CN112394714A - 一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统，包括：无人艇应用程序、载荷控制软件、航控软件、避障策略算法、公共信息服务、设备虚拟化服务和权限控制服务。本发明采用微服务架构作为基础，将无人艇软件系统中的载荷控制软件、航控软件、避障策略算法均作为独立服务进行部署，实现系统功能的解耦；利用公共信息服务支持系统内各类微服务消息订阅或发布，实现系统内消息交互的有序治理；还在微服务架构的基础上，引入设备虚拟化服务，能够平抑不同型号设备的功能差异，使得无人艇软件系统的业务层不会对特定型号的设备会产生强依赖，实现艇上设备的故障隔离和同类设备互换目标。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇技术领域，具体涉及一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统。
背景技术
无人艇是一种小型的现代智能船舶，以半自主或者全自主方式在水面航行的无人化智能平台，可用于不同类型的海上任务，如海上搜救、水文探测、海洋测量等。因无人艇的用途较多样化，故无人艇软件系统具备多功能化的特点。无人艇软件系统对外需要和岸基控制系统进行信息交互，对内实施对艇上各设备的控制。中国专利“CN 110316327 A一种模块化无人艇”提出一种采用开放式系统、模块化设计的无人艇。该无人艇软件系统可根据无人艇任务需求改变或增减艇上设备模块的搭配组合形式，以实现任务功能的变更。
但无人艇软件系统中的业务层一方面需要根据业务需求访问艇上设备的典型功能，另一方面也需要与艇上设备完全解耦。无人艇软件系统与艇上设备完全解耦可以实现艇上设备故障隔离和设备同类互换的高级设备管理功能。故障隔离是指当艇上某设备出现故障问题不具备工作状态时，该设备不会影响艇上其他设备的正常运行。设备同类互换是指艇上设备可以根据实际需求替换同类型的其他艇上设备，而不影响该艇上设备对应功能服务的正常执行。模块化无人艇软件系统设计方式虽然可以根据业务需求访问艇上设备的典型功能，但并未与艇上设备实现完全解耦，即未平抑不同型号设备的功能差异。此种情况会导致无人艇软件系统的业务层对特定型号的艇上设备产生强依赖，不利于艇上设备的故障隔离和同类设备互换目标的实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统，包括：
无人艇应用程序、载荷控制软件、航控软件、避障策略算法、公共信息服务、设备虚拟化服务和权限控制服务；
其中，所述无人艇应用程序用于根据实际业务逻辑需求通过调用虚拟设备接口以完成各类无人艇业务逻辑；
所述载荷控制软件用于对各个艇上载荷进行控制；
所述航控软件用于根据实际航行需求对艇的航速和艏向进行精准控制；
所述避障策略算法用于利用载荷获取的目标障碍信息，利用策略算法重规划无人艇的航路以实现安全避障；
所述公共信息服务用于支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口；
所述权限控制服务用于配置设备访问的安全规则；
所述设备虚拟化服务用于实现无人艇软件系统中业务层对于艇上设备的完全解耦。
可选的，所述设备虚拟化服务包括：虚拟设备、设备管理和设备状态监控；
其中，所述虚拟设备用于通过提供调用底层设备功能以实现虚拟设备功能；所述设备管理用于提供虚拟设备发现和底层设备注册，同时用于对设备访问进行审计；设备访问审计依靠所述权限控制服务中的安全规则进行访问审计。
可选的，所述设备虚拟化服务的设备注册过程包括：
底层设备开机后，由设备接入代理发起设备注册流程，通过所述公共信息服务发布“设备注册”消息；
所述设备虚拟化服务接收到“设备注册”消息之后，根据设备类型加载并创建对应的虚拟设备实例；同时，所述设备虚拟化服务开启对该设备的状态监控。
