автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация управления дискретными процессами на основе раскрашенных сетей Петри

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

РГ5 ОД 1 2 МАР та

УД1{ 528.52.012.011.56

Иванчиков Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ РАСКРАШЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕТРИ

05.13 01 - Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических каук

Минок 1998

Работа выполнена в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники.

Научный руководитель:

кандидат технических наук доцент Ревотюк М.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

с.н.с. Суходольский A.M.

кандидат технических наук профессор Баркун М.А.

Оппонирующая организация: Белорусский государственный

технологический университет

Защита состоится 5 марта 1998г. в 14 часов ка заседании совета но защите диссертаций Д 02.15.01 в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники по адресу: 220027, Минск, П.Бровки, 6. БГУЙР, корп.1, ауд.232.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусскогс государственного университета информатики и радиоэлектроники.

Автореферат разослан " 2е) Jk&fcJ 1998г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций,

доктор технических наук

Кешишьян В.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

¿1<тушыюсхь_т£т^ассетшш!и Одним из направлений современного развития промышленности (машино- и приборостроения, радио- и микроэлектроники и др.) является создание многоуровневых систем управления технологическими процессами на базе информационно-вычислительных комплексов. Такие системы отличаются дискретным протокольным характером процессов управления, значительной структурной и функциональной сложностью, большой стоимостью и серьезностью последствий отказов элементов. Вследствие этого при их создании интенсивно применяются методы моделирования, причем единственной методологией, претендующей на универсальность применения в модельных исследованиях, как показано в работах C.B.Емельянова и A.A.Вавилова, является имитационное моделиро-вание. В настоящее время продолжаются интенсивные исследования по созданию как методов формализации, так и технологических средств проведения машинных экспериментов, начатые Н.П.Бусленко и X.Д.Герхардтсм. Между тем модельные исследования систем рассматриваемого класса позволяют решить лишь задачу спецификации процедур управления. Последующая программная реализация систем управления по существу повторяет процесс спецификации таких процедур, но другими методами и средствами. Ценность и конструктивность результатов предварительных исследований из-за неполноты априорной информации падает. Ключевая проблема реализации системности подхода к созданию систем управления сложными дискретными процессами - выбор единой модельЕюй основы для всех этапов построения таких систем. В настоящее время известны примеры использования модельных структур в системах логического управления, описанные С.А.Юдицким. В работах В.Е.Котова, Дж.Питерссна, В.К.Беликова отмечается, что наиболее удобными в таких случаях оказываются модели на основе концепции' сетей Петри и их расширений. Известна возможность конструктивного обобщения понятия сетей Петри как алгоритмически интерпретируемых раскрашенных сетей и построение на их основе сквозной технологии создания систем управления дискретными процессами со сложными многоуровневыми протокольными взаимодействиями.

Решение рассматриваемых в диссертации задач базируется на теории моделирования, теории вероятностей, теории графов, теории реляционных баз данных, теории агрегатов и агрегативных систем, а также методах исследования операций и имитационного моделирования.

Для подтверждения достоверности результатов теоретических исследований использовалось имитационное моделирование на ЭВМ,

экспериментальное макетирование программ моделирования и оптимизации .

ченыле новые научные и практические результаты использованы при выполнении плановых научно-исследовательских работ, проводимых кафедрой ИТАС БГУИР в рамках республиканской программы "Информатика" на 1991-1995гг. и кафедрой ИИТ на период до 2000 года, в том числе "Разработка и исследование основных принципов построения и функционирования организационно-технологической системы управления опытным производством электронных модулей", "Исследование проблемы моделирования и оптимизации решений при создании новых информационных технологий в автоматизированных системах обработки информации и управления".

методов и средств моделирования и оптимизации управления дискретными процессами на основе функциональных раскрашенных сетей Петри.

Основными задачами работы являются:

1) разработка метода компактного представления раскрашенных сетей Петри на основе характеристических функций;

2) создание алгоритмов интерпретации процессов на раскрашенных сетях Петрк характеристическими функциями;

3) создание методики построения структурированных имитационных моделей, реализующих функцию замещения объектов управления.

построения структуризованкых имитационных моделей дискретных процессов, отличающийся тем, что он позволяет в явном виде отразить структурно-функциональные аспекты поведения сложных многоуровневых систем с протокольным взаимодействием элементов, однако в гораздо более- сжатом виде по сравнению с известными представлениями сетевых описаний.

Построена оригинальная схема статического представления сетевых моделей, оптимальная по объему используемой памяти.

Разработан алгоритм моделирования процессов на сетевых моделях, оптимальный по критерию быстродействия, что позволяет использовать его в качестве ядра программного обеспечения систем управления дискретными процессами в реальном времени.

1) описанные расширения сетей Петри - раскрашенные сети Петри (РСП) с характеристическими функциями - обобщают известные ранее разновидности окрашенных сетей.

