具体实施方式

下面对本发明的实施步骤作进一步详细说明。

本发明基于模型的无人机系统架构设计方法，如图1所示，具体设计过程如下：

步骤1：建立无人机系统架构开发框架，包括定义无人机系统架构设计过程中关注的视角，以及每个视角中需要开发的视图，如表1所示，定义了3个视角，26个视图。3个视角包括作战视角、逻辑视角、物理视角。其中作战视角和逻辑视角按照需求、结构、行为、约束、数据、仿真分为5大类22个视图，物理视角按照产品、数据、仿真分类3大类4个视图。作战视角和逻辑视角中的需求、结构、行为、约束、数据类模型，以及物理视角中的产品和数据类模型都属于逻辑模型，三个视角中的仿真类模型都属于数学模型，但由于时空信息模型和系统几何模型具有时间和空间特性，因此又将它们单独划分为时空模型。这样26个视图模型就分为时空模型、逻辑模型、数学模型(特指赛博物理模型)三大类。

表1无人机系统架构开发框架

无人机系统架构开发框架，作为本发明的基础框架，后续步骤中体系模型、系统模型、组件模型的开发均基于此框架开展。

下面对无人机系统架构设计过程中关注的视角，以及每个视角中需要开发的视图进行说明：

1、作战视角

作战视角站在运行人员的角度，基于作战概念建立体系描述模型(包含作战的节点、交互、参与者等结构信息，作战的任务、活动、状态等行为信息，交换的物质、能量、信息等概念数据，作战效能的约束信息)，以及作战概念的时空信息模型。作战视角中包含的视图定义如下：

101、作战需求：对满足国家战略或应对外部威胁的作战任务以及相关的作战节点、作战活动、效能约束等提出的需求。

102、作战需求追踪：建立作战需求与作战任务、作战节点、作战交互、作战活动、作战状态、概念数据、效能约束等模型元素的追踪关系。

103、作战节点：通过对作战需求的分析，提取其中参与作战活动的各种实体，包括组织、流程、装备、人员等。

104、作战交互：基于作战活动分解，分析作战节点之间的资源交互，定义作战节点之间的作战端口以及作战端口传递的物质、能量、信息等。

105、作战参与者：是对参与作战任务的各种角色的抽象表达，参与者可以是组织、流程、人员、装备，甚至是自然环境和诱导环境。

106、作战任务：表示站在作战人员的视角，为满足作战需求所必须实现的作战目标，作战任务由作战参与者完成。

107、作战活动：表达每个作战任务实现的活动逻辑，以及相关的控制流和对象流，这些活动会被分配到相应的作战节点、参与者之上。

108、作战状态：表达作战过程中各种作战要素的状态迁移，其中也包括每个作战节点、参与者的状态迁移。

109、概念数据：表达作战过程中作战节点之间交换的物质、能量和信息，这些信息在作战交互和作战活动定义过程中会被引用。

110、效能约束：表达作战任务的效能指标(MOE)与不同作战节点、参与者的关键性能参数(KPP)相互之间的约束关系。

111、时空信息模型：以三维可视化的方式表达无人机系统作战概念在时间-空间上的推演过程。

2、逻辑视角

逻辑视角承接作战视角的模型制品，建立无人机系统中运载器、载荷、通信、控制等元素的系统描述模型(包含系统的构成、交互、参与者等结构信息，系统的功能、活动和状态等行为信息，交换的物质、能量、信息等逻辑数据，系统性能的约束信息)，以及系统几何模型。逻辑视角中包含的视图定义如下：

201、系统需求：对无人机系统的运载器、载荷、通信、控制等元素的结构、行为、约束、数据提出的技术需求。

202、系统需求追踪：建立无人机系统需求与无人机系统功能、系统构成、系统交互、系统活动、系统状态、逻辑数据、性能约束等模型元素的追踪关系。

203、系统构成：描述无人机系统中包含的运载器、载荷、通信、控制等元素的层级关系，形成无人机系统的分解结构。

204、系统交互：基于系统活动分解，分析无人机系统元素的资源交互，定义无人机系统元素交互的逻辑端口以及逻辑端口上传递的物质、能量、信息等。

205、系统参与者：表示与运载器、载荷、通信、控制等元素进行交互的各种角色，参与者可以是组织、人员、装备，甚至是自然环境和诱导环境。

206、系统功能：表示无人机系统向用户提供的可见的、有价值的服务(比如控制飞行、遂行侦察等)，系统功能由系统参与者完成。

207、系统活动：表示系统功能实现的活动逻辑，以及相关的控制流和对象流，这些活动会被分配到相应的运载器、载荷、通信、控制等元素之上。

208、系统状态：表达无人机系统在作战过程中状态的迁移，其中包括运载器、载荷、通信、控制以及系统参与者的状态迁移。

209、逻辑数据：表达运载器、载荷、通信、控制等元素之间交换的物质、能量和信息，这些信息在系统交互和系统活动定义过程中会被引用。逻辑数据是对概念数据的进一步细化，但不涉及具体的实现细节。

