ROSIX 白皮书 v0.3（标准草案）

UOS（人机物一体化操作系统）核心标准接口规范，包含完整的技术架构和API定义

版本历史

  • v0.1：初始草案，2025年1月发布，定义 ROSIX 核心接口和理念。
  • v0.2：修订版，2025年5月21日，扩展细节、添加示例、增强专业性。
  • v0.3：整合 UOS 概述，优化结构，补充实施指南和行业用例，2025年6月10日。

作者与贡献者

文档目的
本白皮书定义 UOS（Unified Operating System，人、机、物一体化操作系统） 及其核心标准接口 ROSIX（Resource-Oriented System Interface for X），为开发者、系统集成商和行业从业者提供一个统一的、可扩展的框架，以实现物理世界（人、设备、环境）与数字世界的无缝融合。修订版 v0.3 整合 UOS 的整体架构，细化 ROSIX 的接口规范，补充行业用例（如电力巡检），并提供实施指南，旨在增强可操作性和跨领域适用性。

1. UOS 概述

1.1 背景与目标

UOS 是一个面向未来复杂生态的下一代操作系统，旨在通过统一的资源抽象和协同机制，实现人、机、物的深度融合。UOS 以 ROSIX 为核心接口，支持物联网、智能制造、智慧城市、电力行业等场景的需求。

核心目标：

  • 资源统一性：将硬件设备、软件服务、人力资源和信息资产抽象为统一的资源，消除异构系统壁垒。
  • 实时性与智能性：支持毫秒级响应、事件驱动和 AI 驱动的动态决策。
  • 可扩展性与兼容性：模块化设计，兼容传统接口（如 POSIX），支持新硬件和协议。
  • 安全性与可靠性：通过权限控制、隔离域和一致性机制，确保系统鲁棒性。
  • 跨领域适用性：支持电力巡检、输电检修、智慧交通等场景。

1.2 适用范围

UOS 适用于需要人、机、物协同的场景，包括：

  • 电力行业：配电巡检（变电站监测、故障检测）、输电检修（高压线路维护）。
  • 智慧城市：交通管理、能源分配、环境监测。
  • 工业物联网：设备协同、生产优化。
  • 医疗健康：远程手术、患者监测。
  • 智能家居：家电互联、自动化控制。

1.3 关键特性

  • 跨平台支持：运行于嵌入式设备、边缘节点和云端，兼容容器化和微服务。
  • 高可靠性：支持冗余、错误重试和快照回溯。
  • 实时性：流式处理和事件驱动模型，响应时间<100ms。
  • 模块化设计：各层独立开发，易于扩展。
  • 生态整合：与 Linux、Kubernetes、ROS 等技术栈兼容。

2. 设计理念

UOS 和 ROSIX 共享以下设计原则，确保从操作系统到接口的统一性：

  • 资源为中心（Resource-Centric）：所有实体（传感器、执行器、服务、人）被抽象为资源，具备唯一标识（URI，如 “rosix://power/sensor/temp1”）、属性集（键值对）和行为集（方法调用）。
  • 信息孪生（Digital Twin）：物理资源在信息空间中映射为 Actor 模型实体，支持并发、消息传递和实时交互。
  • 时空融合（Multi-Dimensional Fusion）：
    • 语义维度：通过本体（Ontology）定义资源类型和关系。
    • 时间维度：记录状态历史和预测趋势。
    • 空间维度：基于 GPS 或相对坐标建模位置。
    • 拓扑维度：描述资源间的连接，如电网拓扑。
  • 多范式协同：支持命令式（Core）、流式（Stream）、规则式（Rule）、编排式（Workflow）和智能驱动（AI）模型。
  • AI 原生：内置智能代理，支持自然语言意图解析和动态优化。
  • 安全与一致性：基于 AccessToken 的权限控制，结合强一致性（关键控制）和最终一致性（数据流）。
  • 行业特定原则（以电力为例）：
    • 高可靠性：故障容错、冗余机制。
    • 实时性：流式处理实时监测数据。
    • 合规性：符合电力标准（如 GB/T 2887-2011），支持数据加密和审计日志。

