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TWI760817B - 分散式虛實整合系統 - Google Patents

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TWI760817B
TWI760817B TW109127556A TW109127556A TWI760817B TW I760817 B TWI760817 B TW I760817B TW 109127556 A TW109127556 A TW 109127556A TW 109127556 A TW109127556 A TW 109127556A TW I760817 B TWI760817 B TW I760817B
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徐志恒
俊賢 黃
歐馬 巴泰內
阿文德 伊斯瓦蘭
西達塔 安達拉姆
博文 孫
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新加坡商台達電子國際（新加坡）私人有限公司
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Abstract

本案提供一種分散式虛實整合系統，包括管理單元以及複數個部件。管理單元包括根彈性管理器，用於監控該分散式虛實整合系統。複數個部件位於實體空間，且連接於根彈性管理器。根彈性管理器包括一根協定以及一子協定產生器。子協定產生器係架構於將根協定分解為複數個子協定且將複數個子協定分別分配至複數個部件。複數個部件之每一部件包括至少一觀察器，架構於監控各別部件之至少一個特性是否違反對應之子協定，其中，於分散式虛實整合系統運行時，當複數個子協定中之一子協定違反時，根彈性管理器發出一警示。

Description

分散式虛實整合系統
本案係關於一種虛實整合系統，尤指一種分散式虛實整合系統，其係以彈性管理器實現監控架構。
虛實整合系統(Cyber-Physical System,CPS)是「工業4.0」的關鍵技術，也是目前的熱門議題。它藉由電腦及感測器等，並運用新一代網路技術以聯結各種設備、機器及數位系統，通過它們之間的溝通與相互作用，以整合網路與實體為一智慧系統。
隨著虛實整合系統應用於工業生產線之規模不斷擴大，讓虛實整合系統在任何操作條件下皆可保持穩定便極具挑戰性，其中如何減少停機時間，並提高故障恢復能力，便成為虛實整合系統設計的一個關鍵問題。此外，虛實整合系統的快速演變導致系統複雜性顯著增加，這進一步帶來了在設計和執行過程中滿足所有系統要求的新挑戰。例如，傳統上為了避免生產線停機，訓練有素的工程師需要調整各種參數，此過程非常耗費時間，且需要執行很長的時間，甚至數個月。然而，製造商現在面臨著越來越短的產品生命週期，使得生產線需要定期或頻繁地變更，一旦生產線變更則需要新的方法來處理故障，換言之，需要定期或頻繁地調整處理故障之方法，因此無法滿足產品與生產線快速變化的需求。
為了提高虛實整合系統的容錯能力和彈性，虛實整合系統通常使用非功能性特性(Non-Functional Properties,NFP)來評估系統的性能，其中非功能性特性是用來評估虛實整合系統可以提供的服務品質(Quality of Service,Qos)的特定要求。例如，執行延遲(execution latency)是虛實整合系統中非常關鍵的非功能性特性，因為系統經常被要求在一定時間內完成任務。為此，傳統虛實整合系統存在名為根協定的集中式契約，以藉由集中式契約而以集中的方式監控虛實整合系統中所有部件(component)的非功能性特性。
然而在傳統虛實整合系統中，若該虛實整合系統屬於較大規模且具有大量的部件時，由於傳統虛實整合系統係利用集中的方式監控所有部件，因此當有任一部件違反名為根協定的集中式契約時，傳統虛實整合系統僅能判別出有故障問題存在，卻無法迅速識別出故障源。
為了解決上述傳統虛實整合系統利用集中的方式監控所有部件所面臨的問題，目前有部分研究開始朝向讓虛實整合系統改以分散方式監控所有部件，然而採用分散式監控可能使虛實整合系統對於干擾或不確定性因素過於敏感而發生誤報，使得虛實整合系統可能因誤報而影響系統的整個運作過程。
此外，由於虛實整合系統之部件數量眾多，為了實現對大型虛實整合系統的分散式監控，除了需要建構有效的基於協定的層次架構之外，如何分解根協定並優化子協定也是待解決之問題。再則，若分解根協定並採用手動優化子協定，則將因部件數量眾多而導致耗時等問題。
有鑒於此，實有需要發展一種分散式虛實整合系統，其係以彈性管理器實現監控架構，俾解決現有技術所面臨之問題。
