本發(fā)明涉及一種基于云計算和大數(shù)據(jù)無人機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人機是一種有動力、可控制、能夠執(zhí)行多種類型任務(wù)的無人駕駛飛行器，其具有造價低廉、機動靈活、部署便捷等特點，是替代有人駕駛飛機或衛(wèi)星執(zhí)行偵察、巡航等任務(wù)的最佳選擇。無人機可廣泛完成軍、民應(yīng)用領(lǐng)域的多種任務(wù)，目前已經(jīng)成為各發(fā)達國家必爭的戰(zhàn)略技術(shù)高地。因為無人機不需要人的直接駕駛，而且由于其機動靈活，所以在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中扮演著越來越重要的角色，因此對無人機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的迫切需求日益增長。傳統(tǒng)的作戰(zhàn)規(guī)劃更多停留在軍事謀略的層面，很大程度上依賴個人經(jīng)驗和指揮藝術(shù)，規(guī)劃結(jié)果的實施和貫徹也難以得到有效保證。隨著無人機的發(fā)展，無人機越來越多的運用到軍事中，且隨著戰(zhàn)場中無人機數(shù)量的增多，且各種環(huán)境信息，敵我信息的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)規(guī)劃已經(jīng)無法集中統(tǒng)一科學(xué)地存儲、管理、分析長時間大范圍海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，無法進行各種具體的數(shù)據(jù)挖掘處理，也不具備良好的冗錯能力，且依賴于指揮人員的經(jīng)驗進行規(guī)劃，不支持多個指揮人員的并行訪問，整個任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)容易崩潰、癱瘓。

云計算的基本思想是利用遠程或者非本地的集群計算機或者分布式計算機為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供軟硬件、計算和存儲等服務(wù)。云計算的主要技術(shù)有虛擬化技術(shù)、分布式處理技術(shù)以及負載均衡技術(shù)，本專利中云計算運用到的主要技術(shù)是分布式處理技術(shù)。

蟻群算法，又稱螞蟻算法，是一種用來尋找優(yōu)化路徑的機率型算法。蟻群算法是一種模擬進化算法，初步的研究表明該算法具有許多優(yōu)良的性質(zhì)。其主要特點是通過正反饋、分布式協(xié)作來尋找最優(yōu)路徑。這是一種基于種群尋優(yōu)的啟發(fā)式搜索算法。它充分利用了生物蟻群能通過個體間簡單的信息傳遞，搜索從蟻巢至食物間最短路徑的集體尋優(yōu)特征，以及該過程與旅行商問題求解之間的相似性。得到了具有NP難度的旅行商問題的最優(yōu)解答。同時，該算法還被用于求解Job-Shop調(diào)度問題、二次指派問題以及多維背包問題等，顯示了其適用于組合優(yōu)化類問題求解的優(yōu)越特征。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決目前無人機控制系統(tǒng)不適于大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于云計算和大數(shù)據(jù)無人機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)和方法。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于云計算和大數(shù)據(jù)的無人機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，包括信息采集模塊、數(shù)據(jù)信息管理中心以及輸出顯示系統(tǒng)，所述的信息采集模塊、數(shù)據(jù)信息管理中心以及輸出顯示系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接；

所述的信息采集模塊包括信息采集和接收裝置，用于采集和接收上級下達的任務(wù)信息、指揮控制信息、情報信息和戰(zhàn)場環(huán)境信息；并將采集和接收到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)信息管理中心；

所述的數(shù)據(jù)信息管理中心包括系統(tǒng)管理單元、原始數(shù)據(jù)單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)儲存單元，用于負責(zé)全部數(shù)據(jù)的存儲、處理、計算、分析，并將處理后的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給輸出顯示系統(tǒng)；所述的原始數(shù)據(jù)單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)儲存單元依次通信連接，原始數(shù)據(jù)單元的輸入端連接信息采集模塊的輸出端，數(shù)據(jù)儲存單元的輸出端連接輸出顯示系統(tǒng)的輸入端；

輸出顯示系統(tǒng)用于接收前述數(shù)據(jù)信息管理中心的分析結(jié)果，并進行顯示。

一種基于云計算和大數(shù)據(jù)的無人機任務(wù)規(guī)劃方法，采用如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括以下步驟：

由信息采集模塊采集和接收上級下達的任務(wù)信息、指揮控制信息、情報信息和戰(zhàn)場環(huán)境信息；并將采集和接收到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)信息管理中心；

由數(shù)據(jù)信息管理中心對全部數(shù)據(jù)的存儲、處理、計算、分析，并將處理后的結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給輸出顯示系統(tǒng)；

