CN108919644A - 存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法 - Google Patents

Abstract

存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，基于Petri网模型框架，分别对自动制造系统中资源已知和资源未知两种情况下的不可观事件的稳健监督控制策略进行研究。对存在不可观事件的加工制造系统进行灵活路径选择，同时考虑不可靠资源存在的情况，使得在自动制造系统中存在不可观测事件时，即使加工路径中存在一些不可靠资源出现故障，通过监督控制策略对加工路径进行合理规划，灵活选择，可以保证不使用不可靠资源的加工路径正常运行，对于使用不可靠资源的进程暂时停止加工直到资源故障修复，从而避免资源故障损坏而导致整个自动制造系统陷入瘫痪状态，造成巨大的经济损失。

Description

存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法

技术领域

本发明属于自动制造系统技术领域，涉及一种存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，能够对存在不可观变迁的petri网进行灵活路径选择。

背景技术

经济的飞速发展使国内外人力成本不断上涨，企业生存压力加大，为了降低生产成本，提高生产效率，工业控制的自动化发展已经成为一个不可扭转的趋势。在当今计算机科学、信息技术和人工智能等一批高新技术的推动下，设备的自动化水平日益提高，系统的规模逐渐扩大，功能和复杂性也在迅速增加。然而，在加工制造过程中，如果监控措施不完善，自动制造系统就容易出现人们所不期望的状态，从而导致整个设备乃至整个加工进程失效、瘫痪。因此，如何提高进程的安全性、可靠性是当今自动制造领域急需解决的重要问题。

离散事件系统的控制策略问题是各领域系统设计必须考虑的关键性问题，关乎自动制造系统的产能。目前研究离散事件系统监控理论的数学工具主要有自动机、形式语言，Petri网等。由于制造系统的自动化水平越来越高，研究者们越发重视死锁问题，包括死锁检测与恢复，死锁避免以及死锁预防等。但是，在实际的研究过程中，很少有研究涉及无法预测的资源故障问题，如果对于资源状态没有快速准确的预测判断，则系统的监督控制器很难用一个最优的方法处理并中断风险。然而，由于个别资源的损坏，造成的损失有时是不可估量的，同时，由于现有技术限制，事件观测成本过高或者加工器件属性等原因，会不可避免的导致一些事件不可观(事件发生与否无法被观测到，导致控制器不知道当前处于哪一个状态，事件状态信息模糊)。此时原有的监督控制策略将不再适用，为了保证自动制造系统安全的运行和良好的经济效益，需要寻求新的监督控制器对制造系统进行监测。对于实际系统而言，由于导致不可观事件发生的原因和加工器件属性等不同，从而使得存在不可观事件的自动制造系统在加工过程中分为资源已知和资源未知两种情况。离散事件系统控制策略问题一直是自动化控制领域的热点问题，当制造系统中存在不可观事件时，系统控制策略问题研究难度增大。目前，国内外对存在不可观行为的离散控制系统研究成果相对匮乏，并未形成一个完整的理论体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，包括以下步骤：

对于自动制造系统中资源已知情况：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是使自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始状态下采集状态信息M，包括每个库所所含的托肯数，其中，库所包括活动库所和资源库所，活动库所中的托肯数表示当前所含的工件数，资源库所中的托肯数表示当前状态下的资源数目；

3)在初始状态下，根据变迁发射的使能规则进行判定，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者运输到最近的不可靠资源处进行存储；若是，则允许发射，然后根据不可观变迁的位置，对自动制造系统进行路径规划，从而得到使自动制造系统稳健变迁集合t_rb；若否，则禁止发射；

对于自动制造系统中资源未知情况：

在资源最少的情况下进行判定此刻资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者能够运输到最近的不可靠资源处进行存储；然后再对稳健性进行判定，若在资源最少的情况下都满足自动制造系统的稳健性，则认为在任何情况下都满足自动制造系统的稳健性。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体过程如下：

3.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，允许发射；

3.1.1)判断不可靠资源路径上可发射变迁是否可观；

a)若是可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a-1)若是存在竞争，判断与不可靠资源路径存在竞争的可发射变迁是否可观，若可观，在保证不可靠资源路径上的变迁发射后，若资源仍有剩余，仍使得该变迁满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；若不可观，首先禁止该变迁发射，直到与其竞争的不可靠资源路径上可发射变迁发射后再进行判定，如果此时资源有剩余，满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb；

a-2)不存在竞争，允许发射；

b)若是不可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

b-1)若是存在竞争，此时判断与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争的其他路径变迁是否可观；若可观，则根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况来判定此时不可靠资源路径上不可观变迁是否发射，直到根据后续发射走向判定不可靠资源路径上此变迁发射后，若资源仍有剩余且仍然使得其他路径可发射变迁满足发射条件，则进行发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中；否则剔除；如果不可观，首先禁止该变迁发射，直到根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况判定此时与该变迁存在竞争的不可靠路径上变迁发射后，再对资源进行判定，此时该变迁满足发射条件，允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb，否则，剔除；