3. 总体架构

UOS 采用分层架构，ROSIX 作为核心接口标准，连接物理资源与应用层。各层松耦合，确保模块化开发和跨平台部署。

层级名称职责描述示例应用场景（电力行业）
L0Physical Resource Layer物理世界的传感器、设备、服务和人力，直接接口连接。无人机、温度传感器、巡检员。
L1ROSIX.Core基础接口层，提供资源访问、控制和事件监听，类似于 POSIX。打开传感器、读取电压数据。
L2ROSIX.ResourceSpace语义核心层，管理资源的时空状态、语义关系和拓扑结构，形成数字孪生空间。追踪无人机路径、记录状态历史。
L3ROSIX.Programming Models高层编程模型，包括 Stream、Rule、Workflow，支持复杂逻辑。实时视频流、故障规则、工作流。
L4ROSIX.AI智能层，提供意图驱动接口和 AI 代理，支持决策和优化。图像缺陷识别、路径优化。

架构流程（ASCII 表示）：

物理资源 (L0) 
  ↓ (连接与抽象)
ROSIX.Core (L1) 
  ↓ (语义建模)
ResourceSpace (L2) 
  ↓ (编程范式)
Programming Models {Stream, Rule, Workflow} (L3) 
  ↓ (智能增强)
ROSIX.AI (L4) 
  ↓ (应用输出)
UOS 应用层（人机物协同系统）

UOS 支持嵌入式设备、边缘计算和云端部署，兼容 Docker 和 Kubernetes。

4. ROSIX.Core

ROSIX.Core 是 UOS 的基础接口层，提供资源生命周期管理和基本操作，类似于 POSIX 在传统操作系统中的角色。

4.1 数据类型

typedef int ROSIX_Result; // 返回码：0 (OK), -1 (INVALID_HANDLE), -2 (PERMISSION_DENIED), -3 (RESOURCE_NOT_FOUND), etc.
typedef int ResourceHandle; // 资源句柄
typedef struct {
    char* uri;        // 唯一标识，如 "rosix://power/sensor/temp1"
    char* type;       // 类型，如 "sensor"
    char* name;       // 友好名称
    char* metadata;   // JSON 格式元数据
} ResourceDescriptor;
typedef void (*ROSIX_Callback)(ResourceHandle handle, const char* event, void* userdata);

4.2 基本接口定义

所有接口返回 ROSIX_Result，模式参数（如 “r+“）支持读（r）、写（w）和读写（+）。

  • rosix_open(const char uri, const char mode)**: 打开资源，返回句柄。错误：URI 无效、权限不足。
  • rosix_close(ResourceHandle handle): 释放资源。
  • *rosix_read(ResourceHandle handle, void buffer, size_t size)**: 读取数据，返回字节数或错误。
  • *rosix_write(ResourceHandle handle, const void data, size_t size)**: 写入数据。
  • rosix_getattr(ResourceHandle handle, const char key, char value, size_t len)**: 获取属性。
  • rosix_setattr(ResourceHandle handle, const char key, const char value)**: 设置属性。
  • rosix_invoke(ResourceHandle handle, const char action, const char args)**: 调用行为（args 为 JSON）。
  • rosix_subscribe(ResourceHandle handle, const char event, ROSIX_Callback cb, void userdata)**: 订阅事件。
  • *rosix_unsubscribe(ResourceHandle handle, const char event)**: 取消订阅。
  • rosix_link(ResourceHandle parent, ResourceHandle child): 建立父子关系。
  • rosix_unlink(ResourceHandle parent, ResourceHandle child): 解除关系。

示例（C 代码，电力巡检场景）：

#include <rosix.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    ResourceHandle sensor = rosix_open("rosix://power/sensor/temp1", "r+");
    if (sensor < 0) {
        fprintf(stderr, "Failed to open sensor: %d\n", sensor);
        return -1;
    }
    char value[256];
    if (rosix_getattr(sensor, "temperature", value, sizeof(value)) == ROSIX_OK) {
        printf("Temperature: %s°C\n", value);
    }
    rosix_close(sensor);
    return 0;
}

5. ROSIX.ResourceSpace

ResourceSpace 是 UOS 的语义核心层，维护资源的数字孪生模型，支持多维建模和查询。

5.1 主要概念

  • ResourceRef：完整资源引用，包含句柄和上下文。
  • SpatialContext：空间坐标（x, y, z）和方向（orientation）。
  • TemporalContext：时间戳、状态和趋势（如 “increasing”）。
  • SemanticProfile：资源类型、能力和本体链接。

5.2 接口定义

typedef struct {
    double x, y, z;         // 3D 坐标
    double orientation[3];  // 方向向量
} SpatialContext;

typedef struct {
    time_t timestamp;       // Unix 时间戳
    char* state;            // 当前状态
    char* trend;            // 趋势，如 "stable"
} TemporalContext;

typedef struct {
    char* type;             // 类型，如 "drone"
    char* capabilities;     // 能力列表，如 "fly,scan"
    char* ontology_uri;     // 本体 URI
} SemanticProfile;

typedef struct {
    ResourceHandle handle;
    SpatialContext space;
    TemporalContext time;
    SemanticProfile semantic;
} ResourceRef;

