（工程力学专业论文）筑路机械机群多智能主体混杂系统容错调度研究及系统仿真.pdf

中文摘要 随着目前大型筑路机械智能化技术的发展以及生产需求的增加， 人们对新一代的工程机械也有了更高的要求。机群的智能化和系统化 不仅是未来工程机械发展的重要趋势，也是解决当前公路施工中存在 的摊铺机、压路机、拌和机等设备配置不够合理，对施工机械出现的 故障处理等重大问题，并具有行业带动性的重大而迫切的热门课题。 多智能主体技术是人工智能领域的最新成果，较基于群控技术的机群 具有更高的灵活性、自主性和可靠性。容错调度技术是提高分布式多 处理机系统容错能力的最先进技术，可以避免单机故障造成严重后果 而具有一定容错能力的混合任务实时调度算法。由离散事件系统与连 续变量系统紧密结合而成的复杂动态系统的控制方法，本文首次将这 一方法应用于筑路机械机群智能化中，从而为我国机械机群智能化和 系统化达到国际先进水平打下良好基础。 本文取得了以下成果： ( 1 ) 首次将实时容错调度技术应用于智能机械机群混杂控制中。 本文以筑路机械机群多智能主体系统为例，介绍了在此系统上实 现的一种容错调度技术。本文将大型施工机群的复合主体抽象简化成 三个层次的主体，具体设定了各个单机主体的功能，并结合单机智能 故障诊断系统提出了以主控主体为核心的混合实时任务容错调度制 度。通过充分利用周期任务的剩余处理机时间调度非周期任务和主动 备份与被动备份相结合的方法有效地减少了单机数，仿真结果证明了 算法的有效性。 ( 2 ) 利用m a g e 分布式多主体平台，对机群供应链系统进行仿真 设计。 本文结合当前主体研究的最新思想和成果，用一整套的主体软件 工程方法分析、设计了筑路机械机群混凝土供应保障系统，并在m a g e 分布式多主体平台上开发完成，对筑路机械机群多智能主体系统进行 系统仿真。 关键词：筑路机械，多智能主体，容错调度，m a g e 平台 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s eo ft h e p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o no nn e wg e n e r a t i o no f t h er o a dm a c h i n e r yc l u s t e r t h ei n t e l l i g e n t i z e da n ds y s t e m a t i ce n g i n e e r i n g m a c h i n e r yo f c l u s t e ri sn o t o n l ya ni m p o r t a n t t r e n do ff u t u r ed e v e l o p m e n t o f r o a dm a c h i n e r y ，b u ta l s oaf o c u so f t h er e s e a r c h e st os o l v es o m es e r i o u s p r o b l e m s i nr o a dc o n s t r u c t i o n s n o w a d a y s ，s u c h a st h e i l l o g i c a l c o n f i g u r a t i o no fm a c h i n e r yo fc l u s t e r ，t h el a c ko ro v e r s t o c ko fm a t e r i a l ， t h el o we f f i c i e n c yo fc o n s t r u c t i o n ，t h er e a l t i m ef a u l t - t o l e r a n ts c h e d u l i n g ， a n dt h eh i g hi n t e n s i t yo fw o r k f u r t h e r m o r e ，t h el a t e s ta c h i e v e m e n to f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，m u l t i a g e n t i s a p p l i e d t o i n t e l l i g e n t i z e t h e e n g i n e e r i n gm a c h i n e r yo fc l u s t e r t h i sw i l l l e tt h ec l u s t e ro w nm o r e a g i l i t y ，s e l f - d e t e r m i n a t i o n ，a n dr e l i a b i l i t yt h a nt h ec l u s t e ru s i n gg r o u p c o n t r 0 1 t h et e c h n o l o g yo fr e a l - t i m ef a u l t - t o l e r