b-2)不存在竞争，允许发射；

3.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，禁止发射。

本发明进一步的改进在于，在任何情况下都满足自动制造系统的稳健性的具体过程为：由于资源数目未知，则首先对资源数目进行判定，对于不含有不可靠资源的路径满足使能条件的不可观变迁，由于该变迁不可观，事件的发生与否无法被观测到，此时，若该变迁发射使用资源，则认为该变迁已经发射，若该变迁发射释放资源，则认为该变迁未进行发射，对自动制造系统的资源数目进行重置，找出资源最少的情况下的资源数目，再对自动制造系统加工进程进行路径选择，实现任何情况下都满足自动制造系统的稳健性的目的。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明基于Petri网模型框架，分别对自动制造系统中资源已知和资源未知两种情况下的不可观事件的稳健监督控制策略进行研究。对存在不可观事件的加工制造系统进行灵活路径选择，同时考虑不可靠资源存在的情况，使得在自动制造系统中存在不可观测事件时，即使加工路径中存在一些不可靠资源出现故障，通过监督控制策略对加工路径进行合理规划，灵活选择，可以保证不使用不可靠资源的加工路径正常运行，对于使用不可靠资源的进程暂时停止加工直到资源故障修复，从而避免资源故障损坏而导致整个自动制造系统陷入瘫痪状态，造成巨大的经济损失。

进一步的，本发明对带有不可靠资源以及存在不可观事件的自动制造系统，提出了灵活路径选择机制，对于一个自动制造系统将不可观事件与不可靠资源同时考虑，合理规划路径，有效的避免了由于无法预测的不可靠资源故障，导致整个系统陷入瘫痪状态，使得系统高效安全运行。同时，本发明是一种在线核实资源数目，避免了离线计算全局信息导致状态空间爆炸，降低计算量，通过路径灵活的路径选择，得到此时刻最优发射变迁，提高自动制造系统的稳健性；每发射一个变迁后，再根据变迁发射的使能规则，重新得到一组新的使能变迁集合，循环上述操作，进行路径规划，再次选择出最优发射变迁，如此往复，实时动态的得到一组发射变迁序列。本发明对于存在不可观事件的加工制造系统进行灵活路径选择，同时考虑不可靠资源存在的情况，使得在自动制造系统中存在不可观测事件时，即使加工进程中一些不可靠资源出现故障，通过监督控制策略对加工路径进行合理规划，可以保证不使用该资源的加工进程正常运行，对于使用该资源的进程暂时停止加工直到资源故障修复，从而避免资源故障损坏而导致整个自动制造系统陷入瘫痪状态，造成巨大的经济损失。

附图说明

图1为petri网的基本定义图。

图2为petri网图。

图3为本发明的实施例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

Petri网是一种离散并行系统的数学建模工具，通过网状态描述系统模型，它不仅有严格的数学表达方式，更有直观的图形呈现，它关注于系统中可能发生的各种状态变化，以及相应改变之间的变化。

Petri网是由库所和变迁两种节点通过有向弧连接组合而成的一种网结构模型。带有权值的有向弧可以从库所指向变迁，也可从变迁指向库所。在Petri网的结构图形描述中，库所(place)，用圆表示，代表系统中一种可能的局部状态；变迁(transition)，用方块表示，代表一个使系统状态发生改变的事件；弧(arc)，连接圆与方块，圆表示事件能够发生或者发生以后引发的局部状态，与方块之间用有向弧表示状态的变化。一个库所持有的托肯(token)，用库所的圆圈中的小黑点或者正整数表示，代表库所中的动态对象数量，可以从一个库所转移到另一个库所，如图1所示。

变迁发射的使能规则为：当且仅当如图2所示；

由于·t₁＝{p₁,p₂},由于m(p₁)＝1≥I(p₁,t₁)＝1，m(p₂)＝1≥I(p₂,t₁)＝1因此t₁使能；·t₂＝{p₃},由于m(p₃)<I(p₃,t₂)＝1，因此t₂不使能；

本发明的步骤如下：

对于自动制造系统中资源已知情况：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是使自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始状态下采集状态信息M，包括每个库所所含的托肯数，其中，库所包括活动库所和资源库所，活动库所中的托肯数表示当前所含的工件数，资源库所中的托肯数表示当前状态下的资源数目；

3)在初始条件下，根据上述变迁发射的使能规则进行判定，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者运输到最近的不可靠资源处进行存储；然后在进行判定；