2) построенный алгоритм моделирования процессов на сетевых

К*. Полу-

Цель работы состоит в создании

Разработан метод

моделях пригоден для реализации модельных систем управления дискретными процессами в рамках технологии объектно-ориентированного проектирования и программирования.

3) разработанные схемы организации взаимодействия внутренних процессов на функциональных раскрашенных временных сетях Петри (ФРВСП) с внешней средой, базирующиеся на динамическом порождении переходов сети и осуществляющие обмен элементами сообщений между буферами портов обмена и позициями ФРВСП, явились основой специализированной системы моделирования - интерпретатора сетевых моделей (ИСМ).

диссертационной работы внедрены и использованы в ОКБ "Квант" НПО "Гранат", а также в учебном процессе кафедры ИИТ БГУИР.

Алгоритмические и программные разработки, описанные в настоящей работе, могут служить основанием для создания системы имитационного моделирования дискретных производственных процессов в реальном времени.

1) метод компактного представления раскрашенных временных сетей Петри на основе механизма характеристических функций;

2) алгоритмы проектирования статического описания моделей на основе функциональных раскрашенных сетевых представлений;

3) рекуррентные алгоритмы моделирования динамических процессов на ФРВСП;

4) схемы организации вычислительных процессов в имитационных моделях, реализующих функцию замещения объектов управления.

Личный вклад соискателя, В настоящую диссертационную работу вошли результаты как личных исследований автора (описание ФРВСП с характеристическими функциями, алгоритмы их функционирования, математическое описание дискретных процессов в виде интерпретируемых моделей на основе раскрашенных сетёвых представлений,, некоторые другие вопросы), так и его совместной деятельности (оптимальное, по критерию "память-быстродействие" представление структур данных, разработки в области реализации систем управления дискретными процессами на распределенной вычислительной среде).

Алво.баиш результатов диссертации. Основные результаты работы докладывались автором на международной научно-технической конференции по современным средствам связи, конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 30-летию деятельности коллектива Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, на многочисленных конференциях студентов и ас-

пирэнтов вышеназванного университета.

Публикации по результатам. Материалы Диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях, депонированных в ВИШНИ; 2 научных работах, опубликованных в Известиях Белорусской инженерной академии, 2 печатных работах, являющихся тезисами конференций; нашли отражение в 2 методических пособиях для студентов БГУИР.

Структура и объеу диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста и содержит 23 рисунка, расположенных на 17 страницах; 20 таблиц, занимающих 6 страниц; список литературы, размещенный на 9 страницах, включает 109 наименований; 3 приложения, занимающих 5 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, сформулированы цели и определены задачи исследования, выделен круг вопросов, выносимых на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы управления производственными процессами; сделан обзор основных работ по теоретическим и прикладным аспектам управления организационно-технологическими системами; перечислены известные методы и средства математической формализации дискретных производственных процессов, дана их классификация, показаны отличительные черты.

Рассматривая проблему управления гибкими производственными системами (ГПС), целесообразно выделить два качественно различных уровня этого управления: уровень собственно технологический (исполнительный) и уровень организационный.

Если для технологического уровня разработка проблемы управления достаточно продвинута в теоретическом и прикладном направлениях, то для второго уровня многие вопросы остаются нерешенными. Основные трудности реализации системного подхода к решению вопросов, связанных с построением систем управления организационно-технологическими системами, порождены обособлением теоретических направлений исследования процесса создания таких систем на областях моделирования, анализа качества, оптимизации управления и реализации управляющей части.

На современном этапе достаточно изученной является абстрактная схема функционирования сложной системы, названная агрегатом и Предложенная Н.П.Бусленко. Однако наиболее привлекательным видом описания дискретных процессов являются сети Петри и их расширения.

Доминирующая тенденция развития теории и практики построения систем управления дискретными процессами - учет свойства восприимчивости реальных систем к локальным изменениям переменных состояния. Причиной привлекательности концепции сетей Петри принято считать их ориентацию на отражение указанного свойства при формализации дискретных процессов со сложными асинхронными взаимодействиями.

При построении моделей дискретных процессов в терминах интерпретируемой сети применяются существующие в теории сетей Петри приемы формализации. При этом, однако, сразу же обнаруживается недостаток сетевых моделей - громоздкость описания, который, в частности, проявляется при -моделировании процессов с регулярной структурой.

Для преодоления указанного недостатка используются раскрашенные сети Петри, рассмотренные в работах С.В.Емельянова, J.Baer, Г.Jensen.

На основе проведенного анализа установлено, что в силу различных причин описанные расширения сетей Петри не могут обеспечить эффективное представление сложных систем и в частности дис!фетных производственных. В результате сформулированы цель и основные задачи исследования, приведенные в общей характеристике работы.

