用于在网络中以高可用性运行终端设备的计算机实现的方法

技术领域

本发明涉及一种用于在网络中以高可用性运行终端设备的计算机实现的方法，所述网络包括借助于模型运行终端设备的第一边缘设备、至少一个第二边缘设备以及具有云中的存储器的监控装置。

本发明此外涉及对应的计算机程序、电子可读数据载体、数据载体信号以及用于在网络中以高可用性运行终端设备的系统。

背景技术

边缘计算(Edge Computing)是将先进处理功能带入工厂中的重要方案。数据处理从数据点的简单聚合直至朝向人工智能(KI)的先进方法伸展，以便分析复杂的机器行为或优化生产系统。

对于云和雾计算上下文中的高度可用系统以及对于控制系统存在各种概念。

当前的边缘系统大多具有以下问题：所述边缘系统在通过边缘设备引起的不期望的中断的情况下同样中断。在边缘上的“失效转移(Failover)”机制不是已知的，所述“失效转移”机制可以对这种中断作出反应。

关于边缘计算以及特别为了获得KI模型(人工智能，KI)的可用性，目前自动地对差错作出反应的机制不是已知的。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种系统架构，所述系统架构对边缘上的干扰和差错作出反应并且因此允许不间断运行。

根据本发明的任务通过开头提到的类型的方法来解决，其中在所述存储器中存储有至少一个用于所述第一边缘设备的故障备用设备的标识符以及用于运行所述终端设备的模型和关于在所述第一边缘设备和至少一个第二边缘设备、监控装置和终端设备之间的连接配置的信息，所述标识符涉及至少一个第二边缘设备，并且所述第一边缘设备周期性地发送关于其在网络中的正确运行的信号，并且由所述监控装置接收所述信号，并且在识别到缺少的或有差错的信号时，识别所分配的差错设备，并且将所述差错设备的模型和连接配置从所述存储器传送给备用设备，其中所述备用设备由分配给缺少的或有差错的信号的标识符来确定，并且所述备用设备借助于所接收的模型和连接配置运行所述终端设备。

由此实现提高终端设备的可用性，其方式是网络中的其他设备接管运行，其中备用设备构成用于差错设备连同当前运行环境的尽可能等价的备用(Ersatz)。

因此可以实现整个系统的特别爱惜资源和高效的运行，并且对模型和实际需要的连接配置的组合式考虑允许对备用设备的特别有利的选择。

边缘设备的干扰被识别，其方式是使用运行状态信号、也为“心跳”或“看门狗”信号。

未受干扰的边缘设备可以通过正确接收的信号被识别。因此，对该信号的有规律的接收是对于相应的边缘设备正确工作并且运行所分配的IoT终端设备、即例如检测或接收运行参数、从中对关于终端设备的运行进行预报或者还向终端设备发送控制信号的指示符。

本发明规定以简单的方式确定备用边缘设备并且该备用边缘设备接管有缺陷的设备的运行。

在此有利的是，不需要附加的硬件，以便将系统复杂性和成本保持得低。

此外，有益的是，根据本发明的架构使有可能进行自配置或自恢复，以便不需要例如通过IT专家进行的耗费的调试。

此外有利的是，不需要复杂且难处理的集群管理，诸如在Kubernetes集群的情况下，并且根据本发明的解决方案能够在已经存在的边缘基础设施上运行，例如作为软件扩展。

用于运行终端设备的模型以及关于第一边缘设备和至少一个第二边缘设备、监控装置和终端设备之间的连接配置的信息可以在运行终端设备期间例如通过所涉及的设备本身或通过监控装置重新被确定，并且例如有规律地、以运行时或时机控制的方式在存储器中被更新。

在本发明的一种改进方案中规定，此外对于至少一个第二边缘设备，用于所述至少一个第二边缘设备的故障备用设备的至少一个标识符被存储在所述存储器中，并且此外所述至少一个第二边缘设备周期性地发送关于在网络中相应的设备的正确运行的信号。

由此对于多个边缘设备在共同的运行中实现可用性提高。

在本发明的一种改进方案中规定，设置至少两个第二边缘设备，并且对于所述第一边缘设备和所述至少两个第二边缘设备在存储器中分别存储用于故障备用设备的至少两个标识符，并且对所述标识符进行排列，并且按照排列从所述标识符中选择故障备用设备。

