無(wú)人系統(tǒng)的互操作架構(gòu)研究

張永平

摘? 要：互操作性是不同信息系統(tǒng)之間交換信息和使用已交換信息的能力。通過(guò)介紹民用領(lǐng)域中的互操作架構(gòu)和軍用領(lǐng)域中的互操作架構(gòu)，分析現(xiàn)有互操作技術(shù)存在的問(wèn)題，并針對(duì)性地提出解決方案，為軍民融合型的無(wú)人系統(tǒng)通用互操作架構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考思路。

關(guān)鍵詞：互操作性;無(wú)人系統(tǒng);架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0047-03

Abstract： Interoperability is the ability to exchange information and use exchanged information between different information systems. By introducing the interoperation architecture in the civilian field and the interoperation architecture in the military field， the problems existing in the existing interoperation technology are analyzed， and the solutions are put forward. The purpose of this paper is to provide a reference for the design of general interoperation architecture of military-civilian integrated unmanned system.

Keywords： interoperability; unmanned systems; architecture design

借助人工智能技術(shù)，無(wú)人系統(tǒng)能夠自主感知周圍環(huán)境，并通過(guò)信息分發(fā)共享形成統(tǒng)一態(tài)勢(shì)，進(jìn)而分析判斷，智能地完成各種任務(wù)。然而，現(xiàn)有的無(wú)人平臺(tái)或小型無(wú)人系統(tǒng)仍然是煙囪式發(fā)展，不同種類、不同型號(hào)的無(wú)人平臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作。隨著信息技術(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）的深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)致力于實(shí)現(xiàn)不同生產(chǎn)設(shè)備之間的互操作性，正在蓬勃發(fā)展的智能無(wú)人系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)也能夠汲取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，在推動(dòng)無(wú)人平臺(tái)/系統(tǒng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的同時(shí)，大力提升無(wú)人系統(tǒng)的互操作水平。

1 互操作技術(shù)概述

由于不同場(chǎng)景下的互操作性呈現(xiàn)差異化，互操作性還沒(méi)有一個(gè)精確的定義。不管定義如何，互操作性的內(nèi)涵有兩點(diǎn)，一是兩個(gè)或兩個(gè)以上系統(tǒng)能夠交換信息，二是系統(tǒng)間能有效使用交換信息協(xié)同工作[1]。為了確定互操作需求、評(píng)估現(xiàn)有系統(tǒng)互操作能力，很多組織或?qū)W者提出了互操作等級(jí)模型。概念互操作等級(jí)模型（LCIM）是廣泛使用的一個(gè)互操作等級(jí)模型[2]，將互操作分成六個(gè)層級(jí)，分別是：L0（無(wú)互操作），L1（技術(shù)互操作），L2（語(yǔ)法互操作），L3（語(yǔ)義互操作），L4（語(yǔ)用互操作）和L5（概念互操作）。L0表示系統(tǒng)之間沒(méi)有建立連接，數(shù)據(jù)獨(dú)立使用，不具備互操作性。L1表示系統(tǒng)之間建立了物理連接，能夠進(jìn)行比特或字節(jié)流的交換。L2表示系統(tǒng)之間使用公共數(shù)據(jù)協(xié)議和公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。L3表示系統(tǒng)之間借助公共的數(shù)據(jù)參考模型交換數(shù)據(jù)的使用語(yǔ)境，使數(shù)據(jù)具有清晰的語(yǔ)義。L4表示系統(tǒng)之間交換的信息包括數(shù)據(jù)的使用方法和適用性。L5表示系統(tǒng)之間共享公共參考概念模型相對(duì)于真實(shí)對(duì)象的假設(shè)和約束，從而建立真實(shí)世界的公共視圖。

2 現(xiàn)有互操作架構(gòu)

2.1 民用領(lǐng)域互操作架構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)互操作架構(gòu)

開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型是應(yīng)用最為廣泛的互操作架構(gòu)。它將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)抽象為七層，從下至上分別是：物理層，鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會(huì)話層，表示層，應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)了L1技術(shù)互操作，L2語(yǔ)法互操作和L3語(yǔ)義互操作。技術(shù)互操作由OSI模型的1～4層管理，提供一套基于協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換原始信息的能力。語(yǔ)法互操作由OSI的5～6層處理，提供正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和格式，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間交換結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的能力。語(yǔ)義互操作由OSI的第7層應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)能從應(yīng)用程序的上下文中解釋結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的含義。在OSI架構(gòu)中，技術(shù)互操作得到很好地理解和標(biāo)準(zhǔn)化，而語(yǔ)法和語(yǔ)義互操作則依賴于特定行業(yè)或特定應(yīng)用，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互操作架構(gòu)