a n ts c h e d u l i n gi st h eb e s t m e t h o dt o i m p r o v et h e f a u l t t o l e r a n tc a p a b i l i t yo ft h ee n g i n e e r i n g m a c h i n e r yc l u s t e r ，a n da v o i ds e r i o u sl o s s t h i sw i l lp r o v i d ea na b u n d a n t b a s i sf o rr a i s i n gt h el e v e lo ft h ei n t e l l i g e n t i z a t i o na n ds y s t e m a t i s mo f e n g i n e e r i n gm a c h i n e r yo f c l u s t e ri no u rc o u n t r y ，a n dl a t e r ，t h el e v e lo ft h e i n t e l l i g e n t i z a t i o na n ds y s t e m a t i s mw i l lr e a c ht ot h ei n t e r n a t i o n a lt o pl e v e l t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t l i st h e s i sa r el i s t e dh e r e ： 1 ) f o rt h ef i r s tt i m e t h et e c h n o l o g yr e a l t i m ef a u l t - t o l e r a n ts c h e d u l i n gi s a p p l i e d t oh y b r i dc o n t r o lo ft h ei n t e l l i g e n t i z e dm a c h i n e r yo fc l u s t e r t h i s p a p e r t a k e st h e i n t e l l i g e n tc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yg r o u p s m u l t i a g e n ts y s t e mf o re x a m p l et oi n t r o d u c ean e wt e c h n o l o g yo f f a u l t - t o l e r a n t s c h e d u l i n g i tp r e d i g e s t s a n da b s t r a c t s l a r g e s i z e m a c h i n e r yg r o u pm u l t i a g e n ti n t ot h r e el a y e r so fa g e n th i b e r a r c h y ，a n d d e f i n e sm a i nf u n c t i o no fe a c hs i n g l ea g e n t m o r e o v e r ，c o m b i n i n gw i t h t h ei n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mt h ep a p e rd e s i g n st h ea p p r o p r i a t e t o l e r a n c et e c h n o l o g y ，w h i c ht a k e sm a i nc o n t r o la g e n ta st h ec o r eo f m u l t i a g e n ts y s t e m t h i st e c h n o l o g ys i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e st h e n u m b e ro fr e q u i r e d a g e n t sb yi n t e g r a t i n gp a s s i v e a n da c t i v e d u p l i c a t i o n ，a n di m p r o v e st h ep r o c e s s o ru t i l i z a t i o nb ye x p l o i t i n gt h e m a x i m u ma v a i l a b l ep r o c e s s i n gt i m ef o rs c h e d u l i n ga p e r i o d i ct a s k s ， w h i c hi sl e f tu n u s e db yp e r i o d i ct a s k