Вторая глава посвящена определению новых расишг-пяй сетей Петри - раскрашенной сети Петри с характеристическими функциями или функциональной раскрашенной сети Петрп (ФРСП) и ФРВСП. Подробно рассмотрены правила функционирования ФРВСП, построены демонстрационные модели для известных задач системы массового обслуживания и синхронизации. Проведен анализ известных структурных сетевых описаний интерпретируемых сетей; оценены размер требуемой памяти и вычислительная сложность алгоритма их функционирования. Подсчитаны выигрыш по памяти и вычислительная эффективность по сравнению с классическими сетями Петри.

Дискретные производственные процессы характеризуются значительным количеством элементарных актов. Наиболее существенные элементарные акты реального производственного процесса (Или совокупности некоторого количества таких актов) обычно называют производственными операциями. Каждая производственная операция соответствует какому-либо оборудованию, являющемуся составной частью ГПС различного уровня сложности. Состав же оборудования каждого уровня сложности ГПС, как правило, однороден.

Виртуальное сетевое описание интерпретируемой сети есть тройка отношений: декларация доменов модели (ДДИ), описание структуры смежности (ОСС), определение элементов модели (ОЭН).

Предлагается на этапе задания отношения ОСС выполнить нормализацию процесса функционирования моделируемой йиетемы, т.е. выделить элементарные акты и описать лишь уникальные из них. При таких условиях отношение ДДМ уже не может служить квалификатором вершин сетевого графа. Возникает необходимость ввести новую характеристику для вершин сети. Назовем ее характеристической функцией

Определение 1. Характеристическая функция Q - ( I, D ], где I - идентификатор функции, D - ее основание, является признаком вершин РСП, характеризующим их принадлежность тому или иному моделируемому объекту (процессу).

Определение 2. РСП, верши. .1 которой помечены характеристическими функциями, называется РСП с характеристическими функциями, или функциональней РСП.

Описание характеристических функций (ОХФ) является отношением, характеризующим ФРСП с точки зрения размножения се элементов. Схема отношения ОХФ имеет вид

ОХФ [I, D], (1)

где 1 - идентификатор характеристической функции, D - основание.

ФРСП однозначно определяется в виде параметризованной тройки отношений:

ФРСП [ОХФ. ОСС, оэм]. (г)

По способу организации могут быть выделены ФРСП следующих видов: ФРСП с вершинами, помеченными характеристическими функциями; ФРСП с вершинами, помеченными композицией характеристических функций; ФРСП с вершинами, помеченными характеристическими функциями с отрицанием входных или выходных связей.

Преимущество использования аппарата ФРСП но сравнению с классическими сетями Петри демонстрирует графический пример решения задачи об обедающих мудрецах (рис.1).

Определение 3. ФРВСП является семеркой:

ФРВСП - [ А, В, V', Q, W, М(0), D ], (3)

где А - [ al, а2, . .'. , an ] - конечное множество переходов, п > 0; В - [ М, Ь2, ..., Ьга ] - конечное множество позиций, га > 0, причем АЛВ - 0 и AUB ф О; V - функция инцидентности - отображение связи между позициями и переходами, V: (A*B)U(B*A) -> [О, 1]; Q -конечное множество характеристических функций, соответствующих (1), описывающих степень повторения и порядок раскрытия вершин сетевого графа; W - [ vil, w2, ..., wl ] - вектор взвешивания, определенный на множестве положительных целых чисел N, W: V -> N; М(0). В -> N - начальная разметка позиций, определенная на этапе построения ФРВСП на множестве неотрицательных целых чисел N, соот-

ветствующая понятию начальных условий в нулевой момент времени;' О - функция задержки переходов, определенная на множестве неотрицательных чисел й, 0: А -> И.

Функционирование сети Петри любого вида состоит в переходе от разметки М(к) к разметке М(к+1) посредством срабатывания переходов. Срабатывание переходов определяет особые события на Ф1'ВСП.

а б*

Сравнительное решение задачи об обедающих мудрецах на основе классической сети Петри (а) и ФРСП (б). Вершины ФРСП А, Т, М, Е помечены, в этом случае, характеристической функцией 0 с основанием 5, а вершина С - композицией характеристической функции ~с2<эдесг.

Рис. 1

Оцределеиие 4. Переход a(q) е A(q) при разметке Н(к) будет активизирован тогда и только тогда, когда Для всех b(q) е B(q)

m(k, b(q)) »- u(b(q), a(q)>, b(q) e In(a(q)), (4)

где w(b(q), a(q)) e W - вес связи позиции b(q) e B(q) и перехода a(q) e A(q); In(a(q)) - входная функция перехода а(а) е A(q) -отображение из перехода в комплект позиций.