可选的，所述设备虚拟化服务的设备发现过程包括：
设备发现流程由应用程序主动发起，通过发布“设备发现”和订阅“虚拟接口定义”消息，间接从所述公共信息服务中获取虚拟设备功能接口。
可选的，当应用程序根据实际业务需求发出虚拟设备访问请求到所述公共信息服务，访问请求通过虚拟设备功能接口完成，具体的，所述设备虚拟化服务将虚拟设备接收到的调用请求解析为对底层设备对应能力的调用，并接收底层设备功能的执行结果；同时，
所述设备虚拟化服务将底层设备上报的执行结果反馈给应用程序。
可选的，所述设备虚拟化服务还负责实现虚拟设备到底层设备功能的映射、检测底层设备的运行状态、虚拟设备的映射状态以及利用所述权限控制服务中配置的安全规则对应用程序的设备访问进行鉴权和审计。
可选的，所述公共信息服务用于支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口，包括：
所述公共信息服务为各底层设备引入独立的设备接入代理程序，对设备的底层网络或总线数据报文进行转换，并以发布模式或订阅模式将底层设备功能接入所述公共信息服务。
可选的，所述发布模式包括：发布消息设备节点向所述公共信息服务发布消息，所述公共信息服务为订阅消息设备节点推送消息。
可选的，所述订阅模式包括：订阅消息设备节点向所述公共信息服务发布订阅消息，所述公共信息服务为订阅消息设备节点推送其订阅的消息。
可选的，艇上载荷包括：导航雷达、摄像头、惯导设备、以及光电设备。
本发明采用以上技术方案，所述一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统，包括：无人艇应用程序、载荷控制软件、航控软件、避障策略算法、公共信息服务、设备虚拟化服务和权限控制服务；本发明采用微服务架构作为基础，无人艇软件系统中的载荷控制软件、航控软件、避障策略算法均作为独立服务进行部署，实现系统功能的解耦；利用公共信息服务支持系统内各类微服务消息订阅或发布，实现系统内消息交互的有序治理；还在微服务架构的基础上，引入设备虚拟化服务，能够平抑不同型号设备的功能差异，使得无人艇软件系统的业务层不会对特定型号的设备会产生强依赖，实现艇上设备的故障隔离和同类设备互换目标。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统的工作原理结构示意图；
图2是本发明中设备虚拟化服务的设备“注册和发现”时序图；
图3是本发明中设备功能调用和结果反馈时序图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
图1是本发明一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统的工作原理结构示意图。
如图1所示，本实施例所述的一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统，包括：
无人艇应用程序、载荷控制软件、航控软件、避障策略算法、公共信息服务、设备虚拟化服务和权限控制服务；
其中，所述无人艇应用程序用于根据实际业务逻辑需求通过调用虚拟设备接口以完成各类无人艇业务逻辑；
所述载荷控制软件用于对各个艇上载荷进行控制；
所述航控软件用于根据实际航行需求对艇的航速和艏向进行精准控制；
所述避障策略算法用于利用载荷获取的目标障碍信息，利用策略算法重规划无人艇的航路以实现安全避障；
所述公共信息服务用于支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口；
所述权限控制服务用于配置设备访问的安全规则；
所述设备虚拟化服务用于实现无人艇软件系统中业务层对于艇上设备的完全解耦。
为了将无人艇软件系统功能服务进行解耦，本发明利用微服务设计架构、根据实际业务需求将无人艇软件系统拆分成多个核心服务进行独立部署。载荷控制软件、航控软件和避障策略算法均可作为独立服务进行部署，避免了各个微服务实现的深耦合，使得无人艇软件系统的稳定性和平衡升级能力得到切实保障。
