CN111736809B - 分布式机器人集群网络管理框架及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人上位机软件技术领域，涉及分布式机器人集群网络管理框架及其实现方法，该框架基于windows系统，将整个软件功能需求划分为不同的功能模块，可以是一个类或一个方法，一组相似的功能模块封装成一个功能类库，满足一定规则的类库或动态链接库，再由一组相似功能的类库组成一个业务或功能进程，相当于一个应用程序，软件系统将这些不同的业务或功能进程进行统一的管理、资源监控、守护，实现整体的功能需求。

Description

分布式机器人集群网络管理框架及其实现方法

技术领域

本发明属于机器人上位机软件技术领域，涉及分布式机器人集群网络管理框架及其实现方法。

背景技术

当前市场上的防爆巡检机器人多以单机运行为主，且功能大多集中在客户关注的业务方面，对于机器人及软件本身的关注较少，造成功能的不断累积，导致软件后续的扩展、维护困难。为了满足未来防爆巡检机器人的批量化运行与管理、资源的共享与调度、人工智能及大数据分析等方面的应用，以及提高软件的可扩展性、可部署性、可测试性、可维护性、可服务性，研发一款分布式机器人网络管理框架十分必要。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供分布式机器人集群网络管理框架及其实现方法，该框架基于windows系统，将整个软件功能需求划分为不同的功能模块，软件系统将这些不同的业务或功能进程进行统一的管理、资源监控、守护，实现整体的功能需求。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种分布式机器人集群网络管理框架，所述框架包括：

机器人网络服务器，所述机器人网络服务器采用WCF框架开发，以windows服务、应用程序为宿主，用于实现数据通信和/或功能调度；

应用进程组，所述应用进程组包括：系统更新进程，用于根据指定的更新策略完成更新；数据库服务进程，用于实现状态数据或配置数据的存取；软件监控与安全管理进程，用于监控或管理各进程的运行状态；若干业务进程，通过具体的业务模块完成相应的任务；

所述应用进程组还包括进程启动模块，所述进程启动模块通过进程通信服务模块与各进程通信，执行不同的业务或功能进程。

进一步，所述应用进程组中的各进程均包括进程通信服务模块，各进程通过所述进程通信服务模块与当前进程中的功能模块或非当前进程通信，执行不同的业务或功能进程。

进一步，所述进程通信服务模块基于WCF开发，继承于IService接口，以进程作为宿主，将当前进程的通信服务发布到服务管理器，非当前进程通过服务管理器获取当前进程发布的服务，并调用当前进程的通信服务接口，实现数据的通信。

进一步，各进程还包括日志模块，用于记录不同级别的日志，日志文件的写入、保存等均由框架统一管理。

进一步，所述框架利用机器人系统软件对各进程进行统一的管理，所述机器人系统软件的架构按照不同的功能需求划分为多个功能模块，一组相似的功能模块封装成一个功能类库，一组相似的功能类库组成一个业务进程，所述机器人系统软件通过进程通信服务模块实现各进程之间的通信。

进一步，所述系统更新进程包括更新服务端模块，更新客户端模块，两者分别根据指定的更新策略完成服务端、客户端的更新。

进一步，所述软件监控与安全管理进程包括，

负载均衡与调度模块，实现不同节点的综合管理、启停具体的业务进程，实现负载的均衡与分布式管理；

系统监控与状态管理模块，用于实现机器人、软件系统的状态、资源的具体监控；

更新管理模块，根据具体的更新需求，启动/停止更新进程、更新服务端或客户端；

日志管理模块，用于日志的压缩、转存或删除；

进程管理模块，根据当前节点的部署策略启动/停止需要部署的进程，并对所述进程进行守护；

服务中间件模块，用于实现不同节点进程跨路由层的通信；

服务管理器，用于对不同进程的进程通信服务进行管理。

进一步，所述软件监控与安全管理进程还包括进程启动模块，用于根据具体的进程配置文件加载配置的功能类库，启动配置的功能模块。

进一步，所述进程启动模块配置文件采用ini格式，部署时放置在ResApp/版本号/Config/Process/目录下。

另一方面，本发明还提供了一种分布式机器人集群网络管理框架的实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.编写自定义的功能模块配置文件；