s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e e f f e c t i v e n e s s 2 ) a p p l ym a g ed i s t r i b u t e da g e n tp l a t f o r mt os i m u l a t es u p p l yc h a i n s y s t e mo f t h ei n t e l l i g e n t i z e dm a c h i n e r yo f c l u s t e r c o m b i n i n gw i t ht h el a t e s ta c h i e v e m e n to fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n d a p p l y i n gas e to ft h e o r i e so fa g e n ts o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z ea n d d e s i g nc o n c r e t es u p p l yc h a i ns y s t e mo fi n t e l l i g e n t i z e dm a c h i n e r yo f c l u s t e r ，a n dm a k et h es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：r o a dm a c h i n e r y ，m u l t i - a g e n t ，f a u l t - t o l e r a n ts c h e d u l i n g ， m a g e p l a t f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储躲研略签字日期2 洲年五月z 萝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢研珥 签字日期：知o6 年2 月2 - y 日 导师签名： 诈砌 签字日期：沙年z 月巧陌 第一章绪论 第一章绪论 1 1 筑路机械智能化的研究现状 1 1 1 筑路机械智能化研究的背景和意义 2 l 世纪的世界经济正面临着重大而深刻的变革，但是制造业作为一个国家 技术水平的重要体现，依然是世晃各发达国家与发展中国家加快经济发展、提高 国家综合竞争力的重要途径。随着经济全球化以及我国加入w t o ，市场竞争变 得越来越激烈，中国制造业面临与国际接轨、参与国际竞争的紧迫形势。国外经 验表明，工业化到一定程度以后，工业经济的增长在很大程度上将取决于工业装 备水平的提高。在工业装备中，方兴未艾的筑路机械又占有极其重要的地位，机 群的智能化、系统化是未来工程机械发展的重要趋势【】j 。在未来十年中，我国基 础设施建设将处于前所未有的高速发展阶段：将新建铁路1 万余公里；投资1 万亿元修建公路；在水利建设方面，除小浪底工程外，还有1 3 0 多个水电工程需 要建设；此外尚有“西气东输”、“西电东送”、“南水北调”、“青藏铁路” 等大型工程。这些均将形成对智能化工程机械的巨大市场需求。以公路建设为例， “十五”期间，以“五纵七横”国道主干线和西部地区公路建设为重点，预计全 国公路将新增通车里程2 0 万公里，达到1 6 0 万公里，其中高速公路达l 万公里。 据初步测算i i 】，在“十五”期间，国内工程机械的需求量可达7 6 0 亿元左右。因 此，用信息技术对传统机械产业进行改造提升，发展智能机器与系统，是一个具 有行业带动性的、在国家经济建设中具有全局性的重大与迫切问题。为此，在国 家“8 6 3 计划”的“先进制造与自动化技术”领域中就设立了“智能机器与系统” 专题，2 0 0 1 年就将“智能化工程机械”列为其中的重点项目。天津大学工程力 学系该项目上得到了国家自然科学基金( 项目号5 0 3 7 5 1 0 7 ) 和天津市应用基础 研究重点项目( 0 4 3 8 0 1 9 1 1 ) 的资助，并与天津工程机械研究所进行了密切合作。 本文以公路路面施工机群为例，进行筑路机械机群智能化研究。当前的路面 施工过程需要多个机种的参与，摊铺机、压路机、自卸卡车、拌和机等设备同时 存在于2 0 5 0 公里的标段上，主要靠人工通讯指挥，存在着如下弊端： ( 1 ) 资源配置不尽合理； 第一章绪论 ( 2 ) 施工中信息交换量小，实时性差； ( 3 ) 易出现物料断流或积压( 因为物料具有实效性，所以造成极大浪费) ； ( 4 ) 能耗大，生产率低，劳动强度大。 以上情况在国内外的筑路机械施工过程中普遍存在。 1 1 2 国内外研究现状 自二十世纪九十年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时代。信息化 是国外工程机械新技术的主攻方向。