由輸出顯示系統(tǒng)接收前述數(shù)據(jù)信息管理中心的分析結(jié)果，并進行顯示。

所述的方法，所述的數(shù)據(jù)信息管理中心中的原始數(shù)據(jù)單元用于接收上級下達的任務(wù)信息數(shù)據(jù)、指揮控制信息數(shù)據(jù)、情報信息數(shù)據(jù)和戰(zhàn)場環(huán)境信息數(shù)據(jù)

所述的方法，所述的數(shù)據(jù)信息管理中心中的數(shù)據(jù)處理單元用于執(zhí)行航路規(guī)劃、任務(wù)載荷規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈路規(guī)劃、應(yīng)急處置規(guī)劃和數(shù)據(jù)生成加載，并通過基于分布式文件系統(tǒng)和分布式編程模型進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)以初步提取有用數(shù)據(jù)，再利用Chukwa采集數(shù)據(jù)、Avro使數(shù)據(jù)序列化、ETL并行加載各項數(shù)據(jù)，之后采用Kmeans進行聚類分析、Mahout進行分類分析、Spss進行回歸分析，同時采用遺傳算法進行全局航跡規(guī)劃和任務(wù)分配、動態(tài)規(guī)劃法進行局部航跡規(guī)劃、蟻群算法進行無人機的協(xié)同任務(wù)分配，最后利用Bootstrap進行整體模式評估。

所述的方法，所述的數(shù)據(jù)信息管理中心中的數(shù)據(jù)存儲單元采用Hadoop框架常用的Hive數(shù)據(jù)倉庫和Hbase非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)，同時采用數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移工具Sqoop、集群監(jiān)控工具Ambari、集群協(xié)同服務(wù)Zookeper來保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠快速準確存入所述數(shù)據(jù)存儲單元。

所述的方法，所述的數(shù)據(jù)信息管理中心中的系統(tǒng)管理單元采用分布式的海量日志采集、聚合和傳輸?shù)南到y(tǒng)Flume系統(tǒng)，用于記錄所述數(shù)據(jù)信息管理中心所發(fā)生的事件，包括系統(tǒng)訪問、功能修改、系統(tǒng)設(shè)置。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于，本發(fā)明實現(xiàn)了戰(zhàn)場中各種數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲及結(jié)果展示，將整個戰(zhàn)場中的數(shù)據(jù)信息全部管理起來，充分利用了數(shù)據(jù)中所包含的信息。

本發(fā)明利用云計算技術(shù)實現(xiàn)了硬件資源的虛擬化，節(jié)約了硬件資源成本，同時云計算分布式數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高了數(shù)據(jù)傳輸效率；其多個副本容錯技術(shù)、計算節(jié)點同構(gòu)可互換技術(shù)保障了數(shù)據(jù)信息的高可靠性。

本發(fā)明利用了大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)挖掘、回歸分析、分類分析、聚類分析技術(shù)對不同時間、不同地點、不同類別的海量數(shù)據(jù)進行分析，通過這些分析得出相應(yīng)的結(jié)論用于指揮人員指導(dǎo)現(xiàn)場作戰(zhàn)。

本發(fā)明通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量數(shù)據(jù)分析，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)形成特定數(shù)據(jù)庫，為當時或者以后的作戰(zhàn)提供基礎(chǔ)以及經(jīng)驗。

本發(fā)明在顯示系統(tǒng)中利用了實時數(shù)據(jù)分析技術(shù)，顯示系統(tǒng)所呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性得到充分保證，指揮人員能夠?qū)ΜF(xiàn)場的作戰(zhàn)情況進行實時監(jiān)督；本發(fā)明數(shù)據(jù)信息管理中心支持并行訪問，能同時滿足多個指揮人員以及操作人員對各個戰(zhàn)場的顯示要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明原始數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明數(shù)據(jù)信息管理中心內(nèi)部構(gòu)架圖；

圖4為本發(fā)明無人機任務(wù)規(guī)劃流程圖；

圖5為本發(fā)明實施例系統(tǒng)框圖；

圖6為本發(fā)明實施例部分顯示結(jié)果。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖與實例對本發(fā)明作進一步詳細說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

本實施例的系統(tǒng)包括信息采集模塊、數(shù)據(jù)信息管理中心以及輸出顯示系統(tǒng)，這三大部分通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接，其中：

