系统功 能逻辑与交互逻辑设计进行验证；d)通过设计综合，明确无人机控制站包含的指控节点， 并将系统功能逻辑分解到各指控节点，确定各指控节点完成系统典型用例的功能逻辑、交互 逻辑以及对外的接口和端口，通过状态图运行验证无人机控制站分解设计的合理性。

优选的，实施过程中还基于模型驱动的地面站开发设计技术进行模型驱动架构；在MDA 框架中，主要的模型分别为平台无关模型PIM、平台相关模型和代码；平台无关模型PIM是 从应用系统的功能需求中抽象分离出与具体实现技术无关，同时又能精确描述系统功能需求 的模型；PSM是一个与技术平台有关系并且用该技术平台的专业术语对业务系统进行描述的 模型；代码是由PSM模型转换而来的；在模型转换过程中，依据当前的源模型所处的状态， 从规则库中调用适合本状态的转换规则组合，并且依次执行转换规则组合中的转换规则，将 源模型元素转换为目标模型元素，进而再由目标模型元素生成标准模型，最后来把目标模型 进行输出，以完成对模型转换的相关操作。

优选的，PIM模型到PSM模型之间的转换操作的模型转换方法包括：直接转换方法、基于关系代数的转换方法、基于元模型间映射的转换方法、基于模式的转换方法、基于QVT的模型转换方法、基于FSM的模型转换方法。

本发明的优点

本发明的优点在于：

(1)GCSOA开放式架构对无人系统、目标、任务、数据和环境等所有资源提供了全面的 概念数据模型，其信息架构与现实匹配，是复杂系统集成的基础，提高概念互操作能力。

(2)GCSOA开放式架构定义了面向服务的架构(SOA)，在该框架下，无人系统通过信息交换实现互操作能力。通过映射到概念数据模型(CDM)的方式使得这些交换的信息在 概念上互相关联，并且SOA将这些信息与现实的事件或活动进行映射，提高语用互操作能 力。

(3)GCSOA开放式架构提供了一个扩展的逻辑数据模型(LDM)，该模型规定了在信息 交换过程中系统状态如何赋值。通过状态和语义转换，LDM提供了机器可识别的系统状态 机模型，提高了语义互操作能力。

(4)GCSOA开放式架构创新性地解决了不同无人机地面站在开发过程中面临型号特点 的差异化开发，更高程度地实现了通用化地面站的高度互操作水准，该架构可以保证不同型 号无人机特有任务需求的同时，最大化的统一应用服务标准，提高软硬件开发的重复利用率， 有效降低开发成本，缩短新型号的研发周期，减少用户培训成本，具有重要的军事效益和推 广应用前景。

附图说明

图1为本发明的GCSOA平台概念示意图。

图2为地面站架构MDA转换过程示意图。

图3为GCSOA系统架构示意图。

图4为基于模型驱动过程的无人系统指挥控制体系架构实现原理图。

图5为无人机作战体系任务架构设计流程图。

图6为基于模型系统工程的设计流程图。

具体实施方式

结合发明内容概述和附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明创新性的针对无人机地面站不同项目需求，提出了一种基于模型驱动的无人机 地面站开放式架构(GCSOA)。该架构面向不同无人机系统指挥控制平台，满足装备体系化 发展需求，明确定义框架内系统、子系统和服务组件的数据模型，针对不同应用进行功能域 和平台域划分，并基于平台无关模型(PIM)建立无人机指挥控制标准化服务，实现应用与 平台的分离。同时结合平台域相关服务、中间件选择与软件架构，采用模型驱动过程(MDA) 完成平台无关模型向平台相关模型(PSM)的转换，支撑后续应用APP代码自动生成等开 发需求，将地面指控系统的开发设计和运行平台分离，实现“核心应用软件”与“底层硬件” 的解耦，支撑通用化应用软件的快速移植、管理和部署，从而实现真正意义上的全域部署、 协同互联、按需定制、灵活可组以及智能高效。

本发明抽象到系统架构视图，包含一套基于标准平台架构的应用平台实体，支撑应用 的通用系统能力、平台的映射、系统配置等；抽象到服务视图，包含一系列基于标准应用架 构的应用软件实体，以域或主题表示，与具体的无人机能力服务有关，如图1所示，其中有 以下三个主要的技术要点：

