CN112488506A - 一种智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法，主要围绕“分布式”和“可扩展”这两个特性的实现，从集群***的静态组织架构和动态运行机制两个层面进行设计，具体包括无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人***集群的动态自组织方法。本发明通过建立与无人***出席情况考勤、集群***角色任免和动态自组织运行保障相关的3大类共13个运行机制，对集群成员的动态损失和增加提供全面支持，实现***成员能进能出、全局数据动态更新、组织关系自动重构，在成员损失或增加情况下集群***依然可以稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及智能无人***技术领域，具体涉及智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法。
背景技术
随着无人***应用的场景和任务日趋复杂，单个无人***已经不能够满足需要，复杂任务需要多个无人***相互配合，形成集群，共同完成任务。要将无人***集群平台、功能模块、数据等要素组织起来，使集群能够发挥出更大的效能，是构建集群***时要解决的核心问题，但不前对此问题的研究很不充分。
现有研究中无人***集群通常采用的架构有集中式架构和分布式架构两种。
集中式架构是指由一台或多台主计算机组成中心节点，数据集中存储于这个中心节点中，并且整个***的所有业务单元都集中部署在这个中心节点上，***所有的功能均由其集中处理。例如胡建章等学者在水面无人艇集群及其控制方法研究中采用集中式的控制架构，岸站作为中心节点，每艘无人艇只能通过接收岸站的指令，各艇间无信息交互，无人艇需要按照预先规划的路径进行航行。然而当岸站与各艇间通信出现延迟甚至断开时，无人艇集群无法正常执行任务，并且该方法不具有集群成员数量的可扩充性，在实际航行执行任务中，出现无人艇损失或增加的情况，集群无法进行自组织调整，无法保证集群稳定，甚至导致集群瘫痪。
分布式架构是指去中心化，不存在处于主导地位的节点，每个节点都有能力接收来自外部的请求并进行相应的处理，不需要在单一中心上进行扩容。例如，齐智敏等学者针对智能无人集群提出了一种智能无人集群的三层分层结构，包含了支撑层、功能层、应用层三层，可以适应多种场景，完成任务，集群成员间可互相通信，交流信息。然而，三层的分层结构不支持完成大规模群体多主体、多层级的任务规划，未提及集群成员增减后对集群功能完整性的影响。王宇等学者在无人***集群海上作战应用研究中采用分布式架构，具有无中心和自主协同的特点，作战中成员的损失不会破坏集群的功能完整性，集群可以继续执行任务。但是不支持多任务，并且对于队形自组织、编队拆分/重组、集群协同航行等存在困难。
可以看出，目前集群***的架构设计面临以下问题：
(1)任务单一。集群***执行任务单一，与实际任务差距过大，缺少支持多任务的无人***集群架构。
(2)集群成员规模缺少可扩展性。对于集群架构设计方法，现有公开的架构大部分都采用集中式架构，缺少扩展灵活性，面对集群中出现无人***的损失或增加的情况，无法保障无人***集群的稳定性。
(3)集群全局优化困难。采用分布式架构，面临集群***通信量大，容易产生局部冲突，大部分集群***只能采用给定的路径，缺少灵活性，很难与实际情况结合，在实际中运用有很大困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，实现无人***集群任务需求，提供一种规模具有良好扩充性、支持多任务、***作业效率高、全局优化性好的智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法，包括无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人***集群的动态自组织方法两部分。
所述无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构具体包括：
(1)集群的基本结构与组成
一种适应“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构，其中，包含1个集群的全局领队节点，C为候补领队节点结合，X为一般无人***个体成员集合，柔性包括两方面含义：第一，成员角色不是一成不变的，是可以根据需要动态调整的；第二，三层结构是可变的，紧急情况可以越层调度，根据任务需要和观测条件可实现“三层结构两级控制”、“两层/三层混合结构与直辖/二级混合控制”以及“二层结构直辖控制”三种结构和控制模式的自动重构；
(2)集群中各类成员数量的计算方法
C和X的个数可按如下方法确定：设无人***集群规模为N，C由***可靠性指标确定，如“体系架构支持集群成员在损失或增加x％情况下，集群***保持稳定”，则C的个数|C|按
确定，其中
表示向上取整，X的个数|按|X|＝N-1-|C|确定，如此设计，可以确保在***成员(包括领队和候补领队)有损毁时，集群全局信息仍然能被保留下来，通过动态重组和备份机制可以重新组织集群继续执行协同任务；