信息采集模塊用于采集和接收上級下達的任務(wù)信息、指揮控制信息、情報信息(目標信息、敵作戰(zhàn)意圖等)和戰(zhàn)場環(huán)境信息(敵情、我情、地形、氣象、電磁)等。將采集和接收到的數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)信息管理中心的原始數(shù)據(jù)單元；在本實施例中信息采集模塊包括接收任務(wù)信息、指揮控制信息、情報信息，使用無人機和各種檢測設(shè)備檢測戰(zhàn)場環(huán)境信息，且利用3G網(wǎng)絡(luò)與遠程所述數(shù)據(jù)信息管理中心實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，同時所述顯示系統(tǒng)也同樣通過3G網(wǎng)絡(luò)與所述數(shù)據(jù)信息管理中心相連接，如圖5所示。

數(shù)據(jù)信息管理中心是本發(fā)明的核心部分，負責(zé)全部數(shù)據(jù)的存儲、處理、計算、分析，它將所得的數(shù)據(jù)信息存儲在原始數(shù)據(jù)單元，并結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進行一系列的分析、處理，給出各種不同形式的分析處理結(jié)果并存入對應(yīng)數(shù)據(jù)庫，便于無人機能夠根據(jù)戰(zhàn)場情況快速自主地進行作戰(zhàn)方案的調(diào)整或重規(guī)劃，同時相關(guān)指揮人員和操作人員也可以調(diào)用、查看、對比和分析；數(shù)據(jù)信息中心的基本構(gòu)架如圖3所示。

輸出顯示系統(tǒng)用于接收前述數(shù)據(jù)信息管理中心的分析結(jié)果，并由顯示終端予以顯示，便于相關(guān)指揮人員和操作人員對戰(zhàn)場中無人機的飛行情況進行實時監(jiān)控與管理。

本實施例中采用無人機作為的信息采集模塊中的檢測設(shè)備，用于檢測現(xiàn)場中地形、氣象、電磁、敵情、我情等。這些數(shù)據(jù)經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至所述數(shù)據(jù)信息管理中心。

所述信息采集模塊包括采集和接收上級下達的任務(wù)信息、指揮控制信息、情報信息(目標信息、敵作戰(zhàn)意圖等)和戰(zhàn)場環(huán)境信息(敵情、我情、地形、氣象、電磁)等，其中上級下達的任務(wù)信息、指揮控制信息以及情報信息都可以通過現(xiàn)場或者網(wǎng)絡(luò)等形式傳遞給系統(tǒng)中的信息采集模塊；而戰(zhàn)場環(huán)境信息則可以通過攜帶在無人機上或者戰(zhàn)場中的檢測裝置得到。這些采集到的信息可以通過移動基站、移動網(wǎng)絡(luò)管理中心、互聯(lián)網(wǎng)最后傳到數(shù)據(jù)信息管理中心。

所述基于云計算和大數(shù)據(jù)的無人機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)信息管理中心包含了原始數(shù)據(jù)單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、系統(tǒng)管理幾個部分。

所述原始數(shù)據(jù)單元包含了上級下達的任務(wù)信息數(shù)據(jù)、指揮控制信息數(shù)據(jù)、情報信息數(shù)據(jù)(目標信息數(shù)據(jù)、敵作戰(zhàn)意圖數(shù)據(jù)等)和戰(zhàn)場環(huán)境信息數(shù)據(jù)(敵情、我情、地形、氣象、電磁)等，如圖2所示，上級下達的任務(wù)信息數(shù)據(jù)是任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)，是保證任務(wù)規(guī)劃能夠進行的根本；指揮控制信息數(shù)據(jù)是任務(wù)規(guī)劃的核心，能夠保證任務(wù)規(guī)劃的順利進行；情報信息數(shù)據(jù)為任務(wù)規(guī)劃提供了方向；而戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)是戰(zhàn)場上的地形、氣象、電磁，是任務(wù)規(guī)劃的必要條件。

所述數(shù)據(jù)處理單元包括航路規(guī)劃、任務(wù)載荷規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈路規(guī)劃、應(yīng)急處置規(guī)劃、數(shù)據(jù)生成加載。其在分布式文件系統(tǒng)HDFS和分布式編程模型MapReduce的基礎(chǔ)之上采用數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)初步提取有用數(shù)據(jù)，再利用Chukwa采集數(shù)據(jù)、Avro使數(shù)據(jù)序列化、ETL并行加載各項數(shù)據(jù)，之后采用Kmeans進行聚類分析、Mahout進行分類分析、Spss進行回歸分析，同時采用遺傳算法進行全局航跡規(guī)劃和任務(wù)分配、動態(tài)規(guī)劃法進行局部航跡規(guī)劃、蟻群算法進行無人機的協(xié)同任務(wù)分配等，最后利用Bootstrap進行整體模式評估。圖6顯示了數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元處理之后在PC端顯示的結(jié)果。

