分散式虚实整合系统的制作方法

[0001]
本公开涉及一种虚实整合系统，特别涉及一种分散式虚实整合系统，其以弹性管理器实现监控架构。


背景技术：

[0002]
虚实整合系统(cyber-physical system,cps)是“工业4.0”的关键技术，也是目前的热门议题。它通过电脑及感测器等，并运用新一代网络技术以联结各种设备、机器及数字系统，通过它们之间的沟通与相互作用，以整合网络与实体为一智能系统。
[0003]
随着虚实整合系统应用于工业生产线的规模不断扩大，让虚实整合系统在任何操作条件下皆可保持稳定便极具挑战性，其中如何减少停机时间，并提高故障恢复能力，便成为虚实整合系统设计的一个关键问题。此外，虚实整合系统的快速演变导致系统复杂性显著增加，这进一步带来了在设计和执行过程中满足所有系统要求的新挑战。例如，传统上为了避免生产线停机，训练有素的工程师需要调整各种参数，此过程非常耗费时间，且需要执行很长的时间，甚至数个月。然而，制造商现在面临着越来越短的产品生命周期，使得生产线需要定期或频繁地变更，一旦生产线变更则需要新的方法来处理故障，换言之，需要定期或频繁地调整处理故障的方法，因此无法满足产品与生产线快速变化的需求。
[0004]
为了提高虚实整合系统的容错能力和弹性，虚实整合系统通常使用非功能性特性(non-functional properties,nfp)来评估系统的性能，其中非功能性特性是用来评估虚实整合系统可以提供的服务品质(quality of service,qos)的特定要求。例如，执行延迟(execution latency)是虚实整合系统中非常关键的非功能性特性，因为系统经常被要求在一定时间内完成任务。为此，传统虚实整合系统存在名为根协定的集中式契约，以通过集中式契约而以集中的方式监控虚实整合系统中所有部件(component)的非功能性特性。
[0005]
然而在传统虚实整合系统中，若该虚实整合系统属于较大规模且具有大量的部件时，由于传统虚实整合系统是利用集中的方式监控所有部件，因此当有任一部件违反名为根协定的集中式契约时，传统虚实整合系统仅能判别出有故障问题存在，却无法迅速识别出故障源。
[0006]
为了解决上述传统虚实整合系统利用集中的方式监控所有部件所面临的问题，目前有部分研究开始朝向让虚实整合系统改为以分散方式监控所有部件，然而采用分散式监控可能使虚实整合系统对于干扰或不确定性因素过于敏感而发生误报，使得虚实整合系统可能因误报而影响系统的整个运行过程。
[0007]
此外，由于虚实整合系统的部件数量众多，为了实现对大型虚实整合系统的分散式监控，除了需要建构有效的基于协定的层次架构之外，如何分解根协定并优化子协定也是待解决的问题。再则，若分解根协定并采用手动优化子协定，则将因部件数量众多而导致耗时等问题。
[0008]
有鉴于此，实有需要发展一种分散式虚实整合系统，其以弹性管理器实现监控架构，从而解决现有技术所面临的问题。


技术实现要素：

[0009]
本公开的目的在于提供一种分散式虚实整合系统，其以弹性管理器实现监控架构。其中，弹性管理器为自动化产生。本公开具有弹性管理器的分散式虚实整合系统可以准确、稳健且实时地实现对故障部件的检测与警示，减少停机时间，且可较快速地提供故障恢复的解决方案。本公开具有弹性管理器的分散式虚实整合系统具有容错能力与弹性，利用对各部件的非功能性特性的监控，可减少部件故障的误判，避免因误判而影响系统整体运行。此外，本公开的分散式虚实整合系统为可规模化(scalable)且适用于大规模。
[0010]
本公开的另一目的在于提供一种自动化技术以实现一分散式虚实整合系统，其以弹性管理器实现监控架构。利用弹性地管理分散式监控架构以监控部件故障，可减少各部件与管理单元间的通信负担与成本。此外，本公开的具有弹性管理器的分散式虚实整合系统利用展开技术与分层技术实现分散监控架构，其中展开技术与分层技术是将根协定分解为子协定，并分派子协定至对应的部件，或将子协定进一步优化，借此可避免因虚实整合系统的部件过多所造成的作业耗时问题。
[0011]