(3)集群中的无人***角色与职责
全局领队的设计职责为：
①掌握全局资源，负责维护全局资源数据库(包括无人***数据量、分组、角色等)；
②负责全局任务规划、分配、协调；
③考虑观测范围限制等因素，领队主要与候补领队保持通信关系，但与普通无人***保留通信通道，紧急情况可直接通信；
候补领队设计3重角色，除共同具有普通无人***的作业功能外，还额外承担3类不同的职责：
①全局领队的备份，能够实时同步更新全局资源数据库；
②局部领队，负责小组任务分配、局部冲突协调；
③普通无人***，具有作业执行功能；
(4)全局数据库
全局数据库主要用于管理与***组成和配置有关的全局参数，包括无人***数据量、分组、角色、能力；
其中，单个无人***能力的描述和存储结构采用知识图谱汇中用“实体-属性-属性值”结构进行数据存储的思想，设计为“无人***ID-能力属性-能力属性”模式，具有非常好的扩展性；
其他数据的存储采用常规关系数据库二维表结构即可实现；
数据库由领队负责更新和维护，更新后，是指完成一次数据库事务处理后，以保证数据完整性，实时发给候补领队备份。
所述无人***集群的动态自组织方法具体包括：
通过建立与无人***出席情况考勤、集群***角色任免和动态自组织运行保障相关的3 大类共13个运行机制，对集群成员的动态损失和增加提供全面支持：
(1)注册机制：触发条件为新的无人***加入集群；发起主体是新加入的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为当新加入的无人***向全局领队注册，暂无法与全局领队直接通信时，可向局部领队注册，局部领队向全局领队汇总注册信息，注册信息中包括新加入无人***的标识信息和能力描述；
(2)签到机制：触发条件为到设定的签到时间；发起主体是未请假的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为局部领队在设定周期内向全局领队签到，分为两种情况，一是有分组情况下，普通无人***项局部领队签到，局部领队在向全局领队签到时一并发送本组其他***签到信息，二是无分组情况下，直接向全局领队签到；
(3)点名机制：触发条件为超时未签到或紧急情况；发起主体是全局领队或局部领队；应答主体是未签到的无人***；运行内容为紧急情况下(如应急任务分配、规定时间内未签到)，全局领队或局部领队对所辖无人***进行点名；
(4)请销假机制：触发条件为请假或销假；发起主体是请假的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为无人***临时脱离集群***(如离线维护、通信范围外执行任务等)向全局领队或局部领队请假，归队后销假；
(5)除名机制：触发条件为缺席超过限定次数；发起主体是全局领队或局部领队；应答主体是全局领队或其他局部领队；运行内容为在规定时间内点名未到、过期未销假的无人***，予以除名，在后续任务分配中不再考虑该***；
(6)领队生成机制：触发条件为集群初始化或全局领队丧失能力；发起主体是候补领队；应答主体是其他候补领队；运行内容为集群***初始化时，全局领队人为指定，全局领队在执行任务过程中丧失能力后，由候补领队中产生新的全局领队，产生机制综合考虑随机产生、按计算能力产生、按所辖组规模产生、按地理位置(靠近集群中心)产生、按执行任务安全性产生等；
(7)领队移交机制：触发条件为根据任务需要；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为可根据任务需要(通信可靠性、调度安全性等)动态变更全局领队，全局领队权力移交可参照领队生成机制；
(8)候补领队生成机制：触发条件为有新的无人***加入集群；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为候补领队由两种机制产生，一是有分组，局部领队自动为候补领队，小组规模大者优先，二是无分组由全局领队随机任命候补领队；
(9)候补领队撤销机制：触发条件为有无人***被除名；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为撤销候补领队，一是在全局数据库中变更其角色，二是停止其全局数据库备份的更新；
(10)初始组队机制：触发条件为集群构建；发起主体是全局领队；应答主体是全体无人***；运行内容为***初始化始于全局领队，全局领队生成后，其他无人***向全局领队注册，领队根据稳定性指标生成候补领队，但不分组，初始结构为二层结构直辖控制；
(11)动态重构机制：触发条件为集群成员发生变化或任务需要；发起主体是全局领队；应答主体是全体无人***；运行内容为集群***可以分组，可以不分组，也可以部分分组、部分直辖，分组情况可根据任务需要动态调整；
(12)数据库备份机制：触发条件为集群全局资源数据库有更新；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队或相关无人***；运行内容为数据库发生更新后，全局领队实时向所有候补领队做增量备份，确保候补领队随时可以接替全局领队工作，新生成的候补领队直接复制全局数据库，并且局部领队变更后，还要向该局部领队所辖无人***更新相关数据；