由此实现，提供故障设备的预定序列，由此可以发觉和解决边缘设备的多个故障。

在本发明的一种改进方案中规定，用于故障备用设备的至少两个标识符具有排序，所述排序考虑按照所述连接配置分配的终端设备的计算容量或存储容量。

由此实现，对于故障设备预定义性能，由此备用设备构成用于差错设备的尽可能等价的备用。

此外，由此除了所需要的自身的性能之外，还可以说明故障性能，以便确保与自身的终端设备以及备用设备共同运行。

结合本发明，用排序表示故障设备的序列的优先排列。换句话说，在边缘设备故障的情况下，按升序搜索排序，直至可以从优先级列表中调用合适的可用边缘设备为止。

在本发明的一种改进方案中规定，用于故障备用设备的至少两个标识符具有排序，所述排序考虑按照连接配置分配的终端设备的地理邻近。

由此实现，针对故障设备预定义性能、尤其是对等待时间的要求，由此备用设备构成用于差错设备的尽可能等价的备用。

在本发明的一种改进方案中规定，用于故障备用设备的至少两个标识符具有排序，所述排序考虑按照连接配置分配的终端设备的至少一个可用性参数。

由此实现，针对故障设备预定义性能、尤其是对传输速率的要求，由此备用设备构成用于差错设备的尽可能等价的备用。

在本发明的一种改进方案中规定，用于故障备用设备的至少两个标识符具有排序，所述排序考虑按照连接配置(CC)分配的终端设备的至少一个可用性参数。

由此实现，针对故障设备预定义性能、尤其是对可用性的要求，由此备用设备构成用于差错设备的尽可能等价的备用。

此外，由此除了所需要的自身的可用性之外，还可以说明故障性能，以便确保与自身的终端设备以及备用设备共同运行。

在本发明的一种改进方案中规定，在所述网络中在所述第一边缘设备、所述至少一个第二边缘设备、所述终端设备和所述监控装置之间设置至少两个独立的通信路径。

由此进一步增加统的可用性。

根据本发明的任务还通过一种计算机程序来解决，所述计算机程序包括指令，在由计算机执行所述指令时，所述指令促使所述计算机执行根据本发明的方法。

根据本发明的任务还通过一种电子可读数据载体来解决，所述电子可读数据载体具有其上存储的可读控制信息，所述可读控制信息至少包括根据本发明的计算机程序，并且被设计为使得当在计算设备中使用所述数据载体时，所述可读控制信息执行根据本发明的方法。

根据本发明的任务还通过一种数据载体信号来解决，所述数据载体信号传输根据本发明的计算机程序。

根据本发明的任务还通过一种用于在网络中以高可用性运行终端设备的系统来解决，所述网络包括第一边缘设备、至少一个第二边缘设备以及具有云中的存储器的监控装置，所述第一边缘设备运行终端设备，其中所述系统被设立用于执行根据本发明的方法。

附图说明

下面根据在所附附图中示出的实施例更详细地阐述本发明。在附图中：

图1示出具有工业边缘系统的示例的框图，

图2示出P2P边缘通信拓扑中的相互连接的边缘设备的示例，

图3示出用于根据图2的示例的通过MQTT的P2P发布订阅模式，

图4示出具有发生故障的边缘设备的根据图2的示例，

图5-6示出通过对等体的具有优先级的备份对等体方法的示例，

图7示出用于在差错之后恢复KI模型的系统架构中的流程图，

图8示出用于在差错之后恢复KI模型的流程图。

具体实施方式

在下面的插图中仅示出根据本发明的系统的重要元件。清楚的是，用于运行系统的其他组件是必要的。但是，为了一目了然性起见，放弃了其表示。

图1给出西门子工业边缘系统的概览，其中数据11从设备被传输到云1，以及也相反地数据12从云被传输到设备。

在此，安放在工厂层面2中的边缘设备21可以托管(hosten)特定的应用程序。应用程序也可以是用于集成到生产系统中的具有粘合代码(Glue-Code)的KI模型。

设备31-33位于现场/设备层面3中。

图2示出具有带有边缘装置A-D的集合的对等体的P2P边缘通信拓扑，所述边缘装置可以经由标准TCP/IP网络彼此通信。

边缘装置A-D可以借助于已知的网络机制彼此并且互相识别。

图3示出通过边缘设备A-D的MQTT协议的P2P发布订阅模式的示例。

“消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport)”(MQTT)是用于机器对机器通信的开放网络协议，所述开放网络协议尽管高延迟或受限的网络仍然使得能够在设备之间以消息的形式传输遥测数据。

