分布式控製係統設計：模式語言方法 [Designing Distributed Control Systems：A Pattern Language Approach] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[芬] 維利-佩卡·埃洛蘭塔（Veli-Pekka Eloranta） 著，蔡遠利，於振華，孫增國 譯

圖書標籤:

• 分布式控製係統
• 控製係統設計
• 模式語言
• 軟件模式
• 分布式係統
• 工業自動化
• 嵌入式係統
• 係統架構
• 設計模式
• 控製工程

齣版社： 機械工業齣版社

ISBN：9787111583905

版次：1

商品編碼：12252055

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名： 計算機科學叢書

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

開本：16開

齣版時間：2018-01-01##

編輯推薦

　　全球化的現代工業生産對分布式控製係統提齣瞭更高的要求，其中，軟件體係結構的好壞決定著整個係統的品質，這對於並不熟悉軟件設計的機械工程師是極大的挑戰。《分布式控製係統設計：模式語言方法》創新性地將計算機科學領域中的“模式”概念引入機器控製係統的研究中，甄選齣80種模式，為係統工程師、設計師和管理人員等提供瞭實用的基礎知識和應用指導。《分布式控製係統設計：模式語言方法》特色
　　·精選主流實用模式。80種模式都根植於工業實踐，並經過多番專傢研討，涵蓋消息模式、數據管理模式、人機界麵模式等，為應對各類問題提供瞭成熟的解決方案。
　　·從模式到模式語言。將模式組織為模式語言是應對復雜問題所必需的，書中講解瞭構建語言的“語法”，但並不限於80種模式，而是鼓勵讀者根據設計需求不斷拓展。
　　·易閱讀的講解方式。每種模式都采用統一的呈現格式，從問題到方案再到應用均清晰明瞭，並提供易於查詢的“模式手冊”和細節知識更為豐富的配套網站。

內容簡介

　　《分布式控製係統設計：模式語言方法》討論分布式控製領域中的軟件體係結構，創新性地將計算機科學中的“模式”概念引入這項研究，從主流工業實踐中甄選齣80種實用模式，並將其組織為模式語言，為應對各類設計問題提供瞭成熟的解決方案。這80種模式涵蓋消息模式、數據管理模式、人機界麵模式和機群管理模式等，從問題到方案再到應用均清晰易讀。
　　《分布式控製係統設計：模式語言方法》適閤機械工程師、設計師和管理人員閱讀，也是計算機和自動控製等相關專業學生的有益參考資料。

作者簡介

　　維利-佩卡·埃洛蘭塔（Veli-Pekka Eloranta），坦佩雷理工大學研究員，曾多次擔任VikingPLoP的主席。
　　
　　喬納斯·科斯基寜（Johannes Koskillen），坦佩雷理工大學研究員，方嚮為軟件項目管理和軟件架構等。
　　
　　馬可·利帕寜（Marko Leppanen），坦佩雷理工大學博士後研究員，曾在芬蘭的多所大學講授模式課程。
　　
　　維萊·雷約寜（Ville Reijonen），經驗豐富的模式研究者，現在工業界緻力於敏捷軟件開發。

內頁插圖

目錄

齣版者的話
譯者序
推薦序
緻謝

第1章 緒論
1．1 為什麼閱讀本書
1．2 如何使用本書
1．3 與過去工作的比較

第2章 分布式控製係統領域
2．1 分布式控製係統的特性
2．2 通用方法和挑戰
2．3 本領域的新趨勢

第3章 軟件體係結構和質量
3．1 什麼是質量
3．2 質量屬性
3．3 度量質量
3．4 外部質量和內部質量

第4章 關於模式
4．1 什麼是模式
4．2 從模式到模式語言
4．3 本書中模式的故事
4．4 本書中使用的模式格式

第5章 分布式控製係統的模式語言
5．1 控製係統
5．2 看門狗
5．3 自檢
5．4 強製輸入值
5．5 錯誤計數器

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 全局時間

第7章 消息模式
7．1 一對多
7．2 高層協議
7．3 消息接口
7．4 協議版本握手
7．5 消息隊列
7．6 分類消息
7．7 消息信道復用
7．8 消息網關
7．9 消息嚮量時鍾
7．10 確認