根据本公开的构想，本公开提供一种分散式虚实整合系统，包括一管理单元以及多个部件。管理单元包括根弹性管理器，用于监控分散式虚实整合系统的至少一个特性。多个部件位于实体空间，且连接于根弹性管理器。根弹性管理器包括根协定以及子协定产生器。子协定产生器是架构于将根协定分解为多个子协定且将多个子协定分别分配至多个部件。其中，多个部件的每一部件包括至少一观察器，架构于监控各别部件的至少一个特性是否违反对应的子协定，其中，于分散式虚实整合系统运行时，当多个子协定中的一子协定违反时，根弹性管理器发出一警示。
附图说明
[0012]
图1为本公开第一实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。
[0013]
图2是显示将根协定分解展开为多个子协定并分派至对应部件的示意图。
[0014]
图3为本公开第二实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。
[0015]
图4为本公开第三实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。
[0016]
图5为本公开的一实施例的虚实整合系统的一示范测示平台的架构示意图。
[0017]
图6是显示图5的测示平台的结构与操作流程。
[0018]
图7是本公开虚实整合系统的一实施例的测试平台的弹性管理架构示意图。
[0019]
图8是显示基于图7的弹性管理架构的部件特性与优化的示意图。
[0020]
符号说明
[0021]
1、4、7：虚实整合系统
[0022]
2、5、5a：管理单元
[0023]
21、51：根弹性管理器
[0024]
22、52、100a：子协定产生器
[0025]
23、53、31、62、101a、102a、103a：观察器
[0026]
3、6、6a：部件
[0027]
4a：次系统
[0028]
61、101、102、103：弹性管理器
[0029]
cr：根协定
[0030]
csub、csub
(cp)
、csub
(bs)
、csub
(ec)
：子协定
[0031]
s1：故障信息
[0032]
s2：更新参数
[0033]
9：测试平台
[0034]
ls1：第一光感测器
[0035]
ls2：第二光感测器
[0036]
91：传送带
[0037]
92：弹射器
[0038]
93：容收器
[0039]
94：代币
[0040]
mc：马达控制器
[0041]
pc：步数计数器
[0042]
cp：色彩处理器
[0043]
bs：容收器选择器
[0044]
ec：弹射器控制器
[0045]
cvcp：标注色彩信号
[0046]
sc
bs
：步数信号
[0047]
e
bs
：弹射器号码信号
[0048]
μ
cp
,μ
vs
,μ
ec
：部件的平均执行时间
[0049]
σ
cp
,σ
bs
,σ
ec
：标准差
[0050]
x
cp
,x
bs
,x
ec
：部件的执行时间
具体实施方式
[0051]
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用于限制本公开。
[0052]
请参阅图1，其为本公开第一实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。如图所示，本实施例的分散式虚实整合系统1(以下简称虚实整合系统1)包含管理单元2以及待监控的多个部件3(components)。管理单元2与多个部件3以通信网络相连通，用以监控多个部件3以及虚实整合系统1的运行。管理单元2包括根弹性管理器21。根弹性管理器21用以监控虚实整合系统1内的至少一非功能性特性(non-functional properties,nfp)，即监控每一部件3的非功能性特性，例如实际运行时间及/或关于实际电压及/或实际电流等的实际电能。根弹性管理器21包括根协定cr以及子协定产生器22。子协定产生器22是架构于将根协定cr展开且分解为多个子协定csub，并分派该多个子协定csub至多个部件3中的对应部件3。多个部件3位于实体空间，且与根弹性管理器21以通信网络相连通。多个部件3与根弹性管理器21可以无线或有线的方式相连通。于本实施中，根弹性管理器21还包括观察器23，架构于当虚实整合系统1执行任务时，监控与判断虚实整合系统1的总体非功能性特性是否违反其根协定cr。于一实施例中，每一部件3包括子协定csub以及观察器31，其中子协定csub