用户预订另一用户的主题。该关系被记入到通信矩阵中。

在表格1中示出发布订阅方法的预订用户的示例。

在所示的示例中，可以在针对设备A的列中看出设备A已经预订了关于在设备B、C、D处的变化的消息，由此每个用户都知道所有其他设备的“健康状态”。

表格1：发布订阅方法的预订用户

图4示出自动差错识别的示例。在该示例中，与图3相比，用户A发生故障。

在边缘设备A-D之间使用“心跳”机制HB，其定义边缘设备的集合ED，其中在将发送设备的当前“寿命”状态通知给所有其他参与设备的情况下周期性地发送询问。

如果在预定义的时间区间内未接收到心跳信号HB，则从中推导出该设备不再起作用，并且必须选择备份设备，以便接管不起作用的设备的功能。

表格2示出用户A的故障。

表格2：用户A的故障

图5是具有优先级的备份对等体方法的示例，其中优先级在对等体上的分布是随机的。

在所示的图形中示出了备份对等体、即备用边缘设备，其中箭头的标线宽度应该说明优先排列。

在该图中，优先级1由实线箭头表示，优先级2由虚线箭头表示，并且优先级3由点线箭头表示。

这种表示也可以以表格式方式进行，参见表格3。

每个设备A-E都有具有优先级的表格。

在表格3、第一行中可以看出，设备A对于设备B是具有优先级1的备份，以及对于设备D是具有优先级2的备份并且对应设备C是具有优先级3的备份。

表格3：具有随机优先级分布的备用用户

图6是具有优先级的备份对等体方法的示例，其中优先级在对等体上的分布是均匀的。

在该图中，优先级1由实线箭头表示，优先级2由虚线箭头表示，并且优先级3由点线箭头表示。

在表格4中说明了图5的表格式表示。

优先级逐行递增地被分派。

如果例如设备A-D在表格中根据地理邻近或根据类似的设备特性、例如计算容量或存储容量被排序，并且通过均匀分布应该选择“最近的”设备作为备份设备，则这可能是有益的。

表格4：具有均匀优先级分布的备用用户

图7示出系统架构中的流程图，其中由设备A上的应用程序运行KI模型AIM。

由所连接的终端设备IOT、例如机器检测当前数据，并且经由“南方”通信路径SB传输给设备A。

数据借助于KI模型AIM被处理，并且经由“北方”通信路径NB与关于连接配置CC的信息一起被传输到云或本地数据存储器DS。

边缘设备A(周期性重复地)附加地将“心跳”信号HB发送到其他对等体、即本示例中的设备B-D以及附加地发送给具有模型存储器MS的监控装置MD(英文“monitoringdevice”)。

模型存储器MS存储用于提供KI模型的人工制品(Artefakte)以及来自以及在“南方”通信路径SB和“北方”通信路径NB之间的连接的相关配置CC(英文“communicationconfiguration(通信配置)”)。

监控装置MD具有计算装置，以便执行各种备份对等体方法步骤，诸如监控“心跳”信号HB或者提供或加密来自存储器MS的数据。

图8示出用于在边缘设备A中的差错之后恢复KI模型AIM的根据图7的系统架构中的流程图。

在边缘设备A中的差错的情况下，设备A不发送“心跳”信号HB，既不发送给其他设备B-D，也不发送给监控装置MD。

这由监控装置MD识别。然后允许设备B从模型存储器MS中调用相应的模型AIM和与此有关的连接配置CC。

监控装置MD现在利用设备B的公钥和监控装置MD的私钥对人工制品进行加密。

随后，监控装置MD利用对经加密的数据集的参考将链接发送给设备B。

设备B接收该链接，从监控装置MD的模型存储器MS中加载对应的人工制品数据，并且利用设备B的私钥和模型存储器MS的公钥对所述人工制品数据进行解密。

然后设备B加载连接配置CC，从经解密的人工制品数据中构成KI模型AIM，并且将KI模型AIM应用于机器IOT而不是发生故障的设备A。

还可以以其他方式传送模型AIM和配置CC。

概括而言，整个数据和KI流在无人工干预的情况下以简单的方式并且迅速地得以恢复。

甚至可以绕开预测间隙，其方式是例如在机器IOT的控制装置上缓冲数据，并且一旦备份边缘设备再次可用并且KI模型AIM被加载，就传输所缓冲的数据。

附图标记列表：

1云层面

11 设备到云数据

12 云到设备数据

2工厂层面

3现场/设备层面

A-D，21，ED具有边缘应用程序的边缘设备(到云和设备)

AIMKI模型

BD 备用设备

CC 连接配置，英文“communication configuration(通信配置)”

DS 数据存储器

HB “心跳”

IOT、31-33终端设备，机器

MD 监控装置，英文“monitoring device”

MS 模型存储器

NB “北方”/“北向”通信路径

SB “南方”/“南向”通信路径。