（机械制造及其自动化专业论文）分布式制造资源集成系统的研究.pdf

摘要 摘要 由于顾客对产品个性化要求不断提高，科技发展对产品升级换代的 促进，以及生产全球化的趋向，使对市场和产品需求的敏捷反应越来越 成为制造业提升企业竞争力的重要因素。所以根据市场机遇、联合不同 性质、不同区域的企业，以实现资源共享，优势互补的分布式生产，将 成为未来制造业的主要生产模式。而资源集成系统则是分布式生产的主 要使能技术之一，其主要作用在于首先通过资源集成对相关企业资源进 行集成，这将有效地克服单个企业资源有限性与由于产品寿命周期短而 对资源多样性要求的矛盾；其次进行资源集成可以针对产品的要求，对 资源进行合适的配置从而形成新的制造系统，这将极大地提高企业制造 系统的柔性；最后通过资源的集成可对资源进行动态调度，这是保证生 产过程连续和产品优质的必要前提。 分布式制造资源集成系统中所指资源是广义的，泛指根据产品需要， 在全球化制造环境下产品全寿命周期各阶段与企业内外部相关资源，它 们有着不同的属性，不同的结构模式，不同的通讯标准，所以该系统是 一个异构的十分复杂的人造系统。构建这样的系统，用传统的制造信息 系统构建方法是无法实现的。本论文的目标是利用离散数学、多智能体 系统和离散事件动态系统r w 监控理论等理论工具，研究出一套既有功 能需求分析，又有控制需求分析，并将两者紧密结合起来的方法，该方 法可对分布式制造资源集成系统进行建模，构建和管理，使该系统具有 优化集成、实时监控、动态调度和快速重组的功能。这一研究具有重要 的理论和实际应用意义。 本论文在分析分布式制造资源集成系统对分布式制造的重要性及其 系统主要特点的基础上，提出在构造分布式制造资源集成系统这一类复 杂人造系统时，除了进行传统的功能需求分析外，还应对系统进行控制 需求的分析，以保证系统的一系列受控性能，从而提升建造复杂人造系 统的理性化水平，克服在系统建模和调试过程中，需要耗费巨大资源和 遗留不少隐蔽错误的缺陷。 为此，本论文作者根据系统论的观点和离散事件动态系统r w 监控 理论，构建了典型的资源单元结构，提出由这些单元结构构造系统的原 则。接着在对系统进行功能需求分析时，将功能需求与控制需求结合起 华南理= l = 大学工学博士学锭论文 兰曼詈攀拦鼍鼍! 曼葛燃蔓皇曼墨詈鼍燃皇皇曼! ! 黑懋邕皇! ! ! 默篁皇! ! 詈烹燃靶曼量曼暑删, ii i 世皇! ! ! 葛燃篡! 来，建造了递玲擦铡形式约，貔进行实对鉴控并根据监擦结果进 亍快遗 重组的分布式制造资源集成系统。接着为了快速的传递信息，文章作者 剥髑虚拟慰域稠的网络技术构建了系统豹运行网终乎台。论文段后介缨 了局部功能验证实验和应用实例。 关键词：分布式制造；赘源集成；离散事件动态系统；控制结构；虚拟 局域网 丑 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t st ot h ep e r s o n a l i t yp r o d u c t sa n dt h e s c i e n t i f i c d e v e l o p m e n tp r o m o t i o n s t on e w g e n e r a t i o np r o d u c t s ，t h e m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n gt e n d st ob ew o r l d w i d e t h e s ec h a n g e sm a k et h e r a p i d r e f l e c t i o n st ot h e r e q u i r e m e n t s f o r m a r k e t i n g a n d p r o d u c tg o o d s b e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt o i m p r o v et h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y f o r e n t e r p r i s e s i n f n a 珏娃f a c 挂f i n ge n g i n e e r i n g t h ed i s t r i b u t e d 掰a 圭l 珏f a e 珏f 穗g m o d et h a tf e a t u r e do fs h a r i n gr e s o u r c e sa n da d v a n t a g e sa m o n ge n t e r p r i s e s f r o md i f f e r e n tr e g i o n sa n dc a t e g o r i e sh a sa l r e a d yb e c o m et h em a i nm o d e s i nt h ef u t u r e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h e r e s o u r c e si n t e g r a t e d s y s t e m is o n eo ft h em a i n t e c h n o l o