無人系統的互操作架構研究

張永平

摘? 要：互操作性是不同信息系統之間交換信息和使用已交換信息的能力。通過介紹民用領域中的互操作架構和軍用領域中的互操作架構，分析現有互操作技術存在的問題，并針對性地提出解決方案，為軍民融合型的無人系統通用互操作架構設計提供參考思路。

關鍵詞：互操作性;無人系統;架構設計

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：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，無人系統能夠自主感知周圍環境，并通過信息分發共享形成統一態勢，進而分析判斷，智能地完成各種任務。然而，現有的無人平臺或小型無人系統仍然是煙囪式發展，不同種類、不同型號的無人平臺無法實現互聯互通互操作。隨著信息技術（IT）和操作技術（OT）的深度融合，工業互聯網致力于實現不同生產設備之間的互操作性，正在蓬勃發展的智能無人系統，應當也能夠汲取工業互聯網的發展經驗，在推動無人平臺/系統信息化、網絡化、智能化發展的同時，大力提升無人系統的互操作水平。

1 互操作技術概述

由于不同場景下的互操作性呈現差異化，互操作性還沒有一個精確的定義。不管定義如何，互操作性的內涵有兩點，一是兩個或兩個以上系統能夠交換信息，二是系統間能有效使用交換信息協同工作[1]。為了確定互操作需求、評估現有系統互操作能力，很多組織或學者提出了互操作等級模型。概念互操作等級模型（LCIM）是廣泛使用的一個互操作等級模型[2]，將互操作分成六個層級，分別是：L0（無互操作），L1（技術互操作），L2（語法互操作），L3（語義互操作），L4（語用互操作）和L5（概念互操作）。L0表示系統之間沒有建立連接，數據獨立使用，不具備互操作性。L1表示系統之間建立了物理連接，能夠進行比特或字節流的交換。L2表示系統之間使用公共數據協議和公共數據結構進行數據交換。L3表示系統之間借助公共的數據參考模型交換數據的使用語境，使數據具有清晰的語義。L4表示系統之間交換的信息包括數據的使用方法和適用性。L5表示系統之間共享公共參考概念模型相對于真實對象的假設和約束，從而建立真實世界的公共視圖。

2 現有互操作架構

2.1 民用領域互操作架構

（1）網絡互操作架構

開放系統互聯（OSI）模型是應用最為廣泛的互操作架構。它將計算機網絡抽象為七層，從下至上分別是：物理層，鏈路層，網絡層，傳輸層，會話層，表示層，應用層，實現了L1技術互操作，L2語法互操作和L3語義互操作。技術互操作由OSI模型的1～4層管理，提供一套基于協議的網絡基礎設施技術，實現網絡交換原始信息的能力。語法互操作由OSI的5～6層處理，提供正在傳輸的數據類型和格式，實現節點之間交換結構化數據的能力。語義互操作由OSI的第7層應用層實現，使系統能從應用程序的上下文中解釋結構化數據的含義。在OSI架構中，技術互操作得到很好地理解和標準化，而語法和語義互操作則依賴于特定行業或特定應用，并進行相應的優化。

（2）工業互聯網互操作架構

為了促進工業場景的互操作性，工業互聯網聯盟（IIC）提出了工業互聯網連接框架（IICF），如圖1所示。該框架將OSI模型的表示層和會話層重新整合為互操作框架層，通過提供必要的機制，以實現數據的結構化和無歧義解析。從該連接框架可以看出，工業互聯的技術互操作仍然沿用OSI模型中物理層、鏈路層、網絡層和傳輸層中的成熟協議，對現有基礎設施進行改進，以滿足工業控制的實時性和可靠性要求。而語法互操作則將之前的客戶端/服務器模式擴展到發布/訂閱模式和基于統一資源定位的Web服務模式，允許應用程序以不同的服務質量（QoS）級別來傳輸狀態、事件和流等結構化數據。信息層旨在實現語義互操作，雖然各行業均在建立覆蓋盡可能廣泛的信息模型，但是目前還沒有適用于跨行業的標準化統一語義數據模型。

2.2 軍用領域互操作架構

（1）北約無人機控制站互操作標準化接口（STANAG 4586）

隨著無人機技術的發展，無人機大量應用到指揮、控制、通信、計算機和情報系統（C4I）中，STANAG 4586標準被制定用來實現不同地面控制站與不同無人機及其載荷之間的互操作性，其互操作架構如圖2所示。STANAG 4586包含了無人機核心部件（CUCS）和飛行器之間的接口、CUCS和外部C4I系統之間的接口，以及CUCS和無人機系統操控員之間的接口，通過對系統信息的資源共享和共同利用來滿足任務目標需求，有效提高靈活性和效率[3]。需要指出的是，CUCS僅對飛行器進行非實時和近實時控制，飛行器的實時控制由飛行器專用設備（VSM）來實現。

