CN112214209A - 一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，包括：无人机运行场景信息采集分类与关系表达；形式化语言的无人机运行场景建模；无人机运行场景的IPS和SMPS表达与合并。本发明将无人机运行场景建模分为通用运行场景建模和特定运行场景建模，通过建立一次通用运行场景后，根据特定运行场景适配可以简化建模流程，提高建模效率。

Description

一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，涉及一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法。

背景技术

在过去十年中，全球无人机市场大幅度增加，其应用范围也日益扩大，无人机进入军用、民用领域已经是一个普遍的趋势。无人机在地形勘探、抢险救援等其他场景应用的科学效益和经济效益非常重要，此外，无人侦察机还将广泛应用于灾害评估、化学检测和水域监测、遥感映射、防止毒品和走私、边防部队、公安和反恐怖主义、野生生物保护等领域。这催生了制定无人机航空标准和进行审批的需求。

欧洲航空安全局在最新的监管工作引入了一种特定类别的新概念，该概念允许逐步适应认证要求，基于特定的运行风险评估可以启用新的飞机系统架构和任务设计。无人机运行操作概念(Unmanned Aircraft System Concept of Operations，UAS ConOps)的提出，为无人机在某一运行环境中的具体操作行为定义明确的运行限制，从而维持整体运行操作过程中的安全性，因此UAS ConOps的建模是审批无人机系统(UAS)执行步骤中极其重要的一步。同时，对无人机运行操作任务场景中交互信息与任务时序的建模描述，将会对无人机飞行任务有更多保障。鉴于目前国内外对于无人机运行操作任务场景的建模研究较少，且没有成型的适用于无人机运行操作任务场景的标准模型，需要构建一个无人机运行场景模型，并对任务场景中交互信息与任务时序进行建模描述。

发明内容

本发明提供了一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，以解决当前缺少无人机运行操作任务场景建模描述这一问题。无人机在执行任务时必须提前进行特定风险评估，无人机的运行操作概念以及无人机的运行操作任务策略就显得尤为重要，本发明采用形式化可拓展标记语言、线性时许逻辑和状态图，通过对无人机运行操作概念和无人机运行操作任务策略的建模，分析出无人机在运行场景中交互信息与任务时序，形成一种可以移植的无人机运行场景建模方法，并利用该模型为无人机运行监管提供更为有效的支撑。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，包括以下步骤：

步骤一：无人机运行场景信息采集分类与关系表达：

通过将采集到的无人机运行场景信息分类整合，对重复信息进行筛选、择优，选择能更好体现无人机应用场景的信息；

结合各类应用场景中通用的元素以及属性分析，把无人机运行场景信息分类；

对分类得到的无人机运行场景信息进行分析，依照信息要素与属性分析各个信息之间的关系；

步骤二：形式化语言的无人机运行场景建模：

利用信息之间的关系和可拓展语言的模型来描述无人机运行场景，通过构建无人机通用运行场景数据库和无人机操作概念库，对无人机运行场景进行描述，将无人机运行场景建模分为无人机通用运行场景模型和无人机特定运行场景模型。

步骤三：无人机运行场景的IPS和SMPS表达与合并：

通过对无人机运行场景中无人机信息的交互关系编写出的统一建模语言UML时序，进行实例化编码转化为保留UML时序中元素的状态机，用于更加直观地表现出元素之间的交互关系，并将状态机分为通用场景状态机和特定场景状态机，并编写映射规则，合并为最终的场景模型。

步骤一中所述的无人机运行场景信息，包括无人机设备生产组装配置信息、无人机任务执行机组人员信息、任务操作信息、无人机设备及载荷信息、运行环境环境信息、任务方案信息。

步骤一中无人机运行场景信息分为五个大类：机组人员信息、运行时间信息、无人机设备信息、运行环境信息、运行信息。

步骤一中依照信息要素与属性分析各个信息之间的关系，具体为：可交互关系与不可交互关系。即分析两个信息要素之间是否存在信息交换，是否能针对另一信息要素传递的信息作出相应的反应或行为，满足条件则定义两个要素之间存在可交互关系，否则为不可交互关系。然后根据信息流传递方向，并将相互之间的交互关系做出标示，得到各个信息要素的交互关系图。