Оцрецелеыие 5. Переход a(q) е A(q) ФРВСП с разметкой М(к) может быть запущен всякий раз,, когда он разрешен. Активизация перехода a(q) е A(q) в момент времени ts(k, a(q)) приводит к новой разметке И(к+1), определяемой выражением

m(k+l,b(q)) - m(k.b(q)) - u(b(q),a(q)). b(q)eln(a(q)). (5) Очевидно, что при этом ш(к+1, b(q)) - m(k), b(q)e0ut(a(q)), где Out(aíq)) - выходная функция перехода a(q) е A(q) - отображение из перехода в комплекты позиций.

Активизированный переход a(q) € A(q) после задержки на интервале d(a(q)) в момент времени

tfM, a(q)) - ts(k, a(q)) + d(a(q)), 1 > k (6)

перейдет В пассивное состояние.

Определение 6. Состояние ФРВСП в любой момент времени t>0 соответствует некоторому этщ1у функционирования 1, характеризуется вектором разметки и множеством активизированных переходов:

A(l.t) - Ii(q) j tm,i(q)) > t, i(q) e A(q)], 1 > 0. (7) Однозначное определение процесса функционирования ФРВСП может Сыть проведено в терминах (4) - (7).

Процесс функционирования ФРВСП во времени может быть согласован с последовательность» особых событий:

event(k) - <t(k), a(k,q)>, k>0. (8)

Цель решения задачи моделирования процесса функционирования ФРВСП - построение алгоритма отыскания последовательности (8).

Обращаясь к опыту в области моделирования дискретных процессов на основе интерпретируемых временных сетей Петри (ВСП), ' определим общий объем памятй для размещения статического описания ВСП Sr, который равен

Sr - 4 + б)А| + 2(|в| + jJaoj) + 3|Jai|, (9)

Где А - множество переходов; В - множество позиций; Jao - комплект списков выходных позиций переходов; Jai - комплект списков входных позиций переходов.

Достигаемое сокращение вычислительной сложности интерпретации процессов на ВСП оценивается величиной 0(|ln(x)|jOut(x)|) на каждый этап активизации перехода х, х е А. С другой стороны, обсуждаемый вариант статического описания явно предпочтительнее матрич-

ных представлений сетевых моделей, размерность . которых (|А|+|В|)**2.

Третья глава посвящена алгоритмической интерпретации сетевых моделей на основе ФРВСП. В ней предложен алгоритм функционирования ФРВСП и фиксированный набор процедур его реализующих. Описаны вводимые структуры данных для представления статического описания процессов на ФРВСП. Определены оценки эффективности статического описания по критерию "память" и алгоритма функционирования ФРВСП по критерию "быстродействие". Разработаны типы данных для реализации интерпретатора процессов на ФРВСП на языке объектно-ориентированного программирования (ООП) С++.

Ранее определенный способ представления траекторий процессов на ФРВСП соответствует принципу последовательности событий в смысле терминологии имитационного моделирования. Его реализация предполагает построение:

1) алгоритма управления последовательностью событий (8);

2) алгоритмов обработки последствий свершения особых событий.

Динамическое представление процесса функционирования ФРВСП

как нельзя лучше вписывается в парадигму ООП, поэтому статическое описание имитационной модели естественно проводить в терминах распространенного языка ООП С++.

Процедура (суть функция) орепЫпк (сокращенно оЬ) - универсальная процедура динамического раскрытия участка ФРВСП "исходная вершина - дуги - выходные вершины" а полную сеть Петри.

Обработка последствий особого события (на фрагменте полной сети Петр«) потребует наличия следующих процедур:

разз^еТгапэ^оп (рТ) - моделирование действий перехода а при передаче меток в позиции ЬеОиЦа) (передачу меток необходимо выполнить до рассмотрения других фаз процесса на ФРВСП с целью, отображения одновременности изменения разметки в выходных позициях перехода);

разЬРазэ^е (рР) - организация обработки последствий изменения разметки в позициях Ье0и1;(а) (последовательность просмотра таких позиций определяется ранее рассмотренными способами устранения конфликтных ситуаций);

possi.bleActi.ve (рА) - проверка возможности активизации переходов из множества (уеОиЪ(Ь), ЬеОиЬ(а)] посредством проверки истинности условия (4); •

асИуеТгапз1Ь1оп (аТ) - активизация перехода а, если необходимость в этом установлена процедурой ас^уеСопсИМоп (активизация перехода требует изменения разметки в позициях 1п(а) и планирова-

ния в момент t+d(a) (Ь - текущее модельное время) пассивизации перехода а, т.е. нового особого события);

Пхес1Еуеп1 (£Е) - фиксация особого события на ФРВСП Н+сНа),а> в списке событий;

сЦге^Еуеп1 (dE) - выбор очередного особого события на ФРВСП и начало нового шага моделирования, если список событий не пуст.