(1)应用架构建模

基于GCSOA架构应用层功能域划分，开展用例建模，实现对各功能域、子域和服务的模型化解释，并建立系统概念数据模型(CDM)，满足不同无人机地面指挥控制系统建模的逻辑转化，打通模型驱动设计过程，实现概念数据模型向逻辑数据模型(LDM)的转换。

地面站系统用例可进一步划分为更低级别的用例如表1所示。

表1地面站系统用例划分层级

通过用例分析，能够建立一个基于实体(比如无人机、任务载荷、通信链路等)的数据模型。数据模型提供了一种稳定的、可拓展的体系架构，体现如互操作性、便携性、有效性、可裁剪、预见性等的系统特性。无人机地面站数据模型表述地面站域和参与者之间独立于平台的信息共享，由逻辑数据模型和界面类集合组成，逻辑数据模型是根据无人机系统域 需求的自描述模型，界面类的集合是在域之间内外交互的信息集合。

域定义了规范的外部接口、具备完善的用例视图、能够适配不断变更的系统需求、普 适域具有高度的重用性。模型总共包含6个域：监控域、规划域、态势域、C⁴I域、情报域、管理域，每个域又包含子域，具体见表2。

表2功能域划分

(2)平台架构建模

基于GCSOA平台层功能域划分定义，构建平台层功能域模型，为应用层提供数据存储、数据访问、消息传递服务，支持不同软硬件实体的适配，同时提供信息访问管理和策略管理，确保信息交互的安全性。

应用域和相关服务是在平台上执行的，定义了一系列基础设施服务和一套系统配置管 理和管理结构。由于无人机架构种类繁多，运算平台和基础设施服务的定义对于互操作的目 标是至关重要的。基础设施服务符合一些核心原则：面向服务的、在跨混合安全域的服务时 可支持计算资源共享、架构满足安全要求从而减少评估认证成本等。基础设施服务可归纳为 7个服务子域，见表3所示。

表3平台域划分

(3)模型驱动转化过程

为实现多无人机系统之间的互操作性，选用模型驱动过程MDA。应用架构基于应用平 台和软件运行架构的底层技术，MDA把地面站包含在应用架构中的业务逻辑和数据进行分 离。在MDA过程中，把应用软件定义为一系列平台无关模型(PIM)，结合平台选择和软件运行架构选择，将PIM转化成平台相关模型(PSM)。PSM通过代码生成器和自动化过程转 化为源码，用于集成、测试、部署，如图2所示。

首先，PIM的形式化业务逻辑从一个执行环境到另一个执行环境被高度重用；其次， PIM通过自动化可重复过程实例化为程序源文本，实现高度维护和可拓展的代码；PIM正式 规范应用业务逻辑、数据、服务接口、语义行为。无人机地面站架构中，PSM是基于地面站 服务和数据PIM的通用集得到的，地面站的MDA过程确保了系统的互操作性。

本发明遵循系统工程指导思想，通过需求捕获、系统设计、关键技术突破、模型转化、 代码生成解决无人系统指挥控制系统按需定制、灵活可组的技术难题。通过研发评估环境搭 建和原理样机研制，迭代完善架构模型库，使系统设计满足既定性能指标。

通过添加/定义服务、拓展应用领域、融合行业标准，建立不断演进迭代的平台无关模 型，包括用于说明无人系统特定功能的系统用例、数据模型和域模型。通过底层设计，结合 基础设施服务和信息安全保障，完成模型驱动转化过程，形成平台相关模型，完成GCSOA 系统架构建模，如图3所示，然后通过代码生成器自动转化为源码，用于集成、测试、部署， 整个实现过程如图4所示。

系统架构研制具体实施途径如下：

步骤1、通过作战概念研究，围绕典型作战场景，分析面向任务应用的无人机作战体系 能力需求，提供合理、有效的体系作战任务描述，建立用户需求模型；

步骤2、在作战使用研究与需求分析的基础上，建立平台无关模型(PIM)，形成无人机 地面指挥控制标准化服务，实现应用与平台的分离；

步骤3、结合运算平台和基础设施服务，构建支持PIM应用程序体系结构的平台架构模 型，确保服务的语义互操作性；

步骤4、基于模型驱动转化过程，得到平台相关模型，再通过代码生成器自动转化为源 码，实现建模语言到编程语言的转换；

步骤5、搭建系统研发验证环境，研制具备系统集成验证、功能演示能力的系统样机及 配套设备。

相关关键技术解决途径如下：

1、基于DoDAF方法的无人作战体系能力需求分析技术

围绕智能无人机指挥控制系统按需定制、灵活可组需求，以无人机体系化协同作战为重 点应用背景，采用DoDAF方法分析无人机体系作战概念、作战节点、作战活动、作战事件 等关键信息，分析面向任务应用的无人机作战体系能力需求，提供合理、有效的体系作战任 务描述，具体过程如图5所示。

