CN112162867A

CN112162867A - 一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法及其应用

Info

Publication number: CN112162867A
Application number: CN202010987160.5A
Authority: CN
Inventors: 王世勇; 李迪; 万加富; 张舞杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明公开了一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法及其应用，该方法包括下述步骤：构建第一策略、第二策略、第三策略和第四策略；第一策略用于消除制造智能体冗余子功能以破坏操作回路，第二策略用于利用冗余制造智能体破坏操作回路，第三策略用于利用缓存智能体破坏不可剥夺条件，第四策略用于利用流量控制破坏循环等待条件；第一策略、第二策略、第三策略和第四策略根据需要叠加使用，完成生产线柔性生产的死锁预防。本发明的四种死锁预防策略分别利用不同的资源，相互之间没有交叉，可以叠加使用，综合利用这四个策略，能够完全避免死锁的发生，实现智能生产线柔性生产的死锁预防。

Description

一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法及其应用

技术领域

本发明涉及死锁预防技术领域，具体涉及一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法及其应用。

背景技术

智能制造面向个性化消费需求，必然要求智能生产线具有高柔性，以适应定制化产品的多品种、小批量、混流生产需要。因此，智能生产线在结构上一般具有冗余的加工设备、网状的物料输送路径；在控制方法上一般具有复杂的资源调度机制、动态重构机制、容错机制。所以，柔性制造需求导致智能生产线在软件和硬件上相比于传统流水线具有更大的复杂性和不确定性。

在多品种产品的混流生产过程中，死锁是一个不可忽视的问题。这是因为，一方面智能生产线由于存在较大的柔性，产品的加工路径并不唯一；另一方面多品种产品混流生产，加剧了在制品对有限制造资源的竞争。所以，智能生产线容易满足死锁产线的四个必要条件：

1)互斥条件：很多设备在同一时间段内只能处理一个产品。此时若有其它产品请求该设备，则其只能等待；

2)不可剥夺条件：在占据设备的产品加工完毕之前，该设备不能被其它产品强行夺走，即只能由占据该设备的产品主动释放；

3)请求与保持条件：由于产品需要多个工艺步骤才能完成生产，所以一个产品占据了一个设备的同时，可能还会请求别的设备；

4)循环等待条件：可能存在一种产品的循环等待链，链中每一个产品已占据的设备同时被链中下一个产品所请求。

死锁的产生必然造成生产的停顿，以使生产线从死锁中恢复过来，如果死锁频繁出现，必然对生产效率和生产质量产生重大的威胁，所以有必要破坏死锁产生的必要条件来实现提前预防。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法，该方法包括四个死锁预防子策略，这四个子策略可以根据需要叠加使用，具有轻便、灵活、有效等明显优势。

本发明的第二目的在提供一种智能生产线柔性生产的死锁预防系统。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法，包括下述步骤：

构建第一策略、第二策略、第三策略和第四策略；

所述第一策略用于消除制造智能体冗余子功能以破坏操作回路，所述第二策略用于利用冗余制造智能体破坏操作回路，所述第三策略用于利用缓存智能体破坏不可剥夺条件，所述第四策略用于利用流量控制破坏循环等待条件；

所述第一策略、第二策略、第三策略和第四策略根据需要叠加使用，完成生产线柔性生产的死锁预防。

作为优选的技术方案，所述第一策略具体步骤包括：

将产品加工操作序列不需要的子功能标记为限制使用；

将与单功能MA重复的子功能标记为限制使用；

如果有多个多功能MA具有相同的子功能，先择UMI最小的MA保留该子功能，将所有其它多功能MA的该子功能标记为限制使用。

作为优选的技术方案，所述第二策略具体步骤包括：

针对任一操作类型，将能够执行该操作的所有单功能MA，以及能够执行该操作且所有子功能都被标记为限制使用的多功能MA，组成一个冗余资源池，然后将多功能MA平均分配给对应操作的不同产品。

