基于數(shù)據(jù)中心的SLAM技術(shù)研究

趙霖

（福建榕基軟件股份有限公司 福建省福州市 350001）

隨著云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的大規(guī)模使用，必須建立科學(xué)的數(shù)據(jù)中心，隨著數(shù)據(jù)中心設(shè)備越來越多，環(huán)境越來越復(fù)雜，為了發(fā)揮數(shù)據(jù)中心的價值，以往的人工運維結(jié)合傳統(tǒng)DCIM(Data Center Infrastructure Management)的方式已經(jīng)無法滿足新時代業(yè)務(wù)的需求，必須建立起更新、更實時、更高效的可視化DCIM 系統(tǒng)。

本文提出通過基于SLAM 技術(shù)的思路來解決數(shù)據(jù)中心可視化管理問題，做到高頻更新數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場實際情況，高精度呈現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)物理環(huán)境，并通過開放的數(shù)據(jù)接口與現(xiàn)有各類信息系統(tǒng)對接，將實時化、具象化的場景與實時數(shù)據(jù)相結(jié)合，靈活展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心運行環(huán)境、設(shè)備資產(chǎn)和各類報警信息，大大提高數(shù)據(jù)中心運維效率。

1 數(shù)據(jù)中心的SLAM模式設(shè)計

1.1 SLAM技術(shù)

SLAM 技術(shù)，即Simultaneous Localization And Mapping，時定位與地圖構(gòu)建，或并發(fā)建圖與定位技術(shù)。它是利用感知設(shè)備在未知環(huán)境中的未知位置進行移動，并且在設(shè)備移動過程中實現(xiàn)對應(yīng)環(huán)境的完全地圖描繪的一種技術(shù)方法。值得注意的是，SLAM 技術(shù)在具體應(yīng)用中的功能結(jié)構(gòu)，主要包括特征提取以及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)估計與更新、特征更新等，而完全地圖則使得感知設(shè)備能夠不受障礙影響的進入到所在環(huán)境的的各開放角落[1]。

SLAM 涉及一系列復(fù)雜的計算和算法，它們利用傳感器來構(gòu)建未知環(huán)境中的地圖和結(jié)構(gòu)，并定位設(shè)備的位置和方向。從技術(shù)角度來看，SLAM 本質(zhì)上是一種估算設(shè)備位置和方向的過程，并使用攝像頭輸入饋送和IMU 讀數(shù)來構(gòu)建環(huán)境映射，能夠在未知環(huán)境中確定設(shè)備的準(zhǔn)確位置。SLAM 技術(shù)在構(gòu)圖過程中能夠通過圖優(yōu)化方式實現(xiàn)，它不僅能夠?qū)Π偃f平米級別的地圖進行構(gòu)建實現(xiàn)，而且具有主動式回環(huán)閉合的糾正能力，在構(gòu)圖過程中根據(jù)感知設(shè)備的環(huán)境探索情況，對已經(jīng)探索的環(huán)境能夠根據(jù)其內(nèi)部拓撲圖實現(xiàn)主動式閉環(huán)檢測，并且在感知設(shè)備實現(xiàn)新的環(huán)境感知和閉環(huán)信息檢測發(fā)現(xiàn)后，該技術(shù)就會利用相應(yīng)的計算方法在實現(xiàn)原有環(huán)境及其位姿拓撲地圖修正基礎(chǔ)上，來滿足閉環(huán)后地圖的有效修正和圖優(yōu)化功能需求，實現(xiàn)更加準(zhǔn)確和可靠的環(huán)境建圖。

在SLAM 技術(shù)中包含了激光SLAM 與視覺SLAM 兩大類，其中激光SLAM 是目前應(yīng)用最廣泛也最為成熟的SLAM 技術(shù)，激光雷達的出現(xiàn)使得測量更快更精準(zhǔn)，信息也更為豐富。

SLAM 技術(shù)在實際應(yīng)用中不僅具有較為成熟的理論基礎(chǔ)支持，而且其應(yīng)用價值十分顯著，在現(xiàn)有的技術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域被稱為是能夠真正實現(xiàn)感知設(shè)備完全自主移動的關(guān)鍵技術(shù)。值得注意的是，SLAM 還存在很大的提高余地，在具體實踐中，由于SLAM 技術(shù)在實際應(yīng)用中的運行環(huán)境會受到時間與技術(shù)條件等因素影響，像SLAM 技術(shù)應(yīng)用中的走廊問題和外界干擾因素影響等，這就需要在具體應(yīng)用中針對SLAM 技術(shù)的靈敏性和可靠性進行完善和提升，即通過對現(xiàn)存問題進行優(yōu)化改進，以促進數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。

圖1：SLAM 主要過程圖

1.2 SLAM過程分析

SLAM 技術(shù)在實際應(yīng)用中的具體分析過程主要包含以下幾點，如圖1所示。

（1）傳感器信息讀取(Sensor Information Reading)。在視覺SLAM 中主要為激光雷達、羅盤、傾角傳感器等各類感知設(shè)備所采集信息的有效讀取與預(yù)處理。