是由根协定cr所分解、展开与分派，且可被用于监控对应部件3的各自非功能性特性。观察器31获取部件3的感测器的感测信息，且架构于依据感测器提供的感测信息以监控对应的部件3的非功能性特性是否违反其子协定csub。当虚实整合系统1于执行期间，若任一部件3被判定违反其对应的子协定csub时，对应的观察器31即回报故障信息至管理单元2的根弹性管理器21，借此发出警示，以提醒该部件3故障或提供故障恢复的解决方案，借此避免系统停机。
[0053]
于本实施例中，根协定cr为依据使用者要求、虚实整合系统1的运行参数以及多个部件3的各自非功能性特性而预先设定于根弹性管理器21内，且根协定cr还预设有包含虚实整合系统1的总体非功能性特性及多个部件3的各自最小非功能性特性等信息，其中，总体非功能性特性与最小非功能性特性属于同性质，例如同属时间性质或电能性质等，优选地，前述非功能性特性具有可累加的特性。于一实施例中，虚实整合系统1适用于具有全域时钟(global clock)的同步系统，即虚实整合系统1内的各个部件3具有完全相同的时间基准，借此可计算完成一任务的执行时间。由于执行延迟是虚实整合系统1中关键的非功能性特性(因为系统经常被要求在一定时间内完成任务)，故总体非功能性特性可例如为虚实整合系统1的总体最大运行时间，最小非功能性特性可为例如部件3的最小运行时间。子协定产生器22预设有可进行编程的演算法，且子协定产生器22利用演算法将根协定cr展开，以自动分解成多个子协定csub，并将每一子协定csub分派至对应的部件3。于一实施例中，对应部件3所接收的子协定csub包含了对应于该部件3的最小非功能性特性。
[0054]
于本实施例中，根协定cr通过子协定产生器22自动分解展开为多个子协定csub并分派给对应的部件3，以实现对虚实整合系统1的分散式监控。于一实施例中，可编程的演算法包含与非功能性特性相关的两种变数，即为独立变数(independent variables)与因变数(dependent variables)，其中独立变数亦可称为环境变数，乃是由环境进行控制和操作的变数，独立变数与虚实整合系统1内部部件3的行为无关。因变数则是由虚实整合系统1的至少部分待测的部件3于运行时所生成的变数，因此变数的真值取决于其他一些变数的真值。
[0055]
在对根协定cr展开的过程中，通过解析变数之间的依赖关系将根协定cr的总体非功能性特性转换为另一种形式。于进行展开程序时，先对公式中的一组因变数执行，其中展开过程以向后的方式执行，从想要展开的因变数开始，直到到达依赖链中的部件3的输入都是独立变数。展开过程的复杂性取决于公式中的因变数数量和每个因变数的依赖关系(有多少变数影响该因变数的真值)。
[0056]
于本实施例中，子协定产生器22包括可编程的演算法，且非功能性方程式(non-functional formula)及依赖关系图(dependency graph)等作为演算法的两项输入。依赖关系图记录着虚实整合系统1的多个部件3于运行时的物理特性和行为属性、所有部件3的各自最小非功能性质，以及根协定cr的总体非功能性特性等之间的关系。非功能性特性是利用非功能性方程式(non-functional formula)公式化。通过检查虚实整合系统1的前述依赖关系图，非功能性方程式可通过子协定产生器22转换为另一个等效方程式。为了将根协定cr分解展开为多个子协定csub，并将子协定csub分派至对应部件3，虚实整合系统1是满足以下的假设：(1)虚实整合系统1是具有全域时钟的同步系统；以及(2)虚实整合系统1
中的每个部件3视为一个进程p，且都有一个最短的回应时间(表示为)，每个进程p的回应时间是可以取得的，且是进程p在流程所需输入的最小输入集可用后产生输出所需的最短时间。图2是显示将根协定分解展开为多个子协定并分派至对应部件的示意图。如图2所示，通过展开技术，可将根协定cr分解展开为多个子协定csub1、csub2..csubn(其中n为部件3的总个数)，并分配给多个部件3中的对应部件3。于本实施例中，每个子协定csub1、csub2..、csubn可用于监控虚实整合系统1的对应部件3的各非功能性特性。
[0057]