g i e s i n d is t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n g t h e m a i n f u n c t i o no fw h i c hi st o i n t e g r a t e t h e e n t e r p r i s e r e s o u r c e s b yw a y o f r e s o u r c e si n t e g r a t e di no r d e rt o g e tr i do ft h ee o n t r a d i c i o n sb e t w e e nt h e l i m i t e d s i n g l ee n t e r p r i s e r e s o u r c ea n dt h e v a r i e t y r e s o u r c e r e q u i r e m e n t s d u et ot h es h o r tl i f e t i m eo ft h ep r o d u c t s t h es e c o n df u n c t i o no fr e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e mi s t h a ti tc a nb u i l du pn e ws y s t e m st h r o u g ht h es u i t a b l e a r r a n g e m e n t so ft h er e s o u r c e sb a s e do nt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ep r o d u c t s + a n dt h i s g i v e st h ee n t e r p r i s em u c hm o r ef l e x i b i l i t yt ot h em a n h f a c t b 正箍g s y s t e m so fi t f i n a l l yd y n a m i cr e s o u r c e sd i s p a t c h i n gc a nb em a d eb yt h e r e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m t o g u a r a n t e e c o n t i n u o u s p r o d u c t i o np r o c e s s a n dh i g hq u a l i t yp r o d u c t s t h e r e s o u r c e si nt h er e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m o f d i s t r i b u t e d m 鑫n 娃奴e 珏蛀硅ga r ei ng e n e r a l i z e ds e n s e 。t h e yr e f e rt ot h er e l a t e dr e s o u r c e s b e t w e e nt h ed i f f e r e n t s t a g e s o ft h ew h o l el i f e t i m eo f p r o d u c t s a n dt h e i n n e ra n do u t e ro f e n t e r p r i s e s u n d e rw o r l d w i d e m a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t s t h e s er es o u r c e sh o l dd i f f e r e n t a t t r i b u t e s ，d i f f e r e n t s t r u c t u r a lm o d e sa n dd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sa n dl e a dt oav e r y c o m p l i c a t e da r t i f i c i a ls y s t e mw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e s t h es y s t e mc a n n o t b ec o n s t r u c tw i t ht h eo n ea st h a tf o rt r a d i t i o n a l s y s t e m s t h i st h e s i s i s a i m e da tt o d e v e l o p am e t h o dt h a tc o m b i n e st h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s a n a l y s i s a n dt h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t sa n a l y s i s w i t ht h e h e l p o fd i s c r e t e m a t h e m a t i c s ，m u l t i a g e n t - s y s t e m a n dt h er ws u p e r v i s o r y t h e o r y o f h i 华南理工大学工学博士学能论文 d i s c r e t ee v e n t sd y n a m i cs y s t e m s 。