步骤二中所述的无人机通用运行场景数据库，根据无人机运行场景信息之间的结构关系，抽象无人机通用运行场景，采用形式化语言去描述构建。

步骤二中所述的无人机操作概念库，包含无人机操作行动限制信息、无人机操作相关信息、无人机技术相关信息、无人机任务分解等信息组成的多元集合。

步骤二中利用形式化语言的无人机运行场景建模过程，包括以下子步骤：

(2.1)在无人机运行场景信息结构关系的基础上，定义无人机运行操作概念及无人机运行操作任务策略；

(2.2)抽象出无人机运行场景概念中的通用属性，得到无人机运行通用场景属性，结合无人机运行场景方案之间关系，采用形式化语言建模描述无人机通用运行场景，构建出无人机通用运行场景数据库；

(2.3)在无人机通用运行场景数据库基础上，得到特定运行场景与无人机通用运行场景数据库之间的逻辑关系，分析特定运行场景下的无人机运行操作概念以及无人机运行操作任务策略；根据无人机操作概念库内容的元素集合，采用形式化语言建模描述当前运行场景下的无人机操作概念，构建出无人机特定运行场景模型。

步骤三包括以下子步骤：

(3.1)根据建立的无人机运行场景模型编写UML时序建立描述结构或行为的交互模式规范IPS；

(3.2)将序列图转换为一组状态机，状态机用于交互中涉及的每个对象；转化为根据无人机任务运行场景定义参与者之间基于状态行为的SMPS模式；

(3.3)将建立的无人机通用场景状态机和特定场景状态机进行映射规则的编写，合并状态机得到最终无人机运行场景交互模型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.将无人机运行场景建模分为通用运行场景建模和特定运行场景建模，通过建立一次通用运行场景后，根据特定运行场景适配可以简化建模流程，提高建模效率。

2.该模型方法在原有形式化建模的基础上，提出一种新的场景建模研究方法，即用特定场景的无人机方案IPS与所有场景都通用的无人机通用IPS结合无人机技术方案转化为对应的SMPS，进而进行实例化以及映射合并，可以根据不同的任务时间改变映射规则，分析不同方案的场景交互。

3.建模方法中两种状态机能清晰的观察到无人机在场景中交互信息与任务时序，这种建模方法把应用场景与基础信息分离开，不论是改变无人机任务方案还是直接改变状态机的映射规则，都非常简便，具有可移植、可扩展的特性，方便分模块研究。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的信息要素的交互关系图；

图3为本发明的无人机操作概念库结构示意图；

图4为本发明的无人机运行场景交互模型；

图5为本发明的合并状态机示意图；

图6为实施例无人机通用运行场景建模的流程图；

图7为实施例的交互模式规范示意图；

图8为实施例的出无人机在场景中的交互信息与任务时序；

图9为实施例的无人机城市消防救援场景建模；

图10为实施例的交互模式规范；

图11为实施的无人机在场景中的交互信息与任务时序；

图12为实施例的特定运行场景状态机与之前的通用运行场景状态机合并。

具体实施方式

本发明提供了一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，以解决当前缺少无人机运行操作任务场景建模描述这一问题。无人机在执行任务时必须提前进行特定风险评估，无人机的运行操作概念以及无人机的运行操作任务策略就显得尤为重要，本发明采用形式化可拓展标记语言、线性时许逻辑和状态图，通过对无人机运行操作概念和无人机运行操作任务策略的建模，分析出无人机在运行场景中交互信息与任务时序，形成一种可以移植的无人机运行场景建模方法，并利用该模型为无人机运行监管提供更为有效的支撑。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

步骤如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：无人机运行场景信息采集与分类：

无人机运行场景信息采集是建立无人机运行场景建模的基础，采集的无人机运行场景信息包括无人机设备生产组装配置信息、无人机任务执行机组人员信息、任务操作信息、无人机设备及载荷信息、运行环境环境信息、任务方案等信息。

