分布式控制系统设计：模式语言方法 [Designing Distributed Control Systems：A Pattern Language Approach] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[芬] 维利-佩卡·埃洛兰塔（Veli-Pekka Eloranta） 著，蔡远利，于振华，孙增国 译

图书标签:

• 分布式控制系统
• 控制系统设计
• 模式语言
• 软件模式
• 分布式系统
• 工业自动化
• 嵌入式系统
• 系统架构
• 设计模式
• 控制工程

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111583905

版次：1

商品编码：12252055

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 计算机科学丛书

外文名称：Designing Distributed Control Systems：A Pattern Language Approach

开本：16开

出版时间：2018-01-01##

编辑推荐

　　全球化的现代工业生产对分布式控制系统提出了更高的要求，其中，软件体系结构的好坏决定着整个系统的品质，这对于并不熟悉软件设计的机械工程师是极大的挑战。《分布式控制系统设计：模式语言方法》创新性地将计算机科学领域中的“模式”概念引入机器控制系统的研究中，甄选出80种模式，为系统工程师、设计师和管理人员等提供了实用的基础知识和应用指导。《分布式控制系统设计：模式语言方法》特色
　　·精选主流实用模式。80种模式都根植于工业实践，并经过多番专家研讨，涵盖消息模式、数据管理模式、人机界面模式等，为应对各类问题提供了成熟的解决方案。
　　·从模式到模式语言。将模式组织为模式语言是应对复杂问题所必需的，书中讲解了构建语言的“语法”，但并不限于80种模式，而是鼓励读者根据设计需求不断拓展。
　　·易阅读的讲解方式。每种模式都采用统一的呈现格式，从问题到方案再到应用均清晰明了，并提供易于查询的“模式手册”和细节知识更为丰富的配套网站。

内容简介

　　《分布式控制系统设计：模式语言方法》讨论分布式控制领域中的软件体系结构，创新性地将计算机科学中的“模式”概念引入这项研究，从主流工业实践中甄选出80种实用模式，并将其组织为模式语言，为应对各类设计问题提供了成熟的解决方案。这80种模式涵盖消息模式、数据管理模式、人机界面模式和机群管理模式等，从问题到方案再到应用均清晰易读。
　　《分布式控制系统设计：模式语言方法》适合机械工程师、设计师和管理人员阅读，也是计算机和自动控制等相关专业学生的有益参考资料。

作者简介

　　维利-佩卡·埃洛兰塔（Veli-Pekka Eloranta），坦佩雷理工大学研究员，曾多次担任VikingPLoP的主席。
　　
　　乔纳斯·科斯基宁（Johannes Koskillen），坦佩雷理工大学研究员，方向为软件项目管理和软件架构等。
　　
　　马可·利帕宁（Marko Leppanen），坦佩雷理工大学博士后研究员，曾在芬兰的多所大学讲授模式课程。
　　
　　维莱·雷约宁（Ville Reijonen），经验丰富的模式研究者，现在工业界致力于敏捷软件开发。

内页插图

目录

出版者的话
译者序
推荐序
致谢

第1章 绪论
1．1 为什么阅读本书
1．2 如何使用本书
1．3 与过去工作的比较

第2章 分布式控制系统领域
2．1 分布式控制系统的特性
2．2 通用方法和挑战
2．3 本领域的新趋势

第3章 软件体系结构和质量
3．1 什么是质量
3．2 质量属性
3．3 度量质量
3．4 外部质量和内部质量

第4章 关于模式
4．1 什么是模式
4．2 从模式到模式语言
4．3 本书中模式的故事
4．4 本书中使用的模式格式

第5章 分布式控制系统的模式语言
5．1 控制系统
5．2 看门狗
5．3 自检
5．4 强制输入值
5．5 错误计数器

第6章 分布模式
6．1 孤立功能
6．2 分布式安全
6．3 心跳
6．4 全局时间

第7章 消息模式
7．1 一对多
7．2 高层协议
7．3 消息接口
7．4 协议版本握手
7．5 消息队列
7．6 分类消息
7．7 消息信道复用
7．8 消息网关
7．9 消息向量时钟
7．10 确认