S2.将自定义的功能模块配置到对应的进程中；

S3.将自定义的进程配置到部署文件中；

S4.将各进程拷贝到对应的部署目录结构；

S5.将整个部署目录拷贝到待运行的上位机上；

S6.修改部署目录下的windows服务配置文件及其节点配置文件；

S7.安装windows服务并启动。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：这种管理框架，基于windows系统，将整个软件功能需求划分为不同的功能模块(可以是一个类或一个方法)，一组相似的功能模块封装成一个功能类库(满足一定规则的类库或动态链接库)，再由一组相似功能的类库组成一个业务或功能进程(相当于一个应用程序)，软件系统将这些不同的业务或功能进程进行统一的管理、资源监控、守护，实现整体的功能需求。

附图说明

图1为本发明提供的分布式机器人集群网络管理框架的结构图；

图2为本发明提供的进程结构及配置文件结构图；

图3为本发明提供的功能类库的配置文件结构图；

图4为本发明提供的进程启动过程示意图；

图5为本发明提供的部署策略配置文件格式图；

图6为本发明提供的部署实例目录结构图；

图7为本发明部署实例的启动流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细描述：

参见图1所示，本发明提供了一种分布式机器人集群网络管理框架，该框架包括：机器人网络服务器，其采用WCF框架开发，以windows服务、应用程序为宿主，用于实现数据通信和/或功能调度；

应用进程组，其包括：系统更新进程，用于根据指定的更新策略完成更新；数据库服务进程，用于实现状态数据或配置数据的存取；软件监控与安全管理进程，用于监控或管理各进程的运行状态；若干业务进程，通过具体的业务模块完成相应的任务；

应用进程组还包括进程启动模块，进程启动模块通过进程通信服务模块与各进程通信，执行不同的业务或功能进程。

进一步，上述进程启动模块，为进程启动的入口，该进程启动模块会启动该进程里面需要的所有功能模块，进程通信服务模块也是由进程启动模块启动起来的。某一个进程具体启动哪些模块是由配置文件决定的，需要启动时，进程启动模块会读这个配置文件，然后逐个启动对应的功能模块。

进一步，上述windows服务，无论是服务器还是机器人，只要安装了本申请提供的这种框架，均部署有该windows服务，作为机器人软件系统的关键部件之一，其主要完成以下功能：①系统组网，根据节点类型不同实现不同的组网策略(用户可配置)；②系统守护，定时地使软件监控与安全管理进程进行握手(若挂死则调用进程启动模块重启)，并获取其状态，并根据具体的策略(用户可配置)，对其进行守护与管理；③状态数据监控，根据监控策略(用户可配置)，定时获取机器人、计算机系统、软件进程的状态、资源等数据，并根据节点类型，执行对应的存储、上报策略；④更新管理，根据用户指定的更新策略(用户可配置)实现定时、主动、被动更新等功能；⑤软件系统管理，提供软件系统启动、停止、重启等服务接口。

进一步，应用进程组中的各进程均包括进程通信服务模块，各进程通过所述进程通信服务模块与服务管理器通信，执行不同的业务或功能进程。该进程通信服务模块主要实现了不同模块间、不同进程间的通信，提供了其它模块或进程方法调用，数据发布与订阅的接口。结合图2所示，下面配置文件是上面配置文件的扩展；进程启动的时候，首先读取上面的配置文件，从中解析该进程名称、启动优先级、进程类型(C#进程、Python进程等)、启动策略及对应的进程功能模块列表文件，即下面的配置文件图，下面这个配置文件则表示该进程需要启动那些功能模块。

优选地，上述进程通信服务基于WCF开发，继承于IService接口，以进程作为宿主，将当前进程的通信服务发布到服务管理器，非当前进程通过服务管理器获取当前进程发布的服务，并调用当前进程的通信服务接口，实现数据的通信。每个需要通信的进程，均配置一个进程通信服务，该服务需要注册到服务管理器中，可有效地减少进程间通信的代码量，同时也可保证框架的稳定性。

进一步，各进程还包括日志模块，用于记录不同级别的日志，该日志模块提供了一组日志记录模块，用户根据需要引入该模块后，即可记录不同级别的日志，日志文件的写入、保存等由框架统一管理。