无人艇软件系统中的无人艇应用程序可调用虚拟设备接口以完成各类无人艇业务逻辑。无人艇软件系统中的载荷控制软件用于控制各艇上载荷的使用。艇上载荷包括导航雷达、摄像头、惯导、光电设备，即对应图1中的物理设备。
具体的，导航雷达用于协助无人艇探测远距离目标，摄像头可实时提供环境图像和视频以监控艇体周围环境，惯导设备可提供艇体的经纬度和艇体姿态等信息，光电设备能够捕获和跟踪视界内的目标，并反馈目标状态信息和目标图像。航控软件可对无人艇进行航行控制，根据任务要求精准控制艇的航速和艏向。避障策略算法是利用载荷获取的目标障碍信息，利用策略算法重规划无人艇的航路以实现安全避障。
无人艇软件系统中的公共信息服务支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口。
具体的，公共信息服务为各底层设备引入独立的设备接入代理程序，对设备的底层网络或总线数据报文进行转换，并以发布模式或订阅模式将底层设备功能接入公共信息服务，实现公共信息服务访问底层设备功能，避免了对设备的入侵式改造，简化了对非标准设备的适配，同时使得软件系统信息交互管理变得更加有序。
进一步的，所述对设备的底层网络或总线数据报文进行转换有三种方式：第一种是在原始报文前加上特定的报文标识符，其特点是原始报文数据是无损的，适用于高性能、低延迟的场景；第二种是将所有来源的原始报文转换为统一的格式，特点是原始报文数据会有损失，适合对数据质量要求高的场景；第三种是在原始报文中追加构成信息链，即将原始报文和转换后的每一层报文都进行保留，最终可实现数据处理流程的反向追溯，故适合要求原始数据可溯源的场景。在实际使用中可根据不同的需求场景选择不同的转换方式。
无人艇软件系统中的设备虚拟化服务可以实现无人艇软件系统中业务层对于艇上设备的完全解耦，实现了故障隔离和同类互换的高级设备管理功能。
具体的，设备虚拟化服务包括：虚拟设备、设备管理和设备状态监控。
其中，虚拟设备提供调用底层设备功能来提供虚拟设备功能。设备管理提供虚拟设备发现和底层设备注册，同时可对设备访问进行审计。设备访问审计依靠权限控制服务中的访问控制，即利用安全规则进行访问审计。
虚拟化服务引入设备“注册和发现”机制，使得应用程序通过设备虚拟化服务发现系统中的虚拟设备。
图2为设备虚拟化服务的设备“注册和发现”时序图，包括：底层设备开机后，由设备接入代理发起“设备注册”流程，即通过公共信息服务发布“设备注册”消息。设备虚拟化服务接收到“设备注册”消息之后，会根据设备类型加载并创建对应的虚拟设备实例。同时，设备虚拟化服务会开启对该设备的状态监控。“设备发现”流程由应用程序主动发起，通过发布“设备发现”和订阅“虚拟接口定义”消息，间接从公共信息服务获取虚拟设备功能接口。
图3为设备功能调用和结果反馈时序图。具体的，当应用程序根据实际业务需求发出虚拟设备访问请求到公共信息服务，访问请求会通过虚拟设备功能接口完成，即设备虚拟化服务将虚拟设备接收到的调用请求解析为对底层设备对应能力的调用，并接收底层设备功能的执行结果。同时，虚拟化服务会将底层设备上报的执行结果反馈给应用程序。
此外，设备虚拟化服务还负责实现虚拟设备到底层设备功能的映射、检测底层设备的运行状态、虚拟设备的映射状态以及利用权限控制服务中配置的安全规则对应用程序的设备访问进行鉴权和审计。
本发明所述的基于设备虚拟化的无人艇软件系统采用微服务架构作为基础，将无人艇软件系统中的载荷控制软件、航控软件、避障策略算法均作为独立服务进行部署，实现系统功能的解耦。
此外，本发明利用公共信息服务支持系统内各类微服务消息订阅或发布，同时在公共信息服务中挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口，实现了系统中的各个微服务之间信息交互的有序治理。