为了保证模型的建立能够充分以及精准描述无人机运行场景，在对无人机运行场景信息采集式就要确保信息数据来源的可靠性、精准性以及覆盖角度范围的全面性。无人机运行场景信息获取方式包括：申请飞行认证的相关人员或单位主动公示报告(按申请地方政府政策法规和民航无人机云系统申请公示无人机运行相关信息，包括无人机型号、厂家等生产配置信息，无人机任务说明，空域管理说明等文件。)、各种机载系统和传感器设备(无人机飞行状态监测和各种地面测试，比如速度传感器获得的无人机水平飞行速度、垂直飞行速度、加速度数据，传感器获得的姿态数据。利用GPS/北斗卫星定位系统、无人机空管监视系统、飞行控制系统等多种机载及地面系统设备获取无人机坐标位置信息、无人机飞行状态信息等)进行动态实时信息采集等手段。

通过将采集到的无人机运行场景信息分类整合，对重复信息进行筛选、择优，选择能更好体现无人机应用场景的信息。结合各类应用场景中通用的元素以及属性分析，把无人机运行场景信息分为五个大类：机组人员信息、运行时间信息、无人机设备信息、运行环境信息、运行信息。

对分类得到的无人机运行场景信息进行分析，依照信息要素与属性分析各个信息之间的关系，具体为：可交互关系与不可交互关系。即分析两个信息要素之间是否存在信息交换，是否能针对另一信息要素传递的信息作出相应的反应或行为，满足条件则定义两个要素之间存在可交互关系，否则为不可交互关系。交互与不可交互关系存在每个信息分类模块之间(比如机组人员与运行时间信息间的交互与不可交互关系、机组人员与运行信息间的交互与不可交互关系等)，同时每个分类模块内部信息之间也存在信息间的交互与不可交互关系(比如机组人员信息内部用户与组织机构间的交互与不可交互关系、用户与培训信息间的交互与不可交互关系等)。

根据信息流传递方向，并将相互之间的交互关系做出标示，得到各个信息要素的交互关系图，如图2所示。

步骤二：形式化语言的无人机运行场景建模：

利用信息结构关系和可拓展语言的模型来描述无人机运行场景，通过构建无人机通用运行场景数据库和无人机操作概念库对无人机运行场景进行描述。将无人机运行场景建模分为无人机通用运行场景模型和无人机特定运行场景模型。

无人机通用运行场景数据库根据无人机运行场景信息之间的结构关系，抽象无人机通用运行场景，采用形式化语言去描述构建。无人机操作概念库是一个包含无人机操作行动限制信息、无人机操作相关信息、无人机技术相关信息、无人机任务分解等信息组成的多元集合。

利用形式化语言的无人机运行场景建模过程可以细化为以下三个子步骤，具体过程如下：

1)在无人机运行场景信息结构关系的基础上，定义无人机运行操作概念及无人机运行操作任务策略。

2)抽象出无人机运行场景概念中的通用属性，得到无人机运行通用场景属性，结合无人机运行场景方案之间关系，采用形式化语言建模描述无人机通用运行场景，构建出无人机通用运行场景数据库。根据无人机运行操作概念以及无人机运行操作任务策略构建多元集合无人机操作概念库。

3)在无人机通用运行场景数据库基础上，得到特定运行场景与无人机通用运行场景数据库之间的逻辑关系，分析特定运行场景下的无人机运行操作概念以及无人机运行操作任务策略。根据无人机操作概念库内容的元素集合，采用形式化语言建模描述当前运行场景下的无人机操作概念，构建出无人机特定运行场景模型。

建立的无人机操作概念库是一个包含无人机操作行动限制信息、无人机操作相关信息、无人机技术相关信息、无人机任务分解等信息组成的多元集合S_{无人机运行}＝{T,O,P,R,t0}，其中：

