基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二叉决策图（BDD）的企业车间死锁的快速预防方法。本发明专利技术通过Petri网对企业车间系统进行模拟和分析，利用可以压缩表示布尔函数的数据结构BDD进行求解和统计。包括以下步骤：采用Petri网对企业车间生产系统建模；基于BDD快速求解Petri网模型的极小信标集；基于陷阱定义或者与信标的逆反关系，快速求解Petri网的陷阱集；分析、规划极小信标和陷阱，求解Petri网模型的严格极小信标集；通过对严格极小信标集的分析，获得新的控制库所集和对应的关系弧，以此控制严格极小信标集全都为不被清空的，从而实现对企业车间死锁的预防。本发明专利技术具有死锁控制器求解过程需要较少的求解时间和存储空间的优点。

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.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车间作业调度与控制
，特别是一种基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法。
技术介绍
随着经济的不断发展，人们对物质产品的不断追求，致使企业车间制造系统也在不断地发展。由于技术的飞速发展，现代化的自动化生产制造早已投入使用，但是在效率、规模不断增大的背景下，由于系统资源不足、工作部件间工作顺序不合适或系统中资源分配不当等，导致系统中时常出现死锁情况。如何能快速有效地解决如死锁等带来的问题，早已成为各个领域所高度关注的问题，也是各领域不断突破和研究的方向。这些领域主要有集计算辅助设计(CAD)技术、机电一体化技术、模糊控制技术、模糊数学、人工智能、专家系统技术和人工神经网络(ANN)技术等。但是在研究、分析和模拟异步自动制造系统时，核心困难是如何能快速地表示、统计和处理系统中的状态及其变化情况。Petri网是一种用于异步、并发和动态的系统的图形化、数学化建模工具，用于分析、设计、模拟和研究异步、并发、不确定性和随机的离散事件动态系统。根据有关系统结构和动态行为方面的信息，可以对要开发或者维护的系统进行评价和改进。而且Petri网是基于结构图和流程图形式，所以可以很直观、形象地观察和分析模型，同时，作为一种数学工具Petri网可以建立状态方程、代数方程以及系统行为的其他数学模型，便于计算和验证。基于这些优质的特性，使得Petri网建模被广泛应用于许多领域，包括分布式软件系统、分布式数据库系统、并发程序、柔性制造系统、离散事件系统、多处理机存储系统、数据流计算系统和逻辑程序等方面。在这些繁多而又各异的领域中被应用，也使得Petri网模型得到了快速发展，已经形成了相对规范的理论基础和典型的使用案例等。利用Petri网模型对异步、并行自动化制造系统进行分析、处理和模拟早已被实现，也经历了很多年的研究，现有的Petri网分析方法主要有可达树、状态方程以及结构化简等。其中使用最多的也是最有效的是可达树方法，可达树方法其实质是通过枚举方式穷举生成Petri网的所有可达标识向量，并以树结构形式表示Petri网的可达状态空间，进而判定、分析模型的活性、安全性和可达性等性质。而在Petri网模型中，由系统自身的并发特性和状态变迁的语义交织引起的状态组合复杂性，是Petri网分析技术中的一个瓶颈问题，严重制约了Petri网的应用。二叉决策图(BDD)是可对等与布尔函数的压缩表示的数据结构，可以高效地解决Petri网状态组合爆炸问题。BDD的本质是通过使用较小的数据结构，来表示庞大的数据集合，是一种可高效处理大数据集的数据结构。Pastor等建立了基于BDD的Petri网符合分析方法，主要是使用BDD表示Petri网的库所标识的特征函数，对Petri网的各种性能进行分析。并且也是为分析、处理大规模Petri网模型研究探索出了一条全新道路，后来许多研究都是基于Pastor的这篇论文开展的(EPastor，ORoig，JCortadella，RMBadia.PetriNetAnalysisUsingBooleanManipulation.LectureNotesinComputerScience,1994:416～435)。李志武等提出了求解Petri网模型的信标，然后通过对每一个信标添加一个控制库所及其连接弧，使得其P-不变式可控，以此来达到对Petri网模型死锁预防的目的。其实质是通过添加新的库所使得信标在任意变迁后，都不至于演变为空集情况(闫明明，李志武，钟春富.S3PR网的一种死锁预防策略.西安电子科技大学学报(自然科学版)，2008，35(2)：330～333.)。Li和Zhou提出的基本信标理论，将Petri网中的严格极小信标分为基本信标和从属信标，通过为每一个基本信标添加一个控制库所，使其P-不变式可控，不仅能极大地减少控制库所的数目，而且能达到更好的控制效果。这是通过缩减所需考虑、分析的库所集数，来减少所需添加控制库所的信标集，从而减少提高运算效率的方式(LiZW，ZhouMC.ElementarySiphonsofPetriNetsandTheirApplicationtoDeadlockPreventioninFlexibleManufacturingSystems[J].IEEETransonSystManCybern，2004，34(1)：38～51.)。针对Petri网模型死锁分析、处理和预防的研究，已经在很多方面取得了进步，比如通过基于信标添加控制库所来预防死锁，通过分解严格极小信标来提高运算效率，通过在不同类型的模型中引用死锁预防策略研究等。