第8章 事件处理模式
8．1 通知
8．2 通知级别
8．3 通知日志
8．4 预警

第9章 控制系统模态的模式
9．1 操作模态
9．2 安全状态
9．3 跛行模式
9．4 传感器旁路
9．5 无所忌惮
9．6 互换算法

第10章 数据管理模式
10．1 变量管理器
10．2 变量保护
10．3 变量值翻译器
10．4 数据状态
10．5 计数器
10．6 快照

第11章 处理稀缺资源的模式
11．1 并发执行
11．2 静态调度
11．3 分离实时
11．4 部分结果
11．5 静态资源分配
11．6 储物柜密钥
11．7 半任务
11．8 早期工作

第12章 软件和硬件的解耦模式
12．1 硬件抽象层
12．2 操作系统抽象
12．3 虚拟运行环境

第13章 冗余模式
13．1 1+1冗余
13．2 投票

第14章 系统启动模式
14．1 引导程序
14．2 系统启动
14．3 启动协商

第15章 软件更新模式
15．1 可更新软件
15．2 集中更新
15．3 无扰更新

第16章 人机界面模式
16．1 人机界面
16．2 人工反馈
16．3 两步确认
16．4 直立就好
16．5 基于任务的
16．6 基于角色的
16．7 替代操作站
16．8 多个操作站
16．9 设备提供
16．10 信标
16．11 HMI通知
16．12 操作者配置文件
16．13 公共外观

第17章 高层服务模式
17．1 诊断
17．2 黑箱
17．3 第三方沙箱
17．4 远程访问
17．5 动态信道选择器

第18章 机群管理模式
18．1 机群管理
18．2 M2M通信
18．3 机会委托
18．4 系统适配器

第19章 系统配置模式
19．1 参数
19．2 配置参数版本
19．3 基于组件的配置
19．4 控制系统选项

第20章 应用模式

第21章 结束语
附录A 质量属性表
附录B 模式手册
参考文献
索引

精彩书摘

　　《分布式控制系统设计：模式语言方法》：
　　开放式接口的另一个好处是第三方可以在它的生命周期内，为继续支持机器控制系统采取一定的责任。例如，为了改造旧的机器而适应新的硬件可能被作为第三方的软件加以实现。在某些情况下，客户可以在其寿命有效期内使用开放式接口，自己做修改并添加到系统中。在未来，官方支持结束后，将存在特定机器控制产品的兴旺的开源社区。
　　开放式接口也有不足之处。对第三方的开放性带来了保密和安全问题。即使机器上的机械安全系统可以防止最严重的安全隐患，如果第三方软件出现故障，系统的可用性可能会打折扣。例如，运行在自己硬件上的第三方软件连接到控制系统的总线上，即使它不发送命令，也会无意中引起问题。如果第三方组件向总线发送错误帧，它可以带来整个总线的瘫痪。信息安全也是一个问题，作为一个附加模块是控制系统的一部分，这使它很容易收集信息。这会在THIRD-PARTYSANDBOX（17.3节）中加以说明。
　　责任往往也是一个问题。如果事情出现差错，通常被归咎于机器制造商。正是由于机器制造商的利益，使其真的很难通过使用机器控制系统引起危害，并且同样重要的是，可以很容易证明第三方软件是否以危险的方法使用该系统，或者忽视安全规则。每当第三方应用程序和基本控制系统交互时，就需要某些类型的审计日志。
　　机器制造商必须意识到的是，一个接口发布后，如果没有充分的理由，它不应该改变：如果他们的软件停止工作，第三方开发者将失去业务。这是给他们的额外任务，如果接口改变，保持他们的软件更新，因此，如果没有其接口将如何演化的完善计划，他们可能会考虑放弃该平台。
　　……