本案之目的在於提供一種分散式虛實整合系統，其係以彈性管理器實現監控架構。其中，彈性管理器係為自動化產生。本案具有彈性管理器之分散式虛實整合系統可以準確、穩健且即時地實現對故障部件的檢測與警示，減少停機時間，且可較快速地提供故障回復之解決方案。本案具有彈性管理器之分散式虛實整合系統具有容錯能力與彈性，利用對各部件之非功能性特性之監控，可減少部件故障之誤判，避免因誤判而影響系統整體運作。此外，本案之分散式虛實整合系統係為可規模化(scalable)且適用於大規模。
本案之另一目的在於提供一種自動化技術以實現一分散式虛實整合系統，其係以彈性管理器實現監控架構。利用彈性地管理分散式監控架構以監控部件故障，可減少各部件與管理單元間的通信負擔與成本。此外，本案之具有彈性管理器之分散式虛實整合系統利用展開技術與分層技術實現分散監控架構，其中展開技術與分層技術係將根協定分解為子協定，並分派子協定至對應之部件，或將子協定進一步優化，藉此可避免因虛實整合系統之部件過多所造成之作業耗時問題。
根據本案之構想，本案提供一種分散式虛實整合系統，包括一管理單元以及複數個部件。管理單元包括根彈性管理器，用於監控分散式虛實整合系統之至少一個特性。複數個部件位於實體空間，且連接於根彈性管理器。根彈性管理器包括根協定以及子協定產生器。子協定產生器係架構於將根協定分解為複數個子協定且將複數個子協定分別分配至複數個部件。其中，複數個部件之每一部件包括至少一觀察器，架構於監控各別部件之至少一個特性是否違反對 應之子協定，其中，於分散式虛實整合系統運行時，當複數個子協定中之一子協定違反時，根彈性管理器發出一警示。
1、4、7:虛實整合系統
2、5、5a:管理單元
21、51:根彈性管理器
22、52、100a:子協定產生器
23、53、31、62、101a、102a、103a:觀察器
3、6、6a:部件
4a:次系統
61、101、102、103:彈性管理器
Cr:根協定
Csub、Csub(CP)、Csub(BS)、Csub(EC):子協定
S1:故障資訊
S2:更新參數
9:測試平台
LS1:第一光感測器
LS2:第二光感測器
91:傳送帶
92:彈射器
93:容收器
94:代幣
MC:馬達控制器
PC:步數計數器
CP:色彩處理器
BS:容收器選擇器
EC:彈射器控制器
CVcp:標註色彩訊號
SCBS:步數訊號
EBS:彈射器號碼訊號
μCP,μVS,μEC:部件的平均執行時間
σCP,σBS,σEC:標準差
XCP,XBS,XEC:部件的執行時間
第1圖係為本案第一實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。
第2圖係顯示將根協定分解展開為複數個子協定並分派至對應部件之示意圖。
第3圖係為本案第二實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。
第4圖係為本案第三實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。
第5圖係為本案之一實施例之虛實整合系統之一示範測示平台之架構示意圖。
第6圖係顯示第5圖之測示平台的結構與操作流程。
第7圖係本案虛實整合系統之一實施例之測試平台的彈性管理架構示意圖。
第8圖顯示基於第7圖之彈性管理架構的部件特性與優化之示意圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。
請參閱第1圖，其係為本案第一實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。如圖所示，本實施例之分散式虛實整合系統1(以下簡稱虛實整合系統1)包含管理單元2以及待監控的複數個部件3(components)。管理單元2與複數個部件3以通訊網路相連通，用以監控複數個部件3以及虛實整合系統1的運作。管理單元2包括根彈性管理器21。根彈性管理器21用以監控虛實整合系統1內的至少一非功能性特性(Non-Functional Properties,NFP)，即監控每一部件3的非功能性特性，例如實際運行時間及/或關於實際電壓及/或實際電流等的實際電能。根彈性管理器21包括根協定Cr以及子協定產生器22。子協定產生器22係架構於將根協定Cr展開且分解為複數個子協定Csub，並分派該複數個子協定Csub至複數個部件3中的對應部件3。複數個部件3係位於實體空間，且與根彈性管理器21以通訊網路相連通。複數個部件3與根彈性管理器21可以無線或有線的方式相連通。於本實施中，根彈性管理器21更包括觀察器23，係架構於當虛實整合系統1執行任務時，監控與判斷虛實整合系統1的總體非功能性特性是否違反其根協定Cr。於一實施例中，每一部件3包括子協定Csub以及觀察器31，其中子協定Csub係由根協定Cr所分解、展開與分派，且可被用於監控對應部件3的各自非功能性特性。觀察器31係擷取部件3之感測器的感測資訊，且架構於依據感測器提供之感測資訊以監控對應之部件3的非功能性特性是否違反其子協定Csub。當虛實整合系統1於執行期間，若任一部件3被判定違反其對應的子協定Csub時，對應之觀察器31即回報故障資訊至管理單元2之根彈性管理器21，藉此發出警示，以提醒該部件3故障或提供故障恢復之解決方案，藉以避免系統停機。
