基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法技術

本發明專利技術公開了一種基于二叉決策圖（BDD）的企業車間死鎖的快速預防方法。本發明專利技術通過Petri網對企業車間系統進行模擬和分析，利用可以壓縮表示布爾函數的數據結構BDD進行求解和統計。包括以下步驟：采用Petri網對企業車間生產系統建模；基于BDD快速求解Petri網模型的極小信標集；基于陷阱定義或者與信標的逆反關系，快速求解Petri網的陷阱集；分析、規劃極小信標和陷阱，求解Petri網模型的嚴格極小信標集；通過對嚴格極小信標集的分析，獲得新的控制庫所集和對應的關系弧，以此控制嚴格極小信標集全都為不被清空的，從而實現對企業車間死鎖的預防。本發明專利技術具有死鎖控制器求解過程需要較少的求解時間和存儲空間的優點。

A fast method for preventing enterprise workshop deadlock based on BDD

The invention discloses a method for quickly preventing enterprise workshop deadlock based on two fork decision diagram (BDD). The method is used to simulate and analyze the enterprise workshop system through the Petri net, and the data structure BDD which can be used to compress the Boolean function is used to carry out the solution and statistics. Includes the following steps: using Petri net modeling of enterprise workshop production system; minimum beacon BDD fast solution Petri net model based on set; the reverse relationship based on trap definition or with beacons, fast computation of Petri network analysis, planning trap set; minimal siphons and traps, and strict minimal siphons solution of Petri net model through the set; analysis on the set of strict minimal siphons, obtain the relationship between arc set control and the corresponding new library, in order to control the set of all strict minimal siphons is not be empty, so as to achieve the prevention of enterprise deadlock. The invention has the advantages that the solving process of the deadlock controller needs less solving time and storage space.