作为优选的技术方案，所述第三策略具体步骤包括：

将缓存分配给死锁回路结点处的MA，死锁回路结点处的MA释放已经加工完成的工件。

作为优选的技术方案，所述第三策略具体规则包括：

为关键智能体的每个输入，除了优先级最低的输入，分配一个缓存单元，缓存单元的编号与该输入的编号相同；

编号越高的缓存单元，优先级越高。

作为优选的技术方案，所述第四策略具体规则包括：

编号越高的输入优先级越高；

关键智能体优先处理来自高编号输入的PA。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能生产线柔性生产的死锁预防系统，包括：死锁预防策略构建单元和策略调整叠加单元；

所述死锁预防策略构建单元用于构建第一策略、第二策略、第三策略和第四策略；

策略调整叠加单元用于将所述第一策略、第二策略、第三策略和第四策略根据需要叠加使用，完成生产线柔性生产的死锁预防。

为了达到上述第三目的，本发明采用以下技术方案：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现上述智能生产线柔性生产的死锁预防方法。

为了达到上述第四目的，本发明采用以下技术方案：

一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述智能生产线柔性生产的死锁预防方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的四种死锁预防策略分别利用不同的资源，相互之间没有交叉，可以叠加使用，综合利用这四个策略，能够完全避免死锁的发生，实现智能生产线柔性生产的死锁预防。

附图说明

图1为本实施例多功能MA导致死锁示意图；

图2为本实施例多发类型导致死锁示意图；

图3为本实施例功能冗余无法阻止死锁示意图；

图4为本实施例智能生产线柔性生产的死锁预防方法流程示意图；

图5为本实施例利用缓存预防死锁示意图；

图6为本实施例基于拥堵控制的死锁预防示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

死锁产生的原因：

一个MA可能有一个或多个加工/检测子功能。根据MA拥有的子功能的多少，MA可以分为单功能MA(即只有一个功能的MA)和多功能MA(即有两个或多个子功能的MA)。要完在一个PA的加工，需要一个指定序列的操作，可以表示为[1.Type1,2.Type2,...,m.Typen]。m.Typen代表一个单独的操作，其中m表示操作序号，Typen表示操作类型。在这个操作序列中，如果某个操作类型只出现一次，称之为单发(操作)类型；反之，如果某个操作类型出现两次以上，称之为多发(操作)类型。

如图1所示，多功能MA可能会导致死锁。假设所需的操作序列为[1.A,2.B,3.C]，即有三个操作，而且操作类型不同。有两个MA用于完成这些操作序列，其中ma₁能够执行操作类型A和C，而ma₂能够执行操作类型B。在执行这个操作序列的过程中，多功能智能体ma₁将引起一个回路，从而导致死锁。先是产品pa₁进入ma₁，在这里执行操作1.A，完成以后pa₁将进入ma₂。然后，ma₁空闲，所以pa₂进入ma₁，执行它的1.A。当pa₁的操作2.B完成后，pa₁需求ma₁执行3.C，然而pa₂需要ma₂执行操作2.B，即pa₁和pa₂各自占有一个资源，同时申请对方的资源，陷入循环等待，导致死锁。

如图2所示，多发类型也可能会导致死锁。假设所需的操作序列为[1.A,2.B,3.A]，即有三个操作，但是操作类型A出现了两次，所以是多发类型。有两个MA用于完成这些操作序列，其中ma₁能够执行操作类型A，而ma₂能够执行操作类型B。在执行这个操作序列的过程中，多发操作A将在ma₁处引起一个回路，从而导致死锁。先是产品pa₁进入ma₁，在这里执行操作1.A，完成以后pa₁将进入ma₂。然后，ma₁空闲，所以pa₂进入ma₁，执行它的1.A。当pa₁的操作2.B完成后，pa₁需求ma₁执行3.A，然而pa₂需要ma₂执行操作2.B，即pa₁和pa₂各自占有一个资源，同时申请对方的资源，陷入循环等待，导致死锁。

如图3所示，功能冗余可能无法自动阻止死锁的产生。图3在图2的条件下增加了一个MA，即ma₃用于执行操作A。但是在pa₁进入ma₁的同时，pa₂会进入ma₃，所以当pa₁继续运行到ma₂，pa₃进入ma₁后，所有的MA都被占用，从而导致死锁。