於本實施例中，根協定Cr為依據使用者要求、虛實整合系統1的運作參數以及複數個部件3的各自非功能性特性而預先設定於根彈性管理器21內， 且根協定Cr更預設有包含虛實整合系統1的總體非功能性特性及複數個部件3的各自最小非功能性特性等資訊，其中，總體非功能性特性與最小非功能性特性屬於同性質，例如同屬時間性質或電能性質等，較佳地，前述非功能性特性具有可累加的特性。於一實施例中，虛實整合系統1係適用於具有全域時鐘(global clock)的同步系統，即虛實整合系統1內之各個部件3具有完全相同的時間基準，藉此可計算完成一任務的執行時間。由於執行延遲是虛實整合系統1中關鍵的非功能性特性(因為系統經常被要求在一定時間內完成任務)，故總體非功能性特性可例如為虛實整合系統1的總體最大運作時間，最小非功能性特性可為例如部件3的最小運作時間。子協定產生器22預設有可進行編程之演算法，且子協定產生器22利用演算法將根協定Cr展開，以自動分解成複數個子協定Csub，並將每一子協定Csub分派至對應的部件3。於一實施例中，對應部件3所接收之子協定Csub包含了對應於該部件3之最小非功能性特性。
於本實施例中，根協定Cr係藉由子協定產生器22自動分解展開為複數個子協定Csub並分派給對應之部件3，以實現對虛實整合系統1之分散式監控。於一實施例中，可編程之演算法包含與非功能性特性相關的兩種變數，即為獨立變數(Independent variables)與因變數(Dependent variables)，其中獨立變數亦可稱為環境變數，乃是由環境進行控制和操作的變數，獨立變數與虛實整合系統1內部部件3的行為無關。因變數則是由虛實整合系統1的至少部分待測之部件3於運作時所生成的變數，因此變數的真值取決於其他一些變數的真值。
在對根協定Cr展開的過程中，通過解析變數之間的依賴關係將根協定Cr的總體非功能性特性轉換為另一種形式。於進行展開程序時，先對公式中的一組因變數執行，其中展開過程以向後的方式執行，從想要展開的因變數開 始，直到到達依賴鏈中的部件3之輸入都是獨立變數。展開過程的複雜性取決於公式中的因變數數量和每個因變數的依賴關係(有多少變數影響該因變數的真值)。
於本實施例中，子協定產生器22包括可編程之演算法，且非功能性方程式(non-functional formula)及依賴關係圖(dependency graph)等作為演算法之兩項輸入。依賴關係圖記錄著虛實整合系統1之複數個部件3於運作時之物理特性和行為屬性、所有部件3的各自最小非功能性質，以及根協定Cr之總體非功能性特性等之間的關係。非功能性特性係利用非功能性方程式(non-functional formula)公式化。通過檢查虛實整合系統1的前述依賴關係圖，非功能性方程式可藉由子協定產生器22轉換為另一個等效方程式。為了將根協定Cr分解展開為複數個子協定Csub，並將子協定Csub分派至對應部件3，虛實整合系統1係滿足以下的假設：(1)虛實整合系統1是具有全域時鐘的同步系統；以及(2)虛實整合系統1中的每個部件3視為一個進程p，且都有一個最短的回應時間(表示為
Figure 109127556-A0305-02-0009-1
)，每個進程p的回應時間是可以取得的，且
Figure 109127556-A0305-02-0009-2
是進程p在流程所需輸入的最小輸入集可用後產生輸出所需的最短時間。第2圖係顯示將根協定分解展開為複數個子協定並分派至對應部件之示意圖。如第2圖所示，通過展開技術，可將根協定Cr分解展開為複數個子協定Csub1、Csub2..Csubn(其中n為部件3之總個數)，並分配給複數個部件3中的對應部件3。於本實施例中，每個子協定Csub1、Csub2..、Csubn可用於監控虛實整合系統1之對應部件3之各非功能性特性。
於一實施例中，可採用向後設計以計算每個子協定Csub1、Csub2..Csubn的參數，但不以此為限。對於系統執行運作時的驗證，可採用向前驗證各子協定Csub1、Csub2..Csubn，但不以此為限。根據本案之構想，本實施例 係採部分衝突即為全域衝突，換言之，當任一部件3違反了分配給該部件3的子協定Csub時，則認定違反了根協定Cr，此種設計可以實現故障的早期檢測。