(13)安全认证机制：触发条件为通信；发起主体是通信发起方；应答主体是通信接收方；运行内容为对任务分配、角色任免、数据库备份、签到、点名等机制提供身份认证信息，并对通信信息进行加密处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明设计成为一种适应“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构，成员角色可根据多任务需求动态调整，***结构能进行自组织调整，紧急情况可以越层调度，根据任务需要和观测条件可实现“三层结构两级控制”、“两层/三层混合结构与直辖/二级混合控制”以及“二层结构直辖控制”三种结构和控制模式的自动重构。由于视野和观测能力的限制，集群或子群往往不能掌握全局信息，从而影响决策，通过这种“1+C+X”分层架构模式可以支持感知信息的逐级汇总和融合，三层结构可以提高***工作效率，二层结构设计可以应对应急情况，同时混合结构可以支持越层信息共享和调度控制，最大限度降低视野和观测能力的限制对行为决策造成的影响。
上述的柔性三层可扩展分布式架构从以下四个方面提供对可扩展性(x％幅度的成员增减) 的结构性支持：
(1)无人***数量可动态扩展，C和X是非固定的，可根据***稳定性技术指标要求自动计算；
(2)无人***能力可动态扩展，在数据库设计方面，对能力的描述提供灵活的支持；
(3)无人***角色可动态自主调整，集群中单个无人***的角色不是一成不变的，是根据任务可调的；
(4)集群***的层次关系可动态自主调整，设计的集群结构是一种以三层为主、紧急情况可越层调度的柔性控制结构。
并且通过建立与无人***出席情况考勤、集群***角色任免和动态自组织运行保障相关的3大类共13个运行机制，对集群成员的动态损失和增加提供全面支持，实现***成员能进能出、全局数据动态更新、组织关系自动重构，在成员损失或增加情况下集群***依然可以稳定运行。
附图说明
图1为本发明无人***集群柔性三层可扩展分布式架构图，其中“1”为全局领队，C为候补领队(兼局部领队)的集合，X为其他无人***成员的集合。连接箭头表示控制关系；
图2为本发明无人***集群的动态自组织机制图；
图3为本发明无人***集群的动态自组织运行主要流程图；
图4为本发明实施例初始编队成员数据信息图；
图5为本发明实施例损失10％成员后编队成员数据信息图；
图6为本发明实施例增加10％成员后编队成员数据信息图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，实现无人***集群任务需求，提供一种规模具有良好扩充性、支持多任务、***作业效率高、全局优化性好的可扩展分布式架构设计方法。主要围绕“分布式”和“可扩展”这两个特性的实现，从集群***的静态组织架构和动态运行机制两个层面进行设计，具体包括无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人***集群的动态自组织方法。无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构设计从逻辑层面主要解决群集***的基本组成、群集***中无人***的角色定义(职责分配)、分布式结构关系 (包括拓扑与控制结构)等问题，从物理层面主要解决全局资源数据库的构建、存储与维护、对集群可扩展性的结构性支持等问题，其中柔性是指三层结构是可变的，紧急情况可以越层调度，三层结构的设计主要是考虑***作业效率，二层结构设计主要是考虑应急情况，混合结构设计是对两种情况并存时的考虑。由于视野和观测能力的限制，集群或子群可能会不能掌握全局信息，从而影响决策，通过这种柔性三层架构模式可以支持感知信息的逐级汇总和融合，同时混合结构可以支持越层信息共享和调度控制，最大限度降低观测能力对行为决策造成的影响。无人***集群的动态自组织方法主要通过一套自组织机制保证***成员能进能出、全局数据动态更新、组织关系自动重构，在成员补充或减少情况下集群***依然可以稳定运行。
实施例：
采用本发明所设计的分布式可扩展架构，当无人***执行任务时，若集群成员发生变动，集群***全局信息能被有效保留，通过集群动态自组织机制可保障体系架构稳定，保障任务继续进行。
在本实施例中，结合实际任务场景，模拟以下两种成员变动事件：
1.集群***损失10％的成员；
2.集群***增加10％的成员。
在该实施例中，初始集群***由20个无人***组成，其中包括1个领队无人***、2个候补领队无人***和17个普通无人***。下面将分别进行说明。
1.集群***损失10％的成员
当集群***损失10％的成员，即损失2个无人***时，如果损失的2个无人***为1个领队无人***，1个候补领队无人***，则会触发点名机制以及除名机制，将已损失的无人***除名。之后，执行领队生成机制和候补领队生成机制，选取新的领队和候补领队。新领队和候补领队是集群***中具备高综合评价值的无人***，且候补领队无人***数量为集群成员总数的10％。
2.集群***增加10％的成员