T＝{t₁,t₂,….,t_n}是操作行动限制信息；包括UAS飞行信息、环境条件和地图，包括操作体积边界和预定飞行路径。

O＝{N,M,K}是操作相关信息的集合，其中：N＝{n₁,n₂,n₃,n₄,….,n_n}是机组概述集合；包括安全，设计和生产，对参与业务的工作人员进行培训，维护保养，飞行员，UAS配置管理，其他职位和其他资料等。M＝{m₁,m₂,m₃,….,m_n}是操作内容集合；包括业务类型，标准作业程序，正常运作策略，异常操作和紧急操作，事件和事故等；K＝{k₁,k₂,….,k_n}是训练内容集合；包括一般资料，初步培训和资格，货币维持程序，飞行模拟训练装置，培训方案等。

P＝{Q,p₁,p₂,p₃,….,p_n}是技术相关信息的集合，其中Q＝{q₁,q₂,….,q_n}是USA操作部分；包括一般，导航，自动驾驶，飞行控制系统，控制站，检测和避免系统等；

R＝O→P是任务分解，即父操作步骤分解为子操作步骤及操作。一个任务被分解为两个操作Action 1和Action 2，操作之间的关系包括时序执行、同时执行、因果执行、不同时间线执行、不同时件同时执行；由形式化语义往可以得出，操作关系中时序执行、同时执行、因果执行、不同时间线执行、不同时件同时执行是互不矛盾，可以同时进行的，所以经过自动的模型训练得出的结果是相同的。基本内容如图3所示。

步骤三：无人机运行场景的IPS和SMPS表达与合并

通过对无人机运行场景中无人机信息的交互关系编写出的统一建模语言(UML)时序，进行实例化编码转化为保留UML时序中元素的状态机(state machine)，用于更加直观地表现出元素之间的交互关系，并将状态机分为通用场景状态机和特定场景状态机，并编写映射规则，合并为最终的场景模型。这允许以图形方式指定简单的运行时场景。状态图中通过描绘元素状态的层级关系、元素状态的时间顺序以及元素状态的信息流动,使得通过时序分析出的无人机场景中的计划方案变为具备同样元素的状态图，比时序图更能直观的分析出交互方式等信息。

主要步骤如下：

1)根据建立的无人机运行场景模型编写UML时序建立描述结构或行为的交互模式规范(IPS)。通过将UML模型元素分配给IPS中的角色来实例化IPS。如果模型中扮演模式规范角色的模型元素满足角色定义的属性，则该模型符合模式规范，可以以显示静态结构或动态行为定义IPS。

2)将序列图转换为一组状态机，状态机用于交互中涉及的每个对象。转化为根据无人机任务运行场景定义参与者之间基于状态行为的SMPS模式。SMPS由许多状态元素和过渡元素组成，它们分别是UML元类State和Transition的另一种表现形式。通过将具体的建模元素分配给角色来实例化SMPS。

3)将建立的无人机通用场景状态机和特定场景状态机进行映射规则的编写，合并状态机得到最终无人机运行场景交互模型。如图4所示.

映射规则如下：

a)X的每个状态变为Z的状态

b)对于A，如果θ将A的多种属性元素映射到X的单个具体元素，则X在Z中成为具有多种属性的元素，而A的状态角色在Z中成为X的子状态。

c)对于A，如果θ将A的状态角色映射到X的具体状态，使得A的其他状态角色都没有映射到该具体状态，则将丢弃A的状态角色(即，它不会成为Z中的状态)。

d)在所有其他情况下，A的状态角色变为Z|的状态，其中状态角色的名称|a在Z中映射为θ(|a)。

e)X的所有跃迁都成为Z的跃迁。但是，如果X的跃迁在X中具有目标状态，而该目标状态在Z中成为复合状态，则该跃迁必须重定向，以使其在Z中的目标状态成为复合状态的子状态。合并指令告诉算法过渡应该重定向到哪个子状态。类似地，如果X的转换具有映射到Z中的多种集合状态的起始状态，则起始将其定向到多种起始状态状态的分状态。