於一實施例中，子協定產生器22所使用的演算法中所包含的非功能性方程式為：
Figure 109127556-A0305-02-0010-3
，其中p是整個虛實整合系統1的原始計時參數，n是部件3之總個數。通過使用前述方程式，可計算每個子協定Csub的計時參數，從而支援向後設計。另一方面，當任何部件3違反其子協定Csub內的計時參數並引發警報時，向前驗證便會啟動。當任何對應部件3違反其子協定Csub內的計時參數並引發警報時，都代表虛實整合系統1的整個過程或任務將失敗，因為虛實整合系統1已沒有足夠的時間來完成其任務，藉此可實現虛實整合系統1之故障早期檢測，而不是等待整個虛實整合系統1完成，然後再確定發生故障。
根據以上描述，本實施例之虛實整合系統1可自動將根協定Cr分解展開為複數個子協定Csub，並分派該複數個子協定Csub至複數個部件3中的對應部件3，藉此以實現對虛實整合系統1之分散式監控。藉由本實施例之虛實整合系統1之分散式監控，可達到對複數個部件3之故障早期檢測與警示，甚可提供故障回復方案，以降低停機的機率。更甚者，於自動將根協定Cr分解展開成複數個子協定Csub且分派至複數個部件3並且啟動監視之後，可減輕甚或不需要進行複數個部件3和管理單元2之間的通信，這種優勢可以降低複數個部件3和管理單元2之間的通信負擔與成本。
請參閱第3圖，其係為本案第二實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。如圖所示，本實施例之分散式虛實整合系統4(以下簡稱虛實整合系統4)包含管理單元5以及待監控的複數個部件6(components)，其中管理單元5與複 數個部件6係位於實體空間。管理單元5與複數個部件6以通訊網路相連通，用以監控複數個部件6以及虛實整合系統4的運作。管理單元5包括根彈性管理器51，且每一部件6包括彈性管理器61。於本實施例中，根彈性管理器51與複數個彈性管理器61係架構於形成包括至少兩層之彈性管理架構。根彈性管理器51係位於邏輯上的上層(或稱根層(root-level)或非葉層(nonleaf-level))，且複數個彈性管理器61係位於邏輯上之下層(或稱葉層(leaf-level))。前述那些管理器藉由通訊協定實現欲指向誰以及欲與誰對談。利用通訊協定，那些管理器之虛擬管理分層架構以及其關聯協定皆可被創造形成。根彈性管理器51係用以監控虛實整合系統4的至少一非功能性特性(Non-Functional Properties,NFP)，即監控每一部件6的非功能性特性，例如實際運行時間及/或關於實際電壓及/或實際電流等的實際電能等。根彈性管理器51包括根協定Cr、子協定產生器52以及觀察器53。子協定產生器52係架構於將根協定Cr分解、展開為複數個子協定Csub。當虛實整合系統4執行任務時，觀察器53係架構於監控與判斷虛實整合系統4的總體非功能性特性是否違反其根協定Cr。複數個子協定Csub係被指派至複數個部件6中的對應部件6。於一實施例中，根彈性管理器51更定義一規範(criterion)，例如根據複數個部件6的各自非功能性特性，使得其對應之子協定Csub可藉由子協定產生器52進一步優化。複數個部件6之彈性管理器61係與根彈性管理器51以通訊網路相連通。於本實施例中，每一個部件6之彈性管理器61係架構於監控與管理對應部件6之運作。換言之，彈性管理器61與其他彈性管理器61一樣都是基於自身子協定Csub之資訊以實現彈性管理與判斷。每一彈性管理器61包括子協定Csub以及觀察器62。子協定Csub係由根協定Cr所分解、展開與分派，且可被觀察器62用於監控對應部件6的特性。觀察器62係擷取部件6之感測器的感測資訊，且架構於依據該感測資訊以 監控與判斷對應之部件6之非功能性特性是否違反其對應之子協定Csub。當虛實整合系統4於執行期間，若任一部件6之觀察器62判定對應之部件6違反其子協定Csub時，彈性管理器61試著區域執行回復。若無區域解決方案存在，則彈性管理器61通知根彈性管理器51且將故障資訊S1，例如故障程度(違反協定的量)，傳送至根彈性管理器51，藉以發出警示提醒該部件6故障，俾避免系統停機。於一實施例中，於根彈性管理器51接收到故障資訊S1時，根彈性管理器51可傳送更新參數S2至彈性管理器61之子協定Csub。若彈性管理器61無接收到更新參數，則表示故障已成功地由較高層級處理而無須任何的系統降級。於一實施例中，根彈性管理器51監控是否複數個部件6偕同地符合要求。根彈性管理器51從較下層級之彈性管理器61接收故障資訊S1且試著使對應之部件6區域地回復。若解決方案為需要系統降級，則更新參數S2便由根彈性管理器51產生且傳送至複數個彈性管理器61。
