自律分散系統
自律分散系統
自律分散系統（Autonomous Decentralized System，簡稱ADS）是近年來才逐漸發展起來的一個新的系統概念。它突破了原來傳統集中式分散式的C/S模型，建立了全新的系統模型。在這一系統中所有的單元（子系統）都是獨立平等的，它們之間不存在任何隸屬關係。各個單元都能獨立完成各自的任務而不受其他單元的干預。同時各個單元之間也能協調工作來實現整個系統的運行。這就是自律分散系統的兩大特性：自律可控性和自律可協調性。實現這一系統模型的關鍵概念是數據域和廣播的通訊方式。系統中的每個單元都主動地向數據域廣播其內部處理信息同時根據各自的需求從數據域中接收信息。各個子系統都只同數據域打交道，它們相互之間沒有直接的糯合關係。這就較好地保證了在線擴展、在線維護及容錯。
現代工業的發展給監控系統提出了新的要求。由於生產規模的不斷擴大發展，因而對相應的監控系統的設計不可能一次完成，而要隨著生產發展變化不斷進行修改、完善和擴充。但是現有的監控系統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出現故障或處於維修階段的同時仍然運作。因此一旦一個監控系統設計組建完畢后就很難改進，即使要修改，也要終止整個系統的運行，給生產廠家造成了人力物力以及資源的浪費，還影響了正常生產，造成經濟損失。這必將越來越嚴重地制約生產發展。面對如此現狀，用ADS系統概念來設計工業監控系統能較好地實現在線擴展、在線維護和容錯，滿足了新的生產要求。
定義自律分散系統的兩個前提是：
(1) 系統中的故障是正常現象。
(2) 系統是由子系統組成。
首先必須存在子系統。整體系統是不能事先定義的，只能定義為子系統的集成。其中某些子系統可能處於故障狀態、正在進行改進或維修。因此，若一個系統滿足以下兩點要求則可稱之為自律分散系統：
(1) 自律可控性。即系統中有任何子系統出現故障，正在維修或剛剛加入，這都不能影響
其他子系統的自我管理及功能的運行。
(2) 自律可協調性。即系統中有任何子系統出現故障，正在維修或剛剛加入，其他子系統
之間能夠協調各自的任務並以協作方式運行以實現各自功能。
正是這兩個特性保證了系統的在線擴展、在線維護和容錯。因此要求每一個子系統都能有“智能”管理自己而又不干涉其他子系統的事務並且也不受其他子系統干涉，但它還能和其他子系統進行協調工作。
自律可控性和自律可協調性的實現反過來又要求每個子系統必須滿足：
(1) 平等性。每個子系統都能管理自己並不能被其他系統管理。子系統之間沒有主從關係。
(2) 局所性。每個子系統在只依靠本地信息的情況下就可以管理自己並與其他子系統進行
協調。
(3) 自足性。每個子系統管理自己和協調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都出現故障或者終止了與某子系統的通訊，該子
系統仍能進行工作。
最基本的ADS系統是由原子節點（Atom）和數據域（Data Field）組成。原子節點可對應的物理實體為計算機、智能設備或其他硬體。數據域是ADS中信息傳播的空間。從物理概念上講，它相當於網路或存儲器。
各個原子發出的信息在數據域中循環同時各個原子又從數據域中提取信息。原子之間沒有直接連接關係，它們只對數據域中的信息內容感興趣而不必知道此信息來自何處。因此，在數據域中流動的信息都包含一個內容碼（Content Code）來標誌其屬性，各個原子也正是通過識別內容碼來決定自己是否需要此信息的。
3.1數據域
在自律分散系統中所有的原子節點都是一個自律單元，它們之間的聯繫僅僅是通過數據域來實現的。所有的數據都以廣播方式發送到數據域中並在其中循環。數據域延伸至原子內部的一部分稱之為原子數據域（Atom Data Field），其中流動的是原子的系統或應用程序模塊所需的數據。
所有信息都帶有一內容碼規定了其屬性。由於系統的結構隨著自身擴展、縮小或部分故障而發生變更，為了保證子系統的運行不受干擾，每一子系統都以廣播方式發送帶有CC的信息，由於其不具有目的地址，則接收者只能根據CC來選擇信息而不知道其發送者。
這種基於內容碼的通訊方式保證了每個子系統的自律信息發送和自律信息接收。即每個子系統不必知道信息來源和目的地之間的關係，因而它實現了每個子系統的局所性。
3.2原子節點
原子中的所有系統、應用程序模塊都使用同樣的機制，即一旦模塊所需的所有數據全部到齊，系統或應用程序軟體就會自動開始執行，我們稱之為數據驅動機制。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據。各軟體模塊之間只有鬆散的藕合關係，不存在控制和被控制的關係，都能獨立判斷管理自己的行為，即各原子是平等的。
4.1在線擴展
系統在線擴展包括原子節點和系統兩個層次上的擴展。
對於原子內部軟體模塊的擴充，它只需在系統內部的內容碼錶中註冊上新的內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，並且也不會影響原子內部其他軟體模塊的執行。
對於系統級的擴展，也含有兩種類型。同構的系統擴展只需簡單將其數據域合併，所有數據信息都在合併后的數據域進行廣播。而雜合系統的擴展則需要網關。對於雜合系統A和B的連接擴展，可以將其中任何一個系統和網關視為一整體看作是另一系統原子節點。如此，A可以根據登記在網關中B所需的內容碼將相應的信息廣播到B的數據域中去。反之B也可將A所需的信息傳送給A的數據域。在網關中註冊登記內容碼不會影響到兩個系統的正常運行。
4.2在線維護
