[发明专利]一种针对分布式机器人集群的层次化时序属性监控方法

说明书

本发明公开了一种针对分布式机器人集群的层次化时序属性监控方法，包括：在分布式机器人集群中部署分布式节点监控器，获得机器人操作系统在资源层、通信层、单个机器人层在高层属性规约层面涉及的事件和命题的数据；对数据进行组帧和封装，并形成数据接口，将数据接口和分布式节点监控器进行动态绑定，然后传输数据流到服务器；服务器生成中心监控器并按照MTL3‑RMoM时序逻辑解算算法生成监控器并得到判决结果；在中心监控器实时显示判决结果并实时反馈违反信息给分布式节点监控器。本发明能够在线监控拓扑关系动态变化的机器人集群属性是否违背，同时能够覆盖集群属性，单机器人属性，硬件资源和通信层属性的三层属性运行时监控。

技术领域

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种针对分布式机器人集群的层次化时序属性监控方法。

背景技术

近年来，随着新的计算技术、网络技术和控制技术的不断涌现，以机器人系统为典型的信息物理融合系统CPS(Cyber-physical Systems)已经成为一个快速发展的新趋势。从系统工程的角度，机器人集群本身就是一个较为复杂的软硬件协同系统，其复杂性体现在机器人集群CPS所特有的混成(物理设备和信息系统深度整合)特性、时间空间特性、系统模型和海量数据复杂性以及分布式协同特性等等。而且，这类系统还往往面临着各节点动态变化、环境多变等外部要素，很难完全确保这类CPS系统在整个执行过程中完全满足需求规约。如何保证需求和实现一致性已经成为机器人以及机器人集群进行产业布局和应用推广的一道摆在面前的瓶颈性难题。

想要系统性地验证和保障机器人集群CPS系统安全，基于形式化方法的在线监控是一项必要且有效的手段，能够有效调高“系统的可信度”，也是目前学者们研究的热点。在众多的软硬件系统监控方法中，运行时验证(Runtime Verification简称RV)是近年来兴起的轻量级的软件可靠性保障技术，它基于目标系统的运行轨迹来判定给定的性质规约是否满足。由于系统运行轨迹的唯一性，它有效的克服了当系统足够复杂后带来的模型检验技术的状态空间爆炸和测试技术全路径难以覆盖的问题。另外与传统的软件可靠性保障技术不同的是，RV技术主要应用在系统部署后，对运行环境和上下文不确定导致的系统缺陷能很好的监控。这些特点都使得RV技术很适合应用在机器人集群CPS系统上。

然而，由于机器人系统的复杂性和RV技术中形式化理论的学习门槛较高。当前，RV技术在机器人集群系统上的研究还处于初级阶段，相关的工具应用也较少。因此，本发明主要在典型的机器人操作系统ROS(Robot Operating System)上开展RV应用，通过对基于ROS系统的机器人集群的运行时监控，保障机器人导航、避障等自主行为以及集群协同控制在运行时状态下始终满足安全规约。

并且，针对ROS机器人系统及其集群系统，提出适合的运行时验证理论和相应的工具。

综上，针对ROS系统下的机器人集群的RV技术应用需要基于机器人系统的全局及局部约束，着重研究如何运用RV技术来层次化地实时监控整个系统，以及发现性质违反后的强制方法，从而丰富这类CPS系统的可信性保障手段。这样的技术实现具有很大的挑战：一是面向复杂的机器人集群系统，如何构建层次化监控CPS系统的监控框架，并保证该方法的时空一致性；二是如何增强监控规约语言和形式化描述方法，从而将RV监控器应用于混成特性的CPS系统。