0 引言

随着电子信息技术的发展，现代战争的信息化水平也愈来愈高，同时以无人机（UAV）、无人艇 （USV）和无人潜器（UUV）为代表的无人平台也在逐步应用于作战中，但目前这些平台的单体能力有限，单一平台难以满足任务需求^[1-3]。跨域无人集群系统是解决这一问题的重要途径，而其中的核心正是指控软件。

跨域无人集群系统以陆域、海域、空域为主要作战空间，依靠大量在陆、海、空、天等不同空间域运行的、具有显著功能差异性的无人系统组成的有机整体^[2]，通过任务规划、信息交互、行为协同等方式实现功能互补，从而取得作战优势，拥有在复杂任务场景下执行任务的能力^[1]。其指控软件则有着高度的实时性、可靠性与可扩展性的设计需求^[4]。那么要设计跨域无人集群系统指控软件通常需要软硬件知识相结合，且涉及多个领域的专业知识，设计过程中存在需求变更频繁的问题^[5-6]，是一个复杂的前沿技术难题。传统的系统工程设计模式基于大量的文档，而基于文档的系统工程所设计的指控软件随着系统复杂性增长往往会出现组织结构混乱、功能不够清晰、鲁棒性差等问题，每新增一个模块，其系统复杂度都会成倍提升，为后续的测试和维护带来极大困难^[7]。因此，基于文档的系统工程设计模式无法满足跨域无人集群系统指控软件对于鲁棒性强、可扩展性强的需求，无法解决其需求变更频繁会带来的问题。

基于模型的系统工程（MBSE）以系统工程方法论为指导，设计中做出的每个决定都被捕获为一个模型元素（或者元素之间的关系），只位于系统模型的单一位置^[8]。建模语言、建模方法和建模工具是 MBSE 的 3 大支柱。

在 MBSE 的设计过程中，通常会使用系统建模语言（SysML）来创建系统结构、行为、需求和约束的模型。SysML 是一种图形化建模语言，可以使用它来可视化并且沟通各种规模的社会技术系统的设计—— 由硬件、软件、数据、人和过程组成的系统^[9]。

Harmony 是 MBSE 的建模方法论之一，结构如图1 所示，该方法论主要分为 3 个层次：需求分析、功能分析、设计综合（架构分析与设计）。在需求分析阶段，需要确定系统需求，包括功能需求和非功能需求；在功能分析阶段，需要对系统功能进行分析和建模；在设计综合阶段，需要对系统架构进行分析和设计。整个系统功能的测试开发流程的每个阶段都是以模型的方式进行表达^[10]。此外，Harmony 方法论强调对 SysML 活动图、顺序图、状态图3 种行为图的依次建模，减弱了参数图的重要性。

在指控软件的设计方面，文献^[11]提出一种基于 MVP 模式的指控软件设计模式，提升了指控软件的开发效率，但依旧基于文档进行开发，没有很好地克服该传统模式的局限性。

在 MBSE 应用方面，目前 MBSE 在国内的航空航天领域得到广泛应用，文献^[12]提出利用 MBSE 在航天任务上进行分析与设计。文献^[13]提出一种基于 MBSE 的卫星测控模拟器设计，从系统需求分析、系统设计、系统验证都基于 MBSE 来完成。文献^[14]利用 SysML 完成北斗接收机的系统建模，并基于 MBSE 进行了系统验证。

针对跨域无人集群这一复杂系统的指控软件设计，本文提出一种基于 MBSE 的指控软件设计技术，基于 Harmony 方法论结合 SysML 对指控软件设计进行了建模，最后以仿真测试验证系统的有效性。

1 需求分析

基于 Harmony 的思想，使用 SysML 语言对指控软件的需求模型进行设计。需求图是 SysML 中的主要媒介，一般会使用 6 种关系来确立需求之间的可跟踪性^[15]。在系统开发中，需求变更是普遍会遇到的问题，通过构建需求与系统模型之间的依赖关系，可以生成需求可跟踪性和验证矩阵，并在需求发生变更时执行下游的影响分析，能够节省大量时间^[16]。