（2）視覺里程計(Visual Odometry)。VO 也被稱為是前端，即FE（Front End），它的主要任務(wù)是進行相鄰圖像之間的相機運動與對局部地圖樣子估算實現(xiàn)，是SLAM 技術(shù)應(yīng)用主要環(huán)節(jié)與重要內(nèi)容過程之一。

（3）后端優(yōu)化(Optimization)。在SLAM 的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成中，后端是進行不同時刻的視覺里程計所測量相機位姿接受的重要部分，同時也是進行SLAM 技術(shù)應(yīng)用中的回環(huán)信息接受的重要系統(tǒng)部分，因此，對后端的優(yōu)化實現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有全局一致性的相機運動軌跡與地圖獲取。值得注意的是，SLAM 技術(shù)系統(tǒng)中，根據(jù)后端被連接在VO 之后等情況，因此也被稱為是后端，即Back End。

（4）回環(huán)檢測(Loop Closing)，它作為SLAM 技術(shù)系統(tǒng)的重要過程之一，是對機器人是否曾到達過原先位置等情況進行檢測和判斷，在SLAM 技術(shù)應(yīng)用中，對檢測出的回環(huán)信息，會向后端進行傳輸并進行有效處理。

（5）建圖(Mapping)，是SLAM 技術(shù)系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，一般情況下，是通過對所估計的軌跡進行應(yīng)用，進行和任務(wù)要求相對應(yīng)的地圖建立實現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)中心SLAM模式下DCIM設(shè)計

2.1 DCIM總體結(jié)構(gòu)

DCIM 在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用十分重要。DCIM 可對數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)設(shè)備，資源設(shè)備運行狀況的進行全面監(jiān)控和管理。DCIM 提供一個獨立的管理平臺，對各個數(shù)據(jù)中心IT 設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進行實時監(jiān)控和管理。通過采集設(shè)備、傳輸設(shè)備和管理設(shè)備等，與可視化平臺對接，對數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)設(shè)備和場地基礎(chǔ)設(shè)施進行統(tǒng)一監(jiān)控、科學(xué)管理、全方位展示。[2]按其羅輯架構(gòu)設(shè)計為DAL（Data Acquisition Layer）、CPL（Centralized Processing Layer）、MSL（Management Service Layer）和DL（Display Layer）。

DCIM 的DAL 設(shè)計為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)入口，是系統(tǒng)管理所需基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的來源，包括SLAM、RFID、ITI、Video 等子模塊，均通過標(biāo)準(zhǔn)接口及協(xié)議，接收前端系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)。CPL 具備集中數(shù)據(jù)處理能力，對采集數(shù)據(jù)進行二次計算，形成上層管理所需的數(shù)據(jù)。MSL 提供以下服務(wù)：基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、能效管理、機房可用性監(jiān)控、資產(chǎn)管理、容量管理、變更管理、報表報告、告警告知、配置管理等各項服務(wù)。隨著數(shù)據(jù)中心管理成熟度的提高，以增加對應(yīng)功能模塊的方式拓展系統(tǒng)的管理功能，以滿足數(shù)據(jù)中心的管理需要，比如拓展增加工單管理、巡檢管理等模塊。DL 提供豐富的展示媒介，包括移動終端、PC、大屏等方式，與VP 可視化平臺對接，對數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)設(shè)備和場地基礎(chǔ)設(shè)施進行統(tǒng)一監(jiān)控、科學(xué)管理、全方位展示。隨著應(yīng)用設(shè)備的發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用需要，在應(yīng)用層增加對應(yīng)展示應(yīng)用模塊。

2.2 SLAM設(shè)計

SLAM 在DCIM 總體設(shè)計中主要為子模塊，其具備定位功能與地圖構(gòu)建功能，將數(shù)據(jù)中心的各個機房現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)用到DCIM 平臺中，可以有效為DCIM 提供基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)。在SLAM 子模塊中，與DCIM 平臺的數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)入口對接，通過提供標(biāo)準(zhǔn)接口及協(xié)議，發(fā)送采集到的現(xiàn)場環(huán)境信息，能夠確保數(shù)據(jù)中心的各個機房現(xiàn)場環(huán)境請求信息發(fā)送到相關(guān)服務(wù)器當(dāng)中。在DCIM 應(yīng)用當(dāng)中，SLAM 子模塊屬于前端環(huán)境采集的核心內(nèi)容，因此，在DCIM 平臺中占據(jù)重要地位。

SLAM 設(shè)計感知設(shè)備載體為可移動機器人，其主要應(yīng)用于SLAM 技術(shù)的響應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)中，一般包含電機、云臺以及萬向輪等，上述執(zhí)行機構(gòu)作為SLAM 技術(shù)的重要動力機構(gòu)，在具體設(shè)計應(yīng)用中需要通過相應(yīng)的驅(qū)動電路配備設(shè)置，在對電路運行的控制下，對其具體功能作用以及在SLAM 技術(shù)中的應(yīng)用進行支持。