前言/序言

　　各种不同类型的机器已经成为现代人类社会不可缺少的部分。在过去，一般认为机器系统的设计与开发是机械工程师的事，但随着机器功能的增加和复杂性的提高，机器控制系统的设计和开发成为相对独立的领域。机器控制系统离不开软件，甚至是非常复杂的软件。软件的体系结构决定了整个系统的品质，然而，机器控制系统工程师通常缺乏软件领域的专业知识，对软件的体系结构认识得也不够充分，可以说软件系统和机器控制领域之间存在巨大的鸿沟。
　　现代机器结构越来越复杂，功能越来越强大，分布式控制已经成为机器控制系统必然的选择，也是近年来研究和设计人员面临的巨大挑战。如何设计好的机器控制系统软件呢？本书从一个新的角度探讨了机器控制系统设计方法的基本原理，主要讲述如何运用模式来设计面向机器的分布式控制系统。模式提供了解决特定问题的原理和思路，而不是具体的技术细节。模式对应于特定设计问题的解决方案，其源于已得到成功应用的系统，开发人员可以在设计中复制这些解决方案。
　　本书内容丰富，涉及许多行业和领域。书中首先介绍了分布式控制系统的特性、设计方法和面临的挑战，然后进入核心内容——作者从成功的机器系统开发中提炼出来的80种模式，包括分布模式、消息模式、事件处理模式、控制系统模态的模式、数据管理模式、处理稀缺资源的模式、软件和硬件的解耦模式、冗余模式、系统启动模式、软件更新模式、人机界面模式、高层服务模式、机群管理模式、系统配置模式等。这些模式描述了分布式控制系统设计的解决途径，对于新系统的开发和旧系统的维护具有重要的作用，形成了分布式控制系统设计的模式语言。本书最后还利用书中模式设计了一个工作机器控制系统，用实例演示了模式语言的有效性。
　　本书将计算机科学领域中的模式概念引入机器控制系统的研究中，内容新颖，为分布式控制系统的设计与开发提供了一种新的手段，应用前景广阔。本书面向机器控制系统设计人员、系统工程师和系统管理人员，包括高级规划人员和项目经理等。当然，本书也可以作为本领域的教学参考书。
　　限于时间以及译者水平，译文中难免存在不当之处，恳请读者批评指正。
　　译者
　　2017年10月于西安