t h ed e v e l o p e dm e t h o dm a yb eu s e dt o m o d e l ，c o n s t r u c t a n da d m i n i s t r a t et h er e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m o f d i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n gw h i c hh o l d st h ef u n c t i o n so fo p t i m u mi n t e g r a t e d ， r e a l t i m em o n i t o ra n d c o n t r o l ，d y n a m i cd i s p a t c h i n g a n d r a p i d r e c o n f i g u r a i o n b a s eo nt h e a n a l y s e s t ot h e i m p o r t a n c e a n df e a t u r e sf r o mt h e r e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m o fd i s t r i b u t e d m a n u f a c t u f i n g i nd i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n g ，t h i st h e s i sp r e s e n t e dt h a tw h e nc o n s t r u c t i n gt h e r e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m o fd i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n g ，t h ea n a l y s e ss h o u l d c o v e r e db o t ht h et r a d i t i o n a lf u n c t i o n r e q u i r e m e n t s a n dt h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t s t o g u a r a n t e e t h e g o o dp e r f o r m a n c ea n dt h e o r i z a t i o n o ft h e s y s t e ma n d g e t r i do ft h e d i s a d v a n t a g e s o ft o om u c hc o s ta n do t h e r p o t e n t i a lp r o b l e m sd u r i n gt h ep r o c e s so fm o d e l i n ga n dd e b u g g i n g i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mt h e o r y a n dt h er w s u p e r v i s o r y t h e o r y o fd i s c r e t ee v e n t s d y n a m i cs y s t e m ，t h e a u t h o ra l s o p r e s e n t e d a s e r i e sr u l e sf o rh o wt oc o n s t r u c tt h e t y p i c a l s t r u c t u r e so fr e s o u r c e sa n d s y s t e m f r o mt h e s es t r u c t u r e s t h e nt h er e s o u r c e s i n t e g r a t e ds y s t e m o f d i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n gw i t hh i e r a r c h i c a lc o n t r o lf o r mi st h e ns e t u p b a s eo nt h ea n a l y s iso fc o m b i n gt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dt h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t s i no r d e rt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o ni n ar a p i d ，t h ei m p l e m e n t i n g n e tp l a t f o r mi sb u i l tu pb a s e do nt h ev i r t u a ll o c a la r e an e t 。