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于車間作業調度與控制
，特別是一種基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法。
技術介紹
隨著經濟的不斷發展，人們對物質產品的不斷追求，致使企業車間制造系統也在不斷地發展。由于技術的飛速發展，現代化的自動化生產制造早已投入使用，但是在效率、規模不斷增大的背景下，由于系統資源不足、工作部件間工作順序不合適或系統中資源分配不當等，導致系統中時常出現死鎖情況。如何能快速有效地解決如死鎖等帶來的問題，早已成為各個領域所高度關注的問題，也是各領域不斷突破和研究的方向。這些領域主要有集計算輔助設計(CAD)技術、機電一體化技術、模糊控制技術、模糊數學、人工智能、專家系統技術和人工神經網絡(ANN)技術等。但是在研究、分析和模擬異步自動制造系統時，核心困難是如何能快速地表示、統計和處理系統中的狀態及其變化情況。Petri網是一種用于異步、并發和動態的系統的圖形化、數學化建模工具，用于分析、設計、模擬和研究異步、并發、不確定性和隨機的離散事件動態系統。根據有關系統結構和動態行為方面的信息，可以對要開發或者維護的系統進行評價和改進。而且Petri網是基于結構圖和流程圖形式，所以可以很直觀、形象地觀察和分析模型，同時，作為一種數學工具Petri網可以建立狀態方程、代數方程以及系統行為的其他數學模型，便于計算和驗證?；谶@些優質的特性，使得Petri網建模被廣泛應用于許多領域，包括分布式軟件系統、分布式數據庫系統、并發程序、柔性制造系統、離散事件系統、多處理機存儲系統、數據流計算系統和邏輯程序等方面。在這些繁多而又各異的領域中被應用，也使得Petri網模型得到了快速發展，已經形成了相對規范的理論基礎和典型的使用案例等。利用Petri網模型對異步、并行自動化制造系統進行分析、處理和模擬早已被實現，也經歷了很多年的研究，現有的Petri網分析方法主要有可達樹、狀態方程以及結構化簡等。其中使用最多的也是最有效的是可達樹方法，可達樹方法其實質是通過枚舉方式窮舉生成Petri網的所有可達標識向量，并以樹結構形式表示Petri網的可達狀態空間，進而判定、分析模型的活性、安全性和可達性等性質。而在Petri網模型中，由系統自身的并發特性和狀態變遷的語義交織引起的狀態組合復雜性，是Petri網分析技術中的一個瓶頸問題，嚴重制約了Petri網的應用。二叉決策圖(BDD)是可對等與布爾函數的壓縮表示的數據結構，可以高效地解決Petri網狀態組合爆炸問題。BDD的本質是通過使用較小的數據結構，來表示龐大的數據集合，是一種可高效處理大數據集的數據結構。Pastor等建立了基于BDD的Petri網符合分析方法，主要是使用BDD表示Petri網的庫所標識的特征函數，對Petri網的各種性能進行分析。并且也是為分析、處理大規模Petri網模型研究探索出了一條全新道路，后來許多研究都是基于Pastor的這篇論文開展的(EPastor，ORoig，JCortadella，RMBadia.PetriNetAnalysisUsingBooleanManipulation.LectureNotesinComputerScience,1994:416～435)。李志武等提出了求解Petri網模型的信標，然后通過對每一個信標添加一個控制庫所及其連接弧，使得其P-不變式可控，以此來達到對Petri網模型死鎖預防的目的。其實質是通過添加新的庫所使得信標在任意變遷后，都不至于演變為空集情況(閆明明，李志武，鐘春富.S3PR網的一種死鎖預防策略.西安電子科技大學學報(自然科學版)，2008，35(2)：330～333.)。Li和Zhou提出的基本信標理論，將Petri網中的嚴格極小信標分為基本信標和從屬信標，通過為每一個基本信標添加一個控制庫所，使其P-不變式可控，不僅能極大地減少控制庫所的數目，而且能達到更好的控制效果。這是通過縮減所需考慮、分析的庫所集數，來減少所需添加控制庫所的信標集，從而減少提高運算效率的方式(LiZW，ZhouMC.ElementarySiphonsofPetriNetsandTheirApplicationtoDeadlockPreventioninFlexibleManufacturingSystems[J].IEEETransonSystManCybern，2004，34(1)：38～51.)。針對Petri網模型死鎖分析、處理和預防的研究，已經在很多方面取得了進步，比如通過基于信標添加控制庫所來預防死鎖，通過分解嚴格極小信標來提高運算效率，通過在不同類型的模型中引用死鎖預防策略研究等。在各領域研究者的共同努力下，對于Petri網模型的分析、研究和死鎖的控制方面已經取得了很大成就，但是還是存在一些問題：(1)狀態組合爆炸問題。在Petri網模型中，由系統自身的并發特性和狀態變遷的語義交織引起的狀態組合復雜性，從而導致狀態集會隨著Petri網模型的規模呈指數級增長。這給規模稍大或者關系稍微復雜的模型研究帶來了致命問題，這也使得當今的很多研究都是基于中小規模的系統模型的原因。(2)大批量的數據間運算、求解問題。在分析、求解Petri網模型相關標識集時，模型中涉及的狀態標識集量大，而且還需相互之間做計算和處理，通常都是十分復雜的，甚至是現有工具不可實現的操作。
技術實現思路
本專利技術的目的在于以企業車間制造系統的生產任務和生產資源為研究對象，提供一種存儲空間大大減少，但可快速、高效地計算出死鎖預防監督控制器，并且可適用大規模的網系統的方法。實現本專利技術目的的技術解決方案為：一種基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法，首先利用Petri網實現企業車間生產系統建模，和Petri網模型的信標、極小信標、陷阱以及嚴格極小信標的快速求解，之后根據所求得的嚴格極小信標添加新的控制庫所和對應的弧來實現死鎖的預防，具體包括以下步驟：步驟1、利用Petri網實現企業車間生產系統的建模：歸類生產系統主要有工作部件和共享資源，工作部件按照一定的規則并發執行和共享系統的資源。使用Petri網的庫所中的托肯數表示資源數，使用Petri網的變遷表示工作部件，使用Petri網中庫所與變遷間的關系弧表示生產系統中的規則。這樣即可將現實的企業車間生產系統模型化，使用Petri網模型表示，并且通過分析、處理Petri網模型來實現對實際系統的研究和控制。步驟2、Petri網模型的極小信標求解過程如下：首先需要根據Petri網信標的定義，即非空集合滿足則S為信標，結合信標的求解公式求解出模型中的所有信標?；贐DD求解出的所有信標，去除其中具有包含關系的信標集，同時去除集合中的空集，剩下的庫所集即為所需求解的極小信標集；步驟3、Petri網模型的陷阱求解過程如下：Petri網模型陷阱的定義為，若非空集合滿足則稱S為陷阱，由定義可知陷阱和極小信標是互為反向的庫所集。所以求解Petri網模型的陷阱有兩種方法，第一種可以直接根據定義和求解公式進行求解，同時去除具有包含關系的信標集和空集等。第二種是利用與信標的互逆關系，將Petri網N逆向表示為N'，則根據逆向網N'求解信標即為正向網N中的陷阱；步驟4、Petri網模型的嚴格極小信標求解過程如下：由嚴格極小信標的定義可知，若信本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法，其特征在于，步驟如下：步驟1、利用Petri網對企業車間生產系統進行建模，具體為：使用Petri網的庫所中托肯數表示資源數，使用Petri網的變遷表示工作部件，使用Petri網中庫所與變遷間的關系弧表示生產系統中的規則；步驟2、對Petri網模型的極小信標進行求解，求出極小信標集；步驟3、求取Petri網模型的陷阱；步驟4、求取Petri網模型的嚴格極小信標；步驟5、基于步驟4求得的嚴格極小信標添加新的控制庫所和對應的關系弧來實現Petri網死鎖預防。