為了促進(jìn)工業(yè)場(chǎng)景的互操作性，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接框架（IICF），如圖1所示。該框架將OSI模型的表示層和會(huì)話層重新整合為互操作框架層，通過(guò)提供必要的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化和無(wú)歧義解析。從該連接框架可以看出，工業(yè)互聯(lián)的技術(shù)互操作仍然沿用OSI模型中物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層中的成熟協(xié)議，對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改進(jìn)，以滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。而語(yǔ)法互操作則將之前的客戶端/服務(wù)器模式擴(kuò)展到發(fā)布/訂閱模式和基于統(tǒng)一資源定位的Web服務(wù)模式，允許應(yīng)用程序以不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）級(jí)別來(lái)傳輸狀態(tài)、事件和流等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。信息層旨在實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作，雖然各行業(yè)均在建立覆蓋盡可能廣泛的信息模型，但是目前還沒(méi)有適用于跨行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一語(yǔ)義數(shù)據(jù)模型。

2.2 軍用領(lǐng)域互操作架構(gòu)

（1）北約無(wú)人機(jī)控制站互操作標(biāo)準(zhǔn)化接口（STANAG 4586）

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)大量應(yīng)用到指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)和情報(bào)系統(tǒng)（C4I）中，STANAG 4586標(biāo)準(zhǔn)被制定用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同地面控制站與不同無(wú)人機(jī)及其載荷之間的互操作性，其互操作架構(gòu)如圖2所示。STANAG 4586包含了無(wú)人機(jī)核心部件（CUCS）和飛行器之間的接口、CUCS和外部C4I系統(tǒng)之間的接口，以及CUCS和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)操控員之間的接口，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)信息的資源共享和共同利用來(lái)滿足任務(wù)目標(biāo)需求，有效提高靈活性和效率[3]。需要指出的是，CUCS僅對(duì)飛行器進(jìn)行非實(shí)時(shí)和近實(shí)時(shí)控制，飛行器的實(shí)時(shí)控制由飛行器專用設(shè)備（VSM）來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合體系（JAUS）

JAUS最初是美陸軍針對(duì)無(wú)人地面車輛而建立的消息集合和數(shù)據(jù)協(xié)議，后來(lái)聯(lián)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界形成無(wú)人地面系統(tǒng)聯(lián)合體系（JAUGS）。隨著無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展，JAUGS的研究對(duì)象擴(kuò)大到美國(guó)防部范圍內(nèi)的所有無(wú)人系統(tǒng)，并正式更名為無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合體系JAUS。2004年，美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)將JAUS納入到航天航空標(biāo)準(zhǔn)下的無(wú)人系統(tǒng)子類標(biāo)準(zhǔn)。自此，JAUS的發(fā)展勢(shì)不可擋，已成為民用領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)互操作的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之一。

如圖3所示，JAUS定義了一種通用的無(wú)人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，采用分層的方式劃分了系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層、節(jié)點(diǎn)層、構(gòu)件/實(shí)例層、以及服務(wù)層。系統(tǒng)層是一系列可互操作的子系統(tǒng)的集合體，子系統(tǒng)層則對(duì)應(yīng)無(wú)人系統(tǒng)中的物理實(shí)體或操控員控制單元，節(jié)點(diǎn)層則是為子系統(tǒng)提供某種能力的軟件、硬件模塊。構(gòu)件可看做節(jié)點(diǎn)中提供某種服務(wù)或多種服務(wù)的應(yīng)用程序，而實(shí)例則對(duì)應(yīng)于應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)現(xiàn)。JAUS以模塊化、松藕合、可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以一組與具體應(yīng)用無(wú)關(guān)、可重用的構(gòu)件和服務(wù)為支撐，以標(biāo)準(zhǔn)接口消息為交互保證，支持面向作戰(zhàn)任務(wù)的系統(tǒng)重構(gòu)和技術(shù)集成，從而使遵循JAUS的無(wú)人系統(tǒng)之間具有互操作性[4]。