f)A的过渡(零或其他的状态是其起始状态和最终状态角色分别在θ下映射完成的赋值)变成Z的过渡。

g)如果A的转换具有映射到θ下的多个状态的源状态角色，则A的转换将成为Z的转换，但会对其进行重定向，以使其源状态变为合并指令指定的状态。类似地，对于具有目标状态角色的A的过渡，其在θ下具有多个状态。

h)假设通过映射θ(|s1)＝t1，θ(|s2)＝t2，θ(|s4)＝t5将左侧的SMPS绑定到右侧的SMPS。

得到合并状态机Z，如图5所示。

下面基于两个具体的实施案例来详细说明本发明的实施过程与验证效果。

实施例一：无人机通用运行场景：

无人机通用运行场景设置为无人机在视距内运行常规飞行任务的场景。在视距场景下无人机基于网络接口的网络化运行，操作员可以通过肉眼辨别空中的无人机的现实飞行姿态，飞行高度，以及飞行的方向，也可以通过操作台界面读取相应的无人机飞行数据。在进行飞行任务时操作员也需要时刻注意无人机飞行的空域内是否出现其它未知航空飞行器或者未知的危险状况，此外还需要操作员必须注意的是，确保无人机在运行过程中不会对他人的生命和财产安全构成威胁和伤害。

首先根据发明内容步骤一获取相应的运行场景信息并进行信息的分类，然后得到运行场景信息间的交互关系，如图2所示；

采用常用的无人机运行操作策略框架进行无人机运行操作策略的内容归类，得到无人机操作概念库如图3所示；

运用Enterprise Architect软件使用可拓展语言进行无人机通用运行场景建模，为组织架构的各个方面建模提供了基础，并为设计和实现新系统或更改现有系统提供了基础，如图6所示；

图6所示模型中用于形式化表述的符号形式与具体含义如下表1所示：

表1 实施例一模型中的形式化表述符号形式与具体含义

因为本实施例为无人机通用运行场景所以跳过步骤四：运行场景下的无人机运行操作任务适配，进行步骤三使用Enterprise Architect对无人机通用场景和无人机特定应用场景进行模型的构建后，根据步骤二中得到的运行场景中交互与不可交互关系信息得到交互模式规范如图7所示；

然后将得到的交互模式规范(IPS)转化为SMPS，在这状态机中明确表示出无人机在运行场景中的交互信息与任务时序，如图8所示；

通过建模转换得到的两种状态机IPS与SMPS能清晰的观察到无人机在通用任务场景中的交互信息与任务时序，这种建模方法把应用场景与基础信息分离开，不论是改变无人机任务方案还是直接改变状态机的映射规则，都非常简便，具有可移植、可扩展的特性，方便分模块研究。

实施例二：无人机城市消防救援场景建模：

无人机城市消防救援场景设置为无人机在超视距内运行消防飞行任务的场景。在火灾运行环境中，部署无人机主要完成火灾现场评估以及协助消防员完成救援等任务，操作员有时难以通过肉眼辨别空中的无人机的动态飞行数据信息，主要依靠操作台界面读取相应的无人机飞行数据。在进行飞行任务时，无人机需要搭载一定的任务载荷来完成任务操作(比如照明设备、热像仪等)，同时无人机还要完成协助评估损失，回传数据等任务。此外还需要操作员必须注意的是，确保无人机在运行过程中不会对他人的生命和财产安全构成威胁和伤害。

首先根据发明内容步骤一获取相应的运行场景信息并进行信息的分类，然后得到运行场景信息间的交互关系，如下表2所示：

表2 实施例二的无人机运行场景信息交互关系表

根据实施例一得到的无人机通用任务场景模型进行运行场景下的无人机运行操作任务适配，运用Enterprise Architect软件使用可拓展语言进行无人机城市消防救援场景建模，如图9所示；

上图所示模型中用于形式化表述的符号形式与具体含义如下表3所示：

表3 实施例二模型中的形式化表述符号形式与具体含义

进行步骤三使用Enterprise Architect对无人机通用场景和无人机特定应用场景进行模型的构建后，根据步骤一中得到的运行场景中交互与不可交互关系信息得到交互模式规范如图10所示；