210、性能约束：表达无人机系统性能指标(MOP)与运载器、载荷、通信、控制等元素的性能指标(MOP)之间的约束关系。

211、系统几何模型：以可视化的方式表达运载器、载荷、通信、控制等元素的三维几何信息，并且可以集成无人机系统的离散和连续行为。

3、物理视角

物理视角承接逻辑视角的模型制品，设计运载器、载荷、通信、控制等元素的物理实现方式，建立系统的赛博物理模型，开展自底向上的虚拟集成和联合仿真，验证分配给运载器、载荷、通信、控制等元素MOP的可实现性以及系统MOP的可达成性，并基于验证过的设计参数生成系统元素的组件描述模型(包含组件的物理规范、物理接口、物理数据)。物理视角中包含的视图定义如下：

301、物理规范：表达运载器、载荷、通信、控制等元素自身的物理规格，包含尺寸、重量、功耗等信息。

302、物理接口：表达运载器、载荷、通信、控制等元素之间的物理连接，包括机械、电气、信息等类型，物理接口是对逻辑端口的实例化。

303、物理数据：表达运载器、载荷、通信、控制等元素的接口传递的物质、能量、信息的物理格式，与具体的实现方式有关。

304、赛博物理模型：表达运载器、载荷、通信、控制等元素在机械、电气、液压、控制等方面的数学模型。

步骤2：设计无人机系统作战视角开发流程，根据输入的无人机系统作战概念，开发无人机系统作战的逻辑模型和时空模型，开展体系模型的仿真，验证体系模型的合理性，生成作战需求。

无人机系统作战视角开发流程是在充分综合作战视角中各种视图的功能逻辑关系以及SysML的语法语义规则下，定义的一种满足无人机系统体系模型开发的建模流程，如图2所示，主要包括以下9个活动：

(1)站在无人机系统作战人员的角度，分析用户提供的作战概念描述，将作战概念转化为条目化作战需求，使用SysML的需求图表达；

(2)从作战需求中识别相关的作战节点，使用SysML的块定义图表达；

(3)从作战需求中识别主要的作战任务，使用SysML的用例图表达；

(4)为每个作战任务定义作战活动，以及作战活动之间的控制流和数据流，并且将这些活动分配至不同的泳道，每个泳道与作战节点相关联，使用SysML的活动图表达；

(5)通过分析作战活动中的数据流，定义体系模型中使用的概念数据，使用SysML的块定义图表达；

(6)基于活动(4)和活动(5)，可以定义作战节点之间传递的同步或异步消息，使用SysML的顺序图表达，此步骤可选；

(7)基于活动(4)和活动(5)，可以将不同泳道之间的控制流和数据流转换为作战节点之间的作战端口，并定义作战端口中传递的概念数据，使用SysML的内部块图表达；

(8)分析作战节点可长时间保持的状态，并将状态与泳道中分配给作战节点的作战活动相关联，定义作战节点的状态迁移逻辑，使用SysML的状态机图表达；

(9)定义作战概念的效能指标MOE和作战节点的关键性能参数KPP，并建立MOE和KPP之间的约束关系，使用SysML的参数图表达。

经过步骤2中环环相扣的设计和建模活动，生成面向作战概念的无人机系统体系描述模型，通过模型的分析和执行，对作战需求进行验证和确认，最终输出正确的无人机系统作战需求，作为无人机系统模型开发的输入。

步骤3：设计无人机系统逻辑视角开发流程，根据输入的无人机系统作战需求，开发无人机系统自身的逻辑模型和几何模型，开展系统模型的仿真，验证系统模型的合理性，生成系统需求；

无人机系统逻辑视角开发流程是在充分综合逻辑视角中各种视图的功能逻辑关系以及SysML的语法语义规则下，定义的一种满足无人机系统模型开发的建模流程。如图3所示，主要包括以下9个活动：