【技術特征摘要】
1.一種基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法，其特征在于，步驟如下：步驟1、利用Petri網對企業車間生產系統進行建模，具體為：使用Petri網的庫所中托肯數表示資源數，使用Petri網的變遷表示工作部件，使用Petri網中庫所與變遷間的關系弧表示生產系統中的規則；步驟2、對Petri網模型的極小信標進行求解，求出極小信標集；步驟3、求取Petri網模型的陷阱；步驟4、求取Petri網模型的嚴格極小信標；步驟5、基于步驟4求得的嚴格極小信標添加新的控制庫所和對應的關系弧來實現Petri網死鎖預防。2.根據權利要求1所述的基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法，其特征在于，步驟2對Petri網模型的極小信標進行求解，求出極小信標集具體為：步驟2-1、根據Petri網理論和BDD求解特性，求解單個信標的特征函數再利用特征函數求解出網系統中的所有信標；其中，pi和pj表示網系統中的庫所；P表示所有庫所集合；t表示網系統中的變遷；步驟2-2、基于步驟2-1已求得的所有信標集，去除其中存在的空集，得到非空庫所集步驟2-3、依據庫所集間的關聯函數去除信標間具有包含性的信標，即保留相對獨立不具有包含性的信標集；其中，pi表示當前所求的未知庫所集，qi表示與之關聯的庫所集；步驟2-4、在做去除具有包含性信標時，循環去除具有最大包含性的信標集實現批量地去除非極小信標而非逐個去除，得到嚴格極小信標集其中n表示網系統中庫所的數目。3.根據權利要求1所述的基于BDD的企業車間死鎖的快速預防方法，其特征在于，步驟3中Petri網模型陷阱的定義為，若非空集合滿足則稱S為陷阱；求取Petri網模型的陷阱求解方法兩種：第一種方法與步驟2-1求取所有信標的方法相同；第二種方法是根據陷阱與信標間互為逆向的關聯關系，將Petri網模型反向表示即將關聯矩陣逆向，然后基于逆向的Petri網模型求解出的信標集即為正向模型的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃波，張加浪，蔡志成，丁高瞻，裴焱棟，
申請(專利權)人：南京理工大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32