CN112800614A - 基于概率时间自动机应用于智能工厂流程的设计方法 - Google Patents
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Abstract
基于概率时间自动机应用于智能工厂流程的设计方法属于计算机工业物联网领域,通过需求分析、基于概率时间自动机建模、建立工作流引擎、设计工作流系统平台的总体思路,形成一套完整的工作流引擎平台。(1)通过对概率时间自动机这一概念进行深入学习与研究,并对工业物联网流程分析以及相关文献进行广泛调研分析,提出了基于工业物联网的概率时间自动机的工作流引擎的功能需求(2)对工业物联网流程进行建模分析,即将工业物联网的流程映射为概率时间自动机中的事件、变量以及流程、权限等模块和流程管理引擎并且建立角色和事务模型(3)建模分析完成后根据UPPAAL流程仿真工具对流程的正确性进行验证并设计工作流引擎。
Description
技术领域
本发明属于计算机工业物联网领域,涉及到一些概率时间自动机、建模方法的设计、工作流引擎的设计、工作流引擎设计。
背景技术
在智能工厂工作流程中,需要对工厂环境中的管理员、普通用户及流程之间的交互进行模拟,从而分析工厂在引入智能系统后的有效性、可靠性和效率。这种分析需要体现随机性和过程的并发性。随机性指的是环境中的用户实体行为的随机性,过程的并发性指的是在智能工厂环境中多个流程同时执行。工作流作为企业流程建模的核心技术,具有方便性、灵活性和可配置性的特点,弥补了传统企业信息系统的不足,工作流引擎作为工作流重要的实现手段,是大量自动化系统的核心组件,其流转过程的理论研究具有重要的理论和现实意义。本文提出了基于概率时间自动机来研究工作流运转过程的方法,将工作流运转中的各个步骤映射为各项状态和迁移过程,以满足智能工厂对企业信息化和自动化水平的要求。
发明内容
根据目前智能工厂中流程的映射方法大多不具有太好的复用性,MES的一些流程中经常会因为环境的原因导致一些隐性错误的产生以及传统国内外针对智能工厂流程建模的缺乏,做出本文的研究:
(1)提出一种便于国内外大多数智能工厂流程分析的智能工厂流程到概率时间自动机的映射方法。
(2)提出按照角色行为建模的方法,针对不同角色的行为模式建立模型,并按照模型设计相关系统。
为个实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
本文以概率时间自动机原理为基础,以基于工业物联网的工作流引擎系统的实现为主要目标,建立以流程管理模块为核心处理整体工作流业务,包括建立流程模型,分配表单和人员、流程部署、流程发布、查看流程的全过程,再集成围绕核心模块工作流展开实现的系统管理、在线办公、文件管理、机构用户管理和代码生成与测试五大模块为一体,形成整体的面向智能工厂的基于概率时间自动机的工作流引擎的应用软件。
基于自动机驱动的编程模式,搭建面向工业物联网的工作流引擎平台。最大程度的复用已有代码,在对工业物联网相关流程设计时,仅需要进行少量代码的修改并配置,即可完成自身需要的业务流程,大大降低二次开发难度。
设计方法应用价值是基于工业物联网的概率时间自动机的工作流引擎的研究与应用是基于配置的最底层平台,论文通过研究完成平台的设计与实现。通过设置流程,只需编写里面的几个flow unit(逻辑单元)实现一个业务请求完整流程,而已经设置好的流程只要通过简单的配置,即可以直接适配使用,不需要再写大量的代码来进行开发与设计。这样对于不同的工业可以在平台上配置不同的业务逻辑与实现方式,避免了系统重新开发而浪费大量的人力和物力。平台在普通平台的基础上对性能做出了优化,包括平台本身,数据库,服务器等
一、基于概率时间自动机建模