于一实施例中，可采用向后设计以计算每个子协定csub1、csub2..csubn的参数，但不以此为限。对于系统执行运行时的验证，可采用向前验证各子协定csub1、csub2..csubn，但不以此为限。根据本公开的构想，本实施例是采用部分冲突即为全域冲突，换言之，当任一部件3违反了分配给该部件3的子协定csub时，则认定违反了根协定cr，这种设计可以实现故障的早期检测。
[0058]
于一实施例中，子协定产生器22所使用的演算法中所包含的非功能性方程式为：其中p是整个虚实整合系统1的原始计时参数，n是部件3的总个数。通过使用前述方程式，可计算每个子协定csub的计时参数，从而支持向后设计。另一方面，当任何部件3违反其子协定csub内的计时参数并引发警报时，向前验证便会启动。当任何对应部件3违反其子协定csub内的计时参数并引发警报时，都代表虚实整合系统1的整个过程或任务将失败，因为虚实整合系统1已没有足够的时间来完成其任务，借此可实现虚实整合系统1的故障早期检测，而不是等待整个虚实整合系统1完成，然后再确定发生故障。
[0059]
根据以上描述，本实施例的虚实整合系统1可自动将根协定cr分解展开为多个子协定csub，并分派该多个子协定csub至多个部件3中的对应部件3，借此以实现对虚实整合系统1的分散式监控。通过本实施例的虚实整合系统1的分散式监控，可达到对多个部件3的故障早期检测与警示，甚可提供故障恢复方案，以降低停机的机率。更甚者，于自动将根协定cr分解展开成多个子协定csub且分派至多个部件3并且启动监视之后，可减轻甚或不需要进行多个部件3和管理单元2之间的通信，这种优势可以降低多个部件3和管理单元2之间的通信负担与成本。
[0060]
请参阅图3，其为本公开第二实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。如图所示，本实施例的分散式虚实整合系统4(以下简称虚实整合系统4)包含管理单元5以及待监控的多个部件6(components)，其中管理单元5与多个部件6位于实体空间。管理单元5与多个部件6以通信网络相连通，用以监控多个部件6以及虚实整合系统4的运行。管理单元5包括根弹性管理器51，且每一部件6包括弹性管理器61。于本实施例中，根弹性管理器51与多个弹性管理器61是架构于形成包括至少两层的弹性管理架构。根弹性管理器51是位于逻辑上的上层(或称根层(root-level)或非叶层(nonleaf-level))，且多个弹性管理器61是位于逻辑上的下层(或称叶层(leaf-level))。前述那些管理器通过通信协定实现欲指向谁以及欲与谁对谈。利用通信协定，那些管理器的虚拟管理分层架构以及其关联协定皆可被创造形成。根弹性管理器51是用以监控虚实整合系统4的至少一非功能性特性(non-functional properties,nfp)，即监控每一部件6的非功能性特性，例如实际运行时间及/
或关于实际电压及/或实际电流等的实际电能等。根弹性管理器51包括根协定cr、子协定产生器52以及观察器53。子协定产生器52是架构于将根协定cr分解、展开为多个子协定csub。当虚实整合系统4执行任务时，观察器53是架构于监控与判断虚实整合系统4的总体非功能性特性是否违反其根协定cr。多个子协定csub是被指派至多个部件6中的对应部件6。于一实施例中，根弹性管理器51还定义一规范(criterion)，例如根据多个部件6的各自非功能性特性，使得其对应的子协定csub可通过子协定产生器52进一步优化。多个部件6的弹性管理器61与根弹性管理器51以通信网络相连通。于本实施例中，每一个部件6的弹性管理器61是架构于监控与管理对应部件6的运行。换言之，弹性管理器61与其他弹性管理器61一样都是基于自身子协定csub的信息以实现弹性管理与判断。每一弹性管理器61包括子协定csub以及观察器62。子协定csub是由根协定cr所分解、展开与分派，且可被观察器62用于监控对应部件6的特性。观察器62是获取部件6的感测器的感测信息，且架构于依据该感测信息以监控与判断对应的部件6的非功能性特性是否违反其对应的子协定csub。当虚实整合系统4于执行期间，若任一部件6的观察器62判定对应的部件6违反其子协定csub时，弹性管理器61试着区域执行恢复。