进一步，该框架利用机器人系统软件对各进程进行统一的管理，机器人系统软件的架构按照不同的功能需求划分为多个功能模块，结合图3，一组相似的功能模块封装成一个功能类库，一组相似的功能类库组成一个业务进程，所述机器人系统软件通过进程通信服务模块实现各进程之间的通信。以状态监控类库为例，其包含了机器人状态监控模块、计算机资源监控模块、软件系统资源监控模块等，这几个功能模块封装成状态监控类库；状态监控类库、进程管理类库等一组相似的功能类库，部署在了软件监控与安全管理进程。具体地，这些功能类库部署到哪个进程可以根据各进程的负载情况(CPU、内存等资源占用情况)进行调整。

进一步，上述系统更新进程包括更新服务端模块，更新客户端模块，两者分别根据指定的更新策略完成服务端、客户端的更新。软件系统的更新，包括定时主动更新与被动更新，主动更新由当前节点系统windows服务定时触发，被动更新由远端调用当前windows服务更新接口触发。

进一步，上述软件监控与安全管理进程包括，

负载均衡与调度模块，根据负载调度与管理策略，实现不同节点的综合管理、启停具体的业务进程，实现负载的均衡与分布式管理等；

系统监控与状态管理模块，用于实现机器人、软件系统的状态、资源的具体监控；

更新管理模块，根据具体的更新需求，启动/停止更新进程、更新服务端或客户端，实现软件系统的更新；

日志管理模块，用于日志的压缩、转存或删除；

进程管理模块，根据当前节点的部署策略启动/停止需要部署的进程，并对所述进程进行守护，同时提供对指定进程进行管理的服务接口；

服务中间件模块，根据需要进行部署，主要实现本地服务的代理及中转功能，主要用于实现不同节点进程跨路由层的通信；

服务管理器，用于对不同进程的进程通信服务进行管理，包括注册、解注册、数据分布、数据订阅、数据分发等。

进一步，软件监控与安全管理进程还包括进程启动模块，根据需要启动的进程类型，选择具体语言的进程启动模块，具体语言进程启动模块，根据进程功能配置文件，加载配置的功能库，进程启动模块与具体语言进程启动模块具有相同的输入参数：进程名称字符串。

可选地，进程启动配置文件采用ini格式，部署时放置在ResApp/版本号/Config/Process/目录下，其启动过程参见图4所示。

另一方面，本发明还提供了一种分布式机器人集群网络管理框架的实现方法，具体包括以下步骤：

S1.编写自定义的功能模块配置文件；

S2.将自定义的功能模块配置到对应的进程中；

S3.将自定义的进程配置到部署文件中，参见图5所示；

S4.将各进程(DLL、Exe等)拷贝到对应的部署目录结构，部署目录结构参见图6所示；

S5.将整个部署目录拷贝到待运行的计算机上；

S6.修改部署目录下的windows服务配置文件及其节点配置文件；

S7.安装windows服务并启动。

进一步，上述步骤S1中，配置文件主要包含以下部分：系统部分配置文件，例如：节点配置文件(NodeConfig.ini)，部署配置文件(DeployConfig.xml)，组网配置文件(ManagerSeverNet.ini，VideoSeverNet.ini，RobotNet.ini等)，数据库配置文件(database.ini)等，该部分文件部署时放置在..\ResApp\版本号\Config\SysCfg目录下；进程配置文件；功能库配置文件；具体功能配置文件；其他配置文件。

进一步，上述步骤S4中，系统部署时主要包括以下目录，参见图6所示：安装目录，机器人软件系统的安装目录，机器人相关的软件均安装在该目录下；运行目录，机器人软件系统的实际运行目录；数据目录，机器人软件下同运行过程中存放图像、视频、音频、数据文件、临时文件等的目录；备份目录，数据库、配置文件等的备份目录；应用目录，可执行文件存放目录；库文件目录，库文件存放目录；数据库目录，数据库存放目录；配置文件目录，配置文件存放目录；运行配置文件目录，进程配置文件存放目录；部署文件目录，部署文件存放目录；系统配置目录，系统配置文件存放目录；日志存放目录，日志文件存放目录。