为了更好地模拟智能工厂用户行为的随机环境和并发过程,本文将角色行为模式、事务模式和流程模式转换为概率时间自动机,角色建模是指针对不同角色的行为模式建立模型,事务建模是指通过角色之间的交互体现流程,流程自动机体现在角色的行为模式中,用以模拟与工厂环境进行集成后智能工厂系统流程的运行。
(1)角色建模
智能工厂环境中包括多个角色,每个角色有一个或多个行为模式,每个角色所有实例的行为模式是相同的。在模型中,用一个概率时间自动机模板表示角色的一个行为模式,一个角色对应一组概率时间自动机模板,该角色的每个实例对应该组概率时间自动机模板的实例。
设A为智能工厂系统中所有角色的集合,对于每一个ak∈A,akn表示角色ak的第n个行为模式,其中S表示一个角色状态集合;s0表示该角色初始状态;T表示该角色处理问题的时间域;G是该角色集合;f表示该角色要进行的动作集合;Φ、P表示该角色将要进行的动作的前提和后续件以及到达后续事件的概率;
可以用一个概率时间自动机模板表示:设对应akn的概率时间自动机模板为rkn,rkn=(S,s0,C,V,Act,I,T,P)。其中S是概率时间自动机中状态的集合;s0∈S表示初始状态;C是时钟变量的集合;V是数据变量的集合;Act是动作的集合;I:S→Inv,表示状态的约束,Inv是状态不变式集合;T是有向边的集合,对于tm,n∈T,tm,n=(sm,gm,n,a,Φm,n,sn),表示一个状态转移,sm和sn分别是源状态和目标状态,gm,n是状态转移的触发条件,a∈Act是一个动作,Φm,n是一组无冲突赋值;P:T→(0,1]是状态转移的概率。实时系统可以由一个或多个概率时间自动机表示,多个并发的概率时间自动机可以构成一个概率时间自动机网。时间自动机中的状态、初始状态、有向边和状态转移的概率分别对应行为模式中的状态、初始状态、状态转移和状态转移概率;行为模式中逻辑表达式集合及赋值集合中的时间变量和环境变量对应时间自动机中的C和V;行为模式中f函数,根据语义转换为状态不变式、状态转移中的触发条件和动作(发送或接收消息事务);时间自动机每个状态转移中的赋值包括行为模式中函数用来赋值和时钟变量赋值。
对于ak的每个实例,通过实例化rk,可以得到该实例第n个行为模式的自动机,自动机的运行轨迹对应角色具体的行为。
(2)事务建模
事务是角色和角色之间的交互,在概率时间自动机中,角色之间的广播通信可以表示事务。利用共享变量可以进行同步的传值通信,由输出方给一个共享变量赋值,输入方再直接访问该共享变量获取数值。
事务是角色和角色之间的交互,在概率时间自动机中,角色之间的广播通信可以表示事务:利用共享变量可以进行同步的传值通信,由输出方给一个共享变量赋值,输入方再直接访问该共享变量获取数值。事务可分为消息事务和活动事务,设ER是事务的集合,Em、Ea分别是消息事务以及活动事务的集合,则ER=Em∪Ea。在概率时间自动机中,对于e∈ER,e!和e?分别表示角色发起消息事务e和角色接收消息事务e。
·消息事务:瞬时的,用一次广播表示;
·活动事务:需要持续一段时间,用两次广播来表示,分别是“活动事务开始”广播和“活动事务结束”广播。活动事务是两个角色之间具有一定持续时间的交互,为便于在自动机中表达,规定任何一个活动事务都是由一个消息事务的“事务开始”开始,并由消息事务“事务结束”结束,因此一个活动事务可以由两个消息事务表示,即Ea=Em×Em,对于(e_s,e_f)∈Ea,e_s!和e_f!分别表示角色发起该活动事务的开始消息事务和结束消息事务,e_s?和e_f?分别表示角色接收这两个事务。
(3)流程的自动机模型
在智能工厂环境中,管理员、普通用户需要完成多个工作流程,每个流程可能由一个角色完成,也可能由多个角色完成。流程的自动机模型体现在角色的行为模式中。
·单个角色行为模式完成的流程建模