技术开发的重点在于增加产品的电子信息技 术含量，努力完善产品的三化，改善驾驶人员的工作环境，向环保型、节能型、 无人驾驶技术方向发展，相继向市场推出了一些新型的智能装载机、智能挖掘机、 智能摊铺机、智能压路机、智能全路面起重机等产品。在特定的施工中，如矿井 区、易燃爆区、辐射区或有害健康的作业区、深海作业区等地方作业，就需要带 有遥控装置的智能化工程机械。许多国际著名的工程机械制造商都斥巨资、集中 精锐力量研发新一代i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 工程机械，力图取得市场先机。 业已开发了自卸卡车无人自动行走系统，装载机自动掘削系统，挖掘机遥控 系统等无人驾驶与遥控系统。h a t a m u r a l 2 1 、h a n a m o t o l 3j 分别以挖掘机和液压挖掘 机为例，介绍了以实现智能挖掘为目的的挖掘过程分析，认为了解土壤和建筑机 械之间的相互作用很重要，通过测试各种物理参数来检测实际的挖掘过程以实现 智能挖掘，智能挖掘机械的工作不仅是自动化的，还可根据不同的能量消耗、操 作时间和挖掘轨迹达到最佳工作状态。m i n a m o t 0 1 4 1 介绍了一种遥控系统，使人们 能有效地遥控工程机械，h i r a n o l 5 1 介绍了一种工程机械控制器，可根据工地施工 计划来控制工程机械的坡度属具。f r e u n d 【6 】介绍了基于虚拟技术的模拟器，可以 模拟挖掘机和工程机械的工作，从而研究一位操作者如何遥控一系列在矿山环境 作业的挖掘机。 美国c a s e 公司研制的f l e e t l i n k 车队管理系统和瑞典d y n a p a c 的d y m i c 远 程监控及机器信息系统。两者都是一套管理工具，可以帮助设备业主降低成本和 取得最大的效益。该系统用电子数据系统( e d s ) 设计，借助g p s 系统、移动 电话技术和互联网络传递设备的位置信息、保养时间间隔、工作时间和电池电压 等参数。它们融合了网络技术、g p s 技术，同时使用了无线通讯技术，帮助用户 更合理有效地制定维修保养技术和施工使用计划，及时准确地提供机器的实时性 第一章绪论 能状态，为用户提供距离现场最近的闲置设备信息。 美国卡特彼勒公司采矿铲土运输技术系统m e t s 和计算机辅助自动推土系 统c a e s u l t r a 。前者由计算机辅助铲土运输系统c a e s 、关键信息管理系统v i m s 和c a e s 办公软件组成。c a e s 采用了机载计算机、g p s 定位和无限通讯三项技 术。在机器运行过程中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数 据、工程数据或现场规划数据。这些数据都显示在驾驶室内的屏幕上，司机可以 直观地了解机器的作业位置，并判断需要挖掘、回填或装载的土方量；通过无线 通讯，将数据从这台机器传送到业主办公室。c a e s 办公软件产生一个集成的实 时作业模型，使业主能实时和“现场”监控各种作业。 在智能化工程机械发展上，c a t 公司己率先在其矿用载重车、铲运机、平地 机、铰接式翻斗车、挖掘机、正铲挖掘机、履带式推土机、轮式装载机等产品上 依据用户要求，配备了g p s 卫星定位单元，作为动态管理系统的一部分，结合整 机电子监控与故障诊断系统，构成以卫星通信为基础的机群卫星定位管理与维护 系统。在欧洲及北美的应用表明，施工综合效率提高2 0 以上，维护成本下降 1 8 。 c a e s u l t r a 系统利用车载计算机、相应软件、g p s 和数据无线通讯装置，允 许采矿工程师将计划设计方案无线传输给车载计算机。车载计算机显示该采矿计 划，使操作者可以了解：机器与设计区域的相对位置；当前的地面情况；最终设 计的地面位置：施工对象的水文地质资料图。该系统识别出地质状况，跟踪记录 操作手的工作进展，并将这些信息传送到工程办公室进行分析和归档。系统中的 办公软件具有以下能力：产生用户报告，提供生产数据、生产周期、施工量和地 质状况。软件的核心是机群物流的动态管理，根据施工状态与生产目标对资源进 行实时任务分配，通讯系统实现中心控制系统与机载系统间的信息沟通，机载显 示单元指挥操作人员工作。对施工过程中的物料流和施工机械进行集中式管理和 调度。 p e y r e t 7 1 等人设计了计算机集成公路施工系统，在筑路施工中引进最新的控 制和监视工具，通过在办公室和施工现场之间建立一条数据链，使施工过程得到 改进，机器的原型被分为地面子系统、随机和定位子系统。t s e m g 等人提出了一 种机器交互运动的编制方法和若干运算法则，建立了一个自动化填土系统，用于 第一章绪论 多机种参与的填土工程，通过在填土计划编制前先模仿填土机械和设备的操作过 程，找到在施工过程中能自动控制填土设备有效避免碰撞的运动模式，并通过 g p s 联网，使每一台设备的有效交通路线和避免碰撞的途径都可以通过一个工地 三维几何模型来计算。 国内的研究现状是：经过“八五”“九五”的发展，我国的单机自动化技术 已经比较成熟。对于机群智能化技术的研究则刚刚起步，在机群控制的方案设计 上取得一定成果。 在工程机械机群的优化配置与优化控制方面，国内学者做了一些研究。