分布式控制系统设计：理论、实践与挑战 分布式控制系统（Distributed Control Systems, DCS）已成为现代工业自动化、智能制造、能源管理、交通控制以及各类复杂网络化系统不可或缺的核心技术。本书旨在深入剖析分布式控制系统的设计原理、实现方法及其在实际应用中面临的挑战，为读者提供一个全面而系统的认知框架。我们将从分布式控制系统的基本概念出发，逐步深入到其核心的理论基础，再到具体的工程实践，并探讨当前及未来发展趋势。 第一部分：分布式控制系统的基石——概念与理论 本部分将为读者打下坚实的理论基础。首先，我们将清晰界定分布式控制系统的内涵，将其与集中式控制系统进行对比，强调其在灵活性、可靠性、可扩展性及性能方面的优势。我们将探讨分布式控制系统的典型架构，包括对等（Peer-to-Peer）、主从（Master-Slave）、层次化（Hierarchical）等不同组织模式的特点和适用场景。 接下来，我们将深入讨论分布式控制系统设计的关键理论。通信机制是分布式控制系统的生命线，我们将详细介绍各种通信协议，如TCP/IP、UDP、CAN总线、Ethernet/IP、Modbus TCP等，并分析它们在实时性、可靠性、带宽和安全性方面的权衡。数据同步与一致性是分布式系统面临的普遍难题。本书将详细阐述共识算法（如Paxos、Raft）的基本原理，以及分布式事务（如两阶段提交）的处理方法，探讨如何在保证数据一致性的前提下实现高效的数据交换。 状态估计与融合在分布式控制系统中扮演着至关重要的角色。我们将介绍卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其变种（如扩展卡尔曼滤波、无迹卡尔曼滤波）在处理噪声和不确定性数据中的应用，并探讨如何通过多传感器数据融合技术，提高系统对环境感知的精度和鲁棒性。故障检测与诊断（Fault Detection and Diagnosis, FDD）是保障系统安全稳定运行的关键。本书将介绍基于模型的方法、基于信号处理的方法以及基于机器学习的方法在FDD中的应用，并讨论如何实现故障的快速定位和隔离。 控制策略是分布式控制系统的核心。我们将探讨如何将经典的控制理论（如PID控制、模型预测控制）应用于分布式架构，以及如何设计分布式的自适应控制、鲁棒控制和最优控制策略。特别地，我们还将介绍分布式模型预测控制（Distributed Model Predictive Control, DMPC），分析其在处理大规模、高维度系统中的优势，以及如何通过协调和信息共享来实现全局最优控制。 第二部分：分布式控制系统的工程实践——设计与实现 在掌握了理论基础之后，本部分将聚焦于分布式控制系统的实际设计与实现过程。我们将详细介绍系统建模的技术，包括状态空间模型、传递函数模型、Petri网模型等，以及如何在分布式环境中构建和维护这些模型。 软件架构设计是实现分布式控制系统的关键。我们将讨论微服务架构、事件驱动架构、面向服务架构（SOA）等在分布式控制系统中的应用，并探讨如何利用中间件技术（如消息队列、RPC框架）来解耦系统组件，提高系统的可维护性和可扩展性。并发与并行处理是分布式系统设计中的重要考量。我们将介绍多线程、多进程、协程等并发模型，以及如何利用分布式计算框架（如Hadoop、Spark）来处理大规模数据和复杂计算任务。 网络通信的实现是分布式系统落地的关键。我们将深入探讨通信协议栈的设计、数据编码与解码、以及差错控制与流量控制等技术细节。数据管理与存储在分布式系统中至关重要。我们将介绍分布式数据库（如Cassandra、MongoDB）的原理和应用，以及如何设计高效的数据访问策略来满足实时性和一致性需求。 安全性设计是分布式控制系统不可忽视的环节。我们将详细讨论数据加密、身份认证、访问控制、以及安全审计等技术，并分析针对分布式系统的常见网络攻击（如DDoS攻击、中间人攻击）及其防御策略。 监控与调试是分布式系统运维的重要组成部分。我们将介绍分布式日志系统、分布式追踪系统、以及性能监控工具等，并探讨如何有效地定位和解决分布式系统中的各种问题。 第三部分：分布式控制系统面临的挑战与未来展望 本部分将聚焦于分布式控制系统当前面临的挑战，并对未来的发展趋势进行展望。 系统规模与复杂度的不断增长对分布式控制系统的设计和管理提出了更高的要求。我们将探讨如何利用人工智能和机器学习技术来辅助系统设计、优化控制策略、以及实现自适应和自主的系统管理。 实时性与确定性是许多关键任务应用（如自动驾驶、工业机器人）对分布式控制系统的核心要求。我们将探讨如何在保证分布式特性的同时，实现近乎实时的响应和可预测的系统行为，例如研究低延迟通信技术和硬实时操作系统在分布式环境下的应用。 资源受限环境下的分布式控制是一个日益重要的研究方向。我们将探讨如何为嵌入式设备、物联网设备等资源受限的节点设计轻量级的分布式控制算法和通信协议。 跨域协作与互操作性是构建大规模、异构分布式系统的关键。我们将探讨如何通过标准化协议和接口来实现不同子系统之间的有效协同，以及如何解决数据格式、通信协议等方面的差异。 可验证性与安全性是确保分布式控制系统可靠运行的基石。我们将探讨形式化验证技术在分布式控制系统中的应用，以及如何构建更具弹性和韧性的系统来应对意外的故障和攻击。 人机交互与协同在分布式控制系统中也扮演着日益重要的角色。随着智能化水平的提升，如何设计直观、高效的人机交互界面，实现人与分布式控制系统的无缝协同，将是未来研究的重要方向。 边缘计算与分布式智能的兴起为分布式控制系统带来了新的机遇。我们将探讨如何将计算和智能能力下沉到边缘设备，实现更快速的本地决策和响应，以及如何构建边缘智能体之间的协作和学习机制。 总结 本书力求为读者提供一个关于分布式控制系统设计方法、理论基础、工程实践以及前沿挑战的全面概述。通过深入的学习，读者将能够理解分布式控制系统的核心优势，掌握设计和实现复杂分布式控制系统的关键技术，并对该领域未来的发展方向有清晰的认识。无论是希望构建更强大、更可靠的自动化系统的工程师，还是致力于该领域研究的学者，本书都将成为宝贵的参考资料。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书的兴趣，源于其独特的书名：《分布式控制系统设计：模式语言方法》。我一直在寻找能够帮助我更深入理解和实践分布式控制系统设计的方法论。传统的教材往往侧重于具体的算法或协议，而“模式语言”的概念则暗示了一种更高级别、更具指导性的设计思想。《分布式控制系统设计：模式语言方法》这个书名，让我联想到一种能够系统化地描述、组织和重用分布式控制系统设计经验的方式。我希望这本书能够为我提供一套清晰的“模式”集合，这些模式不仅能够解决实际问题，还能帮助我形成一套更具前瞻性和扩展性的设计思维。