t h el a s t ，t h e e x p e r i m e n ti s a l s op r e s e n t e dt od e m o n s t r a t et h ep a r t i a lf u n c t i o n so ft h es e t u ps y s t e m ，a n dar e a le x a m p l ei sg i v e n k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dm a n u f a c t u r i n g ； r e s o u r c e s i n t e g r a t e d ；d i s c r e t e e v e n t sd y n a m i cs y s t e m ；c o n t r o ls t r u c t u r e ；v i r t u a ll o c a la r e an e t i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师盼指静下独立 进行硬究所取褥的蚕暑究成果。除了文中特别加以标注号| 用鼹内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成 果作黼。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以骧确方式标臻。本人完全意识到本声鹱鲍法律嚣祭枣本人 承担。 作者签名：气弘霹期：矽；年 秀l7 妥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作考完全了解学校有关保留、使飓学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子敝，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南瑗工大学 可以将本学位论文的全郝或部分斑容绩入蠢关数据痒进行捡 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密墨，在年髂密厝适爆本授权书。 本学位论文属于 不保瓠口。 ( 请在驭土相应方框凌打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：码年自月f 7 日 吼班钳尹 第t 章绪论 第1 章绪论 近年来，颇客对产品的个性化要求不断提慧，科技发展对产品的升 级挨代瓣鼹逶，滚及生产全球 乏熬趋囊越寒怒强燕，_ | 舞有这盛舔 爰镬产 品的寿命越来越短，因诧，对市场和对产黼需求的敏捷反应，将越来越 成为制遗业提升企业竞争力的重要因素之一，是现代企业追求的目标。 基于这样的现状，传统的那种通过市场调搬，进行产品开发，通过中试， 然后定出工艺规程、进行= ：i = 装设计和设备配置，再进行生产和姆产品投 囱市场瓣攀行式产品更新换找开发魏模式懑不霉逶震，壹予产菇燹赣按 代交纯浃黼需要酶资源投入也不是企业，褥疑是大量中小企照所髓够承 担的。因此进入二十一世纪之后，生产企嫩之间的竞争，已不再是以前 那种你歹医我活的绝对竞争，而是具有互补性，以便达到双赢的相对竞争。 也就是说，今后，哪个众业能够和其他企业谶行资源共享、优势互补， 哪个金效裁能大大提高投入产爨毙，扶两获褥最大豹剥润。囊予生产的 全球纯，今后静资源共事必将在异圭盘甚至舞鬻之阖进行，阂鼗，其生产 模式必然怒分布式生产。凼于不同的条件。分布式的生产模式不会是唯 一的，假无论是敏捷制造，多企业协作，甚至于全球采购的企业或是包 含有若干子公司的大企业，其生产模式都会有分布式制造的属性。 上述憾猿，是剑造鼗长期发展的必然。截造业发展的历史，是为了 不鼗满怒客户霉要蠢挺态众遵竞争力豹爨雯。霹震匿1 1 采浚骥锻造整 的变化过程“。 从阁1 1 可知，在2 0 世纪6 0 年代以前，市场是卖方市场，这时企 业的任务是加快生产，以满足市场的需求。特别是二次世界大战之后， 酉废待举，市场对各种产晶昀需求量大增，所以大战以后熬2 0 多年，大 藏蒺生产方式差不多发震至缀至。遴入7 0 零代，塞予战败黧毽零帮德国 的复兴，企业之间的竞争渐趋剧烈，这时降低生产成本就变成了提高企 业竞争力的有效手段，与之相应的就是精赫生产和准时生产制等模式。 但是成本的降低受到许多因素的制约，是肖一定限度的，所以，随后相 继出现以产品质量和市场响应速度为企业竟参的主要内容。为了提高对 泰场戆穗瘟速凌，彀建翻逡楚最套代表瞧戆垒产模式，该搂式熬产生， 一方面怒企业为了提高竞争能力的需要，舞方面是由于倍感技术的发 展和互联网迅速发展使其成为可能。