若无区域解决方案存在，则弹性管理器61通知根弹性管理器51且将故障信息s1，例如故障程度(违反协定的量)，传送至根弹性管理器51，借此发出警示提醒该部件6故障，从而避免系统停机。于一实施例中，于根弹性管理器51接收到故障信息s1时，根弹性管理器51可传送更新参数s2至弹性管理器61的子协定csub。若弹性管理器61无接收到更新参数，则表示故障已成功地由较高层级处理而无须任何的系统降级。于一实施例中，根弹性管理器51监控是否多个部件6偕同地符合要求。根弹性管理器51从较下层级的弹性管理器61接收故障信息s1且试着使对应的部件6区域地恢复。若解决方案为需要系统降级，则更新参数s2便由根弹性管理器51产生且传送至多个弹性管理器61。
[0061]
于本实施例中，根弹性管理器51的根协定cr为依据使用者要求、虚实整合系统4的运行参数以及多个部件6的各自特性而预先设定于根弹性管理器51内，且根协定cr还预设有包含虚实整合系统4的总体非功能性特性及多个部件6的各自非功能性特性等信息，其中，虚实整合系统4的总体非功能性特性与多个部件6的非功能性特性属于同性质，例如同属时间性质或电能性质等，优选地，前述非功能性特性具有可累加的特性，但不以此为限。
[0062]
于本实施例中，子协定产生器52包括可编程的演算法，且非功能性方程式(non-functional formula)及依赖关系图(dependency graph)等作为演算法的两项输入。依赖关系图记录着虚实整合系统4的多个部件6于运行时的物理特性和行为属性、所有部件6的各自非功能性特性，以及根协定cr的总体非功能性特性等之间的关系。非功能性特性利用非功能性方程式(non-functional formula)公式化。于本实施例中，当虚实整合系统4的部分无法符合建立全域时钟的情况时，前述的非功能性方程式及虚实整合系统4的依赖关系图便以基于协定的分层架构(contract-based hierarchy)来分解根协定cr为多个子协定csub。根协定cr特定对非功能性特性的整体要求，且多个子协定csub用于监控各别部件6的非功能性特性。于虚实整合系统4运行期间，观察器62监控部件6的行为。于一实施例中，若任何异常行为违反其子协定csub，则对应部件6的观察器62将故障信息s1通报至根弹性管理器51，以代表故障发生。根弹性管理器51通过分析虚实整合系统4可利用的总体信息以验证前述通报是否为误报。于本公开的实施例基于协定的分层架构中，根协定cr监控虚实整合系统4的总体非功能性特性，且于此期间，子协定csub取得对应部件6的特定特性。于本实
施例中，在基于协定的分层架构中，部件6的部分是根据优化问题的解决方案以架构于定义至少一规范(criterion)，通过优化问题的解决方案可使虚实整合系统4的通信成本以及应用弹性之间实现平衡。于一实施例中，根协定cr监控虚实整合系统4的总体延迟时间为总体非功能性特性，且于此期间，对应部件6的观察器62取得各别的延迟时间为各对应部件6的特定特性。优选但不限制地，对应部件6的平均执行时间以及标准差被取得且传送至子协定产生器52。多个子协定csub是通过子协定产生器52的演算法根据前述的规范而进一步优化，借此以实现所需的技术效果，例如降低通信成本同时增进对未知干扰的阻抗能力。换言之，多个子协定csub是优化且基于多个部件6的各自的非功能性特性。
[0063]
基于上述描述，本实施例的虚实整合系统4是利用子协定产生器51的演算法将根协定cr分解为多个子协定csub，而不需要知道部件6的详细信息。此外，通过根据优化问题的解决方案所取得的规范，演算法可以进一步精化(refine)子协定csub以完成所需的技术效果，从而降低通信成本以及增进对未知干扰的阻抗能力。此外，根据虚实整合系统4的特性以及不同的要求，根弹性管理器51调整参数，以完成不同的技术效果。此可以便利于大型虚实整合系统中以演算法取得部件6的同性质特性。更甚者，当演算法具有随插即用(plug-and-play)特性，虚实整合系统4若加新的部件6时，演算法可以有效地发展且精化新的子协定csub。
[0064]