第8章 事件處理模式
8．1 通知
8．2 通知級彆
8．3 通知日誌
8．4 預警

第9章 控製係統模態的模式
9．1 操作模態
9．2 安全狀態
9．3 跛行模式
9．4 傳感器旁路
9．5 無所忌憚
9．6 互換算法

第10章 數據管理模式
10．1 變量管理器
10．2 變量保護
10．3 變量值翻譯器
10．4 數據狀態
10．5 計數器
10．6 快照

第11章 處理稀缺資源的模式
11．1 並發執行
11．2 靜態調度
11．3 分離實時
11．4 部分結果
11．5 靜態資源分配
11．6 儲物櫃密鑰
11．7 半任務
11．8 早期工作

第12章 軟件和硬件的解耦模式
12．1 硬件抽象層
12．2 操作係統抽象
12．3 虛擬運行環境

第13章 冗餘模式
13．1 1+1冗餘
13．2 投票

第14章 係統啓動模式
14．1 引導程序
14．2 係統啓動
14．3 啓動協商

第15章 軟件更新模式
15．1 可更新軟件
15．2 集中更新
15．3 無擾更新

第16章 人機界麵模式
16．1 人機界麵
16．2 人工反饋
16．3 兩步確認
16．4 直立就好
16．5 基於任務的
16．6 基於角色的
16．7 替代操作站
16．8 多個操作站
16．9 設備提供
16．10 信標
16．11 HMI通知
16．12 操作者配置文件
16．13 公共外觀

第17章 高層服務模式
17．1 診斷
17．2 黑箱
17．3 第三方沙箱
17．4 遠程訪問
17．5 動態信道選擇器

第18章 機群管理模式
18．1 機群管理
18．2 M2M通信
18．3 機會委托
18．4 係統適配器

第19章 係統配置模式
19．1 參數
19．2 配置參數版本
19．3 基於組件的配置
19．4 控製係統選項

第20章 應用模式

第21章 結束語
附錄A 質量屬性錶
附錄B 模式手冊
參考文獻
索引

精彩書摘

　　《分布式控製係統設計：模式語言方法》：
　　開放式接口的另一個好處是第三方可以在它的生命周期內，為繼續支持機器控製係統采取一定的責任。例如，為瞭改造舊的機器而適應新的硬件可能被作為第三方的軟件加以實現。在某些情況下，客戶可以在其壽命有效期內使用開放式接口，自己做修改並添加到係統中。在未來，官方支持結束後，將存在特定機器控製産品的興旺的開源社區。
　　開放式接口也有不足之處。對第三方的開放性帶來瞭保密和安全問題。即使機器上的機械安全係統可以防止最嚴重的安全隱患，如果第三方軟件齣現故障，係統的可用性可能會打摺扣。例如，運行在自己硬件上的第三方軟件連接到控製係統的總綫上，即使它不發送命令，也會無意中引起問題。如果第三方組件嚮總綫發送錯誤幀，它可以帶來整個總綫的癱瘓。信息安全也是一個問題，作為一個附加模塊是控製係統的一部分，這使它很容易收集信息。這會在THIRD-PARTYSANDBOX（17.3節）中加以說明。
　　責任往往也是一個問題。如果事情齣現差錯，通常被歸咎於機器製造商。正是由於機器製造商的利益，使其真的很難通過使用機器控製係統引起危害，並且同樣重要的是，可以很容易證明第三方軟件是否以危險的方法使用該係統，或者忽視安全規則。每當第三方應用程序和基本控製係統交互時，就需要某些類型的審計日誌。
　　機器製造商必須意識到的是，一個接口發布後，如果沒有充分的理由，它不應該改變：如果他們的軟件停止工作，第三方開發者將失去業務。這是給他們的額外任務，如果接口改變，保持他們的軟件更新，因此，如果沒有其接口將如何演化的完善計劃，他們可能會考慮放棄該平颱。
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前言/序言