步骤3)的具体过程如下：

3.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，允许发射；

3.1.1)判断不可靠资源路径上可发射变迁是否可观；

a)若是可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a-1)若是存在竞争，判断与不可靠资源路径存在竞争的可发射变迁是否可观，若可观，在保证不可靠资源路径上的变迁发射后，若资源仍有剩余，仍使得该变迁满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；若不可观，首先禁止该变迁发射，直到与其竞争的不可靠资源路径上可发射变迁发射后再进行判定，如果此时资源有剩余，满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb；

a-2)不存在竞争，允许发射；

b)若是不可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

b-1)若是存在竞争，此时判断与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争的其他路径变迁是否可观；若可观，则根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况来判定此时不可靠资源路径上不可观变迁是否发射，直到根据后续发射走向判定不可靠资源路径上此变迁发射后，若资源仍有剩余且仍然使得其他路径可发射变迁满足发射条件，则进行发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中；否则剔除；如果不可观，首先禁止该变迁发射，直到根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况判定此时与该变迁存在竞争的不可靠路径上变迁发射后，再对资源进行判定，此时该变迁满足发射条件，允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb，否则，剔除；

b-2)不存在竞争，允许发射；

3.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，禁止发射；

对于自动制造系统中资源未知情况：

对于自动制造系统中资源状态未知的情况，此刻需要在资源最少的情况下(即最坏情况)进行判断资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者能够运输到最近的不可靠资源处进行存储；然后再对稳健性进行判定，若在最坏情况下都满足自动制造系统的稳健性，则可认为在任何情况下都满足自动制造系统的稳健性。由于事件发生原因和加工器件属性等原因会导致一些资源数目未知，由于资源数目未知，则首先对资源数目进行判定时，研究认为，对于其他路径中(不含有不可靠资源的路径)满足使能条件的不可观变迁，由于该变迁不可观，事件的发生与否无法被观测到，此时，若该变迁发射使用资源，则认为该变迁已经发射，若该变迁发射释放资源，则认为该变迁未进行发射，通过这种方法对自动制造系统的资源数目进行重置，找出最坏情况下的资源数目，再对自动制造系统加工进程进行灵活的路径选择，提高制造系统稳健性，保证加工进程高效安全进行，步骤同资源状态已知情况。

下面通过一个具体实施例进行详细说明。

本发明中对于含有不可观变迁的稳健监督控制器而言：图3中，r₃为不可靠资源，t₅,t₈,t₁₂,t₁₃为不可观变迁；

下面对本发明的具体实施过程进行阐述。

如图1所示该工件组装需要三条进程：

J₁:P₁→P₂→P₃→P₄→P₅J₂:P₆→P₇→P₈→P₉→P₁₀J₃:P₁₁→P₁₂→P₁₃→P₁₄→P₁₅

根据变迁发射的使能规则，得到此时可发射变迁为：{t₁,t₂,t₅,t₆,t₈,t₁₁,t₁₂,t₁₃}；

判断含有不可靠资源路径上可发射变迁t₆,t₈是否可观；t₆可观，t₈不可观；

由于导致不可观事件发生的原因和加工器件属性等不同，使得加工进程的资源数进程分为资源数目已知和资源数目未知等两种情况；

第一种情况，对于自动制造系统中资源已知情况：

判定不可靠资源路径上可发射变迁是否与其他路径可发射变迁存在资源竞争，由图可知，J₃路径的t₁₁,J₁路径的t₅均与不可靠资源路径上可发射变迁t₆存在资源竞争，其中t₁₁可观，t₅不可观；J₃路径上的t₁₃，J₁路径上的t₂与不可靠资源路径上可发射变迁t₈存在资源竞争；其中t₂可观，t₁₃不可观；

t₆可观，与其存在资源竞争的可发射t₁₁可观，t₅不可观，首先禁止不可观变迁t₅发射，此时在保证含有不可靠资源路径上变迁发射后，判断剩余资源数目是否仍然使得其他路径中可发射变迁满足使能条件，满足，则该变迁纳入稳健性变迁集合t_rb中，否则剔除；显然；t₆发射后，使用一个r₂资源数目，此时M(r₂)＝1，仍使其他路径的变迁满足发射条件，则，将t₅,t₁₁纳入稳健变迁集合中；

t₈不可观，与其竞争的可发射变迁，t₂可观，t₁₃不可观；由于t₁₃的发射与否无法被观测到，所以首先禁止变迁t₁₃发射，由于变迁t₈不可观，所以要根据后续发射情况确定变迁t₈是否发射，直到根据后续状态分布，判断t₈已经发射，此时在对剩余资源进行判定，判定此刻资源是否使得其他路径可发射变迁依旧使能，如果满足，则使自动制造系统纳入稳健变迁集合t_rb中，否则剔除；就本例中，t₈发射，需要两个资源，此时M(r₁)＝2，仍使得t₂，t₁₃满足发射条件；则将t₂，t₁₃纳入稳健变迁集合中；