进一步，上述步骤S7，安装windows服务，包括以下两种安装方式：①安装workrun/winservice目录下，运行对应的exe即可，或者使用命令安装；②直接启动系统运行脚本，该脚本会判断该服务是否安装，如果未安装，则会自动安装。启动流程参见图7所示，启动完成后，以管理员方式启动系统运行脚本；或者，使用命令启动windows服务。

这种分布式机器人集群网络管理框架，可应用于防爆巡检机器人的批量化运行与管理、资源的共享与调度、人工智能及大数据分析等方面。下面以跨进程数据通信和跨进程功能调度为例，其中，进程A配置有第一进程通信服务，进程B配置有第二进程通信服务，对该框架的应用进行详细描述：

⑴跨进程数据通信：

S1.进程A发布数据至服务管理器，该服务管理器部署在软件监控与安全管理进程中；

S2.服务管理器的数据发布队列入栈数据及数据的相关信息；该数据的相关信息为封装的进程服务数据类，所述进程服务数据类包括数据ID、数据类型、数据内容，其中，数据内容可以为任意类型的序列化字符串；

S3.进程B通过服务管理器订阅进程A的数据，并向服务管理器传入与进程A的数据对应的处理回调分发方法Func；

S4.服务管理器将所述回调分发方法Func加入到订阅进程A的数据的回调字典中；

S5.服务管理器的分发线程监控数据分发队列分发数据。

进一步，上述步骤S5中的分发数据，分三种情况：①如果发布数据的模块与订阅数据的模块在同一进程，一般是数据直接在进程内就传输给订阅模块，然后再发布一份数据至服务管理器；②如果发布数据的模块与订阅数据的模块不在同一进程，则需要服务管理器对数据进行分发；③如果发布数据模块发布的数据没有订阅方，则数据在服务管理器中就会销毁掉。

⑵跨进程功能调度：

该过程主要通过负载均衡与调度模块来实现，下面结合具体的实例对上述负载均衡与调度模块的工作过程阐述如下：例如，A功能模块在多个节点或进程里面均有部署，然而运行一段时间后，发现某个节点(计算机)、CPU或内存等资源使用率太高了，造成系统卡顿，那么负载均衡与调度模块就会停掉这个计算机上的A功能模块，并在部署有A功能模块的其他节点上启动A功能模块，实现了功能模块的无缝切换，上述过程是节点之间的负载均衡与调度。另外，节点内部各个进程间也可以进行负载均衡与调度，比如节点内两个或多个进程中A功能模块的启停、均衡。

因此，该分布式机器人集群网络管理框架，应用于智能防爆巡检机器人来代替人工进行巡检，实施时需要在机器人上位机软件的多进程情况下使用，现有机器人运动控制进程A，任务管理执行进程C，A中机器人运动到任务点则有当前任务位置点数据(TaskPoint Data)发布，还有运动的公共方法前进front()、后退back()、向左left()、向右right()发布，获取当前运动方向方法Get Robot Dir()。任务执行进程C需要订阅机器人运动控制的当前任务位置点数据Task Point Data，如果到达执行任务的位置点则执行相应的任务，执行完毕后需调用运动控制方法使机器人继续运动，具体步骤如下：

W1.运动控制进程A、任务执行进程C启动并将各自的进程通信服务注册至服务管理器；

W2.运动控制进程A发布本进程的公共方法，如前进、后退、向左、向右等方法；任务执行进程C发布本进程的公共方法，如开始执行任务、停止任务等；

W3.任务执行进程C先从配置文件中获取运动控制进程A所在的进程通信服务名称；

W4.根据进程通信服务名称和方法名称执行运动控制进程A中的方法；

W5.任务执行进程C处理完当前任务点的业务逻辑后，调用运动控制进程A的前进或后退方法继续控制机器人运行；

W6.运动控制进程A的前进或后退方法被跨进程调度时，执行本进程的对应方法。

进一步，上述步骤W3-W4，具体的执行过程为：任务执行进程C从配置文件中读取运动控制进程A对应进程的通信服务名称，然后根据进程通信服务名称，从服务管理器中获取运动控制进程A对应服务的地址，再根据这个地址创建运动控制进程A对应的客户端，最后通过客户端执行运动控制进程A对应的方法，其中，运动控制进程A对应的方法封装在进程通信服务模块中。