于一实施例中，依据根协定cr以及子协定csub，前述分层弹性管理架构是设计为包括至少两层，称为两层分层系统。于其他实施例中，多个两层分层系统是用来形成大型虚实整合系统的多层分层系统。图4为本公开第三实施例的分散式虚实整合系统的架构示意图。于本实施例中，分散式虚实整合系统7(以下简称虚实整合系统7)是架构于形成多层分层系统。虚实整合系统7包括至少一个次系统4a，每个次系统4a为一个两层次系统。于本实施例中，次系统4a与前述图3所示的虚实整合系统4具有相似的结构、元件以及功能，且包括管理单元5a以及多个部件6a。管理单元5a以及部件6a是与前述图3所示的管理单元5以及部件6具有相似的结构、元件以及功能，于此不再赘述。于一实施例中，部件6a还包括两层分层系统，且视为管理单元5a的次系统。于其他实施例中，部件6a是视为一次系统，且与图1所示实施例的部件具有相似结构、元件与功能。据此，本实施例的虚实整合系统7可以提供一分散式监控架构，其具有大型虚实整合系统的弹性管理分层架构。
[0065]
于前述弹性管理架构中，前述根协定cr及子协定csub的内容可包括以下的描述：(1).部件6,6a或次系统4a的输入与输出；(2).输入与环境的预设条件(assumption)；以及(3).部件6,6a或次系统4a的输出或行为的所需保证(guarantees)。于本实施例中，多种系统用于设计根协定cr与子协定csub，称为参数协定(parametric contract)，其容许预设条件与所需保证以参数规格定义，据此可于运行期间通过改变参数值而进行协定的简易更新。
[0066]
于本实施例的分散监控架构中，一组根协定cr以及子协定csub是分别分配于根弹性管理器51以弹性管理器61。对一给定的协定，观察器53、62判断是否部件6,6a或次系统4a产生所关心的预期行为。
[0067]
于本实施例中，观察器62可采用不同的形式表示，例如有限状态机器(finite state machine)以及时序与混成自动机(timed and hybrid automata)。一旦观察器62确认不符合子协定csub时，故障被触发，且根弹性管理器51执行一分析去判断是否任何故障
恢复解决方案在其范围内可以被应用。此分析是依据协定不符合的数量与程度而定。如果选择的故障恢复解决方案需要进行参数更新，然后观察器62便会被通知。如果没有任何故障解决方案被发现，则弹性管理器61通知根弹性管理器51，以提供相关的故障信息s1。根弹性管理器51，轮替地，从其自己的协定中以及从弹性管理器61取得故障信息s1，以进行更进一步的故障恢复。如果在任何层级所选择的故障恢复程序需要对协定参数更新，则此更新参数s2会通知至所有弹性管理器61。因此，经过整个程序，仅故障信息s1以及更新参数s2是于根弹性管理器51以及多个弹性管理器6之间交换。
[0068]
于一实施例中，使用者提供的端对端要求以及部件6,6a容受能力用于产生前述的根协定cr以及子协定csub。部件6,6a容受能力是最先被用于定义最下层(即叶层)的弹性管理器61中的子协定csub。于一实施例中，具有弹性管理器61的部件6,6a的子协定csub可以由主机硬件的信息以及其他部件6,6a可利用的行为而衍生。于其他实施例中，在次系统4a中的不同部件6a的子协定csub可以被结合，以衍生于多层分层架构中的上层协定(例如根协定cr)。
[0069]
于一实施例中，根协定cr以及子协定csub的参数可以基于系统中可利用的可调特性所衍生。例如，于生产工厂中，输送带的速度可以被用来当作是协定参数，以降级工厂的产率。于一实施例中，基于这些参数的功能可以用作为协定中的预设条件(assumption)与保证(guarantees)。协定的预设条件与保证可以使用任何想要的逻辑来定义，但不以此为限。优选但不限制地，布林逻辑保证(boolean logic-based guarantees)可用于定义预设条件以及保证，有效率的观察器便可以实现。
[0070]
于本实施例中，当多个子协定csub被组合以于多层分层系统中精化(refine)时，所得的分层须能满足对于协定组合以及精化的所需特性。特别是，位于逻辑上的下层的部件6,6a或次系统4a的一组子协定csub的组合为位于逻辑上的上层的根协定cr的精化。此外，位于上层的根协定cr满足使用者提供的端对端要求(即使用者提供的端对端要求的精化)。
[0071]
另一方面，为了形成基于协定的分层架构，第一实施例所描述的展开技术以及第二及第三实施例所述的分层技术是被提供，以形成具有分散监控架构的虚实整合系统。