如果一个流程是由一个角色完成的,则流程的模型对应该角色的一个行为模式。这种情况下,角色行为模式的状态变化主要由时间事件引发。
·多个行为模式顺序完成的流程建模
如果流程是多个角色完成的,则流程模型是多个行为模式对应的概率时间自动机网。两个分别由两个角色行为模式完成的顺序活动,在模型中对应角色行为自动机中的两个状态,活动的顺序由消息事务协调。先进行活动的角色行为模式完成负责的活动后,发出消息事务给另一个角色的行为模式,后者在接收到消息事务后,继续流程。
·多个行为模式协作完成的流程建模
如果流程中的某个活动是由两个及两个以上的角色完成,在模型中,用活动事务表示。设定其中一个角色为主导方,作为活动事务开始和结束的发起方,其他角色作为接收方,同时开启和结束一项活动。
通过上述方法,智能工厂角色及其流程可以用概率时间自动机网表示,通过此种方式可模拟智能工厂环境中的工作流程。
附图说明:
图1流程管理总体设计图;
图2体系设计图;
图3活动事务交互图;
图4单个角色行为模式完成的流程建模图;
图5多个行为模式顺序完成的流程建模图。
图6多个行为模式协作完成的流程建模图。
具体实施方式
(1)给出智能工厂流程到概率时间自动机的映射关系。
基于概率时间自动机驱动的编程模式,将角色行为模式、事务模式和流程模式转换为概率时间自动机,模拟与工厂环境进行集成后智能工厂系统流程的运行。
(2)工作流引擎前后端的实现
通过自动机驱动的编程模式,实现了工作流引擎中间件的设计,分为流程上下文、流程应用程序、流程过滤模块以及活动处理器,每个模块均有界面层、应用服务层,基于DDD领域驱动设计思想。
(3)设计实现了基于工业物联网的工作流程系统。
实现了以工作流引擎为核心的,集成了系统管理、在线办公、流程管理、文件管理、代码生成等模块的系统;流程管理是整个平台的核心,整个平台的设计是围绕它开始的。此外,还实现工作流的可拼插功能,通过对流程文件的解析与本地流程设计相结合的方式实现工作流程的搭建,相对柔性的表单设计与流程相结合并配置相关流程分配人员实现工作流业务功能。
图4是一个工作流程由一个行为模式完成的简单例子,该行为模式在6到11个时间单位内完成活动A1,接着在9到11个时间单位内完成活动A2,并进入状态s)
图5所示流程中活动A1、A2分别由角色1和角色2顺序完成。角色1行为模式从s0开始,在6到8个时间单位内完成活动A1后,发送消息事务e给角色2行为模式。角色2行为模式在状态s2接收到消息事务e后,在3到6个时间单位内完成活动A2)
图5所示图中角色1和角色2分别在初始状态s0和s1进入活动处理状态A,e_s和e_f是开始和结束A的消息事务。角色1是事务的发起方。
框架设计也是基于自动机工作流引擎
·基础框架Spring Boot 2.2.2、Apache Shiro 1.4.2、Spring Framework5.2.2.RELEASE、Jackson 2.10.1、工作流引擎、Redis 3.2.0
·持久层Alibaba Druid 1.1.21、Apache MyBatis 3.5.3、HibernateValidation 6.0
·视图层Beetl 3.0.15.RELEASE、UI框架:AdminLTE 3。
Claims (1)
1.基于概率时间自动机应用于智能工厂流程的设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)角色建模
智能工厂环境中包括多个角色,每个角色有一个或多个行为模式,每个角色所有实例的行为模式是相同的;在模型中,用一个概率时间自动机模板表示角色的一个行为模式,一个角色对应一组概率时间自动机模板,该角色的每个实例对应该组概率时间自动机模板的实例;