评分☆☆☆☆☆

长期以来，分布式控制系统的设计一直是我工作中的一个痛点。各种各样的组件、复杂的交互、不可预测的网络延迟，都使得设计过程充满了挑战。《分布式控制系统设计：模式语言方法》的书名，如同在迷雾中点亮的一盏灯塔。我期待这本书能够提供一种结构化的方法来应对这些挑战。我尤其关注“模式语言”这个词，它暗示了一种高度提炼和抽象的设计哲学，能够将复杂的问题分解为一系列可理解、可组合的单元。我希望这本书能够教会我如何识别分布式控制系统中的常见问题，并提供一套行之有效的“模式”来解决它们，就像建筑师使用建筑模式来建造高质量的房屋一样。

评分☆☆☆☆☆

从书名来看，这本书似乎提供了一种全新的视角来审视分布式控制系统的设计难题。我一直在思考，在快速变化和日益复杂的应用场景下，如何才能设计出既鲁棒又易于维护的分布式系统。传统的命令式编程或面向对象的设计方法，在应对分布式系统的异步性、并发性、故障容错等挑战时，往往显得力不从心。《分布式控制系统设计：模式语言方法》这个书名中蕴含的“模式语言”概念，让我联想到软件工程领域中“设计模式”的成功，如果这本书能够将这种思想成功地应用于分布式控制系统领域，那将是革命性的。我尤其好奇的是，书中会涉及哪些具体的“模式”，以及这些模式如何解决分布式控制系统设计中的经典痛点，例如状态同步、通信协议选择、资源调度等。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名就足够吸引我了——《分布式控制系统设计：模式语言方法》。我一直对分布式系统充满了好奇，尤其是如何对其进行有效地设计和管理。传统的控制系统设计往往依赖于特定的解决方案，缺乏通用性和可复用性，而“模式语言”这个概念的引入，仿佛为我打开了一扇通往更优雅、更灵活设计世界的大门。我设想着，这本书会不会像一本武林秘籍，将那些久经考验、行之有效的分布式控制系统设计“招式”以一种系统化、结构化的方式呈现出来。我特别期待看到书中是如何将抽象的设计思想具象化成可操作的“模式”，以及这些模式之间又是如何相互组合，形成一套完整的“语言”来指导我们构建复杂的分布式控制系统。

评分☆☆☆☆☆

购买这本书，完全是出于对“模式语言”这一概念的好奇心。我一直认为，好的设计往往不是凭空产生的，而是建立在前人的智慧和经验之上。《分布式控制系统设计：模式语言方法》这个书名，让我预感到这本书将不仅仅是一本技术手册，更像是一本凝聚了分布式控制系统设计领域精华的“智慧宝典”。我希望这本书能够帮助我理解那些隐藏在成功系统背后的设计原则，并学会如何用一种系统性的方法来思考和解决分布式控制系统设计中的挑战。我期待着书中能够提供一套清晰、可复用的设计“模式”，让我能够将这些模式融入到自己的实际设计工作中，从而提升我的设计能力和效率。