当集群***在损失10％成员的基础上增加10％的成员，即在18个无人***基础上新增2个无人***，此时集群***共有20个无人***，则会触发注册机制、签到机制和点名机制，确保新增无人***有效。之后，执行候补领队生成机制，确保候补领队是集群***中具备高综合评价值的无人***，且候补领队无人***数量为集群成员总数的10％。
实施例结果及分析。
初始集群***共有20个无人***，形成3组编队。由图4全局数据库信息所示角色(由角色属性值1,2,3分别表示为全局领队、候补领队以及普通无人***)，状态(由状态属性值 0，1分别表示无人***损失和无人***正常工作)，队长编号(由队长编号属性值表示所属编队队长编号)，综合评价(由综合评价属性值表示无人***具有的综合评价值)，签到(由签到属性值0，1分别表示无人***签到失败和无人***签到成功)，IP地址(由IP地址属性值表示无人***的IP地址)以及端口号(由端口号属性值表示无人***间的通信端口号)
1.集群***损失10％的成员
当集群***损失10％的成员，即损失2个无人***时，为了用更少的场景表现出更好的集群动态自组织机制效果，损失的2个无人***为1号领队，9号候补领队。此时，集群***中无人***的全局数据库信息变化如图5所示。
通过点名机制确定已损失的无人***编号。进而通过除名机制，将已损失的无人***除名。此时后续任务分配中将不再考虑已除名的无人***。如图5所示，在20个无人***中， 1号和9号的状态值为0，即为损失的2个无人***。通过角色值可知1号无人***为全局领队，9号无人***为候补领队。之后，执行领队生成机制和候补领队生成机制，选取具有最高综合评价值的4号无人***作为新的全局领队，并且将角色值更改为领队；选取具有高综合评价值的2号和10号作为新候补领队，并且将角色值更改为候补领队。
通过上述实施例的结果可知，集群***在损失10％无人***的情况下通过集群动态自组织机制保证了集群***领队无人***和候补领队无人***数量，保证“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构体系稳定，使全局信息保留，编队能够继续稳定执行任务。
2.集群***增加10％的成员
当集群***在损失10％成员的基础上增加10％的成员，即新增2个无人***时，集群***中无人***全局数据库信息变化如图6所示。
增加2个无人***触发注册机制、签到机制、点名机制、以及候补领队产生机制，如图6 所示，新增的2个无人***状态值与签到值都为1，成功加入到编队执行任务，由角色值和队长编号值知21号无人***作为新的候补领队并担任编队队长。
通过上述实施例结果可知，集群***在增加10％无人***的情况下通过集群动态自组织机制保证了候补领队无人***数量占集群成员总数的10％，保证“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构体系稳定，使全局信息保留，编队能够继续稳定执行任务。
综合上述两个实施例表明，集群***无论损失10％无人***还是增加10％无人***均可以通过集群动态自组织机制，保证“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构体系稳定；使全局信息保留，编队能够继续稳定执行任务。
Claims (3)
1.一种智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，包括无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人***集群的动态自组织方法两部分。
2.根据权利要求1所述的智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，所述无人***集群的柔性三层可扩展分布式架构具体包括：
(1)集群的基本结构与组成
一种适应“1+C+X”模式的柔性三层可扩展分布式架构，其中，包含1个集群的全局领队节点，C为候补领队节点结合，X为一般无人***个体成员集合，柔性包括两方面含义：第一，成员角色不是一成不变的，是可以根据需要动态调整的；第二，三层结构是可变的，紧急情况可以越层调度，根据任务需要和观测条件可实现“三层结构两级控制”、“两层/三层混合结构与直辖/二级混合控制”以及“二层结构直辖控制”三种结构和控制模式的自动重构；
(2)集群中各类成员数量的计算方法
C和X的个数可按如下方法确定：设无人***集群规模为N，C由***可靠性指标确定，如“体系架构支持集群成员在损失或增加x％情况下，集群***保持稳定”，则C的个数|C|按
确定，其中
表示向上取整，X的个数|按|X|＝N-1-|C|确定，如此设计，可以确保在***成员(包括领队和候补领队)有损毁时，集群全局信息仍然能被保留下来，通过动态重组和备份机制可以重新组织集群继续执行协同任务；
(3)集群中的无人***角色与职责
全局领队的设计职责为：
①掌握全局资源，负责维护全局资源数据库(包括无人***数据量、分组、角色等)；
②负责全局任务规划、分配、协调；
③考虑观测范围限制等因素，领队主要与候补领队保持通信关系，但与普通无人***保留通信通道，紧急情况可直接通信；
候补领队设计3重角色，除共同具有普通无人***的作业功能外，还额外承担3类不同的职责：
①全局领队的备份，能够实时同步更新全局资源数据库；