郧录 社1 8 】介绍了根据施工机械中，挖掘机及其配套机械机群之间的配置关系、配置原 则和评价指标，利用关系数据库系统实现路基施工机群的微机最优配置。饶运清 等1 9 1 设计了基于无线集群通信的工程机械机群集成控制与智能化管理系统，该系 统拟合理配置、调度施工机械，从而提高施工的质量和效率、缩短工期、节省成 本。陈放【1 0 1 对筑路机械施工机群配置优化问题进行了详细分类，分析了机群配 置优化的一般过程，并归纳了机群优化的一般方法。刘青洋和关绍装i l l j 主要讨 论了诚实改性沥青混凝土路面施工机群的选型与配套，提出了沥青混凝土摊铺 机、碾压机生产率的计算方法及运输车辆的配置计算。赵德胜等【”j 通过分析土 石方工程施工机械选型及组配在施工中的重要性，以及人工求解问题的主要步 骤，提出开发该领域智能决策支持系统的适宜性，对系统开发的思想及策略进行 了研究，并初步确定系统的实现步骤及模型。 另外，国内学者还对工程机械的实时监测、故障诊断等进行了研究。何福忠 等 1 3 1 介绍了一种工程机械用智能化仪表的基本功能、软硬件设计基本思路，运 用8 0 3 1 单片机和点阵式液晶显示器，实现了对液压挖掘机主要运行程序工况的 实时在线监测。刁倩等1 1 4 i 介绍了一种以8 0 9 8 单片机为核心的智能化实时工业测 试系统，此系统用于大型建筑机械一静压桩机上，监视和记录静压桩机的工作压 力、深度和倾斜度等数据，并对传感器输出的信号进行采集、转换和调理，最终 完成显示和打印这些数据的功能。李立等【”l 以液压挖掘机为对象，将专家系统 与咨询推理系统结合起来，建立了一个面向实用的液压系统故障诊断的智能化系 统，并介绍了此系统的基本结构、主要功能及特点。牛占文等【1 6 1 设计了基于网 络移动作业机群工程机械故障智能化诊断系统，可对故障信息进行分析，判断故 第一章绪论 障原因，提出处理意见，预测停机时间。 国内部分企业已经着手联合开发智能化工程机械的一些项目，如徐州工程机 械集团有限公司“九五”期间，与清华大学国家c 1 m s 技术研究中心和国家 8 6 3 c i m s 机器人项目专家组，共同完成了“国家8 6 3 c i m s 机器人化工程机械 现代集成制造应用工程”单击自动化的课题研究，并顺利通过了科技部专家组的 验收。如今，又着手进行“国家8 6 3 c i m s 机器人化工程机械现代集成制造应用 工程”集群自动化的课题研究。“机群智能化工程机械”项目由徐工集团与清华 大学、东南大学、长安大学、重庆交通学院等共同承担，包括智能化摊铺机、拌 和站、压路机、装载机、铰接式自卸车和全路面汽车起重机等5 种产品。第一期 课题共完成5 种单机的智能化控制产品样机平台、通用控制器硬件和g p s 定位 系统，技术水平国内领先。 三一集团承担的国家8 6 3 计划项目“机群智能化工程机械”第一期课题，已 通过国家科技部项目阶段性验收，创造了我国沥青砼面层机械化施工的新工艺。 三一重工提出了以沥青混合料转运车为核心的智能化工程机械施工解决方案并 于2 0 0 2 年试制出产品样机。沥青混合料转运车的应用，实现了对摊铺前的沥青 混合料进行二次搅拌和对摊铺机均匀供料功能，保证了连续均匀摊铺。目前，该 设备已投入杭州环线高等级公路施工中试应用，引起了业界的广泛关注。 虽然国内已开展了智能化工程机械产品化的多项研究，取得了一定的进展， 但距离产业化的目标尚有很大的距离。与国外的差距主要体现在三个方面，即工 程机械单机集成化操作与智能控制技术，工程机械的智能监控、检测、预报、远 程故障诊断与维护技术，以及基于网络的机群集成控制与智能化管理技术等。 1 2 多智能主体技术研究的历史与现状 在人工智能中，核心问题是主体。斯坦福大学计算机系的b a r b a r ah a y e s r o t h 在i j c a i 9 5 的特约报告1 7 j 中谈到：“智能的计算机主体既是人工智能的最初目 标，也是人工智能的最终目标。” 只寸二l 俸的 湃j = 芒不仪铝争l ，人l 5 臻t o i 究久诞父；l ：， | 土吸，j | r 戡掺：j 照j i i ， 人 4 l 器l f | 设计、 j l 器人、并 jf ：f ￥等再镪域赴玎宠气啶的必趣。s a r g e n t 埽】认为： “基于主体的计算将成为软件开发的下一个重要突破。”h e w i t t 指出：什么是主 第一章绪论 体对基于主体的计算来说是个尴尬的问题，就像人工智能主流研究中什么是智能 这个问题一样。一般认为，主体是一种处于一定环境下包装的计算机系统，为了 实现设计目的，能在那种环境下灵活地、自主地活动。关于主体的概念，在下一 章中将进行详述。很多计算机软件都可以纳入主体的范畴里来，例如处理i n t e m e t 事务t ”1 ，帮助用户处理e m a i l 的助理上体等。多主体系统( m a s ) 研究的是 一组自治智能主体之间智能行为的协调，它们怎样协调它们的知识、目标、技巧 和规划，联合起来采取行动或求解问题。在多主体系统中可能有一个求解的目标， 也可能有多个交互的目标1 2 ”。知识、规划、不同技能和自身动作的协调是一个 过程，在多主体系统中非常重要。 