ResourceRef rosix_resolve(const char* uri);
ROSIX_Result rosix_update_spatial(ResourceHandle handle, SpatialContext ctx);
ROSIX_Result rosix_update_temporal(ResourceHandle handle, TemporalContext ctx);
ROSIX_Result rosix_query_topology(ResourceHandle handle, ResourceRef* neighbors, size_t max);

5.3 时空维度维护

  • 时间序列存储：使用分布式数据库（如 LevelDB）记录状态历史。
  • 快照与回溯：支持 rosix_snapshot(handle) 和 rosix_replay(handle, timestamp)。
  • 与 Stream 结合：实现持续语义计算，如实时位置跟踪。

用例（电力巡检）：更新无人机位置并查询附近变电站：

ResourceRef drone = rosix_resolve("rosix://power/drone/patrol1");
if (drone.handle >= 0) {
    SpatialContext ctx = { .x = 120.0, .y = 30.0, .z = 100.0, .orientation = {0.0, 0.0, 90.0} };
    rosix_update_spatial(drone.handle, ctx);
    ResourceRef neighbors[10];
    int count = rosix_query_topology(drone.handle, neighbors, 10);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        printf("Neighbor URI: %s\n", neighbors[i].semantic.uri);
    }
}

6. ROSIX.Stream

Stream 模型支持实时数据处理和事件驱动计算。

typedef struct {
    ResourceHandle source;
    void (*process)(const void* data, size_t size, void* context);
} ROSIX_Stream;

ROSIX_Result rosix_stream_open(ResourceHandle source, ROSIX_Stream* stream);
ROSIX_Result rosix_stream_subscribe(ROSIX_Stream* stream, ROSIX_Callback cb);
ROSIX_Result rosix_stream_close(ROSIX_Stream* stream);

特性：

  • 异步数据流，支持缓冲和重试。
  • 事件触发任务，如实时传感器数据处理。

示例（电力巡检，监控温度流）：

void process_temp(const void* data, size_t size, void* context) {
    double temp = *(double*)data;
    if (temp > 80.0) printf("Warning: High temperature %.2f°C\n", temp);
}

int main() {
    ResourceHandle source = rosix_open("rosix://power/sensor/temp_stream", "r");
    ROSIX_Stream stream = { .source = source, .process = process_temp };
    rosix_stream_open(source, &stream);
    rosix_stream_subscribe(&stream, [](ResourceHandle h, const char* event, void* ud) {
        printf("Stream event: %s\n", event);
    });
    sleep(60); // 模拟处理 60 秒
    rosix_stream_close(&stream);
    rosix_close(source);
    return 0;
}

7. ROSIX.Rule

Rule 模型支持声明式编程，定义条件-动作规则。

typedef struct {
    char* condition;   // 条件，如 "temperature > 80"
    char* action;      // 动作，如 "invoke:alert_system"
} ROSIX_Rule;

ROSIX_Result rosix_rule_define(const char* name, ROSIX_Rule* rules, size_t count);
ROSIX_Result rosix_rule_enable(const char* name);
ROSIX_Result rosix_rule_disable(const char* name);

扩展：支持优先级、冲突解决和表达式语言（如 CEL）。

示例（电力巡检，过热规则）：

ROSIX_Rule rules[] = { { .condition = "temperature > 80", .action = "invoke:alert_system" } };
rosix_rule_define("overheat", rules, 1);
rosix_rule_enable("overheat");

8. ROSIX.Workflow

Workflow 模型用于多资源、多阶段任务编排。

typedef struct {
    char* task_name;
    char* dependencies[8];
    ROSIX_Result (*execute)(void* context);
} ROSIX_Task;

ROSIX_Result rosix_workflow_create(const char* name);
ROSIX_Result rosix_workflow_add_task(const char* name, ROSIX_Task task);
ROSIX_Result rosix_workflow_start(const char* name);