　　各種不同類型的機器已經成為現代人類社會不可缺少的部分。在過去，一般認為機器係統的設計與開發是機械工程師的事，但隨著機器功能的增加和復雜性的提高，機器控製係統的設計和開發成為相對獨立的領域。機器控製係統離不開軟件，甚至是非常復雜的軟件。軟件的體係結構決定瞭整個係統的品質，然而，機器控製係統工程師通常缺乏軟件領域的專業知識，對軟件的體係結構認識得也不夠充分，可以說軟件係統和機器控製領域之間存在巨大的鴻溝。
　　現代機器結構越來越復雜，功能越來越強大，分布式控製已經成為機器控製係統必然的選擇，也是近年來研究和設計人員麵臨的巨大挑戰。如何設計好的機器控製係統軟件呢？本書從一個新的角度探討瞭機器控製係統設計方法的基本原理，主要講述如何運用模式來設計麵嚮機器的分布式控製係統。模式提供瞭解決特定問題的原理和思路，而不是具體的技術細節。模式對應於特定設計問題的解決方案，其源於已得到成功應用的係統，開發人員可以在設計中復製這些解決方案。
　　本書內容豐富，涉及許多行業和領域。書中首先介紹瞭分布式控製係統的特性、設計方法和麵臨的挑戰，然後進入核心內容——作者從成功的機器係統開發中提煉齣來的80種模式，包括分布模式、消息模式、事件處理模式、控製係統模態的模式、數據管理模式、處理稀缺資源的模式、軟件和硬件的解耦模式、冗餘模式、係統啓動模式、軟件更新模式、人機界麵模式、高層服務模式、機群管理模式、係統配置模式等。這些模式描述瞭分布式控製係統設計的解決途徑，對於新係統的開發和舊係統的維護具有重要的作用，形成瞭分布式控製係統設計的模式語言。本書最後還利用書中模式設計瞭一個工作機器控製係統，用實例演示瞭模式語言的有效性。
　　本書將計算機科學領域中的模式概念引入機器控製係統的研究中，內容新穎，為分布式控製係統的設計與開發提供瞭一種新的手段，應用前景廣闊。本書麵嚮機器控製係統設計人員、係統工程師和係統管理人員，包括高級規劃人員和項目經理等。當然，本書也可以作為本領域的教學參考書。
　　限於時間以及譯者水平，譯文中難免存在不當之處，懇請讀者批評指正。
　　譯者
　　2017年10月於西安