关于智能主体和多主体系统的研究是一个具有广泛参与面的、生机勃勃的研 究领域。例如：文 2 2 ，2 3 提出了基于行为建模的智能主体建模方式，主张：“行 为产生智能，智能是主体与环境交互的结果。”r a o 和g e o r g e f f l 2 4 】提出了一个 简单的b d i 解释器，b d i 结构是一种典型的慎思主体。b r a t m a n 等【2 5 1 基于b d i 结构，研制了i r m a 系统。反应主体方面，c h a p m a n 和a g r e 实现了一个p e n g i 系统f 2 6 1 ，该系统基于这样一种思想：由于大部分决策都是常规的，可以把它们 编码成一种低级的结构，只要在一定的时期更新这个结构就可以。类似的系统还 有m a e s 的“a g e n t n e t w o r k ”结构f 2 7 】。幽内的史忠植等人2 8 , 2 9 , 3 0 l 提出了在智能主 体中有机组合多种相对独立、并行执行的智能形态的主体混合结构一m a p e ，并 提出了插件式构造主体的方法。史忠植等设计了j m a t 分伽信息检索系统i3 1 ， 利用j m a t 的任务移动主体t m a 的高度自治性和移动性，进行分布环境下的信 息检索。a n d r e a s 等1 3 2 1 将用户按兴趣进行分组，检索采用相量空间模型，将移动 主体派往信息源，进行信息搜集和过滤。该系统降低了获取信息的费用，比搜索 引擎具有更大的获取信息范围，保护了灵活性和可扩展性，提高了信息检索的质 量。我们将多智能主体技术应用于电力公司客户数据库的数据挖掘过程【3 3 1 ，该 数据挖掘过程的最终目标是提供决策知识；还应用于工程机械群控研究p 4 1 ，对 基于多智能主体的工程机械群控问题进行了初步研究，取得了一些成果；还将此 技术应用于企业e r p 系统的建立3 5 l ，基于多智能主体系统设计了企业e r p 的结 构。已经有几个国际会议专门面向主体理论和多主体系统，并且许多著名的人工 智能会议也把多主体系统列为单独的主题。 第一章绪论 1 3 混杂控制研究的历史与现状 1 3 1 混杂控制研究的起源 “混杂系统”( h y b r i ds y s t e m s ，简称h s ) 一词最早来源于1 9 8 6 年在美国 s a n t a c l a r a 火学召开的高级控制会议 3 6 1 。1 9 9 1 年在法国召开了关于h s 的国际会 议【3 7 l ，1 9 9 2 年在丹麦召开了计算机科学问题中的混杂系统理论专题研讨会1 3 8 t ， 1 9 9 4 年在法国1 n r l a 召开的d e e s 9 4 国际会议中就有关于h s 的专题报告i ”1 。 从1 9 8 9 年起至今每年召开的i e e e c d c 大会论文集都有多篇有关h s 的研究文 献，例如c d c 9 2 1 删和c d c 9 3 1 4 ”。最近，国际刊物 t h e o r e t i c a lc o m p u t e rs c i e n c e 为此 版了专辑1 4 z j 。近年来，有关h s 的文献不断增长，研究成果不断涌现。 混杂系统的提出是由于离散事件系统的深入研究和现代工业过程控制的需 要。被定义为由离散事件系统( d e s ) 与连续变量系统( c v s ) 相混合而形成的 统一的动态系统。自1 9 8 6 年在美国高级控制会议上提出以来，不久便成为离散 事件系统研究和过程控制应用中的一个新的热点，并被公认为对生产过程自动 化、自动化调度、机器人控制、计算机通讯等一系列工程技术问题具有重要的指 导意义i “。由于混杂系统内含了连续动态和离散动态，如何描述系统、如何应 用于实际过程就成为h s 研究中最困难，同时也是最富创造性的活动。因此，系 统建模与h s 应用研究构成了h s 研究中的核心内容。 1 3 2 国内外研究现状 混杂控制是当前控制领域的研究热点，被应用于许多领域的研究，同时，混 杂系统理论本身也处在不断发展的过程中。这里，从系统建模和h s 应用两方面 来分析混杂控制的当前发展状况。 围绕h s 建模问题，国内外学者开展了一系列的研究，提出了许多引人注目 的理论框架，概括起来，可以分为层次模型框架和关系模型框架两大类。 层次模型框架应用层次结构建模，把h s 看成d e s 和c v s 并存的系统，它 们之间通过一个定义良好的接口发生交互作用，形成统一的动态系统；a g o l l u 和p v a r a i y a 4 4 1 用层次模型对h s 建模，分析了磁盘控制器的工作过程。p p e t e t i e s 和r d e c a r l o 等人h 5 j 利用事件结构和p e t r i 网将一般h s 定义为七元组结构，其 中d e s 为p e t r i 网描述的控制器。r s s r e e n i v a s 和b h k r o g h t 4 6 1 在d e s 研究的 基础上提出的条件事件系统，能较好地刻画连续变量与离散事件之问的关系。 