具体地，整个跨进程功能调度的过程如下：用户或定时启动任务→任务执行进程C中开始执行任务的方法→任务执行进程C调用运动控制进程A中的front接口，控制机器人向前走→运动控制进程A控制机器人走到指定位置(任务点后)→运动控制进程A发布到达任务点的数据到服务管理器→服务管理器分发数据到任务执行进程C→任务执行进程C收到数据后会查询本地数据库，找到任务点管理的仪表信息(云台预置位、相机预置位)→任务执行进程C调用运动控制进程A或D中的云台或相机控制模块，调整角度、变倍值等→任务执行进程C调用运动控制进程A或D中的相机模块，拍照→任务执行进程C调用部署有图像识别模块的E进程进行图像识别→任务执行进程C将识别结果保存到数据库。

综上，这种分布式机器人集群网络管理框架，基于现有的WCF框架、ASP.Net Razor框架、Net FrameWork框架进行开发，同时具备在windows7、windows10、windows server环境上运行的能力。该框架具有分布式部署能力，各功能模块可以根据需要部署在不同的节点上，有利于功能负载的分散，提高系统的整体运行效率与可靠性，降低上位机硬件要求。同时，该框架有利于系统的维护、扩展及测试。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述框架包括：

机器人网络服务器，所述机器人网络服务器采用WCF框架开发，用于实现数据通信和/或功能调度；

应用进程组，所述应用进程组包括：系统更新进程，用于根据指定的更新策略完成更新；数据库服务进程，用于实现状态数据或配置数据的存取；软件监控与安全管理进程，用于监控或管理各进程的运行状态；若干业务进程，通过具体的业务模块完成相应的任务；

所述应用进程组还包括进程启动模块，所述进程启动模块通过进程通信服务模块与各进程通信，执行不同的业务或功能进程；

所述框架利用机器人系统软件对各进程进行统一的管理，所述机器人系统软件的架构按照不同的功能需求划分为多个功能模块，一组相似的功能模块封装成一个功能类库，一组相似的功能类库组成一个业务进程，所述机器人系统软件通过进程通信服务模块实现各进程之间的通信。

2.根据权利要求1所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述应用进程组中的各进程均包括进程通信服务模块，各进程通过所述进程通信服务模块与当前进程中的功能模块或非当前进程通信，执行不同的业务或功能进程。

3.根据权利要求2所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述进程通信服务模块基于WCF开发，继承于IService接口，以进程作为宿主，将当前进程的通信服务发布到服务管理器，非当前进程通过服务管理器获取当前进程发布的服务，并调用当前进程的通信服务接口，实现数据的通信。

4.根据权利要求1所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，各进程还包括日志模块，用于记录不同级别的日志。

5.根据权利要求1所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述系统更新进程包括更新服务端模块，更新客户端模块，两者分别根据指定的更新策略完成服务端、客户端的更新。

6.根据权利要求1所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述软件监控与安全管理进程包括，

负载均衡与调度模块，实现不同节点的综合管理、启停具体的业务进程，实现负载的均衡与分布式管理；

系统监控与状态管理模块，用于实现机器人、软件系统的状态、资源的具体监控；

更新管理模块，根据具体的更新需求，启动/停止更新进程、更新服务端或客户端；

日志管理模块，用于日志的压缩、转存或删除；

进程管理模块，根据当前节点的部署策略启动/停止需要部署的进程，并对所述进程进行守护；

服务中间件模块，用于实现不同节点进程跨路由层的通信；

服务管理器，用于对不同进程的进程通信服务进行管理。

7.根据权利要求1所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述软件监控与安全管理进程还包括进程启动模块，用于根据具体的进程配置文件加载配置的功能类库，启动配置的功能模块。

8.根据权利要求7所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，所述进程启动模块配置文件采用ini格式，部署时放置在ResApp/版本号/Config/Process/目录下。

9.一种分布式机器人集群网络管理框架的实现方法，应用于权利要求1-8择一所述的分布式机器人集群网络管理框架，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.编写自定义的功能模块配置文件；

S2.将自定义的功能模块配置到对应的进程中；

S3.将自定义的进程配置到部署文件中；

S4.将各进程拷贝到对应的部署目录结构；

S5.将整个部署目录拷贝到待运行的上位机上；

S6.修改部署目录下的windows服务配置文件及其节点配置文件；

S7.安装windows服务并启动。