自律分散系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)ADS的系統(tǒng)概念提出的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型。在這一系統(tǒng)中包含有現(xiàn)場過程控制部分，這些微處理器直接和工業(yè)生產(chǎn)過程中的傳感器、控制器以及執(zhí)行器相連接。在線信息數(shù)據(jù)庫、市場信息發(fā)布、生產(chǎn)任務(wù)管理以及軟件開發(fā)等子系統(tǒng)都通過光纖與現(xiàn)場過程控制連接成一環(huán)狀的網(wǎng)絡(luò)。

市場信息發(fā)布計算機通過Internet或其他輸人提供最新的市場需求及銷售分析結(jié)果。生產(chǎn)任務(wù)管理計算機可根據(jù)最新市場信息或人工輸入調(diào)整生產(chǎn)計劃或要求新軟件的開發(fā)。軟件開發(fā)計算機則完成軟件模塊的開發(fā)、修改，并上載到現(xiàn)場控制器或其他管理計算機中。在線信息數(shù)據(jù)庫可動態(tài)存儲、更新生產(chǎn)過程信息以備后用。

這樣一個系統(tǒng)各個單元都在獨立自主地運行并可進行相互協(xié)調(diào)。硬件、軟件均可在線擴展、維護并實現(xiàn)了容錯。唯一的要求是事先定義在系統(tǒng)中傳輸?shù)男畔⒌膬?nèi)容碼，這對于一個給定的監(jiān)控系統(tǒng)是很容易做到的。

目前，隨著社會化大生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，一個企業(yè)往往要跨越不同的國家地區(qū)，在世界各地建立自己的分廠、分公司，如此之多的部門要協(xié)調(diào)一致地運作，完成生產(chǎn)過程的監(jiān)控、生產(chǎn)任務(wù)的分配管理、信息的收集仲裁以及對外的信息發(fā)布，這必然要求監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)地向大規(guī)?；l(fā)展。而傳統(tǒng)的集中式或分布式監(jiān)控系統(tǒng)都是基于客戶機/服務(wù)器模式，隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大、信息量的增多，必然會加大服務(wù)器的負擔(dān)。嚴重情況下，會發(fā)生由于某時間段對服務(wù)器的訪問驟增，而服務(wù)器響應(yīng)不及，影響了整個生產(chǎn)過程。

另一方面，正是生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的趨勢表明在設(shè)計其相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)時，不可能一次性將各個部分、各個環(huán)節(jié)都考慮完整周全，而必須隨著生產(chǎn)的發(fā)展擴大不斷擴充規(guī)模、不斷完善功能?，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)都是一次性建設(shè)完畢，如要進行擴充只能終止整個系統(tǒng)的運行，這必然會給生產(chǎn)者造成極大的經(jīng)濟損失。

鑒于以上的問題，必須使用新的技術(shù)。我們的設(shè)想是用ADS的系統(tǒng)概念來組建新型的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

在本文的前面已經(jīng)看到由于自律分散系統(tǒng)的子系統(tǒng)有著自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性因而保證了這個系統(tǒng)的在線擴展、在線維護和容錯。因此根據(jù)ADS思路設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)體現(xiàn)了以下優(yōu)點：

首先，它不再基于傳統(tǒng)的C/S模型，而是由若干分系統(tǒng)構(gòu)成。各個分系統(tǒng)之間是相互平等的，不存在依附關(guān)系，可以自主運作，但這并不表明它們不與外界交換信息。實際上，各個子系統(tǒng)不斷向外界以廣播方式發(fā)送信息，同時又根據(jù)各自需求接收來自外界的信息以為自己服務(wù)。這樣一來，C/S模式中服務(wù)器大量的負擔(dān)被有限地分散了，而且加快了子系統(tǒng)間信息的交換速度。這對于信息就是效益的生產(chǎn)領(lǐng)域不能不稱得上是一個好的選擇。