然后将得到的交互模式规范(IPS)转化为SMPS，在这状态机中明确表示出无人机在场景中的交互信息与任务时序，如图11所示；

将得到的特定运行场景状态机与之前的通用运行场景状态机合并，如图12所示；

通过建模转换得到的两种状态机IPS与SMPS能清晰的观察到无人机城市消防救援场景中的交互信息与任务时序，通过对状态机的仿真可以模拟运行场景中的任务策略和流程，使得操作员明确运行概念要求同时对无人机执行复杂任务提供可视化建模参考。

上述两个实施例分别从无人机通用任务场景和特殊任务场景建模的角度说明了本发明的实际应用过程与优点。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：无人机运行场景信息采集分类与关系表达：

通过将采集到的无人机运行场景信息分类整合，对重复信息进行筛选、择优，选择能更好体现无人机应用场景的信息；

结合各类应用场景中通用的元素以及属性分析，把无人机运行场景信息分类；

对分类得到的无人机运行场景信息进行分析，依照信息要素与属性分析各个信息之间的关系；

步骤二：形式化语言的无人机运行场景建模：

利用信息之间的关系和可拓展语言的模型来描述无人机运行场景，通过构建无人机通用运行场景数据库和无人机操作概念库，对无人机运行场景进行描述，将无人机运行场景建模分为无人机通用运行场景模型和无人机特定运行场景模型；

步骤三：无人机运行场景的IPS和SMPS表达与合并：

通过对无人机运行场景中无人机信息的交互关系编写出的统一建模语言UML时序，进行实例化编码转化为保留UML时序中元素的状态机，用于更加直观地表现出元素之间的交互关系，并将状态机分为通用场景状态机和特定场景状态机，并编写映射规则，合并为最终的场景模型。

2.根据权利要求1所述的一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，其特征在于，步骤一中依照信息要素与属性分析各个信息之间的关系，具体为：可交互关系与不可交互关系；即分析两个信息要素之间是否存在信息交换，是否能针对另一信息要素传递的信息作出相应的反应或行为，满足条件则定义两个要素之间存在可交互关系，否则为不可交互关系；然后根据信息流传递方向，并将相互之间的交互关系做出标示，得到各个信息要素的交互关系图。

3.根据权利要求1所述的一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，其特征在于，步骤二中所述的无人机操作概念库，包含无人机操作行动限制信息、无人机操作相关信息、无人机技术相关信息、无人机任务分解等信息组成的多元集合。

4.根据权利要求1所述的一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，其特征在于，步骤二中利用形式化语言的无人机运行场景建模过程，包括以下子步骤：

(2.1)在无人机运行场景信息结构关系的基础上，定义无人机运行操作概念及无人机运行操作任务策略；

(2.2)抽象出无人机运行场景概念中的通用属性，得到无人机运行通用场景属性，结合无人机运行场景方案之间关系，采用形式化语言建模描述无人机通用运行场景，构建出无人机通用运行场景数据库；

(2.3)在无人机通用运行场景数据库基础上，得到特定运行场景与无人机通用运行场景数据库之间的逻辑关系，分析特定运行场景下的无人机运行操作概念以及无人机运行操作任务策略；根据无人机操作概念库内容的元素集合，采用形式化语言建模描述当前运行场景下的无人机操作概念，构建出无人机特定运行场景模型。

5.根据权利要求1所述的一种无人机运行场景中交互信息与任务时序的建模方法，其特征在于，步骤三包括以下子步骤：

(3.1)根据建立的无人机运行场景模型编写UML时序建立描述结构或行为的交互模式规范IPS；

(3.2)将序列图转换为一组状态机，状态机用于交互中涉及的每个对象；转化为根据无人机任务运行场景定义参与者之间基于状态行为的SMPS模式；

(3.3)将建立的无人机通用场景状态机和特定场景状态机进行映射规则的编写，合并状态机得到最终无人机运行场景交互模型。

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