j a s i l v e r 和p j a n t s a k l i s l 4 7 , 4 s l 把h s 转换成两个交互的d e s ，再利用p j r a m a d g e 和w m w o n h a m 的d e s 监控理论( r w d e s ) 4 9 - 5 1 1 研究h s 。可以说，用层次 第一章绪论 模型研究h s 的基本出发点就是先把h s 转换成两个交互的d e s ，再利用r w d e s 监控理论。 关于模型框架的建模思路首先表现为如何在单一系统内描述系统，在此基础 上进一步对系统进行综合。a b e n v e n i s t e 和他的研究小组【5 2 - 5 6 1 在研究并行信号处 理时采用s i g n a l 方法对h s 建模，再利用消结( r e s o l u t i o n ) 将其变成输入输出 映射来研究h s 的控制问题。l e h o l l o w a y 利用行为模型 5 7 - 6 0 1 将事件空间和时间 空间联接起来，分桥h s 内部的因果关系和时间的单调性。周巢尘利用时段演算 ( d u r a t i o nc a l c u l u s ) 6 1 , 6 2 来研究h s ，将布尔函数在区间上积分进行形式化，从 而可用来描述和推导离散状态系统的实时和逻辑特性。 由于h s 的应用背景十分广阔，基于不同背景所提出的模型方法都带有一定 的领域特征。基于层次模型，f o u l l o y 等1 6 3 1 提出基于符号的过程控制方法，已在 汽车检测领域取得了应用。基于关系模型如时段演算，开发出一些简单的系统， 已在煤气燃烧器中得到了应用即l 。l e h o l l o w a y 等利用的行为模型已应用于钢 水出炉预撤中“1 1 】。h o l d i n g 等6 5 1 设计了用于分布式混杂控制系统的同步逻辑实时 分布式系统，该系统用软件实现对高速机械运转的控制。w o l f 和a n i l 6 6 研究了 一种多智能主体混杂控制机构( m a h c a ) ，该结构可用于分析和设计对分布式 非线性过程的实时智能控制，该结构适用于网络系统。g i a m b e r a r d i n o 等1 “7 l 研究 了对未来的太空多体系统进行控制的计划，该研究表明混杂控制是十分有效的。 国内学者也开展了对h s 的研究，大都侧重于h s 的工程应用。黄杰理在前 人的基础上进一步讨论了几种重要的h s 模型【6 引。张佐等人在层次模型的基础上 用p e t r i 网描述h s ，重新研究了制造系统中的调度问题1 6 9 i 。王岩则从h s 角度研 究了采矿系统中的控制应用问题。张明镰和他的智控研究小组应用关系模型( 时 段演算) 研究了三级倒立摆拟人控制中的混合推理问题【7 0 l 。宋永华等讨论了混 杂控制系统的概念、特征和性质，对电力系统的混杂特性进行了简要分析【”j 。 他们又进步分析了电力系统的混杂特性，提出了种基于自动学习机的电力系 统混杂控制的结构模型，并把这一模型应用于电力系统的紧急频率控制中 7 2 1 。 可以看出，包括混杂系统、混杂控制的确切概念本身还处于发展之中，但此 工具的出现为复杂大系统建模提供了强有力的工具。这里仅列出了部分文献。混 杂控制研究已涉足多个领域，在工程机械机群控制领域的应用尚未见。 第一章绪论 1 4 容错调度研究的历史与现状 实时系统正向着大规模、复杂化的方向发展，它的调度问题早已引起人们的 注意，1 9 7 3 年l i u 和l a y l a n d ”“提出了单调速率调度算法( r a t em o n o t o n i c s c h e d u l i n g ，r m ) 赋予周期短的任务以高优先级，高优先级的任务抢占处理机， r m 被证明是最优的静态固定优先级调度算法1 ”，并从处理机利用角度分析了独 立周期任务可调度性充分条件，它己被作为一种工业标准被广泛应用。对于动态 到达系统的任务，最早时限优先算法( e a r l i e rd e a d l i n gf i r s t ，e d f ) ”在 任何时刻总是优先调度运行具有最早截止时限的就绪任务，e d f 也被证明是最优 的的动态优先级调度算法脚”。r m 和e d f 都是针对单机处理系统提出的，是实时 系统调度理论中最经典的调度算法，后来许多算法都是在此基础上发展而来的。 计算机容错技术起源于六十年代，目前欧美发达国家的容错技术已经进入了实用 化与推广的阶段。国内计算机容错技术起步较晚，最初的研究主要集中在故障测 试与诊断，到了八十年代才研制出第一台容错计算机。今年己开始在一些高可靠 领域内，包括一些关键任务与在线控制领域中大规模的采用容错技术，使得工业 微机的容错研究进步很大。随着化工、冶金、电力等工业生产长治规模的日益大 型化与复杂化，对容错系统就提出了更高的要求”“1 。 实时技术与容错技术必须结合在一起进行研究。实时系统一个重要需求就是 实施任务必须在规定的时限内完成，而且在系统出现错误时，实时任务可以继续 运行，分布式投票技术1 、反转式恢复技术”1 和祝福版本技术都是典型的容错技 术，然而这些容错技术没有考虑实时问题。文献”“分别研究了速率单调算法和 动态实时调度问题，文献”1 讨论了固定优先级实时调度算法。