Теперь можно записать алгоритм моделирования процессов на ФРВСП в рекуррентном виде, указывая вложенность перечисленных процедур:

ЕуепЪ(к-И) - с!Е(рТ(оЬ() ,рР(оЦ) ,рА(оЬ() , аТ(1Е(Еуеп1;(к))))))).

Рекуррентная структура алгоритма отображает одну из эффективных, но не единственных схем его построения.

Общий объем памяти для размещения статического описания ФРВСП Б можно определить по верхней границе как

Б - 1+41А| +4{В| +3} 1п_а| +2{0иЪ_а| +3иш[ ^(Ь) ,ЬеВ,я(Ь) е(2] + + ББигаС|я(а), аеА, q(a)eQ], (10)

где 1п_а - список входных связей переходов сети; Ои^а - список выходных связей переходов сети.

Эффективность (по памяти) использования в качестве средства формализации моделируемых систем ФРВСП по сравнению с ВСП равна разности (63) между общими объемами памяти для размещения статического описания ВСП (Бг) (9) и ФРВСП (Б) (10):

с!Б - 5г-8 - 4+5|Аг|+2|Вг|+3 - 2|ОиЬ_а| - Бит[

Ла1¡+2 а(ь).о

Лао|-1-4|А|-4|В|-3|1п_а| ЬеВ, д(Ь)еС2] -

- бБит!|я(а),0|, аеА, q(a)eQ]. Вычислительная сложность процесса обработки последствий свершения отдельного события на ФРВСП

И - 0( ] ОиЪ_а | * (2* 11п_а) | * | ОиЪ_Ь | + |0и^Ь| + 1)), аеА,ЬеВ. Сравнивая полученную зависимость с выражением для расчета сложности функционирования ВСП, приходим к выводу, что рассматриваемый нами алгоритм, по критерию "быстродействие", менее эффективен, чем базовый, на величину

(Ш - 0({ОиЬ_а| * (|ОиЪ_Ь) * (1п_а + 1) + 1)), аеА, ЬеВ. Четвертая глава посвящена вопросам реализации управления дискретными процессами на сетевых интерпретируемых моделях. Рассматривается представляющая определенный интерес формализация аг-регативных систем в терминах ФРВСП. Описан проектируемый гибкий автоматизированный участок (ГАУ) цеха механообработки тел вращения. Проведена формализация процессов функционирования ГАУ на основе ФРВСП. Подготовлена ФРВСП ГАУ, проведено его моделирование на ЭВИ и дана интерпретация результатов. Рассмотрены схемы организации взаимодействия внутренних императивно определяемых процессов на ФРВСП с внешней средой- Предложенный способ реализации таких схем базируется на динамическом порождении переходов сети, осуществляющих обмен элементами сообщений между буферами портов обмена и позициями ФРВСП.

Агрегат является удобной схемой для описания широкого класса реальных объектов. Предлагается для моделирования процесса функционирования агрегата и А-систем использовать ФРВСП. Известно, что целью моделирования в любом случае является получение характеристик, определяемых состояниями моделируемой системы.

Применительно к агрегату это означает, что необходимо получать значения состояний для некоторых моментов времени интервала исследования (О, Т).

Для построения ФРВСП необходимо выделить множество объектов моделирования (разновидностей операторов состояний) и зафиксир-вать их в виде характеристических функций для последующего построения отношения ОХФ. Имеет смысл говорить о следующих характеристических функциях:

01 - ["Вх./Упр.", 2]; 02 - ["Процесс", 1]; 03 - ["Выход", п); где 01 служит для разделения поступающих в агрегат сигналов на входные и управляющие, 02 описывает неразмножающиеся вершнны ФРВСП, 03 задает количество выходных сигналов из агрегата (в случае изолированного агрегата 03.п - 1).

Обсуждение вопросов, связанных с моделированием процессов, протекающих в агрегатах и агрегативных системах, показывает, что ФРВСП являются универсальны!-« инструментальным средством формализации сложных систем вообще и дискретных производственных процессов в частности.

В качестве примера моделирования сложных систек рассматриваются производственные процессы обработки деталей в проектируемом ГАУ цеха механической обработки тел вращения. Исследование посвящено решению частной задачи .- определению оптимальных режима функционирования обрабатывающего оборудования участка и скорости движения транспортных роботов (ТР). От результатов моделирования будет зависеть выбор заказчиком тех или иных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), их начальных наладочных установок, транспортного оборудования.

В процессе функционирования ГАУ можно.выделить три качественно различные составляющие: прохождение транспортной партии заготовок и/или транспортной партии деталей (ТПЗ/ТПД) по маршруту склад-накопитель-склад, осуществляемое ТР; прохождение ТПЗ/ТПД по маршруту накопитель-станок-накопитель, осуществляемое роботом-манипулятором (РМ) внутри гибкого производственного модуля (ГПМ); обработка ТПЗ некоторым станком ГПМ.