SLAM 技術(shù)應(yīng)用中，對其自身定位以及地圖構(gòu)建等功能實現(xiàn)的重要支持機構(gòu)中，均包含有感知設(shè)備，通過感知設(shè)備中的傳感器對不同物理量的檢測，為SLAM 技術(shù)應(yīng)用和實現(xiàn)提供良好的支持。需要注意的是，由于不同感知設(shè)備的傳感器輔助電路存在差異，在進行對應(yīng)的數(shù)據(jù)軟件應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理的具體方法也存在差別，其中，就包含有移動機器人中所配置的羅盤以及激光雷達、慣性傳感器等幾種不同的傳感器及其數(shù)據(jù)分析方法等。

SLAM 感知設(shè)備的設(shè)計中，還會牽涉到相應(yīng)的通信功能設(shè)計和應(yīng)用問題。一般情況西，在SLAM 技術(shù)應(yīng)用中，不管是其系統(tǒng)內(nèi)部的模塊間通信，或者是SLAM 技術(shù)中機器人和外部之間的數(shù)據(jù)交互,均需要相應(yīng)的通信設(shè)計進行支持。值得注意的是，其通信設(shè)計主要應(yīng)用于感知設(shè)備中，多會采用無線通信技術(shù),通過感知設(shè)備在數(shù)據(jù)中心場地中自由移動來實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)感知與通信傳輸。設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信采用802.11 的WIFI 無線通信協(xié)議,因此除了解決工作場地?zé)o線信號覆蓋問題,對天線進行設(shè)計外,還需要進行針對性開發(fā)。在對SLAM 技術(shù)的感知設(shè)備無線通信設(shè)計中，主要涉及TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信編程,使用基于標(biāo)準(zhǔn)API 的編程接口開發(fā)。

將SLAM 與RFID（Radio Frequency Identification）、ITI（Infrared Thermal Tmaging）、視頻監(jiān)控等方法相結(jié)合，自動準(zhǔn)確的標(biāo)識設(shè)備并進行設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測。將SLAM 與網(wǎng)格方法相結(jié)合，將地圖映射為數(shù)據(jù)中心工作人員可以讀懂的格式，通過將SLAM 與網(wǎng)格方法相結(jié)合，進行感知設(shè)備的路徑規(guī)劃。

2.3 VP設(shè)計

VP（Visualization Platform）平臺就是讓某種原本不可見的變?yōu)榭梢?。從根本上來說，就是是為了提高效率。VP 可視化平臺應(yīng)對DCIM，直觀展示設(shè)備信息，快速檢索、定位、提升日常運維工作效率。

可視化技術(shù)在SLAM 中的設(shè)計和應(yīng)用，實際上就是通過對計算機圖形學(xué)與計算機圖像處理等技術(shù)手段的綜合利用，在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像、并在屏幕上顯示后，以滿足其交互處理的理論、方法與技術(shù)的總稱?？梢暬夹g(shù)在具體設(shè)計應(yīng)用中，不僅會涉及到計算機圖形學(xué)與計算機圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設(shè)計等多項技術(shù)，而且通過上述技術(shù)手段的設(shè)計和應(yīng)用能夠為數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等功能實現(xiàn)提供良好的支持。當(dāng)前，在各行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用與快速發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它也是以可視化技術(shù)作為基礎(chǔ)的。

通常情況下，VP 平臺設(shè)計主要應(yīng)包括3D 引擎、圖形接口、場景編輯器、模型管理、數(shù)據(jù)接口、環(huán)境展示等。其中，在進行可視化技術(shù)平臺中的3D 引擎設(shè)計中，其作為進行驅(qū)動圖形顯示所需的核心3D 組件提供與支持的重要結(jié)構(gòu)部分，在可視化平臺設(shè)計中具有十分重要的作用。場景編輯器在可視化技術(shù)平臺的設(shè)計和應(yīng)用中，能夠通過進行3D 場景資產(chǎn)資源的自由添加，對多個物理地點的機房場景添加以及切換、展示等進行支持。圖形接口可將其它3D 工具創(chuàng)建的模型通過接口導(dǎo)入?？梢暬夹g(shù)平臺的數(shù)據(jù)接口具有易于集成擴展等特點，并且能夠?qū)ctiveMQ、WebService 等接口協(xié)議進行支持，同時實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口提供，為DCIM 推送資產(chǎn)數(shù)據(jù)或者是監(jiān)控數(shù)據(jù)提供支持。模型管理中設(shè)置有相應(yīng)的內(nèi)置產(chǎn)品模型庫，可根據(jù)需求在后臺上傳更新。環(huán)境展示是通過對3D 場景的操作，以及對數(shù)據(jù)中心級、樓層級、機房級、機柜級、設(shè)備級、端口級的瀏覽進行可層次化遞進實現(xiàn)和支持。[3]

3 結(jié)語

此次研究主要是基于數(shù)據(jù)中心探討分析SLAM 可視化技術(shù)，SLAM 技術(shù)通過DCIM 平臺與VP 平臺進行對接，大大提高了數(shù)據(jù)中心機房運維能力，將實時化、具象化的場景與實時數(shù)據(jù)相結(jié)合，靈活展現(xiàn)數(shù)據(jù)中心運行環(huán)境、設(shè)備資產(chǎn)和各類報警信息，大大提高數(shù)據(jù)中心運維效率。