分布式控製係統設計：理論、實踐與挑戰 分布式控製係統（Distributed Control Systems, DCS）已成為現代工業自動化、智能製造、能源管理、交通控製以及各類復雜網絡化係統不可或缺的核心技術。本書旨在深入剖析分布式控製係統的設計原理、實現方法及其在實際應用中麵臨的挑戰，為讀者提供一個全麵而係統的認知框架。我們將從分布式控製係統的基本概念齣發，逐步深入到其核心的理論基礎，再到具體的工程實踐，並探討當前及未來發展趨勢。 第一部分：分布式控製係統的基石——概念與理論 本部分將為讀者打下堅實的理論基礎。首先，我們將清晰界定分布式控製係統的內涵，將其與集中式控製係統進行對比，強調其在靈活性、可靠性、可擴展性及性能方麵的優勢。我們將探討分布式控製係統的典型架構，包括對等（Peer-to-Peer）、主從（Master-Slave）、層次化（Hierarchical）等不同組織模式的特點和適用場景。 接下來，我們將深入討論分布式控製係統設計的關鍵理論。通信機製是分布式控製係統的生命綫，我們將詳細介紹各種通信協議，如TCP/IP、UDP、CAN總綫、Ethernet/IP、Modbus TCP等，並分析它們在實時性、可靠性、帶寬和安全性方麵的權衡。數據同步與一緻性是分布式係統麵臨的普遍難題。本書將詳細闡述共識算法（如Paxos、Raft）的基本原理，以及分布式事務（如兩階段提交）的處理方法，探討如何在保證數據一緻性的前提下實現高效的數據交換。 狀態估計與融閤在分布式控製係統中扮演著至關重要的角色。我們將介紹卡爾曼濾波（Kalman Filter）及其變種（如擴展卡爾曼濾波、無跡卡爾曼濾波）在處理噪聲和不確定性數據中的應用，並探討如何通過多傳感器數據融閤技術，提高係統對環境感知的精度和魯棒性。故障檢測與診斷（Fault Detection and Diagnosis, FDD）是保障係統安全穩定運行的關鍵。本書將介紹基於模型的方法、基於信號處理的方法以及基於機器學習的方法在FDD中的應用，並討論如何實現故障的快速定位和隔離。 控製策略是分布式控製係統的核心。我們將探討如何將經典的控製理論（如PID控製、模型預測控製）應用於分布式架構，以及如何設計分布式的自適應控製、魯棒控製和最優控製策略。特彆地，我們還將介紹分布式模型預測控製（Distributed Model Predictive Control, DMPC），分析其在處理大規模、高維度係統中的優勢，以及如何通過協調和信息共享來實現全局最優控製。 第二部分：分布式控製係統的工程實踐——設計與實現 在掌握瞭理論基礎之後，本部分將聚焦於分布式控製係統的實際設計與實現過程。我們將詳細介紹係統建模的技術，包括狀態空間模型、傳遞函數模型、Petri網模型等，以及如何在分布式環境中構建和維護這些模型。 軟件架構設計是實現分布式控製係統的關鍵。我們將討論微服務架構、事件驅動架構、麵嚮服務架構（SOA）等在分布式控製係統中的應用，並探討如何利用中間件技術（如消息隊列、RPC框架）來解耦係統組件，提高係統的可維護性和可擴展性。並發與並行處理是分布式係統設計中的重要考量。我們將介紹多綫程、多進程、協程等並發模型，以及如何利用分布式計算框架（如Hadoop、Spark）來處理大規模數據和復雜計算任務。 網絡通信的實現是分布式係統落地的關鍵。我們將深入探討通信協議棧的設計、數據編碼與解碼、以及差錯控製與流量控製等技術細節。數據管理與存儲在分布式係統中至關重要。我們將介紹分布式數據庫（如Cassandra、MongoDB）的原理和應用，以及如何設計高效的數據訪問策略來滿足實時性和一緻性需求。 安全性設計是分布式控製係統不可忽視的環節。我們將詳細討論數據加密、身份認證、訪問控製、以及安全審計等技術，並分析針對分布式係統的常見網絡攻擊（如DDoS攻擊、中間人攻擊）及其防禦策略。 監控與調試是分布式係統運維的重要組成部分。我們將介紹分布式日誌係統、分布式追蹤係統、以及性能監控工具等，並探討如何有效地定位和解決分布式係統中的各種問題。 第三部分：分布式控製係統麵臨的挑戰與未來展望 本部分將聚焦於分布式控製係統當前麵臨的挑戰，並對未來的發展趨勢進行展望。 係統規模與復雜度的不斷增長對分布式控製係統的設計和管理提齣瞭更高的要求。我們將探討如何利用人工智能和機器學習技術來輔助係統設計、優化控製策略、以及實現自適應和自主的係統管理。 實時性與確定性是許多關鍵任務應用（如自動駕駛、工業機器人）對分布式控製係統的核心要求。我們將探討如何在保證分布式特性的同時，實現近乎實時的響應和可預測的係統行為，例如研究低延遲通信技術和硬實時操作係統在分布式環境下的應用。 資源受限環境下的分布式控製是一個日益重要的研究方嚮。我們將探討如何為嵌入式設備、物聯網設備等資源受限的節點設計輕量級的分布式控製算法和通信協議。 跨域協作與互操作性是構建大規模、異構分布式係統的關鍵。我們將探討如何通過標準化協議和接口來實現不同子係統之間的有效協同，以及如何解決數據格式、通信協議等方麵的差異。 可驗證性與安全性是確保分布式控製係統可靠運行的基石。我們將探討形式化驗證技術在分布式控製係統中的應用，以及如何構建更具彈性和韌性的係統來應對意外的故障和攻擊。 人機交互與協同在分布式控製係統中也扮演著日益重要的角色。隨著智能化水平的提升，如何設計直觀、高效的人機交互界麵，實現人與分布式控製係統的無縫協同，將是未來研究的重要方嚮。 邊緣計算與分布式智能的興起為分布式控製係統帶來瞭新的機遇。我們將探討如何將計算和智能能力下沉到邊緣設備，實現更快速的本地決策和響應，以及如何構建邊緣智能體之間的協作和學習機製。 總結 本書力求為讀者提供一個關於分布式控製係統設計方法、理論基礎、工程實踐以及前沿挑戰的全麵概述。通過深入的學習，讀者將能夠理解分布式控製係統的核心優勢，掌握設計和實現復雜分布式控製係統的關鍵技術，並對該領域未來的發展方嚮有清晰的認識。無論是希望構建更強大、更可靠的自動化係統的工程師，還是緻力於該領域研究的學者，本書都將成為寶貴的參考資料。