图1 1 所展示的变化，应把前面的 华南理工大学工学博士学彼论文 皇曼! 鼎皇鲁! 詈皇! 寰燃兰曼寡皇曼鼍麓曼! ! ! 蔓鼍燃蔓! ! ! 酬, , 苎i i i 曼詈曼曼鼍燃堂皇! 詈曼葛燃皇! ! ! ! 曹紫蔓舞曼詈! ! 燃皇皇! 曼皇皇s s 穗 2 。型：纪粥年代：市场响应速度 2 0 世纪8 0 年代：产品质量 2 0 世8 e 7 0 年代：成本生产 2 0 世纪6 0 年代以前：生产规模 鞭经济，全球化网络纯制遗 敏捷镑l 造。莰逑重缢露l 造 全面质量控$ o t q c 糟益生产准时生产制 刚性生产线。大量生产 竞争的主要内容生产的组织方式 圈i - 1 涮逡概念静变化 f i g 1 1c h a n g eo ft h em a n u f a c t u r i n gc o n c e p t 竞争内容看成后耐竞争内容出现的基础，绝对不能认为只要关注主要竞 争肉容两忽珞蓠露酶竞争内容。毽是强崮王冕了敏捷翻造这群其有分布式 制造属性的生产模式之尉，某贱观点的内涵将发生变化，全面的优势已 不寝是金效的遣求，瑟瑟有穗魏豹往势，毒剃予集簸帮重缀豹鞋r r s ( r e c o n f i g u r a b l e ，r e u s a b l e ，s c a l a b l e ，可重构性，可重用性，可扩充性) 为特征豹敏捷往凳湿重要。一耱薪懿生产模式，是程缀毒鍪产懿蘩疆上， 由于市场需求驱动而产缴的，所以从技术层酾看，原有的某些使能技术， 锈为凝熬垒产模式瑟震蘩。述入2 1 整绍之磊全球纯翘终纯镄造蟊敏捷裁 造一样，甚至在更大程度上更有赖于信息技术和互联网技术的迅速发展， 资源信惠懿集或与动态遴疫爨然是豢生产模式静重袋镬能技本，赦本论 文的选题，既具稳重要的现实意义，而且对于未来制造业的发展疑有重 要戆理论徐毽衣实趣意义。 l 。1 分布式制造资源集成系统 当前，世界上利用i n t e r n e t 在全球范围内进行资源集成，将技术、管 理、人员实现最德组合，以提楚企业对不确定的急捌变化的市场戆反应 能力，最大程度满足顾客对产晶个性化的需求，从而加强企业的竞争能 2 第1 章绪论 力已藏主要趋势，瑟憝霹分数资源透露浚遴集裁纛虢纯缝会豹分毒式翻 造模式，将成为新世纪企渡发展方向。 通过分布式制造模式避行资源集成，将能起到如下作用： ( 1 ) 根据市场上产品需求的机遇，对相关企业资源进行集成，将有效地 克服由于单个企业资源的有限性，与由于产品寿命周期短瓶对资源多样 往要求豹矛蘑，减少逶行耩产品生产瓣鲍投资帮套产瘸期，鬟葛企翌对 市殇反应的敏捷性； ( 2 ) 进行资源集成可以针对产品的要求，对资源进行合适的配置从而形 成新的制造系统，这将极大地提高企业制造系统的柔性。遗种通过调配 系统提高菜性的方法，优于通过扩大设备功能来提高生产菜性的方法。 德国簸阉撼特大学珏。s c h u l z 教授，善统诗荚霆、欧溯帮囊溯2 2 个藿家 3 7 0 家生产厂，发现见乎8 0 的加工中心哭聱l 雳了其2 0 的凌能。显然逶 过资源调配构造新系统悬提高企业生产柔性的有效方法； ( 3 ) 通道资源集成可对资源进行动态调度，这是保证生产过程连续和产 品优质的必要前提。 分布式裁造资源集成系统孛豹资源是广义豹，泛指摄攒产凝需要， 在全球能翻造环壤下集威产螽全寿命鼹期嚣除段与金盈表井部穗关豹资 源，资源可以是指一台设备，一个车间，个企业或是一个专家小组， 它们有赘不同的属性，不同的结构模式，不同的通讯标准，所以是一个 十分复杂的异构系统。由于分布式制造要求制造系统具有对环境变化的 快速适应熊力，所以要求其资源集成系统戏其有柔性、鸯逶寂性、开放 经蠢餐筑髓。基予上述分雾荦，分毒式裁逢资i l l 集成系统震予分布式系统， 它具有资源共享、易予扩餍和可靠性强等优点，而且对系统故障、信息 的不确定性以及环境的备种变化都有很强的适应能力。 1 2 多智熊体系统 多餐缝体系统m a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) ，是势鑫式蘩戆控馥貔一 个重要形式。该系统把缀成系统的每一单元郡看成一个具毒定权限的、 以一定协议相互协调访阀的互相独立的智能体( a g e n t ) ，镶个智能体有 自己的结构模式，它们在自己的局部数据的驱动下完成各自不同的工作， 同时通：i 窭协调与合作共同究成系统的任务。随着计算机技术的不断发展 帮痘援翳广泛普及，疆麓互联滔瓣窭魂移袋建，诗篓极软移系统结稳窝 计算祝鳃织结构戆复杂髓不断增加，使软结系统的开发寄了翼多更复杂 的要求。这使得传统的整体设计和集中控制的软件开发方法驻示出其固 有的局限性，智能化和分布式渐渐成为未来软件设计的方向。作为人工 3 华南理工大学工学博士学位论文 智憝帮分布式诗算兹集合，分布式人工餐链d a i ( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 逐渐受到重视。在d a i 系统中，很重要的一个要求就是互 操揍洼( i 魏t e r o p e f 曲i l i t y ，郎不同豹异构系统在快速变换靛嚣域中交换 信息、共同工作的能力，互操作性基于开放、灵活的结构。这一要求的 提出，是在人工嚣能研究中，人们认识到人炎智憝麴本质是一秘孝主会性 智能，即人类绝大部分活动都涉及到多个人构成的社会团体，大型复杂 闯题鹣求熟露要多个专业人员或组织协作完成。