在各领域研究者的共同努力下，对于Petri网模型的分析、研究和死锁的控制方面已经取得了很大成就，但是还是存在一些问题：(1)状态组合爆炸问题。在Petri网模型中，由系统自身的并发特性和状态变迁的语义交织引起的状态组合复杂性，从而导致状态集会随着Petri网模型的规模呈指数级增长。这给规模稍大或者关系稍微复杂的模型研究带来了致命问题，这也使得当今的很多研究都是基于中小规模的系统模型的原因。(2)大批量的数据间运算、求解问题。在分析、求解Petri网模型相关标识集时，模型中涉及的状态标识集量大，而且还需相互之间做计算和处理，通常都是十分复杂的，甚至是现有工具不可实现的操作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以企业车间制造系统的生产任务和生产资源为研究对象，提供一种存储空间大大减少，但可快速、高效地计算出死锁预防监督控制器，并且可适用大规模的网系统的方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法，首先利用Petri网实现企业车间生产系统建模，和Petri网模型的信标、极小信标、陷阱以及严格极小信标的快速求解，之后根据所求得的严格极小信标添加新的控制库所和对应的弧来实现死锁的预防，具体包括以下步骤：步骤1、利用Petri网实现企业车间生产系统的建模：归类生产系统主要有工作部件和共享资源，工作部件按照一定的规则并发执行和共享系统的资源。使用Petri网的库所中的托肯数表示资源数，使用Petri网的变迁表示工作部件，使用Petri网中库所与变迁间的关系弧表示生产系统中的规则。这样即可将现实的企业车间生产系统模型化，使用Petri网模型表示，并且通过分析、处理Petri网模型来实现对实际系统的研究和控制。步骤2、Petri网模型的极小信标求解过程如下：首先需要根据Petri网信标的定义，即非空集合满足则S为信标，结合信标的求解公式求解出模型中的所有信标。基于BDD求解出的所有信标，去除其中具有包含关系的信标集，同时去除集合中的空集，剩下的库所集即为所需求解的极小信标集；步骤3、Petri网模型的陷阱求解过程如下：Petri网模型陷阱的定义为，若非空集合满足则称S为陷阱，由定义可知陷阱和极小信标是互为反向的库所集。所以求解Petri网模型的陷阱有两种方法，第一种可以直接根据定义和求解公式进行求解，同时去除具有包含关系的信标集和空集等。第二种是利用与信标的互逆关系，将Petri网N逆向表示为N'，则根据逆向网N'求解信标即为正向网N中的陷阱；步骤4、Petri网模型的严格极小信标求解过程如下：由严格极小信标的定义可知，若信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、利用Petri网对企业车间生产系统进行建模，具体为：使用Petri网的库所中托肯数表示资源数，使用Petri网的变迁表示工作部件，使用Petri网中库所与变迁间的关系弧表示生产系统中的规则；步骤2、对Petri网模型的极小信标进行求解，求出极小信标集；步骤3、求取Petri网模型的陷阱；步骤4、求取Petri网模型的严格极小信标；步骤5、基于步骤4求得的严格极小信标添加新的控制库所和对应的关系弧来实现Petri网死锁预防。

【技术特征摘要】
1.一种基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、利用Petri网对企业车间生产系统进行建模，具体为：使用Petri网的库所中托肯数表示资源数，使用Petri网的变迁表示工作部件，使用Petri网中库所与变迁间的关系弧表示生产系统中的规则；步骤2、对Petri网模型的极小信标进行求解，求出极小信标集；步骤3、求取Petri网模型的陷阱；步骤4、求取Petri网模型的严格极小信标；步骤5、基于步骤4求得的严格极小信标添加新的控制库所和对应的关系弧来实现Petri网死锁预防。2.根据权利要求1所述的基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法，其特征在于，步骤2对Petri网模型的极小信标进行求解，求出极小信标集具体为：步骤2-1、根据Petri网理论和BDD求解特性，求解单个信标的特征函数再利用特征函数求解出网系统中的所有信标；其中，pi和pj表示网系统中的库所；P表示所有库所集合；t表示网系统中的变迁；步骤2-2、基于步骤2-1已求得的所有信标集，去除其中存在的空集，得到非空库所集步骤2-3、依据库所集间的关联函数去除信标间具有包含性的信标，即保留相对独立不具有包含性的信标集；其中，pi表示当前所求的未知库所集，qi表示与之关联的库所集；步骤2-4、在做去除具有包含性信标时，循环去除具有最大包含性的信标集实现批量地去除非极小信标而非逐个去除，得到严格极小信标集其中n表示网系统中库所的数目。3.根据权利要求1所述的基于BDD的企业车间死锁的快速预防方法，其特征在于，步骤3中Petri网模型陷阱的定义为，若非空集合满足则称S为陷阱；求取Petri网模型的陷阱求解方法两种：第一种方法与步骤2-1求取所有信标的方法相同；第二种方法是根据陷阱与信标间互为逆向的关联关系，将Petri网模型反向表示即将关联矩阵逆向，然后基于逆向的Petri网模型求解出的信标集即为正向模型的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄波，张加浪，蔡志成，丁高瞻，裴焱栋，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32