[发明专利]一种智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法

权利要求书

1.一种智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，包括无人系统集群的柔性三层可扩展分布式架构和无人系统集群的动态自组织方法两部分。

2.根据权利要求1所述的智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，所述无人系统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为一般无人系统个体成员集合，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：设无人系统集群规模为N，C由系统可靠性指标确定，如“体系架构支持集群成员在损失或增加x％情况下，集群系统保持稳定”，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，可以确保在系统成员(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)集群中的无人系统角色与职责

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(包括无人系统数据量、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，但与普通无人系统保留通信通道，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系统的作业功能外，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普通无人系统，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系统组成和配置有关的全局参数，包括无人系统数据量、分组、角色、能力；

其中，单个无人系统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“无人系统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所述的智能无人系统集群的可扩展分布式架构及自组织方法，其特征是，所述无人系统集群的动态自组织方法具体包括：

通过建立与无人系统出席情况考勤、集群系统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系统加入集群；发起主体是新加入的无人系统；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系统向全局领队注册，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系统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系统；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，普通无人系统项局部领队签到，局部领队在向全局领队签到时一并发送本组其他系统签到信息，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系统；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系统进行点名；

(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系统；应答主体是全局领队或局部领队；运行内容为无人系统临时脱离集群系统(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、过期未销假的无人系统，予以除名，在后续任务分配中不再考虑该系统；

(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；运行内容为集群系统初始化时，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系统加入集群；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：触发条件为有无人系统被除名；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系统；运行内容为系统初始化始于全局领队，全局领队生成后，其他无人系统向全局领队注册，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系统；运行内容为集群系统可以分组，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系统；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系统更新相关数据；

(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。