扩展：支持回滚和并行执行。

示例（电力巡检，巡检工作流）：

ROSIX_Result prepare_drone(void* ctx) {
    printf("Preparing drone...\n");
    return ROSIX_OK;
}
ROSIX_Result patrol_line(void* ctx) {
    printf("Patrolling line...\n");
    return ROSIX_OK;
}

int main() {
    rosix_workflow_create("patrol");
    ROSIX_Task tasks[] = {
        { .task_name = "prepare_drone", .dependencies = {}, .execute = prepare_drone },
        { .task_name = "patrol_line", .dependencies = {"prepare_drone"}, .execute = patrol_line }
    };
    rosix_workflow_add_task("patrol", tasks[0]);
    rosix_workflow_add_task("patrol", tasks[1]);
    rosix_workflow_start("patrol");
    return 0;
}

9. ROSIX.AI

AI 模型支持意图驱动和动态优化。

typedef struct {
    char* model_uri;   // AI 模型 URI
    char* prompt;      // 意图描述
    char* output;      // 输出（如 JSON）
} ROSIX_Agent;

ROSIX_Result rosix_agent_invoke(ROSIX_Agent* agent, const char* intent);
ROSIX_Result rosix_agent_bind(ResourceHandle handle, ROSIX_Agent* agent);
ROSIX_Result rosix_agent_unbind(ResourceHandle handle);

特性：支持知识图谱和强化学习（RL）。

示例（电力巡检，缺陷检测）：

int main() {
    ResourceHandle insulator = rosix_open("rosix://power/insulator/001", "rw");
    ROSIX_Agent agent = { .model_uri = "ai://defect_detection", .prompt = "Analyze for cracks" };
    rosix_agent_bind(insulator, &agent);
    rosix_agent_invoke(&agent, "detect_defect");
    rosix_agent_unbind(insulator);
    rosix_close(insulator);
    return 0;
}

10. 安全与一致性

  • 权限模型：基于 JWT 的 AccessToken，支持角色访问控制（RBAC）。 
    ROSIX_Result rosix_set_access_token(const char* token);
  • 隔离：Domain 和 Namespace 实现资源隔离。
  • 一致性：
    • 强一致性：基于 Raft 算法，用于关键控制。
    • 最终一致性：基于 Gossip 协议，用于数据流。
  • 审计：记录操作日志，符合 GDPR、ISO 27001 和电力标准（如 GB/T 2887-2011）。

示例（设置权限）：

int main() {
    if (rosix_set_access_token(getenv("ROSIX_ACCESS_TOKEN")) != ROSIX_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to set token\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

11. UOS 实施与生态

11.1 实施指南

  • 开发环境：ROSIX SDK，支持 C++、Rust、Java、Python 绑定（参见 https://github.com/uos-projects/rosix-java-binding）。
  • 测试框架：单元测试（JUnit）、模拟测试（Mockito）。
  • 部署：支持 Docker 容器化和 Kubernetes 集群，监控指标（响应<100ms，吞吐量>1000 events/s）。
  • 性能优化：异步 I/O、事件驱动、分布式缓存。

11.2 开源生态

11.3 行业用例（电力巡检）

场景：无人机巡检变电站，监测温度、电压，检测故障并生成报告。
UOS 实现：

  • ROSIX.Core：打开无人机和传感器，读写数据。
  • ResourceSpace：更新位置，记录状态历史。
  • Stream：实时处理视频流。
  • Rule：定义”温度>80℃“警报规则。
  • Workflow：编排巡检流程（准备→巡检→分析→报告）。
  • AI：分析图像缺陷，优化路径。

12. 附录

12.1 API 摘要

模块代表接口描述
ROSIX.Corerosix_open / rosix_read / rosix_invoke / rosix_subscribe基础资源操作
ResourceSpacerosix_resolve / rosix_update_spatial / rosix_update_temporal时空管理
Streamrosix_stream_open / rosix_stream_subscribe实时流处理
Rulerosix_rule_define / rosix_rule_enable规则定义与启用
Workflowrosix_workflow_create / rosix_workflow_add_task工作流编排
AIrosix_agent_invoke / rosix_agent_bindAI 代理调用与绑定

12.2 术语表

  • Resource：抽象实体，包含 URI、属性和行为。
  • Actor 模型：并发计算模型，基于消息传递。
  • Digital Twin：物理实体的数字映射。
  • AccessToken：JWT 格式的权限令牌。

12.3 参考文献

13. 未来展望

UOS 和 ROSIX 将扩展 AI 能力（如强化学习）、硬件支持（5G/6G 网络）和生态集成（AWS、EdgeX Foundry），推动成为国际标准。

结语

UOS 通过 ROSIX 提供统一的操作系统框架，支持人、机、物协同。本白皮书增强了技术细节和行业用例，欢迎社区反馈以进一步完善（https://github.com/uos-projects/uos-rosix）。