综上所述；使自动制造系统稳健变迁集合t_rb＝{t₁,t₂,t₅,t₆,t₈,t₁₁,t₁₂,t₁₃}；

第二种情况，对于自动制造系统中资源未知情况：

第一步，由于存在不可观事件的存在，导致控制器不知道系统当前处于哪一个状态；此刻资源未知，首先根据已知信息对该加工进程的资源数目进行预测；预测最坏情况(资源数目最少)下，对制造系统的稳健性进行判定，即：在对资源数目进行判定时，研究认为，对于其他路径中(不含有不可靠资源的路径)满足使能条件的不可观变迁，由于该变迁不可观，事件的发生与否无法被观测到，此时，若该变迁发射使用资源，则认为该变迁已经发射，若该变迁发射释放资源，则认为该变迁未进行发射，通过这种方法对该自动系统的资源数目进行重置，找出最坏情况下的资源数目；

就本例而言；J₁，J₃路径中不可观变迁{t₅,t₁₂,t₁₃}；根据使能条件可知t₅,t₁₃的发射使用资源；t₁₂发射释放资源，为了得到最坏情况下资源数目分布，则可以认为t₅,t₁₃变迁已经发射，t₁₂未进行发射，此时得到的资源分布M(r₁)＝2，M(r₂)＝1；

此时，对于资源数目M(r₁)＝2，M(r₂)＝1已知情况对制造系统稳健性进行分析，同第一种情况，得到使自动制造系统稳健变迁集合t_rb＝{t₁,t₆,t₈,t₁₂}。

Claims (3)

1.存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对于自动制造系统中资源已知情况：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是使自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始状态下采集状态信息M，包括每个库所所含的托肯数，其中，库所包括活动库所和资源库所，活动库所中的托肯数表示当前所含的工件数，资源库所中的托肯数表示当前状态下的资源数目；

3)在初始状态下，根据变迁发射的使能规则进行判定，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者运输到最近的不可靠资源处进行存储；若是，则允许发射，然后根据不可观变迁的位置，对自动制造系统进行路径规划，从而得到使自动制造系统稳健变迁集合t_rb；若否，则禁止发射；

对于自动制造系统中资源未知情况：

在资源最少的情况下进行判定此刻资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者能够运输到最近的不可靠资源处进行存储；然后再对稳健性进行判定，若在资源最少的情况下都满足自动制造系统的稳健性，则认为在任何情况下都满足自动制造系统的稳健性。

2.根据权利要求1所述的存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，步骤3)的具体过程如下：

3.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，允许发射；

3.1.1)判断不可靠资源路径上可发射变迁是否可观；

a)若是可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a-1)若是存在竞争，判断与不可靠资源路径存在竞争的可发射变迁是否可观，若可观，在保证不可靠资源路径上的变迁发射后，若资源仍有剩余，仍使得该变迁满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；若不可观，首先禁止该变迁发射，直到与其竞争的不可靠资源路径上可发射变迁发射后再进行判定，如果此时资源有剩余，满足发射条件，则允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb；

a-2)不存在竞争，允许发射；

b)若是不可观，判断其他进程中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

b-1)若是存在竞争，此时判断与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争的其他路径变迁是否可观；若可观，则根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况来判定此时不可靠资源路径上不可观变迁是否发射，直到根据后续发射走向判定不可靠资源路径上此变迁发射后，若资源仍有剩余且仍然使得其他路径可发射变迁满足发射条件，则进行发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb中；否则剔除；如果不可观，首先禁止该变迁发射，直到根据不可靠资源路径中后续变迁发射情况判定此时与该变迁存在竞争的不可靠路径上变迁发射后，再对资源进行判定，此时该变迁满足发射条件，允许发射，纳入使自动制造系统稳健变迁集合t_rb，否则，剔除；

b-2)不存在竞争，允许发射；

3.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，禁止发射。

3.根据权利要求1所述的存在不可观行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，在任何情况下都满足自动制造系统的稳健性的具体过程为：由于资源数目未知，则首先对资源数目进行判定，对于不含有不可靠资源的路径满足使能条件的不可观变迁，由于该变迁不可观，事件的发生与否无法被观测到，此时，若该变迁发射使用资源，则认为该变迁已经发射，若该变迁发射释放资源，则认为该变迁未进行发射，对自动制造系统的资源数目进行重置，找出资源最少的情况下的资源数目，再对自动制造系统加工进程进行路径选择，实现任何情况下都满足自动制造系统的稳健性的目的。