(1)站在无人机系统设计人员的角度，将分配给无人机系统作战节点的作战需求转化为无人机系统的技术需求，使用SysML的需求图表达；

(2)基于分配给无人机系统作战节点的作战活动，将作战活动分解为无人机系统的顶层功能，使用SysML的用例图表达；

(3)基于无人机系统的顶层功能，运用领域知识开展系统功能分解和分析，并将功能分配到不同的泳道，使用SysML的活动图表达；

(4)通过分析系统活动图中的泳道，定义无人机系统的内部组成元素，使用SysML的块定义图表达；

(5)通过分析系统活动中泳道之间的控制流和数据流，定义系统的逻辑数据，使用SysML的块定义图表达；

(6)基于活动(4)和活动(5)，可以分析系统元素之间传递的同步或异步消息，使用SysML的顺序图表达，此步骤可选；

(7)基于活动(4)和活动(5)，可以将不同泳道之间的控制流和数据流转换为系统元素之间的逻辑端口，并定义逻辑端口中传递的逻辑数据，使用SysML的内部块图表达；

(8)分析系统元素可长时间保持的状态，并将状态与泳道中分配给系统元素的系统活动相关联，定义系统元素的状态迁移逻辑，使用SysML的状态机图表达；

(9)将分配给无人机系统作战节点的关键性能参数KPP转化为无人机系统的性能指标MOP，并建立无人机系统MOP和系统元素MOP之间的约束关系，使用SysML的参数图表达。

经过步骤3中环环相扣的设计和建模活动，生成无人机系统描述模型，通过模型的分析和执行，对系统需求进行验证和确认，最终输出正确的系统需求，作为无人机系统组件模型开发的输入。

步骤4：设计无人机系统物理视角开发流程，根据输入的无人机系统需求，开发无人机系统组件的逻辑模型和数学模型，开展组件模型的仿真，验证组件模型的合理性，生成组件需求。

无人机系统物理视角开发流程是在充分综合物理视角中各种视图的功能逻辑关系以及SysML和Modelica的语法语义规则下，定义的一种满足无人机系统组件模型开发的建模流程，如图4所示，主要包括以下6个活动：

(1)建立面向无人机系统的SysML和Modelica的映射规则，将无人机系统模型中的系统组成和交联关系转化为无人机系统的赛博物理模型；

(2)检查无人机系统基于Modelica的赛博物理模型和基于SysML的系统描述模型之间的映射关系，确保具有相同的层级、构成和接口关系；

(3)使用学科知识开发无人机系统组件的赛博物理模型，并按照无人机系统的层级、构成和接口关系自底向上集成为无人机系统的快速原型；

(4)通过运用非因果的Modelica求解器，开展无人机系统快速原型的联合仿真，验证设计参数满足系统元素及系统的性能指标MOP；

(5)将经过仿真验证的设计参数作为物理规范向下传递，并使用SysML中的实例规范块定义图进行描述；

(6)将物理规范中涉及的物理接口和物理数据使用SysML中的实例规范块定义图进行描述。

经过步骤4中环环相扣的设计和建模活动，最终生成基于实例规范的无人机系统组件模型。

步骤5：开展作战视角、逻辑视角、物理视角跨层级的时空模型、逻辑模型和数学模型的集成，实现多领域、多维度、多学科的无人机系统架构仿真，对无人机系统的作战需求、系统需求、组件需求进行闭环验证。其中，提到的“实现跨领域、多维度、多学科的无人机系统架构仿真”，是指跨越时间空间、功能逻辑、离散连续的不同领域，涉及一维到三维的不同维度，综合机械、电气、液压、控制等多种学科，实现了轻量化的综合集成验证。

在构建无人机系统体系描述模型、系统描述模型、组件描述模型、赛博物理模型的同时，还需要同步开发无人机系统作战概念的时空信息模型和系统几何模型，用于表达与无人机系统交互的自然环境和外部系统。

上述模型按照特征可划分为时空模型、逻辑模型和数学模型，通过集成三类异构模型将无人机系统的功能逻辑和数学机理置于作战环境之中，实现面向作战概念的无人机系统架构的快速验证，从而降低研制风险、缩短研制周期、提高产品质量。无人机系统架构“时空-逻辑-数学”模型的集成原理如图5所示，其中涉及到三种接口的集成开发：

(1)时空-逻辑接口主要从时空模型中获取事件、信号、位置、距离等数据，触发逻辑模型中作战行为的执行，同时逻辑模型根据作战逻辑和作战规则驱动时空模型的仿真；

(2)逻辑-数学接口主要实现逻辑模型和数学模型之间的结构、数据、接口的转换，逻辑模型向数学模型传递系统架构和指标约束，同时数学模型向逻辑模型反馈求解结果和物理参数；

(3)数学-时空接口主要基于数学模型的实时解算结果驱动时空模型中时间空间信息的变换，从而产生新的事件、信号、位置、距离等。

实施示例

下面结合设定的作战概念对本发明的实施步骤进行演示说明。

作战概念：未来某个时刻在某个区域发现可疑目标，指挥中心通过通信卫星指挥某新型无人机系统遂行侦察及打击任务。现在需要使用基于模型的无人机系统架构设计方法开展该新型无人机系统架构的设计工作。