於本實施例中，根彈性管理器51之根協定Cr為依據使用者要求、虛實整合系統4的運作參數以及複數個部件6的各自特性而預先設定於根彈性管理器51內，且根協定Cr更預設有包含虛實整合系統4的總體非功能性特性及複數個部件6的各自非功能性特性等資訊，其中，虛實整合系統4的總體非功能性特性與複數個部件6的非功能性特性屬於同性質，例如同屬時間性質或電能性質等，較佳地，前述非功能性特性具有可累加的特性，但不以此為限。
於本實施例中，子協定產生器52包括可編程之演算法，且非功能性方程式(non-functional formula)及依賴關係圖(dependency graph)等作為演算法之兩項輸入。依賴關係圖記錄著虛實整合系統4之複數個部件6於運作時之物理特性和行為屬性、所有部件6的各自非功能性特性，以及根協定Cr之總體非功能 性特性等之間的關係。非功能性特性係利用非功能性方程式(non-functional formula)公式化。於本實施例中，當虛實整合系統4之部分無法符合建立全域時鐘之情況時，前述之非功能性方程式及虛實整合系統4之依賴關係圖便以基於協定之分層架構(contract-based hierarchy)來分解根協定Cr為複數個子協定Csub。根協定Cr特定對非功能性特性的整體要求，且複數個子協定Csub用於監控各別部件6之非功能性特性。於虛實整合系統4運作期間，觀察器62監控部件6之行為。於一實施例中，若任何異常行為違反其子協定Csub，則對應部件6之觀察器62將故障資訊S1通報至根彈性管理器51，以代表故障發生。根彈性管理器51藉由分析虛實整合系統4可利用的總體資訊以驗證前述通報是否為誤報。於本案之實施例基於協定之分層架構中，根協定Cr監控虛實整合系統4之總體非功能性特性，且於此期間，子協定Csub取得對應部件6之特定特性。於本實施例中，在基於協定之分層架構中，部件6之部分係根據優化問題的解決方案以架構於定義至少一規範(criterion)，藉由優化問題的解決方案可使虛實整合系統4之通訊成本以及應用彈性之間實現平衡。於一實施例中，根協定Cr監控虛實整合系統4之總體延遲時間為總體非功能性特性，且於此期間，對應部件6之觀察器62取得各別的延遲時間為各對應部件6之特定特性。較佳但不限制地，對應部件6之平均執行時間以及標準差被取得且傳送至子協定產生器52。複數個子協定Csub係藉由子協定產生器52之演算法根據前述之規範而進一步優化，藉此以實現所需之功效，例如降低通訊成本同時增進對未知干擾的阻抗能力。換言之，複數個子協定Csub係優化且基於複數個部件6之各自的非功能性特性。
基於上述描述，本實施例之虛實整合系統4係利用子協定產生器52之演算法將根協定Cr分解為複數個子協定Csub，而不需要知道部件6的詳細資 訊。此外，藉由根據優化問題的解決方案所取得之規範，演算法可以進一步精化(refine)子協定Csub以完成所需之功效，俾降低通訊成本以及增進對未知干擾的阻抗能力。此外，根據虛實整合系統4之特性以及不同的要求，根彈性管理器51調整參數，以完成不同之功效。此可以便利於大型虛實整合系統中以演算法取得部件6之同性質特性。更甚者，當演算法具有隨插即用(plug-and-play)特性，虛實整合系統4若加新的部件6時，演算法可以有效地發展且精化新的子協定Csub。
於一實施例中，依據根協定Cr以及子協定Csub，前述分層彈性管理架構係設計為包括至少兩層，稱為兩層分層系統。於其他實施例中，複數個兩層分層系統係用來形成大型虛實整合系統之多層分層系統。第4圖係為本案第三實施例之分散式虛實整合系統之架構示意圖。於本實施例中，分散式虛實整合系統7(以下簡稱虛實整合系統7)係架構於形成多層分層系統。虛實整合系統7包括至少一個次系統4a，每個次系統4a係為一個兩層次系統。於本實施例中，次系統4a與前述第3圖所示之虛實整合系統4具有相似的結構、元件以及功能，且包括管理單元5a以及複數個部件6a。管理單元5a以及部件6a係與前述第3圖所示之管理單元5以及部件6具有相似的結構、元件以及功能，於此不再贅述。於一實施例中，部件6a更包括兩層分層系統，且視為管理單元5a之次系統。於其他實施例中，部件6a係視為一次系統，且與第1圖所示實施例之部件具有相似結構、元件與功能。據此，本實施例之虛實整合系統7可以提供一分散式監控架構，其具有大型虛實整合系統之彈性管理分層架構。
於前述彈性管理架構中，前述根協定Cr及子協定Csub之內容可包括以下之描述(1).部件6,6a或次系統4a之輸入與輸出(2).輸入與環境之預設條件(assumption)，以及(3).部件6,6a或次系統4a的輸出或行為的所需保證 (guarantees)。於本實施例中，多種系統係用於設計根協定Cr與子協定Csub，稱為參數協定(parametric contract)，其容許預設條件與所需保證以參數規格定義，據此可於運作期間藉由改變參數值而進行協定之簡易更新。