a)作战使命，由军方制定下发，是任务架构分析设计的顶层需求；

b)场景分析，研究作战使命下的作战场景；

c)时空场景建模，根据作战任务想定构建场景模型，生成STK场景模型。通过模型运 行对任务想定进行验证、迭代；

d)作战视图分析，根据作战任务想定构建DoDAF作战视图模型；

e)系统视图分析，用于系统能力分析；

f)能力需求合并，根据系统功能能力描述视图，将系统能力项进行合并，并依此梳理 出各作战节点的能力目录，通过能力目录分析，对系统视图进行验证、迭代。

2、基于MBSE的系统架构顶层设计技术

在作战使用研究与需求分析的基础上，引入基于模型系统工程(MBSE)方法论，工作 流程如图6所示。

a)通过需求分析过程，确定系统典型用例，将无人机控制站的能力目录分解到系统用 例，建立L0～L3级用例，根据代表特定期望的用例、代表用户或系统的执行者、代表系统 范围的边界及代表执行者与用例之间关系的关联，完成需求的分解与追踪；

b)通过用例分析，能够建立一个基于实体(比如无人机、任务载荷、通信链路等)的数据模型。数据模型提供了一种稳定的、可拓展的体系架构，体现如互操作性、便携性、有效性、可裁剪、预见性等的系统特性。

c)通过功能分析聚类，划分功能域，确定无人机控制站执行典型系统用例的功能逻辑、 交互逻辑以及与外部系统的接口和端口，通过状态图运行对系统功能逻辑与交互逻辑设计进 行验证；

d)通过设计综合，明确无人机控制站包含的指控节点，并将系统功能逻辑分解到各指 控节点，确定各指控节点完成系统典型用例的功能逻辑、交互逻辑以及对外的接口和端口， 通过状态图运行验证无人机控制站分解设计的合理性。

3、基于模型驱动的地面站开发设计技术

模型驱动架构，核心思想是把建模语言当作编程语言使用。在MDA框架中，主要的模 型分别为平台无关模型、平台相关模型和代码。PIM是从应用系统的功能需求中抽象分离出 与具体实现技术无关，同时又能精确描述系统功能需求的模型；PSM是一个与技术平台有关 系并且用该技术平台的专业术语对业务系统进行描述的模型；代码也可以看作是一种模型， 它是由PSM模型转换而来的，也是模型转换的最终目的。

在模型转换过程中，依据当前的源模型所处的状态，从规则库中调用适合本状态的转换 规则组合，并且依次执行转换规则组合中的转换规则，将源模型元素转换为目标模型元素， 进而再由目标模型元素生成标准模型，最后来把目标模型进行输出，以完成对模型转换的相 关操作。

MDA框架中PIM模型到PSM模型之间的转换操作是最重要的一种模型转换操作。现有的一些关于PIM模型到PSM模型之间的转换操作的模型转换方法主要有：直接转换方法、基于关系代数的转换方法、基于元模型间映射的转换方法、基于模式的转换方法、基于QVT的模型转换方法、基于FSM的模型转换方法等。

Claims (9)

1.一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，包括应用架构建模，基于GCSOA架构应用层功能域划分，开展用例建模，实现对各功能域、子域和服务的模型化解释，并建立系统概念数据模型CDM，实现概念数据模型向逻辑数据模型LDM的转换；平台架构建模，基于GCSOA架构平台层功能域划分定义，构建平台层功能域模型，为应用层提供数据存储、数据访问、消息传递服务，支持不同软硬件实体的适配，同时提供信息访问管理和策略管理；模型驱动转化过程为实现多无人机系统之间的互操作性，选用模型驱动过程MDA，模型驱动过程MDA把地面站包含在应用架构中的业务逻辑和数据进行分离，在模型驱动过程MDA过程中，把应用软件定义为一系列平台无关模型PIM，结合平台选择和软件运行架构选择，将平台无关模型PIM转化成平台相关模型PSM，平台相关模型PSM通过代码生成器和自动化过程转化为源码，用于集成、测试、部署。