所述的數(shù)據(jù)挖掘中Kmeans進行聚類分析具體實施步驟如下：

第一步：從n個數(shù)據(jù)對象任意選擇k個對象作為初始聚類中心；

第二步：根據(jù)每個聚類對象的均值(中心對象)，計算每個對象與這些中心對象的距離；并根據(jù)最小距離重新對相應(yīng)對象進行劃分；

第三步：重新計算每個(有變化)聚類的均值(中心對象)；

最后，計算標準測度函數(shù)，當滿足一定條件，如函數(shù)收斂時，則算法終止；如果條件不滿足則回到步驟(2)。

所述無人機的協(xié)同任務(wù)分配采用的主要是蟻群算法，而蟻群算法的求解主要是根據(jù)TSP問題的基本流程為例描述蟻群優(yōu)化算法的工作機制。TSP問題表示為一個無人機可能飛行的路徑的有向圖G＝(N，A)，

其中N＝{1,2,…,n}A＝{(i,j)|i,j∈N}

每條路徑之間距離(d_ij)_n×n

目標函數(shù)為，

其中w＝(i₁，i₂,…,i_n)為路徑1,2，…n的一個排列，i_n+1＝i₁。

所述的蟻群算法對TSP的求解有兩大步驟：路徑構(gòu)建和信息素更新。

所述的路徑構(gòu)建就是每個無人機都隨機選擇一個點作為其需要去完成任務(wù)的出發(fā)點，并維護每個路徑記憶向量，用來存放改無人機依次經(jīng)過的點。無人機在構(gòu)建路徑的每一步中，按照一個隨機比例規(guī)則選擇下一個要到達的點。因此，隨機比例規(guī)則為：

其中，i，j分別為無人機的起點和終點；

η_ij＝1/d_ij為能見度，是兩點i、j路距離的倒數(shù)；

τ_ij(t)為時間t由i到j(luò)的信息素(路徑上的點的個數(shù))強度；

allowed_k為尚未訪問過的節(jié)點集合；

α，β為兩常數(shù)，分別是信息素和能見度的加權(quán)值。

所述的信息素更新的初始化信息素濃度τ_ij＝C,如果C太小，算法容易早熟，無人機會很快的全部集中到一條局部最優(yōu)的路徑上。反之，信息素對搜索方向的指導(dǎo)作用太低，也會影響算法性能。

所述的蟻群算法中：C＝m/Cⁿⁿ。為了模擬無人機的在每條路徑上留下的信息素，當無人機完成依次飛行，也就是留下一條路徑是，必須把每條路徑的信息素濃度重新更新依次，分為兩個步驟：

第一步，每產(chǎn)生一條路徑后，路徑上的信息素可能會產(chǎn)生誤差，也就是沒有收集到，導(dǎo)致信息素濃度低；

第二步，無人機再根據(jù)自己構(gòu)建的路徑再次飛行，然后獲取其信息素

其中m為路徑是那個的點數(shù)，0＜ρ≤1為信息素的濃度，再蟻群算法中通常設(shè)置為0.5，為第k個點再路徑i到j(luò)所留下來的信息素，其中為：

所述數(shù)據(jù)存儲單元采用Hadoop框架常用的Hive數(shù)據(jù)倉庫和Hbase非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來存儲所述數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)，同時采用數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移工具Sqoop、集群監(jiān)控工具Ambari、集群協(xié)同服務(wù)Zookeper來保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠快速準確存入所述數(shù)據(jù)存儲單元。

所述系統(tǒng)管理采用分布式的海量日志采集、聚合和傳輸?shù)南到y(tǒng)Flume系統(tǒng)，用于記錄所述數(shù)據(jù)信息管理中心所發(fā)生的事件，包括系統(tǒng)訪問、功能修改、系統(tǒng)設(shè)置。。本實施例中的海量檢測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移工具Sqoop、集群監(jiān)控工具Ambari、集群協(xié)同服務(wù)Zookeper的協(xié)同作用下存儲在Hive數(shù)據(jù)倉庫和Hbase數(shù)據(jù)庫當中，以備后面調(diào)用分析。

所述顯示系統(tǒng)用于接收前述數(shù)據(jù)信息管理中心的航路規(guī)劃、任務(wù)載荷規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈路規(guī)劃、應(yīng)急處置規(guī)劃、任務(wù)推演與評估的結(jié)果，所有這些信息最終由電腦、平板、手機各種顯示終端予以顯示，這些顯示終端都是從基于虛擬資源的所述數(shù)據(jù)信息管理中心加載數(shù)據(jù)的，從而可以支持并行訪問，且數(shù)據(jù)信息實時性得到保證，不同指揮人員、操作人員可以隨時進行調(diào)用、查看。