一種微服務架構的無人機協作模型設計

凌飛 周妙林 盧丹 粟駿龍,3

1. 廣東數字生態科技有限責任公司 廣東 韶關 512026；2. 武漢聰源科技有限責任公司 湖北 武漢 430223；3. 武漢大學 湖北 武漢 430079

引言

無人機本體具有靈活機動、視野開闊及快捷方便的特點，根據負載能力搭載各類定制化功能設備形成多用途移動作業終端，被廣泛應用于軍事、商業及民用領域，形成了各具特色的業務解決方案。得益于網絡通信技術、中間件技術及多目標協同與自適應管理技術的進步，無人機的應用逐漸從近距離單機操控轉變為遠程集群控制，基于業務需要，快速實現動態的無人機資源調配、任務協同規劃，以及不同程度的無人機終端自主控制等環節。

1 研究現狀

無人系統的發展趨勢是可擴展的通用軟件架構與高度自主的作業環境自適應能力，遠景目標是實現無人生態系統，通過互聯的智能家居、智能交通及智能制造等無人裝備終端，為人類提供一體化的遠程定制服務。目前，無人機由于覆蓋領域廣與高效靈活的優勢，其業務應用被多個行業納入了實施方案，隨之而來的是各種研究成果的涌現。

DARPA實施的“快速自主輕量”項目，不依賴任何先驗地圖、定位數據及用戶命令等數據支持，通過算法實現實時的現場感知、任務規劃和行為控制等環節，成功驗證了各種復雜場景下無人機的自主飛行能力[1]。

李亞南等[2]針對區域偵查或信息采集的需求，研發了分布式反集群算法，使得探測范圍存在差異的水面無人艇以較小搜索代價覆蓋目標區域范圍，同時該算法擁有一定的避障能力，經過優化和改進后同樣也適用于無人機集群，作為搜索區域覆蓋算法的一種參考方案。

王磊等[3-4]以作戰應用數據鏈研究作為無人系統的業務導向；王健等[5]通過虛擬化技術整合地域分散的各類有人平臺、無人終端、情報及數據鏈路管理中心等相關設施，以動態聚合的方式提供數據融合與發布，初步實現了云端作戰管理平臺的雛形。

多項研究成果表明，無人系統建設向著智能網絡控制中心的趨勢發展，不斷提升平臺的信息交互能力、任務規劃、協同與自主決策等技術水平，才能發揮無人系統集群的協作優勢。尤其是無人機的應用，常替代人類執行一些高風險工作，同時相對較低的集群作業成本與靈活的動態組建方式也符合經濟性指標要求。

2 業務需求分析

無人機利用空中作業的優勢，根據任務需要搭載定制化設備來實現多項用途。一個搭載偵查與武器載荷的無人機執行單機巡查業務時，典型的業務流程有[6]：①無人機接收遠程命令，飛到目標區域對空中或地面目標執行偵查任務，同時回傳實時圖像；②偵查過程中，如果無人機發現疑似目標，根據業務預案或經指揮中心控制，無人機將當前任務模式切換為可疑目標跟蹤狀態；③跟蹤過程中，無人機得到目標識別條件，根據業務預案或經指揮中心控制，切換為目標識別狀態；④在完成目標識別后，無人機根據業務預案或經指揮中心控制，對打擊目標進行選擇性的警告提醒；⑤警告無效后，在滿足預案設定的打擊確認條件或經指揮中心確認后，無人機執行對目標的火力打擊任務；⑥打擊任務完成后，無人機根據其業務預案或經指揮中心控制，需要搜集打擊證據，切換為打擊效果評估任務；⑦根據預案或控制中心命令，執行后續規劃流程。

隨著無人系統自主控制與環境適應能力的提升，用戶使用無人機的場景及操控粒度由傳統的現場指令操控過渡為遠程任務模式配置，飛行路徑的控制權限可以更多地交由無人機終端的控制模塊自主執行，業務全程只需要引入必要的人類決策與指揮環節。正是由于智能程度的不斷提升，多個無人裝備之間協同作業的場景也不斷被人類進行驗證。但是，無人裝備之間的差異性表現在諸多方面，如指令體系、智能程度及可靠性等，使得整體協調并不容易。本文設計了一種基于微服務架構的無人機集群業務協作模型，通過對異構無人機終端的協同指揮，實施動態的聯合任務規劃，滿足靈活多變的業務需求。

圖1 業務流程實例

3 微服務平臺設計

無人機協作模型基于微服務架構進行設計，可以分為應用層、管理層、中間層及資源層。應用層為前端展示模塊，通過Web、客戶端、移動App等用戶界面，基于地圖的實時展示，按照業務進度合理調配分布式的無人機資源，實施動態的業務規劃[7]。管理層用于解析應用層的業務邏輯，將執行組件以微服務的形式統一進行注冊管理，以微服務調用的方式進行功能組合。中間層將異構的無人機平臺功能接口改造成分布式的微服務實例，方便管理層統一進行管理。資源層為無人機本體及負載設備的資源集合，以異構的系統架構及定制化的組件模塊為表現形式，通過高度耦合的接口進行模塊間的信息交互。