(1)开发无人机系统作战视角模型，如图6所示。下面根据图中建议的步骤依次进行解释：

步骤1、使用需求图建立作战需求：通过对作战概念的分析得到“作战需求1”和“作战需求2”；

步骤2、使用块定义图建立作战节点：通过对作战概念的分析可以提炼出其中涉及的作战节点包括指挥中心、无人机系统、通信卫星、可疑目标；

步骤3、使用用例图建立作战任务：通过对作战概念分析，可以得到主要的作战概念是联合侦察打击，并且上述四个作战节点都参与其中；

步骤4、使用活动图建立作战活动：建立联合侦察打击作战任务的作战活动，使用泳道图进行表达，泳道设计步骤3中的所有的参与者；

步骤5、使用块定义图建立概念数据：通过对步骤4中建立的泳道图的分析，可以得到作战活动之间传递的概念数据包括作战指令、侦察信息、攻击能量、目标数据。

步骤6、使用顺序图建立作战消息：对步骤4和步骤5中识别的行为和数据的另一种展现方式，此步骤可选；

步骤7、使用内部块图建立交联关系：通过对步骤4和步骤5中模型的分析，可以得到指挥中心、无人机系统、通信卫星、可疑目标之间传递的数据；

步骤8、使用状态机图建立作战状态：对指挥中心、无人机系统、通信卫星、可疑目标的作战状态进行分析，分别建立各自的状态机以及状态跳转的条件，并集成步骤4中分配给各个节点的作战活动；

步骤9、使用参数图建立效能约束：定义整个作战概念的效能指标MOE，以及指挥中心、无人机系统、通信卫星、可疑目标的关键性能参数KPP，并建立MOE和KPP之间的数学方程。

(2)开发无人机系统逻辑视角模型，如图7所示。下面根据图中建议的步骤依次进行解释：

步骤1、使用需求图建立系统需求：根据分配给无人机系统的作战需求分析得到“系统需求1”和“系统需求2”；

步骤2、使用用例图建立系统功能：通过对作战概念分析，可以得到主要的系统功能是侦察打击，系统参与者是通信卫星和可疑目标；

步骤3、使用活动图建立系统活动：建立侦察打击系统功能的系统活动，通过对系统活动划分泳道可以得到系统元素构成，包括有效载荷、飞航导弹、飞机平台、通信链路，以及与通信卫星和可疑目标的交互；

步骤4、使用块定义图建立系统组成：通过对系统活动泳道的分析可以系统的组成，步骤3和步骤4可以递归进行，从而识别出最底层的系统元素；

步骤5、使用块定义图建立逻辑数据：通过对步骤3中泳道图的分析，可以得到系统元素之间传递的逻辑数据，是对作战指令、侦察信息、攻击能量、目标数据等概念数据的进一步细化。

步骤6、使用顺序图建立系统消息：对步骤4和步骤5中识别的行为和数据的另一种展现方式，此步骤可选；

步骤7、使用内部块图建立交联关系：通过对步骤4和步骤5中模型的分析，可以得到有效载荷、飞航导弹、飞机平台、通信链路之间传递的数据，以及与通信卫星和可疑目标交互的数据；

步骤8、使用状态机图建立系统状态：对有效载荷、飞航导弹、飞机平台、通信链路的系统状态进行分析，分别建立各自的状态机以及状态跳转的条件，并集成步骤3中分配给各个系统元素的系统活动；

步骤9、使用参数图建立性能约束：将无人机系统的关键性能参数KPP转化为无人机系统的性能指标MOP，并基于系统MOP分解定义有效载荷、飞航导弹、飞机平台、通信链路的MOP，建立MOP之间的数学方程。

(3)开发无人机系统物理视角模型，如图8所示。

基于逻辑视角的无人机系统描述模型，生成无人机系统赛博物理模型，一般来说无人机系统描述模型和赛博物理模型具有相同的层次结构和接口关系；

步骤1、基于无人机系统SysML和Modelica的映射规则，将无人机系统的SysML描述模型转化为基于Modelica的赛博物理模型；

步骤2、对无人机系统基于Modelica的赛博物理模型和基于SysML的系统描述模型进行检查，确保模型之间具有相同的层级、构成和接口映射关系；

步骤3、使用学科知识设计无人机系统组件，开发组件的赛博物理模型，并按照无人机系统的层级、构成和接口关系自底向上集成为无人机系统的快速原型；

步骤4、开展无人机系统快速原型的联合仿真，验证无人机系统组件的设计参数满足系统元素及系统的性能指标MOP；

步骤5、使用SysML中的实例规范块定义图记录经过仿真验证的设计参数，作为无人机系统组件的物理规范向下传递；

步骤6、使用SysML中的实例规范块定义图记录物理规范中涉及的物理接口和物理数据。