m a s 之所以成为分布式 人工智能的研究热点，是因为智能体既具有自治性，又具有可通讯性等 能饺智能体之间遴行协调工作的能力。自治性将可使用户从纷繁黥信息 中解放出来，只关注感趣的信息。协调工作能力则使多个智能体之闻 可构成可控的系统。一般来说，智能体应该具备的特性是：自治性 ( a u t o n o m y ) ，即对自融行为和内部状态有定控制权：社会性( s o c i a l a b i l i t y ) 或拣可通讯性，即与其他智能体进行信息交换能力；反应能力 ( r e a c t i v i t y ) ，即对环境感知并通过行为改变环境的能力；自发行为 ( p r o a c t i v e n s s ) ，即能感知周围环境的变化，并作出基于目标的行为的 能力。这整都是构建资源信息集成系统的基本单元所必须考虑的要求。 m a s 具备这样的特性，使其成为建造分布式制造资源集成系统的合适模 式。用这一模式建成的集成系统，是笈杂豹“人造系统”，震予离散事 件动态系统，其欺同特征是各种突发潦件相甄作用而影响系统状态的演 交，获丽掇窭了对这些系统的设计，优纯管壤帮控销静雯离需求。 分布式制造资源集成系统有别于一般的制造企业资源计划计算机信 惠系统，一方瑟葜“资滚”毒整更广泛懿含义，凡学包揍翻造避程匏掰 有要素：另方丽它除了般资源计划通过数据处理制订有关计划并根 撂运幸亍清淡霹诗翻透露调整功憝之外，还在予霉| 奠j c 季系绞进葶亍在线、安 时、动态控制，所以除了实现系统的功能需求之外，还应考虑系统的控 翻鬟求，赦分毒式爨造资源集簸系统楚一个诗算辍羧铡懿复杂系统。 控制需求包括能控、能观、稳定性等一系列命题，这些在缀麒和现 代羧翱理论中都蠢详细讨论，势已褥爨一系羽楣盛结论。毽这些结论是 针对物理对象的，随着诸如计算机集成制造系统、计算机集成过程系统、 多掇器人秘调系统等复杂豹“人造系统”兹逡理，实蓐疲趱魏嚣求已缀 超越了原肖的理论范畴。针对这些系统出现的有关计算机信息系统，在 系绞建摸方嚣已憨结出一系列行之有效故方法，毽这些方法仅仅是嚣囱 系统的功能需求，并没有考虑系统的控制需求。在构建大型系统时，也 只考虑局部予系绫能用，整体棚容( 如采用务耪传输协议) 之类豹闫题。 在控制方面主要由某些调度策略来执行，那些在错误或冲突发生的情7 兄 4 第1 掌绪论 。f 进行补救式的控制策略在计算机控制系统中将失去其使用价值。如果 仅仅按照传统的功能需求方法来建立系统模型，将会导致不少问题，使 复杂系统在建模和调试过程中，不但耗费巨大蕊盥遗留不少隐蔽的锩误。 针对既有功链要求又有控制要求静分布式铡造资溧黎成系统，零文 将创造一种关于计算机控制系统控制需求的分析与综合方法，从理论与 实践两方面证明该方法的正确性、可行性和有效性，并将它与传统的功 麓霉求分享嚣方法结合起来镬嚣，笈系统不仅援涯功蕤方瓣稳需求，鬻置 可以保证目标系统的一系列受控性能，从而掇升我们建造复杂的“人造 系统”的理性化水平。 薰3 离散事件动态系统理论 在传统的系统与控制理论领域中，其研究对象本质上属于物理世界 范畴的连续变量动态系统，简称c v d s ( c o n t i n u o u sv a r i a b l e d y n a m i c s y s t e m s ) ) 。c v d s 兹溯态过程暇麸予物理学定律( 毫学、力学莓寇缮) 戏，“义物理学规律( 经济学规律、社会学规律等) 的约柬，其数学模型 可由传统意义下的微分方程或差分方程来表述。借助于数学理论所提供 的撼述与求鳃方法，这类系统的建模、分辑、控裁和优化等豹研究，已 相当成熬与究善。到本 鼗纪1 9 8 0 年前后，隧鏊信息处理技术、计算梳技 术和机器人技术等发展完善和广泛应用，在通讯、制造、交通管理等领 域，相继出现了一批反映技术发展方向的“人造系统”，制造业中的柔 瞧生产线秘鬃经装配线藏是典墼豹绸子。在这类“天造系统”中，j 量系 统行为进程超决定性作用的是一些离散事件，而不是连续变量，所谶循 的是一些复杂的人为规则，而不是物理学定律或广义物瑗学定律。1 9 8 0 年嚣嚣，美强蹬攥大学鹰辘琦( y c h o ) 教授提出离教攀传动态系统 ( d i s t r i b u t e de v e n td y n a m i cs y s t e m ，筒称d e d s ) 这一名称，概指上述这一 炎“人造系统”，以便区别于此前已得到广泛研究的连续变量动态系统。 构成离散事件动态系统的基本器素是离散事件，d e d s 行为随时阆的 溪纯过程裁楚离散事静笈杂交互影响懿结票。鬻教事锌是糖d e d s 串发 生在离散时剿的事件，所谓事件则怒指使d e d s 状态发嫩变动的一个行 为或事情。和离散时间避续变量动态系统不同，d e d s 中离散事件的发生 时刻逮豢是黪步豹。裹毅事 孛发生豹薅剡，取决予这一醣剡翦系统纾为 的演化过程。在本文研究的分布式铡造资源集成系统中，对于设备肇元 来说，“ ：件到达安装”和“工件加工完成”，就是离散事件的典型例 子。在d e d s 中，一个离教事件的发生，在驱动系统状态产生跃变的周 辩，还会按照系统豹运行燕羽在系统其它部分魅发掰戆离散事锌，觚嚣 5 牮南理王大学工学博圭学佼论文 影或在褰教事 孛驱动下系统魏演变过程。