本实施例将物理制造资源分为四类：

制造智能体(MA)，代表加工、测试等设备；

传送智能体(CA)，例如传送带、机械手、AGV等，用于移动工件；

工件智能体(PA)，代表被加工的原材料与零部件；

缓存智能体(SA)代表临时储存在制品的容器。这些智能体都是具有计算、控制、通讯能力的自治体。

多功能MA的某些子功能可以会被限制使用，一个多功能MA未被限制使用的子功能数称为UMI指数，例如UMI 1代表该MA有一个子功能未被限制使用，而UMI 0代表该MA的所有子功能都被限制使用。

多功能MA或者多发操作类型会导致一个MA执行多个操作，从而产生一个执行回路。这种回路是导致死锁的核心结构，因为这会造成PA的循环等待。回路发生处的MA称为关键智能体，其显著的特征是具有多个输入。这些输入输出按照它们在操作序列中出现的顺序编号，即输入输出编号对应操作顺序号。

如图4所示，本实施例提供一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法，包括四种子策略：第一策略：消除MA(制造智能体)冗余子功能以破坏操作回路；第二策略：利用冗余MA破坏操作回路；第三策略：利用SA(缓存智能体)破坏不可剥夺条件；第四策略：利用流量控制破坏循环等待条件。

第一策略的目的是限制多功能MA的子功能，如果多功能MA的子功能只保留一个，那么它将等效为单功能设备，从而最大程度地减少死锁，即使MA的子功能无法减少为一个，尽可能多的减少子功能数量，对降低死锁的发生率及死锁预防的复杂性也有帮助。

本实施例第一策略实现方法为：

1)将产品加工操作序列不需要的子功能标记为限制使用；

2)将与单功能MA重复的子功能标记为限制使用；

3)如果有多个多功能MA具有相同的子功能，先择UMI最小的MA保留该子功能，将所有其它多功能MA的该子功能标记为限制使用。

第二策略的目的是将冗余的单功能MA和UMI 0型MA分配给类型相同的操作，对于任一操作类型，将能够执行该操作的所有单功能MA，以及能够执行该操作且所有子功能都被标记为限制使用的多功能MA组成一个冗余资源池，然后将这些MA平均分配给需要该操作的不同产品，以减少竞争同一MA的操作数量。

本实施例的第二策略实现方法为：

在应用第一策略之后，一个操作类型要么只能由一个UMI k(k≥1)型MA能够执行，要么有一个或多个单功能MA能够执行，不存在多个UMI k(k≥1)型MA同时执行一个操作的情况，也不存在个UMI k(k≥1)型MA和单功能MA同时执行一个操作的情况。所以在应用第一策略之后，可以存在UMI 0型MA，也可能存在功能相同的单功能MA，这些仍然是冗余资源。对于一个多发操作类型，所需的该类型的操作数为M，可以执行该操作的MA有N个，M≤N表明设备数多于操作数，不存在资源竞争，不会造成死锁。当M>N时，将操作平均分配给各个MA，这样就减小了竞争同一个MA的操作数。

第三策略的目的是利用SA缓解PA对关键智能体的竞争，即破坏不可剥夺这一死锁产生的必要条件。应用第三策略需遵循这些规则：1)为关键智能体的每个输入，除了优先级最低的输入，分配一个缓存单元，缓存单元的编号与该输入的编号相同；2)编号越高的缓存单元，优先级越高。SA提供缓存单元，并且一个SA可能有一个或多个缓存单元。SA由于可以存储PA，所以在智能协商过程中，SA会与MA一起竞争操作任务，而且在MA忙的情况下，SA会获得该操作任务。

本实施例第三策略实现方法为：

如图5所示，利用缓存预防死锁，将缓存分配给死锁回路结点处的MA，以帮助该MA释放已经加工完成的工件；假设所需的操作序列为[1.A,2.B,3.A,4.C]，ma₁和ma₂分别负责执行操作A和操作B。关键智能体ma₁有两个输入(输入1和输入3)，现将一个空闲SA单元分配给ma₁用于缓存来自输入3的PA，如图5中的(a)时刻：t0＝0所示，在t₁时刻，pa₁和pa₂引发一个死锁，如图5中的(b)时刻：t1＞t0所示。但是这个死锁可以利用缓存预防，如图5中的(c)时刻：t2＞t1所示。pa₁进行缓存单元以后，pa₂得以进入ma₂，完成其操作2.B的处理。然后，根据优先级规则，ma₁选择pa₁而不是来自输入1的pa₃进行处理。pa₁的操作3.A处理完成后，从输出4退出操作回路，意味着死锁被成功预防。