②局部领队，负责小组任务分配、局部冲突协调；
③普通无人***，具有作业执行功能；
(4)全局数据库
全局数据库主要用于管理与***组成和配置有关的全局参数，包括无人***数据量、分组、角色、能力；
其中，单个无人***能力的描述和存储结构采用知识图谱汇中用“实体-属性-属性值”结构进行数据存储的思想，设计为“无人***ID-能力属性-能力属性”模式，具有非常好的扩展性；
其他数据的存储采用常规关系数据库二维表结构即可实现；
数据库由领队负责更新和维护，更新后，是指完成一次数据库事务处理后，以保证数据完整性，实时发给候补领队备份。
3.根据权利要求1所述的智能无人***集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，所述无人***集群的动态自组织方法具体包括：
通过建立与无人***出席情况考勤、集群***角色任免和动态自组织运行保障相关的3大类共13个运行机制，对集群成员的动态损失和增加提供全面支持：
(1)注册机制：触发条件为新的无人***加入集群；发起主体是新加入的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为当新加入的无人***向全局领队注册，暂无法与全局领队直接通信时，可向局部领队注册，局部领队向全局领队汇总注册信息，注册信息中包括新加入无人***的标识信息和能力描述；
(2)签到机制：触发条件为到设定的签到时间；发起主体是未请假的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为局部领队在设定周期内向全局领队签到，分为两种情况，一是有分组情况下，普通无人***项局部领队签到，局部领队在向全局领队签到时一并发送本组其他***签到信息，二是无分组情况下，直接向全局领队签到；
(3)点名机制：触发条件为超时未签到或紧急情况；发起主体是全局领队或局部领队；应答主体是未签到的无人***；运行内容为紧急情况下(如应急任务分配、规定时间内未签到)，全局领队或局部领队对所辖无人***进行点名；
(4)请销假机制：触发条件为请假或销假；发起主体是请假的无人***；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为无人***临时脱离集群***(如离线维护、通信范围外执行任务等)向全局领队或局部领队请假，归队后销假；
(5)除名机制：触发条件为缺席超过限定次数；发起主体是全局领队或局部领队；应答主体是全局领队或其他局部领队；运行内容为在规定时间内点名未到、过期未销假的无人***，予以除名，在后续任务分配中不再考虑该***；
(6)领队生成机制：触发条件为集群初始化或全局领队丧失能力；发起主体是候补领队；应答主体是其他候补领队；运行内容为集群***初始化时，全局领队人为指定，全局领队在执行任务过程中丧失能力后，由候补领队中产生新的全局领队，产生机制综合考虑随机产生、按计算能力产生、按所辖组规模产生、按地理位置(靠近集群中心)产生、按执行任务安全性产生等；
(7)领队移交机制：触发条件为根据任务需要；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为可根据任务需要(通信可靠性、调度安全性等)动态变更全局领队，全局领队权力移交可参照领队生成机制；
(8)候补领队生成机制：触发条件为有新的无人***加入集群；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为候补领队由两种机制产生，一是有分组，局部领队自动为候补领队，小组规模大者优先，二是无分组由全局领队随机任命候补领队；
(9)候补领队撤销机制：触发条件为有无人***被除名；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队；运行内容为撤销候补领队，一是在全局数据库中变更其角色，二是停止其全局数据库备份的更新；
(10)初始组队机制：触发条件为集群构建；发起主体是全局领队；应答主体是全体无人***；运行内容为***初始化始于全局领队，全局领队生成后，其他无人***向全局领队注册，领队根据稳定性指标生成候补领队，但不分组，初始结构为二层结构直辖控制；
(11)动态重构机制：触发条件为集群成员发生变化或任务需要；发起主体是全局领队；应答主体是全体无人***；运行内容为集群***可以分组，可以不分组，也可以部分分组、部分直辖，分组情况可根据任务需要动态调整；
(12)数据库备份机制：触发条件为集群全局资源数据库有更新；发起主体是全局领队；应答主体是候补领队或相关无人***；运行内容为数据库发生更新后，全局领队实时向所有候补领队做增量备份，确保候补领队随时可以接替全局领队工作，新生成的候补领队直接复制全局数据库，并且局部领队变更后，还要向该局部领队所辖无人***更新相关数据；
(13)安全认证机制：触发条件为通信；发起主体是通信发起方；应答主体是通信接收方；运行内容为对任务分配、角色任免、数据库备份、签到、点名等机制提供身份认证信息，并对通信信息进行加密处理。
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