[0072]
应强调的是，展开技术以及分层技术等两种技术所形成的本公开的实施例的框架，需要两个输入：1.知识图，其是描述虚实整合系统1,4中各种部件6的物理和行为特性；2.对实现什么的要求。优选但不限制地，在制造中，一旦与知识图和需求输入相结合，形成一个虚实整合系统1、4，就可以执行诸如最小化停机时间等目标。虚实整合系统1、4的框架能够生成故障检测和回应机制，以在运行时检测故障和回应。虚实整合系统1,4的框架是通用的，除制造业外，还可应用于例如但不限于建筑自动化、ict和能源基础设施等其他领域。
[0073]
当应用本公开的实施例的虚实整合系统1、4时，可达到尽量减少对人力资源依赖的优点。此外，知识图能够使系统取得部件6,6a之间的物理和行为关系。虚实整合系统1、4的架构是灵活的，并且根据使用知识图取得的更改在运行时动态演变。此外，虚实整合系统1、4的架构允许系统化的方法来检测故障并自动回应故障。它还可以轻松地调整虚实整合系统1、4参数以进行优化。
[0074]
图5为本公开的一实施例的虚实整合系统的一示范测试平台的架构示意图，图6是显示图5的测试平台的结构与操作流程。如图5及图6所示，本示范例是由菲舍尔特尼克
(fischertechnik testbed)测试平台实现，其可以产生一些故障情境，以利于在工业4.0的环境下观察虚实整合系统的运行。测试平台9包括两个光感测器ls1,ls2、一个传送带91、三个弹射器(ejector)92、三个容收器(bin)93、一马达控制器(motor controller)mc、一个步数计数器(pulse counter)pc、一个色彩处理器(color processor)cp、一个容收器选择器(bin selector)bs以及一弹射器控制器(ejector controller)ec。两个光感测器ls1、ls2包括第一光感测器ls1以及第二光感测器ls2，用于感测光。传送带91用于传送代币(token)94。三个弹射器92包括第一弹射器921、第二弹射器922、第三弹射器923且设置于传送带91的一侧，并且彼此相间隔地排列，以用于对传送带91上的代币94进行弹射。三个容收器93包括第一容收器931、第二容收器932、第三容收器933，且设置于传送带91的另一侧，并且彼此相间隔地排列，并且与三个弹射器92一对一地对应设置，用于接收被对应弹射器92所弹射的代币94。马达控制器mc用以控制一马达(未图示)的转速而带动传送带91转动。步数计数器pc用于计算通过第一个感测器ls1后的步数。色彩处理器cp用于识别代币的色彩。容收器选择器bs用于决定容收器93的号码，以及弹射器控制器ec用于控制对应的弹射器92将代币94弹进对应的容收器93。本测试平台9的目地为确认代币94可以正确地弹入容收器93。
[0075]
当将代币94放置在传送带91上且邻近于第一光感测器ls1的位置时，第一光感测器ls1将感测代币94的存在且色彩处理器cp将被启动。当传送带91带动代币94通过色彩处理器cp时，色彩处理器cp的颜色感测器会检测代币94的颜色，并输出标注色彩信号cvcp至容收选择器bs。然后，容收器选择器bs(亦即决策元件)计算代币94到达第一弹射器921、第二弹射器922或第三弹射器923的步数，在此计算中，被启动的步数计数器cp所计算的步数会被使用。前述计算结果将输出步数信号sc
bs
传送到弹射器控制器ec。此外，根据代币94的颜色，容收器选择器bs输出弹射器号码信号e
bs
以指示弹射器控制器ec必须启动哪个弹射器92。当弹射器控制器ec接收到步数信号sc
bs
与弹射器号码信号e
bs
时，适当的弹射器92将被启动。于本实施例中，仅第一弹射器921、第二弹射器922、第一容收器931、第二容收器932以及白色代币94将被使用。在正常操作下，白色代币94将被第一弹射器921弹入对应的第一容收器931。若故障产生，则需要改变传送带91的速度，且第二容收器932是暂时被使用，直到故障恢复为止。在本实施例中，色彩处理器cp、容收器选择器bs以及弹射器控制器ec可视为虚实整合系统的部件。
[0076]