不僅如此，基于ADS的監(jiān)控系統(tǒng)還很好地解決了自身的擴充問題。對于大型的企業(yè)來說，監(jiān)控系統(tǒng)的組建可隨著生產(chǎn)部門的建設(shè)一步步完成。有多少部門投入運行，與之相應(yīng)的監(jiān)控子系統(tǒng)就可先行自主并協(xié)調(diào)地運行。隨著生產(chǎn)規(guī)模的逐漸擴大，可以在線地擴充監(jiān)控子系統(tǒng)且不會干擾已經(jīng)運作的部門環(huán)節(jié)。一旦新加入的監(jiān)控子系統(tǒng)調(diào)試通過，它可以和原有的系統(tǒng)無縫地集成成更大系統(tǒng)，共同實現(xiàn)整個企業(yè)的各項任務(wù)。可以看出，這種監(jiān)控系統(tǒng)是一種動態(tài)的系統(tǒng)，與以往的監(jiān)控系統(tǒng)相比具有更大的靈活性。

大型生產(chǎn)廠家面臨的另一個問題是產(chǎn)品多樣化的需求。要占領(lǐng)并控制市場，就必須充分了解市場，迅速捕捉信息。往往市場需求變化非常之快，一種新產(chǎn)品沒上市多久，就被更新的產(chǎn)品所替代。廠家想要追求更高的經(jīng)濟效益，必須及時調(diào)整生產(chǎn)計劃、改造工藝。這就要求相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)也能隨時調(diào)整。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)自然不具備此種能力。

一種可選的方案又是ADS系統(tǒng)模型構(gòu)造的監(jiān)控系統(tǒng)。ADS系統(tǒng)不僅在子系統(tǒng)的層次上可做到在線擴展和更新，而且在每個系統(tǒng)內(nèi)部軟件層次也使用了平等自制的機制，各個軟件模塊之間的稿合關(guān)系較為松散，可實現(xiàn)在線更新、升級。因而基于這一概念的監(jiān)控系統(tǒng)可按照生產(chǎn)的變化要求進行硬件更換，軟件的更新、調(diào)整，從而使其適應(yīng)新產(chǎn)品的監(jiān)控要求。

4.1在線擴展

系統(tǒng)在線擴展包括原子節(jié)點和系統(tǒng)兩個層次上的擴展。

對于原子內(nèi)部軟件模塊的擴充，它只需在系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)容碼表中注冊上新的內(nèi)容碼而不需報告給其他原子。因此這種在線修改不會影響到其他原子的運行，并且也不會影響原子內(nèi)部其他軟件模塊的執(zhí)行。

對于系統(tǒng)級的擴展，也含有兩種類型。同構(gòu)的系統(tǒng)擴展只需簡單將其數(shù)據(jù)域合并，所有數(shù)據(jù)信息都在合并后的數(shù)據(jù)域進行廣播。而雜合系統(tǒng)的擴展則需要網(wǎng)關(guān)。對于雜合系統(tǒng)A和B的連接擴展，可以將其中任何一個系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)視為一整體看作是另一系統(tǒng)原子節(jié)點。如此，A可以根據(jù)登記在網(wǎng)關(guān)中B所需的內(nèi)容碼將相應(yīng)的信息廣播到B的數(shù)據(jù)域中去。反之B也可將A所需的信息傳送給A的數(shù)據(jù)域。在網(wǎng)關(guān)中注冊登記內(nèi)容碼不會影響到兩個系統(tǒng)的正常運行。

4.2在線維護

自律分散系統(tǒng)在運行的同時可進行部分子系統(tǒng)或其內(nèi)部軟件模塊的測試。運行的原子節(jié)點發(fā)出的信息分為兩類：在線信息和測試信息。相對應(yīng)地，運行的原子節(jié)點也分為在線和測試兩種狀態(tài)。并且規(guī)定：在線節(jié)點只接收在線信息，而測試節(jié)點兩種信息都接收。因而處于測試狀況的節(jié)點不會干擾在線節(jié)點的正常運行，同時它又可以接收在線信息進行單個測試或接收測試信息進行聯(lián)合測試。