Подробное рассмотрение функционирования ГАУ позволяет выделить следующие характеристические функции ФРВСП:

<51 - ["ТР", 21; <32 - [ТПМ", 8]; <33 - [ "РМ", 1];

04 - ["Станок", 4]; С}5 - ("Процесс", 1].

Основными характеристиками для исследования являются коэффициент загрузки станков и коэффициент использования ТР.

Гст - БитЫ].), 1-1, 2.....п]/(п*Тмод),

где зЦ) - общее время работы 1-го станка, п - количество станков.

Гтр - БитиШ, 1-1, 2]/(2'Тмод), где - общее время работы 1-Й ТР, п - количество ТР.

Очевидно, что Гст <-1, ас учетом затрат, связанных с выполнением заявок по доставке ТПЗ от склада до накопителя, Гст < 1. Гтр <- 1, ас учетом времени, необходимого на подачу ТПЗ со склада в окно выдачи, Гтр "< 1.

Обобщая информацию, полученную в результате проведенных модельных экспериментов, можно констатировать следующее:

1) к изменению времени обработки ТПЗ станками более чувствителен коэффициент загрузки станков чем коэффициент использования ТР;

2) определено наиболее приемлемое среднее время выполнения одной обрабатывающей операции над ТПЗ одним станком при соблюдении плановой скорости перемещения ТР;

3) определена оптимальная скорость перемещения ТР при выполнении требования к поддержанию среднего времени обработки ТПЗ одним станком на уровне планового.

При проектировании систем управления дискретными автоматизированными производствами возникает необходимость отладки и испытаний программных комплексов управляющей части. Один из методов решения таких задач - построение имитационных моделей, реализующих функцию замещения объектов управления. Известные примеры систем имитационного моделирования не пригодны для непосредственного создания модельной среды испытаний АСУ ГПС. Большинство из них предназначены для решения задач анализа В ускоренном масштабе времени, не являются мобильными, не поддерживают требуемые интерфейсы связи с внешней средой.

Попытка оснащения комплексного имитационно-моделирующего стенда существующими инструментальными программными средствами не имела успеха, что явилось основанием для принятия решения о разработке ИСМ/

Функциональное назначение ИСМ заключается в моделировании дискретных производственных процессов в реальном и ускоренном времени с целью решения задач анализа вариантов систем: создании имитационных моделей замещения объектов управления для тестирования и

испытаний АСУ ГПС. I

Взаимодействие с внешней средой реализуется посредством организации процессов приема-передачи сообщений. В реальной вычислительной системе для связи с внешней средой используется конечное множество интерфейсов. Каждому экземпляру интерфейса обмена поставим в соответствие на логическом уровне понятие порта приема-передачи сообщений.

Связь с внешней средой при интерпретации процессов на ФРВСП реализуется посредством динамического порождения переходов, пересылающих элементы сообщений между буферами портов обмена и позициями ФРВСП. В качестве портов обмена могут быть задействованы последовательные порты ЭВМ, обеспечивающие асинхронную связь. Оптимальной для приема-передачи сообщений, в таком случае, является программа, выполненная в виде коммуникационного прерывания, что позволяет основной программе не расходовать на ввод-вывод больше времени, чем он того требует.

В приложениях содержатся результаты моделирования ГАУ механообработки и документы, подтверждающие внедрение.

ВЫВОДЫ

1. Предложено ввести понятие функциональной раскрашенной сети на основе обобщения известных расширений сетей Петри и формализмов представления дискретных процессов посредством структуризации модели на множестве отношений вида "система - процесс". Показано, что:

функциональные раскрашенные сети могут быть построены посредством представления дискретного процесса в классе систем рекуррентных уравнений;

существенный недостаток сетевых моделей - громоздкость описания - устраняется введением нового расширения сетей Петри - раскрашенных сетей Петри с характеристическими функциями.

2. Выполненное на множестве примеров описание правил интерпретации Функциональных РСИ позволяет наиболее полно оценить преимущество вводимого расширения сетей Петри над классическими сетями Петри и выбрать схему оптимальной организации структур данных представления ФРСП.

3. Построены эффективные в смысле критерия "память-быстродействие" процедуры интерпретации сетевых моделей, составляющие ядро модельной системы управления. Посредством погружения функциональной раскрашенной сети Петри в класс временных сетей

Петри проведен анализ влияния структурных особенностей исходной сети на динамические характеристики процесса моделирования. Получены оценки полезности введения избыточности статического описания и на их основе реализованы алгоритмы функционирования системы управления средой моделирования.