如图6所示，三个树莓派rpi可用于保存色彩处理器cp、容收器选择器bs与弹射器控制器ec的控制逻辑，以取代传统的可程序设计逻辑控制器。其中所有的树莓派rpi都通过网络交换机通过以太网络互连。树莓派rpi为现有技术，于此不在赘述。于一实施例中，为了在测试平台9引入弹性管理和故障注入的功能，可使用forte(亦即一个与4diac-ide整合式开发环境整合的执行环境)在树莓派rpi上。4diac-ide是基于iec 61499标准，这是一种用于分散式控制系统的事件驱动功能块模型。本实施例的弹性框架可构建在4diac-ide之上。
[0077]
图7是本公开的一实施例的虚实整合系统的测试平台的弹性管理架构示意图。图8是显示基于图7的弹性管理架构的部件特性与优化的示意图。于本实施例中，如图7所示，测试平台9的弹性管理框架包括两层分层管理结构。三个部件分别为色彩处理器cp、容收器选择器bs与弹射器控制器ec。每一部件包括一弹性管理器101、102、103，其是位于逻辑上的下层(即叶层)。一根弹性管理器100是位于逻辑上的上层(即根层)。部件的弹性管理器101、102、103使用参数化延迟相关协定(即子协定)。根弹性管理器100使用包括前述弹性管理器
101、102、103的所有子协定csub
(cp)
、csub
(bs)
、csub
(ec)
所组合而成的根协定cr。协定是根据使用者提供的要求和所用部件的功能而生成的。
[0078]
弹性管理器101、102、103的子协定csub
(cp)
、csub
(bs)
、csub
(ec)
是由根弹性管理器100的子协定产生器100a将根协定cr分解所产生。每一个协定csub
(cp)
、csub
(bs)
、csub
(ec)
的内容包括输入、输出、参数、预设条件、保证等。每个部件应于一执行时间产生对应的输出，因此子协定csub
(cp)
、csub
(bs)
、csub
(ec)
亦包括各自的执行时间。弹性管理器101、102、103的观察器101a、102a、103a监控各自的子协定内容(亦即监控保证的内容)，且也记录部件的真实的执行延迟。当任一子协定csub(
cp
),csub(
bs
),csub(
ec
)不符合时，对应的弹性管理器101、102、103直接将故障信息回报至根弹性管理器100，且同时将部件的真实的执行延迟等信息回报至根弹性管理器100。根弹性管理器100是对其根协定cr负责，其也确认是否所有的子协定偕同地符合。此外，为了允许部件之间动态弹性管理，可使用协定微调，使得所有部件的执行时间的总和小于系统的一预设总执行时间。前面两者的差值为根弹性管理器100可利用的执行延迟弹性范围。若下层的弹性管理器101、102、103向上回报的真实的执行延迟的总和落在执行延迟弹性范围内时，则根弹性管理器100将不会采取任何行动，借此可避免误报。此清楚地显示，协定分层的执行延迟所具有的优点可以于系统执行期间使部件之间完成动态分配。此外，于一实施例中，于建构分层结构之后，可微调包括于子协定中且用于监视每个部件的参数。如图8所示，每个部件的平均执行时间(例如μ
cp
,μ
vs
,μ
ec
)及其标准差(例如σ
cp
,σ
bs
,σ
ec
)被输入优化演算法，且生成的执行时间x
i
(例如x
cp
,x
bs
,x
ec
)将用于监控协定是否符合。
[0079]
本公开的弹性管理架构可在一生产线上实现，或在生产车间运行的其他嵌入式平台上实现，且不以此为限。
[0080]
综上所述，本公开提供了一种分散式虚实整合系统，其是以弹性管理器实现监控架构。本公开具有弹性管理器的分散式虚实整合系统可以准确、稳健且实时地实现对故障部件的检测与警示，减少停机时间，且可较快速地提供故障恢复的解决方案。本公开具有弹性管理器的分散式虚实整合系统具有容错能力与弹性，利用对各部件的非功能性特性的监控，可减少部件故障的误判，避免因误判而影响系统整体运行。此外，本公开的分散式虚实整合系统为可规模化(scalable)且适用于大规模。利用弹性地管理分散式监控架构以监控部件故障，可减少各部件与管理单元间的通信负担与成本。此外，本公开的具有弹性管理器的分散式虚实整合系统利用展开技术与分层技术实现分散监控架构，其中展开技术与分层技术是将根协定分解为子协定，并分派子协定至对应的部件，或将子协定进一步优化，借此可避免因虚实整合系统的部件过多所造成的作业耗时问题。