第四策略的目的是通过利用流量控制破坏循环等待条件以实现死锁预防，因为如果没有足够的SA，死锁往往很难完全预防，所以第四策略可以弥补SA的不足。应用本策略有两条基本规则：1)编号越高的输入优先级越高；2)关键智能体优先处理来自高编号输入的PA。即使低编号输入提前到达，也不会被接收，除非所有高编号输入全部处理完毕。

本实施例第四策略实现方法为：

如图6所示，在没有SA的情况下，即第三策略无法执行的情况下，利用拥堵控制仍然可以实现死锁预防。智能体ma₁是关键智能体，因为ma₁有两个输入，输入1和输入3，根据规则1，输入3的优先级高于输入1。在图6中的(a)时刻：t₁(t₁＞0)时刻，因为现在或将来没有PA会从输入3进来，所以pa₁被允许从输入1进来。pa₁的操作1.op₁被ma₁处理完后会进入到ma₂以处理操作2.op₂，如图6中的(b)时刻：t₂＞t₁所示，在这时，仍然有新的PA要求从输入1进入ma₁，但是依据规则2它们不会被允许进入，因为有潜在的请求会来自更高优先级的输入，即输入3。这样，操作2.op₂完成后，pa₁从输入3顺利进入ma₁，在这里操作3.op₁被执行，完成后pa₁从输出4退出回路，如图6中的(c)时刻t₃＞t₂所示，从而，以ma₁为核心的死锁被成功预防。

第一策略和第二策略的目的是合理利用资源冗余，尽量减少操作回路。但受限于资源数量与结构，回路可能无法完全消除。第三策略利用缓存来破坏死锁产生的不可剥夺条件，但SA的数量也可能不够。第四策略不依赖系统资源，其实质是流量控制，四种死锁预防策略分别利用不同的资源，相互之间没有交叉，所以可以叠加使用，综合利用这四个策略，能够完全避免死锁的发生，实现智能生产线柔性生产的死锁预防。

本实施例还提供一种智能生产线柔性生产的死锁预防系统，包括：死锁预防策略构建单元和策略调整叠加单元；

在本实施例中，死锁预防策略构建单元用于构建第一策略、第二策略、第三策略和第四策略；

在本实施例中，第一策略用于消除制造智能体冗余子功能以破坏操作回路，第二策略用于利用冗余制造智能体破坏操作回路，第三策略用于利用缓存智能体破坏不可剥夺条件，第四策略用于利用流量控制破坏循环等待条件；

本实施例还提供一种存储介质，存储介质可以是ROM、RAM、磁盘、光盘等储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，所述程序被处理器执行时，实现上述智能生产线柔性生产的死锁预防方法。

本实施例还提供一种计算设备，所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现上述智能生产线柔性生产的死锁预防方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，包括下述步骤：

构建第一策略、第二策略、第三策略和第四策略；

2.根据权利要求1所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，所述第一策略具体步骤包括：

将产品加工操作序列不需要的子功能标记为限制使用；

将与单功能MA重复的子功能标记为限制使用；

3.根据权利要求1所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，所述第二策略具体步骤包括：

4.根据权利要求1所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，所述第三策略具体步骤包括：

5.根据权利要求1或4所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，所述第三策略具体规则包括：

编号越高的缓存单元，优先级越高。

6.根据权利要求1所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法，其特征在于，所述第四策略具体规则包括：

编号越高的输入优先级越高；

关键智能体优先处理来自高编号输入的PA。

7.一种智能生产线柔性生产的死锁预防系统，其特征在于，包括：死锁预防策略构建单元和策略调整叠加单元；

8.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法。

9.一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-6任一项所述的智能生产线柔性生产的死锁预防方法。