Проведенное статическое описание сетевых моделей ориентировано на применение технологии ООП для создания программ, реализующих упомянутый выше алгоритм. Поэтому программирование системы управления модельной средой, выполненное на языке С++, органично влилось в ее структурное представление. В частности, интерпретация вершин ФРВСП в качестве объектов определенных классов позволила на естественном уровне отразить процессы, протекающие в исследуемой модели.

4. Представлены способы программной реализации статического и динамического описаний процессов на ФРВСП. Получены оценки размерности сетевых описаний, выделены конфликтные ситуации на сети и приемы их разрешения.

5. Отражена возможность формализации широкого класса сложных систем на основе ФРВСП посредством промежуточного представления ими А-систем Бусленко. Подробно рассмотрен алгоритм функционирования агрегата, построена ФРВСП, моделирующая его работу. Показан механизм расширения ФРВСП для представления А-системы.

Достаточно полно обсуждены вопросы, связанные с построением модели дискретного производственного процесса - ГАУ механообработки. Показано, каким образом достигается экономия памяти для хранения описания модели на основе ФРВСП по сравнению с ВСП.

Обсуждены проблемы сбора и отображения модельной информации в ходе функционирования модели. Рассмотрены способы ввода в систему управления модельной средой эффективного метода представления информации.

Результаты исследований практически использованы при построении системы управления ГАУ механообработки в модельной среде, реализованной на основе ФРВСП.

6. Характерная особенность построения модельной среды замещения объектов управления ГПС - разнородность исходных формализованных представлений моделируемых объектов и необходимость реализации процесса моделирования в предопределенной вычислительной системе. Общецелевые системы имитационного моделирования не приспособлены для непосредственного применения в комплексных имитационно -моделирующих стендах. Предложено построить специализированную систему моделирования дискретных производственных процессов в

реальном времени на основе ФРВСП, обобщающих концепцию сетей Петри и их расширений.

7. Рекомендуется Использовать разработанную систему моделирования на основе ФРВСП для построения системы испытаний контура оперативного управления дискретными производственными процессами в мсдельноЛ среде. Для привязки системы моделирования к конкретным условиям эксплуатации необходимо разработать или адаптировать реальные процедуры отображения моделируемых процессов и информационного обмена по физическим каналам связи.

1. Иванчиков A.A. Реализация системы управления дискретными процессами на основе функциональных раскрашенных сетей Петри / Известия Белорусской инженерной академии / Минск, 1997, N"1 (3)/1. -С.69-92.

2. Иванчиков A.A. Решение задач распределения ресурсов // Радиолюбитель. Ваш компьютер. 1997, N9 - С.10-12.

3. Иванчиков A.A., Ревотхж М.П. Структуризация сетевых описаний дискретных производственных процессов на основе функциональных раскрашенных сетей Петри / Известия Белорусской инженерной академии / Минск, 1997, N"1 (3)/1. - С.93-97.

4. Ревотюк М.П., Иванчиков A.A. Динамическое описание процессов на сетевых моделях / БГУИР - Минск, 1997. - 24 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.02.97, N 403-В9Г, .

5 Ревотюк М.П., Иванчиков A.A. Моделирование процессов функционирования гибкой производственной системы на базе аппарата раскрашенных сетей Петри / БГУИР - Минск, 1997. - 23 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.02.97, N 401-В97.

6. Ревотюк М.П., Иванчиков A.A. Продукционная система моделирования дискретных процессов в реальном времени на основе языка Си // Научная конференция профессорско-преподавательского состава, посвященная 30-летию БГУИР. -Минск, 1994. - С.220.

7. Ревотюк M.II. , Иванчиков A.A. Реляционный подход к структуризации имитационных моделей организационно-технологических систем // Научная конференция профессорско-преподавательского состава, посвященная 30-летию БГУИР. -Минск, 1994. - С.221.

8. Ревотюк М.П., ИванЧиков A.A. Статическое описание имитационных моделей на основе раскрашенных сетей Петри / БГУИР - Минск, 1997. - 27 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.02.97, N 40°-пп7

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

РЭЗЮЫЭ

1ванчыкау Аляксандр АЛяксандрав1ч

МАДЭЛЯВАПНЕ I АПТШЛЗАЦЫЯ К1РАВАННЯ ДЫСКРЭТНЫШ ПРАЦЭСАМ1 НА АСНОВЕ РАЗМАЛЯВАНЫХ СЕТАК ПЕТРЫ

Ключавыя словы: 1м1тацыйнае мадэляванне, дыскрэтныя вытворчыя працзсы, с1стэмы рэальнага часу, аптытзацыя к1равання, размалява-ныя сетк! Петры, аб'ектна-арыентаванае праграмаванне.