指控软件通过与连接的硬件设备、部件、子系统进行指令下发和信息交互，来完成系统所预期的功能^[17]。本文所研究的跨域无人集群系统指控软件需要具备以下功能：

1）态势显示。跨域无人集群系统指控软件在用户交互界面上需要有海图显示和雷达图像显示，示其状态信息，包括位置信息，武器装备信息等，对于搭载了摄像头的无人装备平台，则需要拥有对应的实时视频显示。

2）信息融合处理。态势数据融合是跨域无人集群系统必须具备的能力，由于构成集群的不同无人装备平台所搭载的载荷在感知方式、数据类型、数据误差、数据量级等方面存在显著差异，因此，将不同无人装备平台所获得的态势信息进行统一融合和表述，是态势信息共享共用的关键。

3）数据存储。指控软件需要对关键数据进行存储，如目标位置、图像等、系统行为、系统配置等。

4）作战决策。跨域无人集群系统指控软件需要根据实时战场态势对不同无人装备平台进行管控，实时掌握无人装备平台状态、评估作战进度、下达指令和同步作战行动。

5）通信管理。通信组网管理技术是实现无人系统跨域协同的重要支撑。跨域无人集群系统会在复杂、动态、不可预测的环境下运行，因此需要通信网络具备较高的可靠性和灵活性，以适应不同场景下的通信需求。此外，还需要通信组网管理技术对跨域无人集群系统进行远程控制和监测，确保其能够安全、准确地执行任务。在跨域协同过程中，通信网络可以提供实时的状态监测、故障诊断和应急响应等功能，保证整个系统的稳定性和可靠性。

基于 SysML 设计的指控软件需求图如图2 所示。指控软件的功能需求可分解为多个子需求，需求关系则表达了需求之间或需求与外部元素之间的关系。例如在图2 中除了需求包含关系之外，还存在需求跟踪 trace 关系、需求改善 refine 关系、需求继承 derive 关系。对于 trace 关系，数据存储功能需要跟踪信息融合处理功能，而当需求变更时，相应的设计部分将会收到提示信息，同时也能建立需求跟踪矩阵。对于 refine 关系，雷达图像显示、海图显示等功能是对态势显示功能的细化与补充。对于 derive 关系，操作记录存储功能继承于数据存储功能，并且依赖关系是可传递的。因此，如果基本的需求发生变更，那么影响会贯穿整个继承需求关系链。

2 系统设计

根据 Harmony 方法论，在完成需求模型的设计后需要将需求模型对应的内容进行设计表达。在这一阶段，以模块定义图来描述系统的构成，内部模块图来表达系统内部各子系统之间的交互，完成对指控软件结构模型的设计，以活动图的形式对系统功能流程进行表达，完成对指控软件行为模型的设计。

2.1 模块定义图设计

模块定义图（Block Definition Diagram，BDD） 是最常见的一种 SysML 图。BDD 中可以显示不同类型的模型元素和关系，以说明系统结构的信息^[18-19]。还可以采用创建扩展系统结构的设计技术，这种技术能在需求发生变更时，降低修改设计所需要的时间和成本。

根据需求分析，跨域无人集群系统指控软件由用户交互界面、信息融合处理模块、数据存储模块、作战决策模块、通信管理模块组成，模块定义图如图3 所示。

其中，跨域无人集群包括 UAV 集群、USV 集群、UUV 集群，指控软件与跨域无人集群之间存在引用关联的关系，彼此之间通过协议指令进行通信。同时，根据无人集群所搭载的不同传感器，无人集群还会向指控软件传输实时视频流及雷达信号，与雷达图像模块、视频显示模块之间同样存在引用关联的关系。信息融合处理模块分为指令解码和态势融合 2 个子模块，在接收无人集群上传的信息后进行解码以及数据融合后再存入数据存储模块。指控软件内部功能模块之间、指控软件与无人集群之间存在数据接口，根据传输数据的不同分为系统内部数据接口、外部指令信息接口、视频流数据接口以及雷达信号接口。