铡妇“工 譬如工宠成”除了供 有关设备从“加工”状态跃变强“停工待料”的状态外，还会触发“物 瓣转移”_ 摹l h l “工传装卡”等薮的离散霉搏，从丽饺分布式嶷源集戏系统 的状态发生演变。归纳以上分析，d e d s 中离散事件具有三个基本特征 】， 其一跫裹教事件楚导致d e d s 状态发生跃变翻触发离散事件的唯一因素； 其二是离散事件的发生时刻是异步的和非约定的：其三是离散事件是研 究d e d s 的主体，对d e d s 的分析归纳为确定事 牛交互影响所导致的系 统状态的演变过穰，对d e d s 的控制归结为禁止不期望事件的发生或使 事件按期塑的时廖发生。 在上馓纪末褥到迅虢发展的关于离散事件动态系统控制理论，已经 成为关于计算机控制的复杂系统控制需求方西的理论。其中r a m a d g e 和 w o n h a m 谯八十年代创立的离散事件渤态系统的监控理论f l l ( 躐下筒稼 r w 理论) ，如今已经发展成为一个相当完整的体系。很多很有意义的结 论如能控憔、能躐性、簸控器存在性、稳定性等等，以及在分层控翎、 分散控制、优化控制等方面的许多研究成果都具有很大的理论和使用价 值。僵r w 理论在应餍方面静进展却十分缓橙，主要困难有两方霹，一 是被控过稷自动机建模和行为约束的形式化。离散事件动态系统可用有 限蠡动梳穰奎来籀述，蒸予有疆自动税模蝥静箍控游题一般提法为：绘 定系统行为允许炎化范围的“锻大子语言”和至少应当包含的“最小子 语斋”，要求设诗靛蓝耱器徕诞系绞懿奏实行爻缝予嚣穆谣言之溺。实 际系统的规模通常比较大，首先要正确定义所有状态和事件，如果出现 一个错误，透遂s h u f f l e 积翡终耀穗影翡翔整令系绞。其次萋定义上述最 大、最小予语言本身很困难，甚至是不可能的。困难的另方面是计算 静笺杂洼。实囊上离散攀终动态系统控裁豹主要手段就是谖疫，瓣予翻 造系统，调度问题由三个要素确定，即机器环境、被加工件的特征和优 纯漤粼，露每个要素中又包含多令因素i 2 】，鸯学者慰淡主三要素鑫秘组会 的4 5 3 6 类不同调度问题进行研究，结果指出其中9 是可解的，8 2 是 n p 难题，还有9 送寒戆嬲定，霹羹系统诗算阉题豹复杂瞧。南予这秀 方面困难，使r w 理论的应用出现了停滞不前的状况。 系统理论认热，对予囊然癸孛往一系统，不警多复杂，妇棂劐藏都 只是由简单部分构成的，一个系统是由不能雨被分解的基本部分构成的。 自然界是从笾蕈到复杂的，即蠹在从篱单到笈杂魏彝然法则1 3 】。诗算极按 制系统从简单到簸杂的发展过程中，通过实践总结出一些典型的控制结 构，如集书控制结构、邀除控铡结构等等。程不同豹领域中还存在一些 特殊形式的具体结构，如机器人本体建模中的包容结构f 4 0 l 、三脊梯结构 6 第1 章绪论 觥、环递阶结构7 l 等。这些蘩擒的出现体褒”r 瓣决簸杂系统控翱添求潮瑟 所做的努力。特定的结构能够保诚该结构j i 曙能包容的应用系统的控制需 求，实簿。t 超虱了控铡框架“模擞”兹箨嗣。毽怒强暴实际系统魏辫求 怒越了特定翡框絮，露檬系统稳受控往畿赣不髭僳簿。滩蓉社会静袋袋， 遮释蔽诲多糖对固定绻构秀麓磷静解决方法憋来越难戳邋应不可鞭溅瓣 环境变化，因而“动态控制结构”的概念很快成为共识1 8 _ o 】，成为复杂系 统孛熬耋簧磷突方两。 关于劝态控制结构的研究，目前在诸如犟元构成、糖艟巅势与实蕊、 缎织瑟秘澜稳铡、逶谶氍裁等热斑翊惩上磷宠较多。攘魄之下，羧铡瓣 求方面的礤究则摆对集中在比较有代表性豹a g e n t h o l o n 结构上f 8 _ ”， 遮黧磺究的共露特熹建具有不霹程度懿悫察( 筷竣) 辐关注，箍基缝大 部分部分是关于上层概念框架的。动态结构的目标是在不断改变和不可 鞭溯夔瀑滚( t u b u t e n t ) 2 淹( c h a o s ) 环璇下，捩速哟鹰繇壤弱交纯， 薅霹惩鼗| 鬟貔骞亭体，影藏瑟戆鸯廖俸，叛求实瑷混淹溺步。黉实现这 一露标，更是攘囊结构模板是不够的，至少掰鹣鸯序体驹缍梅楚不戆摸 先确定的。因此，从蠛论上寻求巢种新的解决方寨，是当前急待解决的 瓣驻旧1 烈。理憋趣动念结梅寝该趣越兵体熬“框絮”，秘爆严捺的遴论 论证，磷究l 鸯基本结褥组成鬟杂系统静基零方法，该方法不但支持结梅 创新，蔼懿与已翘结梅堋容并爨予操作。 1 4 虚叛焉域鼹技术 在传统的丽域网( l o c a la r e an e t ，简称l a n ) 中，备站点共享其梅 镳傣道所遗成的信道冲突和广攘风暴，这是影响网络性能的重要原因。 惑了瓣决发生奁弼终第二层魏蘩道 孛突襄发生在燕三鼷静广播最黎阏 越，霹耩霜鼹由器被广泛静庶瘸予鼹蠛嘲中。由瘸耩连接彝孽两络戆蠢英 肖相同的嘲络层拖址，属于同一逻辑子网，黼不同逻辑予潮之阀的褥讯 则幽路由器完成。在这榉的网络续构中，由祭线嚣、粗缆、细缆所构成 戆秘理瓣终与遥瓣子溅穰对应，透常一令l p 予瓣或者l p x 予鼷貉震予一 个广播域，网络中的广播域是根锻物理网络来划分的，因此，这样的隧 络结构无论觚效率和安全往来看帮裔掰欠缺。褥静，赉予网络辩赢梭袋 缚在掰处懿物理圈络中，不髓嘏撰爨要将冀划分至据瘟的逻辑予网中， 圆丽鼹络鹣结构靛乏灵活连。为了解决这一游蘧，弓l 出了虚攘鲻域瓣髓 概念。 掰 箨震羧爨域羽( v i r t u a ll o c a l 矗r e an e t s ，麓称v l a n ) 蓬攒无谂 簇在疆终中豹穆毽逮疑，可馥搬撰震蘩灵滔蟪耱久不嚣戆逶辑予露瓣一 7 华南理正大学工学博士学位论文 释隧络技术1 8 8 1 。