2.如权利要求1所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，应用架构建模时将地面站系统用例进一步划分为更低级别的用例，具体划分为0级-系统视角，1级-域视角，2级-子域视角，3级-服务视角。

3.如权利要求2所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，应用架构建模时将功能域划分为监控域、规划域、态势域、C⁴I域、情报域、管理域，每个域又包含子域。

4.如权利要求1所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，平台架构建模时将平台域划分为7个子域：平台协同、通信服务、数据管理、网络服务、安全、信息保障、SOA运行基础设施、系统管理。

5.如权利要求1所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，其实施途径包括如下步骤：

步骤1：通过作战概念研究，围绕典型作战场景，分析面向任务应用的无人机作战体系能力需求，提供合理、有效的体系作战任务描述，建立用户需求模型；

步骤2：在作战使用研究与需求分析的基础上，建立平台无关模型PIM，形成无人机地面指挥控制标准化服务，实现应用与平台的分离；

步骤3：结合运算平台和基础设施服务，构建支持平台无关模型PIM应用程序体系结构的平台架构模型，确保服务的语义互操作性；

步骤3：基于模型驱动转化过程，得到平台相关模型，再通过代码生成器自动转化为源码，实现建模语言到编程语言的转换；

步骤4：搭建系统研发验证环境，研制具备系统集成验证、功能演示能力的系统样机及配套设备。

6.如权利要求5所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，实施途径步骤1采用DoDAF方法的无人作战体系能力需求分析技术实现，具体过程包括：

a)作战使命，由军方制定下发，是任务架构分析设计的顶层需求；

b)场景分析，研究作战使命下的作战场景；

c)时空场景建模，根据作战任务想定构建场景模型，生成STK场景模型。通过模型运行对任务想定进行验证、迭代；

d)作战视图分析，根据作战任务想定构建DoDAF作战视图模型；

e)系统视图分析，用于系统能力分析；

f)能力需求合并，根据系统功能能力描述视图，将系统能力项进行合并，并依此梳理出各作战节点的能力目录，通过能力目录分析，对系统视图进行验证、迭代。

7.如权利要求6所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，实施过程中在作战使用研究与需求分析的基础上，引入基于模型系统工程MBSE方法论，工作流程包括：

a)通过需求分析过程，确定系统典型用例，将无人机控制站的能力目录分解到系统用例，建立L0～L3级用例，根据代表特定期望的用例、代表用户或系统的执行者、代表系统范围的边界及代表执行者与用例之间关系的关联，完成需求的分解与追踪；

b)通过用例分析，能够建立一个基于实体的数据模型，数据模型提供了一种稳定的、可拓展的体系架构；

c)通过功能分析聚类，划分功能域，确定无人机控制站执行典型系统用例的功能逻辑、交互逻辑以及与外部系统的接口和端口，通过状态图运行对系统功能逻辑与交互逻辑设计进行验证；

d)通过设计综合，明确无人机控制站包含的指控节点，并将系统功能逻辑分解到各指控节点，确定各指控节点完成系统典型用例的功能逻辑、交互逻辑以及对外的接口和端口，通过状态图运行验证无人机控制站分解设计的合理性。

8.如权利要求6所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，实施过程中还基于模型驱动的地面站开发设计技术进行模型驱动架构；在MDA框架中，主要的模型分别为平台无关模型PIM、平台相关模型和代码；平台无关模型PIM是从应用系统的功能需求中抽象分离出与具体实现技术无关，同时又能精确描述系统功能需求的模型；PSM是一个与技术平台有关系并且用该技术平台的专业术语对业务系统进行描述的模型；代码是由PSM模型转换而来的；

在模型转换过程中，依据当前的源模型所处的状态，从规则库中调用适合本状态的转换规则组合，并且依次执行转换规则组合中的转换规则，将源模型元素转换为目标模型元素，进而再由目标模型元素生成标准模型，最后来把目标模型进行输出，以完成对模型转换的相关操作。

9.如权利要求8所述的一种基于模型驱动的无人机地面站开放式架构，其特征在于，PIM模型到PSM模型之间的转换操作的模型转换方法包括：直接转换方法、基于关系代数的转换方法、基于元模型间映射的转换方法、基于模式的转换方法、基于QVT的模型转换方法、基于FSM的模型转换方法。