圖2 系統微服務體系結構

4 關鍵技術

本模型需要解決異構的無人機集群及載體等功能組件之間由于數據格式、通信消息機制和技術平臺的差異導致的數據交互難題，并建立合理的面向業務的無人機自適應管理機制，相應的關鍵技術主要由異構組件的微服務改造、數據交換中心、任務協作模式下的行為自適應管理等。

圖3 關鍵技術

4.1 異構組件的微服務改造

微服務改造對已有的C++動態庫通過微服務接口生成工具生成服務接口文件并完成編譯，形成滿足微服務技術體制的服務包，該服務包通過微服務中間件、數據轉換中間件、嵌入式服務容器的結合，形成嵌入式的自帶服務運行環境，打包形成微服務包。該微服務包作為可獨立運行的服務組件，不需要依賴任何外部融合，運行該微服務包即實現了該C++動態的庫的服務化。

該微服務包同時還包括服務的管理組件，可實現服務的自動注冊，服務列表查詢和服務測試等功能。其邏輯視圖如下：

圖4 微服務改造邏輯過程

4.2 數據交換中心

從業務角度分析，控制中心處于通信網絡的核心地位，負責協調各種信息在不同模塊之間的交換，以實現無人機協作網絡的組建、綜合態勢的融合與決策判定、基于業務流程的任務規劃與推送等；無人機終端通過各自的傳感器收集數據并上傳，按業務規劃的流程執行控制中心下發的任務[8]。因此，有必要在控制中心端開發一套數據交換中心組件，由無人機各組件通過微服務接口基于最小發布時間間隔發布數據到數據交換中心，數據交換中心存儲無人機終端的資源與行為等數據的各歷史版本，借助不同的訂閱需求，將該數據的訂閱版本基于訂閱的時間間隔發送給訂閱方，讓其分析出基于該數據變更引起的決策變化，以便協同管理無人機集群之間乃至無人機組件內部的行為。

圖5 基于發布/訂閱機制的數據交換中心

4.3 任務協作模式下的行為自適應管理

基于目標行為的控制設計是實現無人機集群自主規劃的基礎架構。行為是無人機終端的外在表現，其特征能夠通過軟件模型進行抽象，設計無人機任務模式下各種典型的行為方法，通過方法調用和參數配置實現無人機行為的控制。例如無人機搜索時對飛行行為的設計，配置合適的飛行高度、速度、導航路徑，遇到障礙時上述行為參數需要臨時變更，同時有些行為的觸發需要克服約束條件的限制，例如打擊行為受攻擊距離、發射角度、環境干擾因素等限制，需要無人機飛行行為進行協調。當多重行為被執行并對無人裝備的控制產生競爭時，需要多目標求解器協調各目標行為，解決行為沖突，并保證當前任務命令正常執行。本文基于間隔編程（Ivp）思想，實現對行為指令的管理和協調，同時與數據交換中心的消息交互，完成對無人機集群內部各載荷控制單元的交互。

圖6 基于行為的任務中間件迭代循環過程

目標行為控制模塊包括如下迭代過程：

①從數據交換中心讀取消息，消息被解析并存儲在本地緩沖區中，以供行為使用。②評估行為影響。如果任務行為文件中有模式限定，意味著只有在該模式前提下，行為才對本次迭代計算產生影響。③查詢行為權重。每種行為都會被分配一定的機會被執行，通過執行權重表示，行為控制模塊將依次查詢每個行為。④行為協調。多目標求解器通過收集的IvP函數，基于行為控制模塊的決策空間生成單一決策。每個函數都是一個IvP目標函數，能將決策空間的每種元素都映射到一個效用值，IvP函數是分段線性定義的，其中每一個分段都對應決策空間的一個區間并通過一個相關的線性函數來描述。結合每個函數分配的關聯權重，求解器通過函數的加權計算來實現多目標優化（實際上是在該點執行單目標優化，輸出是決策空間中的單個最優點）。對于每個決策變量，求解目標函數以產生一個動作，表示為一組變量值對。⑤目標行為控制模塊將所有變量值對發布到數據交換中心，以供其他進程分析使用。其中一些是變量值對由行為直接生成的，另外一些是由多目標求解器生成的。

多目標解算器收集由每個行為產生的一組加權IvP函數，并在決策空間中找到一個點來進行優化加權組合。如果每個IvP函數用表示，每個函數的權重由表示，則k個函數的多目標問題的解由下式給出：

其中，行為權重在任務啟動后運隨著行為參數的動態配置而變化，可能是遠程用戶調整或其他目標行為反饋的結果，需要利用仿真工具來檢驗參數配置和行為權重設置策略是否符合任務期望。IvP求解器采用搜索樹算法對上述多目標優化問題進行求解，保證全局最優解決方案。

5 結束語

本文設計了一種微服務架構的無人機協作模型，對分布式的無人機資源進行動態組網與任務配置，完成聯合業務規劃的需要。通過對無人機特定任務模式設計適應各種作業場景的典型行為設計，能夠在一定程度上實現無人機終端的自治處理，提高系統的整體智能水平。同時，該模型協同指揮異構的無人機本體與松耦合的負載設備，資源改造與集成成本較低，能夠充分利用已有的資源，提高無人機與搭載設備的復用效率。目前該模型的設計建立在可靠的網絡通信基礎上，未考慮到網絡延遲及終端設備斷網等現實隱患，而且還需要將無人機業務模式和行為過渡設計得更加細致，逐步將模型概念向實用系統方面推進。