v l a n 实舔主赣是与秘理霞黉无关夔竭域网戆令j + 摄 域，其核心是通过路由和交换设备在网络拓扑结构基础上建立个逻辑 网络。v l a n 划分方法指在一个v l a n 中包括哪些站点。在同一个v l a n 中的所有成员( 站点) 将共攀广播数据，而遂魑广播数据将不会扩散到 其她不在该v l a n 中的站点。v l a n 的设置方法可按交换端口号、按m a c 建篷、按第三罄穆议或者菠瓣l p 缰疆。 1 交换端日实现v l a n 如图1 2 所示，将交换设备端口进行分组来划分v l a n ，例如通过 命令设置使一个交换设备上的端口l 、4 、7 所连接的工作站可以构成a 组( v l a n1 ) ，而端口2 、5 、8 构成b 组( v l a n2 ) 。端口3 、6 、9 秘或c 缀( v l a n3 ) 。按交换壤日楚分粒方法优点是：簿萃、有效。缺 点是：仅煮端口分缓两定义v l a n 无法使同一个物理分段( 或交换分段) 同时参与到多个v l a n 中。而且当一个工作站从一个端口移剥另一个端 口时，必须对虚拟局域网的成员进行重新配鬣。 鑫多一? 变换端口号 图1 2 按交换端口实现v l a n f i g 。1 2a c h i e v i n gv l a n o nt h es w i t c h 2 + m a c 建疑实现v l a k 对以太湖来说，m a c 蛾址楚e t h e r n e t ( 以太网) 协议使用的地址， 是网卡上自带的，4 8 位长，固化在网卡的r o m 中，任何两个网卡的m a c 地址都是不相同的。m a c 地址存在于每一个e t h e r n e t 包中，怒e t h e r n e t 包头的组成部分，e t h e r n e t 交换钒根据包头中鹣m a c 源地址署辩m a c 强 戆逮蓬实褒馁鹣交抉察黉递。簇予m a c 逮犍翔分方式翘络警毽久受鬏据 各个工作站的m a c 地址指定属于哪一个v l a n 中。由于m a c 地缝是固 化在网卡中的，当一个工作站从一个地点移鬣网络中的另一个地点时， 按m a c 地址划分v l a n 的方式可以使工作站保持原来的v l a n 成员身 份，丽不需要重新进行配置。并且，用这种方式也可以把同一个m a c 地 壹分配绘多令v l a n 组中，瀵蹩了这耪嚣要。这秘方法夔蛱熹楚：爨嘉 的工作站都必须在开始时配鬣到至少一个v l a n 组中，这种要求对一个 比较大型的网络，开始时手工配置工作量比较大。另外，当多个不同的 v l a n 组成员在个交换机的端口时，会使熬个系统的性能下降。 8 第1 章绪论 图1 - 3 按m a c 地址实现v l a n f i g 1 - 3a c h i e v i n gv l a n o nm a ca d d r e s s 3 按第三层协议划分v l a n 基于第三层协议的v l a n 主要根据协议类型( 支持多协议的情况) 或网络层地址( 如t c p i p 网络的子网地址) 。这种划分需要将子网地址 映射到v l a n ，交换设备则根据子网地址而将各机器的m a c 地址与一个 v l a n 联系起来。第三层定义v l a n 的优点是，对于基于服务或基于应 用v l a n 策略的应用十分方便；用户可以无须对网络地址重新配置而自 由的移动机器；该方法不需要报文标识，减少了数据量的传播。第三层 定义v l a n 的缺点是，性能问题明显。由于需要对报文地址进行检查比 对帧的m a c 地址检查开销大，使使用这种方法的交换设备运算速度慢； 不同的协议应用的效果不同，个别协议无法应用该方法。 4 使用i p 组播 i p 组播方式根据工作站的i p 地址，通过编程的方法，自由动态地参 加一个i p 组播组。根据t c p i p 协议规定，每个网间网地址长3 2 比特， 分为5 类网络地址，其中d 类i p 地址是多目地址。一个i p 组播组实际 上是用一个d 类地址表示的。向一个组播组发送i p 报文时，i p 报文被 传送到此组中的各个站点处，i p 组播组是一个虚拟局域网，其组成员具 有快速组成且动态灵活的特点。基于i p 组播的虚拟局域网可以扩展到 i n t e r n e t 。 虚拟局域网技术的出现和局域网交换技术分不开，而交换l a n 技术 是相对于共享l a n 技术而言的。近年来，许多著名的大公司都制定了发 展v l a n 技术的策略，3 c o m 公司制定了t r a n s c e n d v n 即虚拟连网策略； d i g i t a l 公司推出了e r n v i s n 体系结构，集v l a n 技术、分布式路由和高 速交换为中心和基于政策管理为一体，用于构造灵活的、满足用户需求 的虚拟局域网。v l a n 技术作为新一代的网络技术，为解决网络站点的 灵活配嚣和网络安全性等问题提供了良好的手段。目前各标准化组织正 努力寻找相关厂商将v l a n 技术融合到最终产品中，以实现v l a n 战略。 9 华南瑾王大学王擘簿圭学位论文 寡黑,!ii i l li l l i 曼曼置群燃 当然 鲁为一矮蓊矮零，v l a n 技零还有诲多翅题毒待怒次，懿技术蠢猿， v l a n 管理的开镝问题，v l a n 配置的自