於本實施例之分散監控架構中，一組根協定Cr以及子協定Csub係分別分配於根彈性管理器51以彈性管理器61。對一給定之協定，觀察器53、62判斷是否部件6,6a或次系統4a產生所關心之預期行為。
於本實施例中，觀察器62可採用不同的形式表示，例如有限狀態機器(finite state machine)以及時序與混成自動機(timed and hybrid automata)。一但觀察器62確認不符合子協定Csub時，故障被觸發，且根彈性管理器51執行一分析去判斷是否任何故障回復解決方案在其範圍內可以被應用。此分析係依據協定不符合之數量與程度而定。如果選擇的故障回復解決方案需要進行參數更新，然後觀察器62便會被通知。如果沒有任何故障解決方案被發現，則彈性管理器61通知根彈性管理器51，以提供相關之故障資訊S1。根彈性管理器51，輪替地，從其自己的協定中以及從彈性管理器61取得故障資訊S1，以進行更進一步的故障回復。如果在任何層級所選擇的故障回復程序需要對協定參數更新，則此更新參數S2會通知至所有彈性管理器61。因此，經過整個程序，僅故障資訊S1以及更新參數S2係於根彈性管理器51以及複數個彈性管理器6之間交換。
於一實施例中，使用者提供的端對端要求以及部件6,6a容受能力係用於產生前述之根協定Cr以及子協定Csub。部件6,6a容受能力係最先被用於定義最下層(即葉層)之彈性管理器61中的子協定Csub。於一實施例中，具有彈性管理器61之部件6,6a之子協定Csub可以由主機硬體之資訊以及其他部件6,6a可 利用之行為而衍生。於其他實施例中，在次系統4a中之不同部件6a的子協定Csub可以被結合，以衍生於多層分層架構中的上層協定(例如根協定Cr)。
於一實施例中，根協定Cr以及子協定Csub之參數可以基於系統中可利用的可調特性所衍生。例如，於生產工廠中，輸送帶的速度可以被用來當作是協定參數，以降級工廠的產率。於一實施例中，基於這些參數之功能可以用作為協定中的預設條件(assumption)與保證(guarantees)。協定的預設條件與保證可以使用任何想要的邏輯來定義，但不以此為限。較佳但不限制地，布林邏輯保證(Boolean logic-based guarantees)可用於定義預設條件以及保證，有效率的觀察器便可以實現。
於本實施例中，當複數個子協定Csub被組合以於多層分層系統中精化(refine)時，所得的分層須能滿足對於協定組合以及精化的所需特性。特別是，位於邏輯上的下層之部件6,6a或次系統4a之一組子協定Csub的組合係為位於邏輯上的上層之根協定Cr之精化。此外，位於上層的根協定Cr滿足使用者提供的端對端要求(即使用者提供的端對端要求的精化)。
另一方面，為了形成基於協定的分層架構，第一實施例所描述之展開技術以及第二及第三實施例所述之分層技術係被提供，以形成具分散監控架構之虛實整合系統。
應強調的是，展開技術以及分層技術等兩種技術所形成的本案之實施例的框架，需要兩個輸入：1.知識圖，其係描述虛實整合系統1,4中各種部件6的物理和行為特性。2.對實現什麼的要求。較佳但不限制地，在製造中，一旦與知識圖和需求輸入相結合，形成一個虛實整合系統1,4，就可以執行諸如最小化停機時間等目標。虛實整合系統1,4的框架能夠生成故障檢測和回應機制， 以在運行時檢測故障和回應。虛實整合系統1,4之框架是通用的，除製造業外，還可應用於例如但不限於建築自動化、ICT和能源基礎設施等其他領域。
當應用本案之實施例之虛實整合系統1,4時，可達到盡量減少對人力資源依賴的優點。此外，知識圖能夠使系統取得部件6,6a之間的物理和行為關係。虛實整合系統1,4之架構是靈活的，並且根據使用知識圖取得的更改在運行時動態演變。此外，虛實整合系統1,4之架構允許系統化的方法來檢測故障並自動回應故障。它還可以輕鬆地調整虛實整合系統1,4參數以進行優化。
第5圖係為本案之一實施例之虛實整合系統之一示範測試平台之架構示意圖，第6圖係顯示第5圖之測試平台的結構與操作流程。如第5及6圖所示，本示範例是由菲舍爾特尼克(fischertechnik testbed)測試平台實現，其可以產生一些故障情境，以利於在工業4.0之環境下觀察虛實整合系統的運作。測試平台9包括兩個光感測器LS1,LS2、一個傳送帶91、三個彈射器(ejector)92、三個容收器(bin)93、一馬達控制器(motor controller)MC、一個步數計數器(pulse counter)PC、一個色彩處理器(color processor)CP、一個容收器選擇器(bin selector)BS以及一彈射器控制器(ejector controller)EC。兩個光感測器LS1,LS2包括第一光感測器LS1以及第二光感測器LS2，用於感測光。傳送帶91係用於傳送代幣(token)94。