2.2 内部模块图设计

在完成了对系统组成成分的设计后，还需要对外部元素与内部系统之间的交互、以及子系统内部之间的交互进行设计。内部模块图（Internal Block Diagram，IBD）定义了系统内部的结构及接口关系，是对 BDD 中表达的内容做补充。如图4 所示，指控软件的 IBD 中定义了系统内部的数据接口以及对外的信息接口。图中还体现了系统内部功能模块之间的交互，可以看出，几乎所有的功能模块都需要与数据存储模块交互来存取相应数据。

2.3 活动图设计

活动图是能够用来传达系统动态行为信息的 SysML 图之一，可以表达各种各样的活动，是一种系统的动态视图^[20]，说明随着时间的推移行为和事件的发生序列。选择 SysML 的活动图对系统功能进行设计。

指控软件活动图如图5 所示，由于跨域无人集群高度自主的特性，指控软件在功能上也需要尽可能减少人工干预的情况出现，以指控软件的自主决策为主。根据活动图可以清晰地看出，执行任务时，任务开始的指令由作战决策模块下达。跨域无人集群在任务执行的过程中需要持续并高频地向指控软件回传信息，指控软件则需要根据协议对信息进行解析。由于无人集群搭载的不同传感器在精度上的差异，指控软件还需要对回传的信息进行融合，以最大程度减小误差。跨域无人集群回传的信息经过处理后均存储在数据存储模块中，作战决策模块则需要不断读取存储模块中的数据，以判断任务的进展情况并作出下一步的决策。作战决策模块是整个指控软件功能的核心，除了正常的任务流程控制之外，遇到异常情况也需要作战决策模块来处理。

3 系统验证

在系统验证阶段，本文以小规模的任务场景结合 SysML的状态机图对指控软件进行系统验证。SysML 的状态机图描述系统或模块根据事件而产生的行为，既可以描述系统层级的工作行为，也可以描述模块细节行为。本文设计的任务场景如图6 所示。

任务场地位于海域，任务目标包括水面动目标 1 个，水下动目标 1 个。参与测试的无人平台包括 UAV 1 架，USV 2 艘，UUV 1 艘。任务开始后， UAV 和 USV 在场地范围内搜索水面目标，UUV 按自定轨迹巡航，水面动目标和水下动目标进入场地后按既定航线航行。UAV 或 USV 发现目标后，共享目标信息给其他平台，UAV 及 USV 对水面目标进行联合跟踪。UUV 航行至指定区域对水下目标进行拦截并跟踪。当水面动目标及水下动目标均驶离任务区域，任务结束。

针对上述任务场景，基于 SysML 构建的指控软件作战决策模块的状态机图如图7 所示。在开始执行任务后，指控软件会依次进入任务开始，水面目标搜索，水面目标跟踪，水下目标跟踪，任务结束 5 个状态，每个状态中还会存在子状态。只有当执行完当前状态的任务或执行任务超时的时候，指控软件才会转换任务状态，进入下一状态。

根据本文建立的指控系统模型，结合 C++语言完成代码编写，并对上述任务逻辑进行测试。整体任务流程持续时间为 23 min，根据指控软件存储的数据进行效能评估，评估结果如表1 所示。在任务过程中，跨域无人集群系统指控软件能够根据不同无人平台回传的信息进行态势显示，并根据任务状态的变化下达指令，若没有收到无人平台回传的指令接受确认信息，指控软件会进行重传。测试结果表明，跨域无人集群能够正确地在任务逻辑的驱动下完成水面目标搜索、水面目标跟踪、水下目标跟踪等任务。

4 结束语

在指控软件设计上，本文基于 SysML 首先构建了指控软件的需求模型，明确了指控软件的需求及需求关系，然后构建了指控软件的结构模型和行为模型，描述了指控软件构造性的特征以及执行任务时的状态。在指控软件验证上，本文设计了具体的作战场景，并针对作战场景以 SysML 的活动图对任务流程进行了描述。验证结果表明，本文提出的基于 MBSE 的跨域无人集群指控软件设计技术克服了基于文档的设计模式在需求上难以更改、跟踪，在设计上难以复用的问题，基于本技术设计的指控软件能够满足实战需求，设计过程中可以快速进行需求变更分析，在进行相似软件设计时只需修改部分设计即可实现复用。

参考文献