（2）無人系統聯合體系（JAUS）

JAUS最初是美陸軍針對無人地面車輛而建立的消息集合和數據協議，后來聯合工業界和學術界形成無人地面系統聯合體系（JAUGS）。隨著無人系統的發展，JAUGS的研究對象擴大到美國防部范圍內的所有無人系統，并正式更名為無人系統聯合體系JAUS。2004年，美國機動車工程師協會將JAUS納入到航天航空標準下的無人系統子類標準。自此，JAUS的發展勢不可擋，已成為民用領域無人系統互操作的事實標準之一。

如圖3所示，JAUS定義了一種通用的無人系統體系結構，采用分層的方式劃分了系統層、子系統層、節點層、構件/實例層、以及服務層。系統層是一系列可互操作的子系統的集合體，子系統層則對應無人系統中的物理實體或操控員控制單元，節點層則是為子系統提供某種能力的軟件、硬件模塊。構件可看做節點中提供某種服務或多種服務的應用程序，而實例則對應于應用程序的一個實現。JAUS以模塊化、松藕合、可擴展的體系結構為基礎，以一組與具體應用無關、可重用的構件和服務為支撐，以標準接口消息為交互保證，支持面向作戰任務的系統重構和技術集成，從而使遵循JAUS的無人系統之間具有互操作性[4]。

（3）無人系統控制段（UCS）

STANAG 4586將無人系統分為地面部分、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人機控制部分，試圖建立一個通用的基礎服務體系，使無人機控制模塊可以接入任意無人系統中，也可與任意無人系統實現互操作。UCS將軟件系統架構分成六個域，空間態勢域：提供態勢感知信息以指揮控制和保護無人機;外部消息與通信域：管理UCS和外部C4I系統之間的通信接口;任務規劃域：產生和監控所有任務規劃;初始任務控制域：接收任務命令，并執行該任務;傳感器信息域：獲取傳感器信息，監控信息質量，處理并發送;系統支持域：提供綜合后勤保障服務，支持無人機運作。UCS基于模型驅動架構（MDA）的概念，抽象出與實現技術無關的完整描述業務功能的核心平臺無關模型（PIM），通過制定針對不同技術的轉換規則及輔助工具將PIM轉換成與具體實現技術相關的平臺（PSM），如圖4所示[5]。

3 存在的問題與解決方案

目前開展的互操作研究既缺乏系統的基礎理論支撐，又缺乏對互操作性的協調一致理解，因而還存在以下問題：

（1）民用領域的工業互聯網采用已有的基礎設施和廣泛應用的TCP/IP協議棧，已基本實現異構系統的互聯互通，并朝著語義互操作階段快速發展。而軍用領域的無人系統互操作仍處在制定數據接口協議的語法互操作階段。

（2）新興信息技術的飛速發展驅動著產業的重大變

革，工業互聯網的興起聚焦于信息化共享的數據要服務于工業化，但是，決策控制對數據的實時可信需求反過來推動著信息化技術的發展，目前主要集中于對已有基礎設施的改造以提高實時性和可靠性。

（3）智能無人系統的蓬勃興起促進了人工智能等新興信息化技術在國民生活領域的廣泛應用，數據接口協議恰是實現無人系統互操作性的基礎。然而，現有的無人系統互操作協議仍然采用傳統互聯網的基礎設施和協議棧，這將為智能無人系統更高層次的互操作性埋下隱患。

通過以上分析，以下是建議的解決方案：

（1）無論是民用領域還是軍用領域，無論是有線網絡還是無線網絡，互操作的核心是數據共享能力和數據使用能力。數據感知是數據共享的前提，決策控制是數據使用的目的。因此，互操作架構要具有通用性，要能覆蓋互操作的各個階段（等級）。

（2）決策控制是互操作性研究的重要著力點，它將傳統的以數據共享為目的的“分組交換網”提升到以數據使用為目標的“控制交換網”。對于“控制交換網”，互操作性不僅要研究基于現有基礎設施及現有協議棧的實現途徑，還要研究新的基礎設施或新的協議棧以應對更高性能的挑戰。

（3）智能無人系統區別于傳統互聯網和工業互聯網的重要一點是，無人系統從地面范圍擴大到水面、水下、空中、甚至到臨近空間，大量的無線連接使得其復雜性遠超以有線網絡為骨干的互聯網。因此，針對智能無人系統應統籌規劃，設計全新的“開放系統互操作性模型”。

參考文獻：

[1]湯再江，徐享忠，等.指揮信息系統與作戰仿真系統互操作研究綜述[J].系統仿真學報，2015，27（8）.

[2]晉芳華，劉鵬，錢興華.語義級互操作的關鍵技術研究[J].艦船電子工程，2016，36（7）.

[3]卓琨，黃國策，等.美國無人系統路線圖中通信和互操作性發展研究[J].飛航導彈，2015（5）.

[4]M.-mMarques，等.兩種無人系統體系結構-STANAG 4586和JAUS[C].信息控制自動化國際會議，ICA 2015.

[5]劉澤勛.無人機控制模塊的概念與發展[J].飛航導彈，2016（4）.