三個彈射器92包括第一彈射器921、第二彈射器922、第三彈射器923且設置於傳送帶91之一側，並且彼此相間隔地排列，以用於對傳送帶91上之代幣94進行彈射。三個容收器93包括第一容收器931、第二容收器932、第三容收器933，且設置於傳送帶91之另一側，並且彼此相間隔地排列，並且與三個彈射器92一對一地對應設置，用於接收被對應彈射器92所彈射之代幣94。馬達控制器MC用以控制一馬達(未圖示)之轉速而帶動傳送帶91轉動。步數計數器PC用於計 算通過第一個感測器LS1後之步數。色彩處理器CP係用於識別代幣之色彩。容收器選擇器BS用於決定容收器93之號碼，以及彈射器控制器EC用於控制對應之彈射器92將代幣94彈進對應之容收器93。本測試平台9之目地為確認代幣94可以正確地彈入容收器93。
當將代幣94放置在傳送帶91上且鄰近於第一光感測器LS1之位置時，第一光感測器LS1將感測代幣94的存在且色彩處理器CP將被啟動。當傳送帶91帶動代幣94通過色彩處理器CP時，色彩處理器CP之顏色感測器會檢測代幣94的顏色，並輸出標註色彩訊號CVcp至容收選擇器BS。然後，容收器選擇器BS(亦即決策元件)計算代幣94到達第一個彈射器921、第二個彈射器922或第三個彈射器923的步數，在此計算中，被啟動之步數計數器PC所計算的步數會被使用。前述計算結果將輸出步數訊號SCBS傳送到彈射器控制器EC。此外，根據代幣94的顏色，容收器選擇器BS輸出彈射器號碼訊號EBS以指示彈射器控制器EC必須啟動哪個彈射器92。當彈射器控制器EC接收到步數訊號SCBS與彈射器號碼訊號EBS時，適當的彈射器92將被啟動。於本實施例中，僅第一彈射器921、第二彈射器922、第一容收器931、第二容收器932以及白色代幣94將被使用。在正常操作下，白色代幣94將被第一彈射器921彈入對應的第一容收器931。若故障產生，則需要改變傳送帶91之速度，且第二容收器932是暫時被使用，直到故障恢復為止。在本實施例中，色彩處理器CP、容收器選擇器BS以及彈射器控制器EC可視為虛實整合系統之部件。
如第6圖所示，三個樹莓派RPI可用於保存色彩處理器CP、容收器選擇器BS與彈射器控制器EC的控制邏輯，以取代傳統的可程式設計邏輯控制器。其中所有的樹莓派RPI都透過網路交換機通過乙太網路互連。樹莓派RPI為 現有技術，於此不在贅述。於一實施例中，為了在測試平台9引入彈性管理和故障注入的功能，可使用FORTE(亦即一個與4DIAC-IDE整合式開發環境整合的執行環境)在樹莓派RPI上。4DIAC-IDE係基於IEC 61499標準，這是一種用於分散式控制系統的事件驅動功能塊模型。本實施例之彈性框架可構建在4DIAC-IDE之上。
第7圖係本案之一實施例之虛實整合系統之測試平台的彈性管理架構示意圖。第8圖顯示基於第7圖之彈性管理架構的部件特性與優化之示意圖。於本實施例中，如第7圖所示，測試平台9之彈性管理框架包括兩層分層管理結構。三個部件分別為色彩處理器CP、容收器選擇器BS與彈射器控制器EC。每一部件包括一彈性管理器101、102、103，其係位於邏輯上之下層(即葉層)。一根彈性管理器100係位於邏輯上之上層(即根層)。部件之彈性管理器101、102、103使用參數化延遲相關協定(即子協定)。根彈性管理器100使用包括前述彈性管理器101、102、103之所有子協定Csub(CP)、Csub(BS)、Csub(EC)所組合而成之根協定Cr。協定是根據使用者提供的要求和所用部件的功能而生成的。
彈性管理器101、102、103的子協定Csub(CP)、Csub(BS)、Csub(EC)係由根彈性管理器100之子協定產生器100a將根協定Cr分解所產生。每一個協定Csub(CP)、Csub(BS)、Csub(EC)之內容包括輸入、輸出、參數、預設條件、保證等。每個部件應於一執行時間產生對應之輸出，因此子協定Csub(CP)、Csub(BS)、Csub(EC)亦包括各自的執行時間。彈性管理器101、102、103的觀察器101a、102a、103a監控各自的子協定內容(亦即監控保證之內容)，且也記錄部件之真實的執行延遲。當任一子協定Csub(CP),Csub(BS),Csub(EC)不符合時，對應之彈性管理器101、102、103直接將故障資訊回報至根彈性管理器100，且同時將部件之真實的執行 延遲等資訊回報至根彈性管理器100。根彈性管理器100係對其根協定Cr負責，其也確認是否所有的子協定偕同地符合。此外，為了允許部件之間動態彈性管理，可使用協定微調，使得所有部件之執行時間的總和小於系統之一預設總執行時間。前面兩者之差值係為根彈性管理器100可利用之執行延遲彈性範圍。若下層之彈性管理器101、102、103向上回報之真實的執行延遲的總和是落在執行延遲彈性範圍內時，則根彈性管理器100將不會採取任何行動，藉此可避免誤報。此清楚地顯示，協定分層之執行延遲所具有的優點可以於系統執行期間使部件之間完成動態分配。此外，於一實施例中，於建構分層結構之後，可微調包括於子協定中且用於監視每個部件之參數。如第8圖所示，每個部件的平均執行時間(例如μCP,μVS,μEC)及其標準差(例如σCP,σBS,σEC)被輸入優化演算法，且生成的執行時間X i (例如XCP,XBS,XEC)將用於監控協定是否符合。