4.3容錯

自律分散系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其數(shù)據(jù)驅(qū)動機制使軟件模塊可以自由地異步執(zhí)行。實際中，我們根據(jù)每一軟件的重要程度來決定其復(fù)制數(shù)量。因此可以在系統(tǒng)中的不同子系統(tǒng)中安置多個復(fù)制的軟件模塊，這些所有相同的軟件模塊都在獨立運行并獨立接收和發(fā)送信息。其中某些模塊可能處于故障狀態(tài)，因此其發(fā)送的信息可能是錯誤信息，而另外一些模塊仍在正常運行，發(fā)送正確信息。使用這些信息的軟件模塊如何從所有這些信息中挑選正確的以供自己使用，需要通過兩步來完成。一是選取所有復(fù)制模塊的“同一數(shù)據(jù)”（時間上同步）；另一步是從“同一數(shù)據(jù)”中選取正確的數(shù)據(jù)。解決的辦法是使用“事件序號機制”和“投票機制”。通過以上的處理途徑很好地解決了以往使用備用容錯技術(shù)出現(xiàn)的問題，即本身切換裝置出現(xiàn)故障，無法使用備用。ADS系統(tǒng)在處理容錯問題時，不存在任何中間切換裝置，即故障軟件可和正常軟件同時運行，運用誰的信息的決定權(quán)完全取決于接收者。從這一意義上講，它實現(xiàn)了真正的容錯。

最基本的ADS系統(tǒng)是由原子節(jié)點（Atom）和數(shù)據(jù)域（Data Field）組成。原子節(jié)點可對應(yīng)的物理實體為計算機、智能設(shè)備或其他硬件。數(shù)據(jù)域是ADS中信息傳播的空間。從物理概念上講，它相當于網(wǎng)絡(luò)或存儲器。

各個原子發(fā)出的信息在數(shù)據(jù)域中循環(huán)同時各個原子又從數(shù)據(jù)域中提取信息。原子之間沒有直接連接關(guān)系，它們只對數(shù)據(jù)域中的信息內(nèi)容感興趣而不必知道此信息來自何處。因此，在數(shù)據(jù)域中流動的信息都包含一個內(nèi)容碼（Content Code）來標志其屬性，各個原子也正是通過識別內(nèi)容碼來決定自己是否需要此信息的。

3.1數(shù)據(jù)域

在自律分散系統(tǒng)中所有的原子節(jié)點都是一個自律單元，它們之間的聯(lián)系僅僅是通過數(shù)據(jù)域來實現(xiàn)的。所有的數(shù)據(jù)都以廣播方式發(fā)送到數(shù)據(jù)域中并在其中循環(huán)。數(shù)據(jù)域延伸至原子內(nèi)部的一部分稱之為原子數(shù)據(jù)域（Atom Data Field），其中流動的是原子的系統(tǒng)或應(yīng)用程序模塊所需的數(shù)據(jù)。

所有信息都帶有一內(nèi)容碼規(guī)定了其屬性。由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著自身擴展、縮小或部分故障而發(fā)生變更，為了保證子系統(tǒng)的運行不受干擾，每一子系統(tǒng)都以廣播方式發(fā)送帶有CC的信息，由于其不具有目的地址，則接收者只能根據(jù)CC來選擇信息而不知道其發(fā)送者。

這種基于內(nèi)容碼的通訊方式保證了每個子系統(tǒng)的自律信息發(fā)送和自律信息接收。即每個子系統(tǒng)不必知道信息來源和目的地之間的關(guān)系，因而它實現(xiàn)了每個子系統(tǒng)的局所性。

3.2原子節(jié)點

每個原子節(jié)點都是一個自律的子系統(tǒng)，它能夠根據(jù)一個內(nèi)置的內(nèi)容碼表來選取其所需的數(shù)據(jù)信息。已被選取的數(shù)據(jù)信息進一步在內(nèi)部數(shù)據(jù)域（ADF）中流動。

原子中的所有系統(tǒng)、應(yīng)用程序模塊都使用同樣的機制，即一旦模塊所需的所有數(shù)據(jù)全部到齊，系統(tǒng)或應(yīng)用程序軟件就會自動開始執(zhí)行，我們稱之為數(shù)據(jù)驅(qū)動機制。沒有一個模塊能夠控制其他模塊、指示其他模塊接收處理數(shù)據(jù)。各軟件模塊之間只有松散的藕合關(guān)系，不存在控制和被控制的關(guān)系，都能獨立判斷管理自己的行為，即各原子是平等的。

定義自律分散系統(tǒng)的兩個前提是：

(1) 系統(tǒng)中的故障是正?，F(xiàn)象。

(2) 系統(tǒng)是由子系統(tǒng)組成。

首先必須存在子系統(tǒng)。整體系統(tǒng)是不能事先定義的，只能定義為子系統(tǒng)的集成。其中某些子系統(tǒng)可能處于故障狀態(tài)、正在進行改進或維修。因此，若一個系統(tǒng)滿足以下兩點要求則可稱之為自律分散系統(tǒng)：