最后，本发明在采用微服务架构的基础上，创新性地引入设备虚拟化服务，可以平抑不同型号设备的功能差异，使得无人艇软件系统的业务层不会对特定型号的设备会产生强依赖，实现艇上设备的故障隔离和同类设备互换目标。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于设备虚拟化的无人艇软件系统，其特征在于，包括：
无人艇应用程序、载荷控制软件、航控软件、避障策略算法、公共信息服务、设备虚拟化服务和权限控制服务；
其中，所述无人艇应用程序用于根据实际业务逻辑需求通过调用虚拟设备接口以完成各类无人艇业务逻辑；
所述载荷控制软件用于对各个艇上载荷进行控制；
所述航控软件用于根据实际航行需求对艇的航速和艏向进行精准控制；
所述避障策略算法用于利用载荷获取的目标障碍信息，利用策略算法重规划无人艇的航路以实现安全避障；
所述公共信息服务用于支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口；
所述权限控制服务用于配置设备访问的安全规则；
所述设备虚拟化服务用于实现无人艇软件系统中业务层对于艇上设备的完全解耦。
2.根据权利要求1所述的无人艇软件系统，其特征在于，所述设备虚拟化服务包括：虚拟设备、设备管理和设备状态监控；
其中，所述虚拟设备用于通过提供调用底层设备功能以实现虚拟设备功能；所述设备管理用于提供虚拟设备发现和底层设备注册，同时用于对设备访问进行审计；设备访问审计依靠所述权限控制服务中的安全规则进行访问审计。
3.根据权利要求2所述的无人艇软件系统，其特征在于，所述设备虚拟化服务的设备注册过程包括：
底层设备开机后，由设备接入代理发起设备注册流程，通过所述公共信息服务发布“设备注册”消息；
所述设备虚拟化服务接收到“设备注册”消息之后，根据设备类型加载并创建对应的虚拟设备实例；同时，所述设备虚拟化服务开启对该设备的状态监控。
4.根据权利要求2所述的无人艇软件系统，其特征在于，所述设备虚拟化服务的设备发现过程包括：
设备发现流程由应用程序主动发起，通过发布“设备发现”和订阅“虚拟接口定义”消息，间接从所述公共信息服务中获取虚拟设备功能接口。
5.根据权利要求1所述的无人艇软件系统，其特征在于，
当应用程序根据实际业务需求发出虚拟设备访问请求到所述公共信息服务，访问请求通过虚拟设备功能接口完成，具体的，所述设备虚拟化服务将虚拟设备接收到的调用请求解析为对底层设备对应能力的调用，并接收底层设备功能的执行结果；同时，
所述设备虚拟化服务将底层设备上报的执行结果反馈给应用程序。
6.根据权利要求1所述的无人艇软件系统，其特征在于，
所述设备虚拟化服务还负责实现虚拟设备到底层设备功能的映射、检测底层设备的运行状态、虚拟设备的映射状态以及利用所述权限控制服务中配置的安全规则对应用程序的设备访问进行鉴权和审计。
7.根据权利要求1所述的无人艇软件系统，其特征在于，所述公共信息服务用于支持各类微服务消息订阅或发布，同时挂载底层设备接口、虚拟设备接口和权限控制接口，包括：
所述公共信息服务为各底层设备引入独立的设备接入代理程序，对设备的底层网络或总线数据报文进行转换，并以发布模式或订阅模式将底层设备功能接入所述公共信息服务。
8.根据权利要求7所述的无人艇软件系统，其特征在于，
所述发布模式包括：发布消息设备节点向所述公共信息服务发布消息，所述公共信息服务为订阅消息设备节点推送消息。
9.根据权利要求7所述的无人艇软件系统，其特征在于，
所述订阅模式包括：订阅消息设备节点向所述公共信息服务发布订阅消息，所述公共信息服务为订阅消息设备节点推送其订阅的消息。
10.根据权利要求1至9任一项所述的无人艇软件系统，其特征在于，艇上载荷包括：导航雷达、摄像头、惯导设备、以及光电设备。
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