设A为智能工厂系统中所有角色的集合,对于每一个ak∈A,akn表示角色ak的第n个行为模式,其中S表示一个角色状态集合;s0表示该角色初始状态;T表示该角色处理问题的时间域;G是该角色集合;f表示该角色要进行的动作集合;Φ、P表示该角色将要进行的动作的前提和后续件以及到达后续事件的概率;
用一个概率时间自动机模板表示:设对应akn的概率时间自动机模板为rkn,rkn=(S,s0,C,V,Act,I,T,P);其中S是概率时间自动机中状态的集合;s0∈S表示初始状态;C是时钟变量的集合;V是数据变量的集合;Act是动作的集合;I:S→Inv,表示状态的约束,Inv是状态不变式集合;T是有向边的集合,对于tm,n∈T,tm,n=(sm,gm,n,a,Φm,n,sn),表示一个状态转移,sm和sn分别是源状态和目标状态,gm,n是状态转移的触发条件,a∈Act是一个动作,Φm,n是一组无冲突赋值;P:T→(0,1]是状态转移的概率;实时系统由一个或多个概率时间自动机表示,多个并发的概率时间自动机构成一个概率时间自动机网;时间自动机中的状态、初始状态、有向边和状态转移的概率分别对应行为模式中的状态、初始状态、状态转移和状态转移概率;行为模式中逻辑表达式集合及赋值集合中的时间变量和环境变量对应时间自动机中的C和V;行为模式中f函数,根据语义转换为状态不变式、状态转移中的触发条件和动作;时间自动机每个状态转移中的赋值包括行为模式中函数用来赋值和时钟变量赋值;
对于ak的每个实例,通过实例化rk,得到该实例第n个行为模式的自动机,自动机的运行轨迹对应角色具体的行为;
(2)事务建模
事务是角色和角色之间的交互,在概率时间自动机中,角色之间的广播通信表示事务;利用共享变量进行同步的传值通信,由输出方给一个共享变量赋值,输入方再直接访问该共享变量获取数值;
事务是角色和角色之间的交互,在概率时间自动机中,角色之间的广播通信表示事务:利用共享变量进行同步的传值通信,由输出方给一个共享变量赋值,输入方再直接访问该共享变量获取数值;事务可分为消息事务和活动事务,设ER是事务的集合,Em、Ea分别是消息事务以及活动事务的集合,则ER=Em∪Ea;在概率时间自动机中,对于e∈ER,e!和e?分别表示角色发起消息事务e和角色接收消息事务e;
消息事务:瞬时的,用一次广播表示;
活动事务:需要持续一段时间,用两次广播来表示,分别是“活动事务开始”广播和“活动事务结束”广播;活动事务是两个角色之间具有一定持续时间的交互,为便于在自动机中表达,规定任何一个活动事务都是由一个消息事务的“事务开始”开始,并由消息事务“事务结束”结束,因此一个活动事务由两个消息事务表示,即Ea=Em×Em,对于(e_s,e_f)∈Ea,e_s!和e_f!分别表示角色发起该活动事务的开始消息事务和结束消息事务,e_s?和e_f?分别表示角色接收这两个事务;
(3)流程的自动机模型
在智能工厂环境中,管理员、普通用户需要完成多个工作流程,每个流程可能由一个角色完成,也可能由多个角色完成;流程的自动机模型体现在角色的行为模式中;
单个角色行为模式完成的流程建模
如果一个流程是由一个角色完成的,则流程的模型对应该角色的一个行为模式;
多个行为模式顺序完成的流程建模
如果流程是多个角色完成的,则流程模型是多个行为模式对应的概率时间自动机网;两个分别由两个角色行为模式完成的顺序活动,在模型中对应角色行为自动机中的两个状态,活动的顺序由消息事务协调;先进行活动的角色行为模式完成负责的活动后,发出消息事务给另一个角色的行为模式,后者在接收到消息事务后,继续流程;
多个行为模式协作完成的流程建模
如果流程中的某个活动是由两个及两个以上的角色完成,在模型中,用活动事务表示;设定其中一个角色为主导方,作为活动事务开始和结束的发起方,其他角色作为接收方,同时开启和结束一项活动。
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