У рабоце распавядаецца пра разработку 1 практычную рэал1зацыго метадау 1 сродкау мадэлявання 1 аптытзацьи к1раваиня дыскрэтгали працэсам1 на основе функцыянальных размаляваных сетак Петры. У ей выканана фармал1зацыя паняцця сетак з характарыстычным1 функциям1 1 прапанаваны алгарытмы 1х 1нтэрпрэтыцьи. Створаны метады пабудовы структурызаваных сеткавых атсанняу дыскрзтных працэсау у шматуз-роуневых с1стэмах з пратакольным узаемадзеяннем злементау. Пабуда-ваны 1 ап!саны працэдуры штэрпрэтацьи 1м1тацыйных мадэляу, рэал}-зуючых функцыю замяшчэння аб'ектау кдравання.

Распрацаваны метад пабудовы структурызаваных 1м1тацыйных мадэляу дыскрэтных працэсау адрозн1ваецца тым, што ей дазваляе ва уяным выглядзе адлюстраваць структурна-функцыянальныя аспекты па-водз!н складаных шматузроуневых с1стэм, аднак у больш зжатым выглядзе у параунанш з вядомам! прадстауленням1 сеткавых агпсанняу. Прапанаваны алгарытмы мадэлявання працэсау на сеткавых мадэлях, як1 адрозн!ваецца ад вядомых высокай эфектыунасцю па крытэрыю "па-мяць - скорадзеянне", дазваляе выкарыстоуваць яго у якасц1 ядра праграмнага забеспячэння с1стэм к!равання днскрзткым1 працэсаш у рэальным часе.

Рэзультаты днсертацыйнай работы укаранены 1 выкарыстаны у ВКБ "Квант" НПО "Гранат", а таксама у вучэбным працэсе кафедры ИТ БДУ1Р.

РЕЗЮМЕ

Иванчиков Александр■Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ РАСКРАШЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕТРИ

Ключевые слова: имитационное моделирование, дискретные произ водственные процессы, системы реального времени, оптимизация уп равления, раскрашенные сети Петри, объектно-ориентированное программирование .

Работа посвящена разработке и практической реализации методов и средств моделирования и оптимизации управления дискретными процессами на основе функциональных раскрашенных сетей Петри. В ней выполнена формализация понятия раскрашенных сетей Петри с характеристическими функциями и предложены алгоритмы их интерпретации. Созданы методы построения структуризованных сетевых описаний дискретных процессов в многоуровневых системах с протокольным взаимодействием элементов. Построены и описаны процедуры интерпретации имитационных моделей, реализующих функцию замещения объектов управления .

Разработанный метод построения структуризованных имитационных моделей дискретных процессов отличается тем, что он позволяет в явном виде отразить структурно-функциональные аспекты поведения сложных многоуровневых систем,. однако в гораздо более сжатом виде по сравнению С известными представлениями сетевых описаний. Предложенный алгоритм моделирования процессов на сетевых моделях, отличающийся от известных высокой эффективностью по критерию "память - быстродействие", позволяет использовать его в качестве ядра программного обеспечения систем управления дискретными процессами в реальном времени.

Результаты диссертационной работы внедрены и использованы в ОКБ "Квант" НПО "Гранат", а также в учебном процессе кафедры ИИТ БГУИР.

SUMMARY

Ivanchikov Alexander Aléxandrovich

SIMULATION AND OPTIMISATION OF THE CONTROL OF DISCRET PROCESSES ON THE BASIS OF COLORED PETRI NETS

Key words: imitationing simulation, discret production processes, systems of real time, control's optimisation, colored Petri nets, object oriented programming.

The thesis is focused on the development and practical application of methods a means of simulation and optimisation of the control of discret processes on the basis . of functional colored Petri nets. It contains the description of notion of colored Petri nets with characteristic functions and offers algorithms of their interpretation. It also includes new methods of building structural netting describtions of discret processes in multilevel systems with reporting interaction elements. Also here the procedures interpretation imitationg models realisationing function of replace control objects are built and described.

The method of building structural imitationing models of discret processes differ him other in allowing aboiously display of structural and functional aspects of conduct of complicated multilevel systems, but in more compressed view in comparison with well-known presentations of nets descriptions. The suggested algorithm of simulation of processes on netting models which differs from well-known high effectiveness by criterion "memory-speed", allows its using as a substance of software control systems of discret processes managment in real time,

The results of thesis were inculcated and used in EDO "Fvant" SPU "Granat" and also in educational process of IIT department of BSUIR.

Иванчиков Александр Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДИСКРЕТНЫМИ ПРОЦЕССАМИ НА ОСНОВЕ РАСКРАШЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕТРИ

05.13. 01 - Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 20.01.98. Форма? 60x84 1/16,

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л, 1,22. Уч.-изд.л. 1,0. Тира* 90 экз, Заказ 40.

Белорусский государственный удоерситет информатики и радиоэлектроники

Отпечатано в ЕГУИР. 220027, Минск, П.Бровки, 6