(1) 自律可控性。即系統(tǒng)中有任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，正在維修或剛剛加入，這都不能影響

其他子系統(tǒng)的自我管理及功能的運行。

(2) 自律可協(xié)調(diào)性。即系統(tǒng)中有任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，正在維修或剛剛加入，其他子系統(tǒng)

之間能夠協(xié)調(diào)各自的任務(wù)并以協(xié)作方式運行以實現(xiàn)各自功能。

正是這兩個特性保證了系統(tǒng)的在線擴展、在線維護和容錯。因此要求每一個子系統(tǒng)都能有“智能”管理自己而又不干涉其他子系統(tǒng)的事務(wù)并且也不受其他子系統(tǒng)干涉，但它還能和其他子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)工作。

自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性的實現(xiàn)反過來又要求每個子系統(tǒng)必須滿足：

(1) 平等性。每個子系統(tǒng)都能管理自己并不能被其他系統(tǒng)管理。子系統(tǒng)之間沒有主從關(guān)系。

(2) 局所性。每個子系統(tǒng)在只依靠本地信息的情況下就可以管理自己并與其他子系統(tǒng)進行

協(xié)調(diào)。

(3) 自足性。每個子系統(tǒng)管理自己和協(xié)調(diào)他人的功能是自足的。

以上三個特點表明了即使其他子系統(tǒng)都出現(xiàn)故障或者終止了與某子系統(tǒng)的通訊，該子

系統(tǒng)仍能進行工作。

在自律分散系統(tǒng)中所有的單元（子系統(tǒng)）都是獨立平等的，它們之間不存在任何隸屬關(guān)系。各個單元都能獨立完成各自的任務(wù)而不受其他單元的干預(yù)。同時各個單元之間也能協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。這就是自律分散系統(tǒng)的兩大特性：自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性。實現(xiàn)這一系統(tǒng)模型的關(guān)鍵概念是數(shù)據(jù)域和廣播的通訊方式。系統(tǒng)中的每個單元都主動地向數(shù)據(jù)域廣播其內(nèi)部處理信息同時根據(jù)各自的需求從數(shù)據(jù)域中接收信息。各個子系統(tǒng)都只同數(shù)據(jù)域打交道，它們相互之間沒有直接的糯合關(guān)系。這就較好地保證了在線擴展、在線維護及容錯。

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展給監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的要求。由于生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大發(fā)展，因而對相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計不可能一次完成，而要隨著生產(chǎn)發(fā)展變化不斷進行修改、完善和擴充。但是現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)是不可能允許在其正常運行的過程中進行逐步組建，也不能允許在部分系統(tǒng)出現(xiàn)故障或處于維修階段的同時仍然運作。因此一旦一個監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計組建完畢后就很難改進，即使要修改，也要終止整個系統(tǒng)的運行，給生產(chǎn)廠家造成了人力物力以及資源的浪費，還影響了正常生產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失。這必將越來越嚴重地制約生產(chǎn)發(fā)展。面對如此現(xiàn)狀，用ADS系統(tǒng)概念來設(shè)計工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)在線擴展、在線維護和容錯，滿足了新的生產(chǎn)要求。

自律分散系統(tǒng)以其獨特的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)驅(qū)動機制實現(xiàn)了其子系統(tǒng)的自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性，從而保證了整個系統(tǒng)的在線擴展、在線維護及容錯。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和發(fā)展對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更新的要求。利用自律分散系統(tǒng)的概念構(gòu)造的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)很好地解決了這一問題，它必將在今后的工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。2100433B

以自我約束為機制的社會調(diào)整。主要包括對自己的人格結(jié)構(gòu)、價值觀念、行為模式、情感傾向等的自我調(diào)節(jié)和自我控制。以便使自己的觀念和行為既符合自己的理想和目標，也符合社會的價值。從把法律的要求內(nèi)化為自我意識，自覺自愿地按照法定權(quán)利和義務(wù)行事的角度，也可把這種調(diào)整稱之為自律性調(diào)整。 2100433B