評分☆☆☆☆☆

購買這本書，完全是齣於對“模式語言”這一概念的好奇心。我一直認為，好的設計往往不是憑空産生的，而是建立在前人的智慧和經驗之上。《分布式控製係統設計：模式語言方法》這個書名，讓我預感到這本書將不僅僅是一本技術手冊，更像是一本凝聚瞭分布式控製係統設計領域精華的“智慧寶典”。我希望這本書能夠幫助我理解那些隱藏在成功係統背後的設計原則，並學會如何用一種係統性的方法來思考和解決分布式控製係統設計中的挑戰。我期待著書中能夠提供一套清晰、可復用的設計“模式”，讓我能夠將這些模式融入到自己的實際設計工作中，從而提升我的設計能力和效率。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名就足夠吸引我瞭——《分布式控製係統設計：模式語言方法》。我一直對分布式係統充滿瞭好奇，尤其是如何對其進行有效地設計和管理。傳統的控製係統設計往往依賴於特定的解決方案，缺乏通用性和可復用性，而“模式語言”這個概念的引入，仿佛為我打開瞭一扇通往更優雅、更靈活設計世界的大門。我設想著，這本書會不會像一本武林秘籍，將那些久經考驗、行之有效的分布式控製係統設計“招式”以一種係統化、結構化的方式呈現齣來。我特彆期待看到書中是如何將抽象的設計思想具象化成可操作的“模式”，以及這些模式之間又是如何相互組閤，形成一套完整的“語言”來指導我們構建復雜的分布式控製係統。

評分☆☆☆☆☆

長期以來，分布式控製係統的設計一直是我工作中的一個痛點。各種各樣的組件、復雜的交互、不可預測的網絡延遲，都使得設計過程充滿瞭挑戰。《分布式控製係統設計：模式語言方法》的書名，如同在迷霧中點亮的一盞燈塔。我期待這本書能夠提供一種結構化的方法來應對這些挑戰。我尤其關注“模式語言”這個詞，它暗示瞭一種高度提煉和抽象的設計哲學，能夠將復雜的問題分解為一係列可理解、可組閤的單元。我希望這本書能夠教會我如何識彆分布式控製係統中的常見問題，並提供一套行之有效的“模式”來解決它們，就像建築師使用建築模式來建造高質量的房屋一樣。

評分☆☆☆☆☆

從書名來看，這本書似乎提供瞭一種全新的視角來審視分布式控製係統的設計難題。我一直在思考，在快速變化和日益復雜的應用場景下，如何纔能設計齣既魯棒又易於維護的分布式係統。傳統的命令式編程或麵嚮對象的設計方法，在應對分布式係統的異步性、並發性、故障容錯等挑戰時，往往顯得力不從心。《分布式控製係統設計：模式語言方法》這個書名中蘊含的“模式語言”概念，讓我聯想到軟件工程領域中“設計模式”的成功，如果這本書能夠將這種思想成功地應用於分布式控製係統領域，那將是革命性的。我尤其好奇的是，書中會涉及哪些具體的“模式”，以及這些模式如何解決分布式控製係統設計中的經典痛點，例如狀態同步、通信協議選擇、資源調度等。

評分☆☆☆☆☆

我對這本書的興趣，源於其獨特的書名：《分布式控製係統設計：模式語言方法》。我一直在尋找能夠幫助我更深入理解和實踐分布式控製係統設計的方法論。傳統的教材往往側重於具體的算法或協議，而“模式語言”的概念則暗示瞭一種更高級彆、更具指導性的設計思想。《分布式控製係統設計：模式語言方法》這個書名，讓我聯想到一種能夠係統化地描述、組織和重用分布式控製係統設計經驗的方式。我希望這本書能夠為我提供一套清晰的“模式”集閤，這些模式不僅能夠解決實際問題，還能幫助我形成一套更具前瞻性和擴展性的設計思維。