自律分散系統在運行的同時可進行部分子系統或其內部軟體模塊的測試。運行的原子節點發出的信息分為兩類：在線信息和測試信息。相對應地，運行的原子節點也分為在線和測試兩種狀態。並且規定：在線節點只接收在線信息，而測試節點兩種信息都接收。因而處於測試狀況的節點不會幹擾在線節點的正常運行，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合測試。
4.3容錯
自律分散系統的系統結構及其數據驅動機制使軟體模塊可以自由地非同步執行。實際中，我們根據每一軟體的重要程度來決定其複製數量。因此可以在系統中的不同子系統中安置多個複製的軟體模塊，這些所有相同的軟體模塊都在獨立運行並獨立接收和發送信息。其中某些模塊可能處於故障狀態，因此其發送的信息可能是錯誤信息，而另外一些模塊仍在正常運行，發送正確信息。使用這些信息的軟體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。一是選取所有複製模塊的“同一數據”（時間上同步）；另一步是從“同一數據”中選取正確的數據。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出現的問題，即本身切換裝置出現故障，無法使用備用。ADS系統在處理容錯問題時，不存在任何中間切換裝置，即故障軟體可和正常軟體同時運行，運用誰的信息的決定權完全取決於接收者。從這一意義上講，它實現了真正的容錯。
目前，隨著社會化大生產規模的不斷擴大，一個企業往往要跨越不同的國家地區，在世界各地建立自己的分廠、分公司，如此之多的部門要協調一致地運作，完成生產過程的監控、生產任務的分配管理、信息的收集仲裁以及對外的信息發布，這必然要求監控系統相應地向大規模化發展。而傳統的集中式或分散式監控系統都是基於客戶機/伺服器模式，隨著系統規模的擴大、信息量的增多，必然會加大伺服器的負擔。嚴重情況下，會發生由於某時間段對伺服器的訪問驟增，而伺服器響應不及，影響了整個生產過程。
另一方面，正是生產規模不斷擴大的趨勢表明在設計其相應的監控系統時，不可能一次性將各個部分、各個環節都考慮完整周全，而必須隨著生產的發展擴大不斷擴充規模、不斷完善功能。現有的監控系統都是一次性建設完畢，如要進行擴充只能終止整個系統的運行，這必然會給生產者造成極大的經濟損失。
鑒於以上的問題，必須使用新的技術。我們的設想是用ADS的系統概念來組建新型的監控網路。
在本文的前面已經看到由於自律分散系統的子系統有著自律可控性和自律可協調性因而保證了這個系統的在線擴展、在線維護和容錯。因此根據ADS思路設計的監控系統體現了以下優點：
首先，它不再基於傳統的C/S模型，而是由若干分系統構成。各個分系統之間是相互平等的，不存在依附關係，可以自主運作，但這並不表明它們不與外界交換信息。實際上，各個子系統不斷向外界以廣播方式發送信息，同時又根據各自需求接收來自外界的信息以為自己服務。這樣一來，C/S模式中伺服器大量的負擔被有限地分散了，而且加快了子系統間信息的交換速度。這對於信息就是效益的生產領域不能不稱得上是一個好的選擇。
不僅如此，基於ADS的監控系統還很好地解決了自身的擴充問題。對於大型的企業來說，監控系統的組建可隨著生產部門的建設一步步完成。有多少部門投入運行，與之相應的監控子系統就可先行自主並協調地運行。隨著生產規模的逐漸擴大，可以在線地擴充監控子系統且不會幹擾已經運作的部門環節。一旦新加入的監控子系統調試通過，它可以和原有的系統無縫地集成成更大系統，共同實現整個企業的各項任務。可以看出，這種監控系統是一種動態的系統，與以往的監控系統相比具有更大的靈活性。
大型生產廠家面臨的另一個問題是產品多樣化的需求。要佔領並控制市場，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，一種新產品沒上市多久，就被更新的產品所替代。廠家想要追求更高的經濟效益，必須及時調整生產計劃、改造工藝。這就要求相應的監控系統也能隨時調整。傳統的監控系統自然不具備此種能力。
一種可選的方案又是ADS系統模型構造的監控系統。ADS系統不僅在子系統的層次上可做到在線擴展和更新，而且在每個系統內部軟體層次也使用了平等自製的機制，各個軟體模塊之間的稿合關係較為鬆散，可實現在線更新、升級。因而基於這一概念的監控系統可按照生產的變化要求進行硬體更換，軟體的更新、調整，從而使其適應新產品的監控要求。
根據ADS的系統概念提出的監控系統的結構模型。在這一系統中包含有現場過程式控制制部分，這些微處理器直接和工業生產過程中的感測器、控制器以及執行器相連接。在線信息資料庫、市場信息發布、生產任務管理以及軟體開發等子系統都通過光纖與現場過程式控制制連接成一環狀的網路。
市場信息發布計算機通過Internet或其他輸人提供最新的市場需求及銷售分析結果。生產任務管理計算機可根據最新市場信息或人工輸入調整生產計劃或要求新軟體的開發。軟體開發計算機則完成軟體模塊的開發、修改，並上載到現場控制器或其他管理計算機中。在線信息資料庫可動態存儲、更新生產過程信息以備後用。
這樣一個系統各個單元都在獨立自主地運行並可進行相互協調。硬體、軟體均可在線擴展、維護並實現了容錯。唯一的要求是事先定義在系統中傳輸的信息的內容碼，這對於一個給定的監控系統是很容易做到的。
自律分散系統以其獨特的數據域結構和數據驅動機制實現了其子系統的自律可控性和自律可協調性，從而保證了整個系統的在線擴展、在線維護及容錯。
現代工業生產規模的不斷擴大和發展對監控系統提出了更新的要求。利用自律分散系統的概念構造的工業監控網路很好地解決了這一問題，它必將在今後的工業監控領域發揮巨大的作用。