本案之彈性管理架構可在一生產線上實現，或在生產車間運行的其他嵌入式平臺上實現，且不以此為限。
綜上所述，本案提供了一種分散式虛實整合系統，其係以彈性管理器實現監控架構。本案具有彈性管理器之分散式虛實整合系統可以準確、穩健且即時地實現對故障部件的檢測與警示，減少停機時間，且可較快速地提供故障回復之解決方案。本案具有彈性管理器之分散式虛實整合系統具有容錯能力與彈性，利用對各部件之非功能性特性之監控，可減少部件故障之誤判，避免因誤判而影響系統整體運作。此外，本案之分散式虛實整合系統係為可規模化(scalable)且適用於大規模。利用彈性地管理分散式監控架構以監控部件故障，可減少各部件與管理單元間的通信負擔與成本。此外，本案之具有彈性管理器之分散式虛實整合系統利用展開技術與分層技術實現分散監控架構，其中展開技術 與分層技術係將根協定分解為子協定，並分派子協定至對應之部件，或將子協定進一步優化，藉此可避免因虛實整合系統之部件過多所造成之作業耗時問題。
4:虛實整合系統
5:管理單元
51:根彈性管理器
52:子協定產生器
53:觀察器
6:部件
61:彈性管理器
62:觀察器
Cr:根協定
Csub:子協定
S1:故障資訊
S2:更新參數

Claims (12)

  1. 一種分散式虛實整合系統，包括： 一管理單元，包括一根彈性管理器，用於監控該分散式虛實整合系統之至少一個特性；以及 複數個部件，位於一實體空間，且連接於該根彈性管理器； 其中，該根彈性管理器包括： 一根協定；以及 一子協定產生器，架構於將該根協定分解為複數個子協定且將該複數個子協定分別分配至該複數個部件， 其中，該複數個部件之每一部件包括至少一觀察器，架構於監控各該部件之至少一個特性是否違反對應之子協定，其中，於該分散式虛實整合系統運行時，當該複數個子協定中之一子協定違反時，該根彈性管理器發出一警示。
  2. 根據請求項1之分散式虛實整合系統，其中該分散式虛實整合系統之該至少一個特性及各該部件之該至少一特性是非功能性特性。
  3. 根據請求項2之分散式虛實整合系統，其中該觀察器架構於判斷對應之該部件之該非功能性特性是否違反對應之該子協定。
  4. 根據請求項2之分散式虛實整合系統，其中該複數個子協定係基於該複數個部件之各別之該非功能性特性而精化。
  5. 根據請求項2之分散式虛實整合系統，其中該根彈性管理器更包括一觀察器，該觀察器架構於判斷該分散式虛實整合系統之一整體非功能性特性是否違反該根協定。
  6. 根據請求項1之分散式虛實整合系統，其中該子協定產生器包含至少一演算法，且一非功能性方程式以及一依賴關係圖係作為該至少一演算法之兩個輸入。
  7. 根據請求項6之分散式虛實整合系統，其中該非功能性方程式以及該依賴關係圖係用於將該根協定分解為該複數個子協定。
  8. 根據請求項6之分散式虛實整合系統，其中該分散式虛實整合系統係為具有一全域時鐘的一同步系統，其中該複數個部件中之每一部件包括一進程，且具有一最短回應時間，其中該根協定被該非功能性方程式分解並展開為複數個子協定，該非功能性方程式為
    Figure 03_image007
    ，其中pi是對應該部件之該子協定之一計時參數，p是該分散式虛實整合系統之一原始計時參數，
    Figure 03_image009
    是對應該部件之最小回應時間，n 是該複數個部件之總個數。
  9. 根據請求項8之分散式虛實整合系統，其中該複數個子協定之每一子協定之該計時參數係以一向後設計計算，且該複數個部件之該複數個子協定係以一向前驗證方式進行驗證。
  10. 根據請求項1之分散式虛實整合系統，其中該複數個部件中之每一部件更包括一個彈性管理器，且該分散式虛實整合系統之該根彈性管理器與該複數個彈性管理器係架構形成一多層分層系統。
  11. 根據請求項10之分散式虛實整合系統，其中該根彈性管理器係位於邏輯上之一上層，該複數個彈性管理器係位於邏輯上之一下層，以及該分散式虛實整合系統係架構為一兩層分層系統。
  12. 根據請求項1之分散式虛實整合系統，其中該複數個子協定係由該根彈性管理器之該子協定產生器優化。
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