不足的是这些算 法没有考虑容错问题。硬件冗余是解决实时系统错误的有效途径”5 ，实施容错 调度算法是一种通过软件解决实时容错问题的有效方法。文献9 7 研究了一种不精 确计算( i m p r e c i s ec o m p u t a t i o n ) 的实时调度算法，该算法通过不精确计算来 满足实时容错需求。文献删分别研究了实时容错调度算法，这种算法通过主 副版本技术在实时调度算法中增加了容错能力。基于主副版本技术，提出是实 时容错调度算法，可以同时调度具有容错需要和无容错需要的实时任务”1 。在 此基础上深入研究了混合型实时容错调度算法”“。“。 目前现有的确定性实时任务调度一般都是用于分布式计算和通讯领域，目前 第章绪论 还未发现由于多智能主体系统相结合的例子，更没有对大型施工机械机群的整体 容错问题进行深入研究。本文是首次将实施容错调度技术应用于大型工程施工机 械机群智能化中。具体内容见第四章所述。 1 5 供应链技术研究的历史与现状 供应链( s u p p l yc h a i n ) 的概念最早是在2 9 世纪8 0 年代提出来的。近年来， 随着全球制造的出现，供应链在制造业中得到普遍的应用，成为一种全新的管理 模式。由于目前市场的激烈竞争、经济的飞速发展以及用户需求的不确定性的增 加，供应链及供应链管理引起人们的广泛关注。 早期的观点认为供应链是制造企业的一个内部过程，是指从采购到的原材料 和收到的零部件，通过生产的转换和销售环节传递到最终用户的一个过程。后来 的供应链概念注意了企业与其他企业的联系，注意了供应链的外部环境，偏向于 定义它为- 二个通过供应链中不同企业的制造、组装、分销、更系统的概念。现在 供应链的概念则更加注重围绕核心企业的网链关系。 美国供应链协会的定义是：供应链目前国际上广泛使用的一个术语，囊 括设计生产最终产品与交付最终产品和服务的一切努力，从供应商的供应商到客 户的客户。供应链管理包括管理供应与需求，原材料、备品备件的采购、制造与 装配，物件的存放与库存查询，订单的输入与管理，渠道分销及最终交付用户。 供应链管理是目前受到国际学术界和企业界普遍关注的一种增强企业竞争 力的管理思想和方法，而供应链涉及到供应商、制造商、配送中心、零售商、消 费者等各类实体，及其相关的一系列业务活动，呈现复杂的网络结构，因此供应 链是一类典型的复杂适应系统。斟i i 随剃人一l 背熊领域的域檠多主体系统 ( l j l t ik 强1 1s v s e r a ) 棼i 醢杂州 ： 学的捌戈 。h 谚 水解次供j 趋键的鳓渊 = | i 饯化 蛔憩成为缴心镳联究的笈艇趋终之国际上关于多主体系统的研究虽然时间很 短，但发展迅速；在供应链中，主要通过对供应链的建模与仿真，解决供应链的 协调问题和资源优化配置问题，以及通过建立基于多主体的信息系统来支持供应 链的运行。p a r u n a k ( 1 9 9 8 ) 等学者将基于a g e n t 的建模方法与基于数学方程的建模 方法( 如系统动力学的方法) 进行了比较，指出基于数学方程的建模方法描述了 可观察属性之间的关系，但却无法清楚地描述其交互行为，两者从不同的层次水 第一章绪论 平关注模型。作者对基于两种方法所建的供应链仿真模型进行了分析比较，阐述 了基于a g e n t 的仿真模型的优点。另外，p a r u n a k 等还以j o h n s o nc o n t r o l s 公 司为研究背景，建立了扩展的供应网络模型，对供应链进行动态分析，通过仿真 探讨了供应链中订单的扩大效应和相关性，订单数量变化干扰的持续性和库存数 量变化的振荡性。此外，还建立了任务计划主体网络结构( a g e n t n e t w o r k f o r t a s k s c h e d u l i n g ，a n t s ) ，用以描述供应链的决策机制。0 7 1 。m a r k ( 2 0 0 0 ) 等提出了 面a g e n t 的供应链管理方法，开发出了一套基于规则的主体协同语言c o o l ( c o o r d i n a t i o n l a n g u a g e ) 和一套多主体开发平台a b s ，认为可采用基于a g e n t 的 新的软件结构来构建供应链的战术层和操作层决策模型，作者描述j a g e n t 问的 协商机制，并运用马尔可夫决策过程理论进行协调计划的优化，并声称该方法支 持供应链中由随机事件引发的复杂协调t 作 1 0 8 - 1 0 9 1 。林福仁( 1 9 9 8 ) 采用多a g e n t 信息系统方法构建供应链的订单流程模型，并进行业务流程再造，在s w a r m 平 台上实施改善订单流程策略的评估和一些供应链结构的仿真分析，主要是研究了 不同的供应链策略，如需求管理策略、信息共享策略、物料分配策略等对企业订 单完成情况的影响，但缺乏对a g e n t 之间协调机制和行为模式的详细描述 1 1 0 4 1 2 1 。j u r g e n ( 2 0 0 0 ) 等利用麻省n - r 学院开发i 拘基于a g e n t 的仿真平台 s t a r l o g o ，结合复杂适应系统理论探讨了分散控制下的供应链网络的