（3）無(wú)人系統(tǒng)控制段（UCS）

STANAG 4586將無(wú)人系統(tǒng)分為地面部分、空中部分和C4I部分，UCS則在地面部分和空中部分之間增加了無(wú)人機(jī)控制部分，試圖建立一個(gè)通用的基礎(chǔ)服務(wù)體系，使無(wú)人機(jī)控制模塊可以接入任意無(wú)人系統(tǒng)中，也可與任意無(wú)人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互操作。UCS將軟件系統(tǒng)架構(gòu)分成六個(gè)域，空間態(tài)勢(shì)域：提供態(tài)勢(shì)感知信息以指揮控制和保護(hù)無(wú)人機(jī);外部消息與通信域：管理UCS和外部C4I系統(tǒng)之間的通信接口;任務(wù)規(guī)劃域：產(chǎn)生和監(jiān)控所有任務(wù)規(guī)劃;初始任務(wù)控制域：接收任務(wù)命令，并執(zhí)行該任務(wù);傳感器信息域：獲取傳感器信息，監(jiān)控信息質(zhì)量，處理并發(fā)送;系統(tǒng)支持域：提供綜合后勤保障服務(wù)，支持無(wú)人機(jī)運(yùn)作。UCS基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（MDA）的概念，抽象出與實(shí)現(xiàn)技術(shù)無(wú)關(guān)的完整描述業(yè)務(wù)功能的核心平臺(tái)無(wú)關(guān)模型（PIM），通過(guò)制定針對(duì)不同技術(shù)的轉(zhuǎn)換規(guī)則及輔助工具將PIM轉(zhuǎn)換成與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)相關(guān)的平臺(tái)（PSM），如圖4所示[5]。

3 存在的問(wèn)題與解決方案

目前開展的互操作研究既缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論支撐，又缺乏對(duì)互操作性的協(xié)調(diào)一致理解，因而還存在以下問(wèn)題：

（1）民用領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)采用已有的基礎(chǔ)設(shè)施和廣泛應(yīng)用的TCP/IP協(xié)議棧，已基本實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，并朝著語(yǔ)義互操作階段快速發(fā)展。而軍用領(lǐng)域的無(wú)人系統(tǒng)互操作仍處在制定數(shù)據(jù)接口協(xié)議的語(yǔ)法互操作階段。

（2）新興信息技術(shù)的飛速發(fā)展驅(qū)動(dòng)著產(chǎn)業(yè)的重大變

革，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的興起聚焦于信息化共享的數(shù)據(jù)要服務(wù)于工業(yè)化，但是，決策控制對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可信需求反過(guò)來(lái)推動(dòng)著信息化技術(shù)的發(fā)展，目前主要集中于對(duì)已有基礎(chǔ)設(shè)施的改造以提高實(shí)時(shí)性和可靠性。

（3）智能無(wú)人系統(tǒng)的蓬勃興起促進(jìn)了人工智能等新興信息化技術(shù)在國(guó)民生活領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)接口協(xié)議恰是實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)互操作性的基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有的無(wú)人系統(tǒng)互操作協(xié)議仍然采用傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議棧，這將為智能無(wú)人系統(tǒng)更高層次的互操作性埋下隱患。

通過(guò)以上分析，以下是建議的解決方案：

（1）無(wú)論是民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域，無(wú)論是有線網(wǎng)絡(luò)還是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，互操作的核心是數(shù)據(jù)共享能力和數(shù)據(jù)使用能力。數(shù)據(jù)感知是數(shù)據(jù)共享的前提，決策控制是數(shù)據(jù)使用的目的。因此，互操作架構(gòu)要具有通用性，要能覆蓋互操作的各個(gè)階段（等級(jí)）。

（2）決策控制是互操作性研究的重要著力點(diǎn)，它將傳統(tǒng)的以數(shù)據(jù)共享為目的的“分組交換網(wǎng)”提升到以數(shù)據(jù)使用為目標(biāo)的“控制交換網(wǎng)”。對(duì)于“控制交換網(wǎng)”，互操作性不僅要研究基于現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及現(xiàn)有協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)途徑，還要研究新的基礎(chǔ)設(shè)施或新的協(xié)議棧以應(yīng)對(duì)更高性能的挑戰(zhàn)。

（3）智能無(wú)人系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要一點(diǎn)是，無(wú)人系統(tǒng)從地面范圍擴(kuò)大到水面、水下、空中、甚至到臨近空間，大量的無(wú)線連接使得其復(fù)雜性遠(yuǎn)超以有線網(wǎng)絡(luò)為骨干的互聯(lián)網(wǎng)。因此，針對(duì)智能無(wú)人系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，設(shè)計(jì)全新的“開放系統(tǒng)互操作性模型”。

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