2.5　基于生物啟發(fā)的智能制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)模型的形式化描述

2.5.1　形式化描述的必要性

制造控制系統(tǒng)的形式化描述，是指用具有精確語(yǔ)義的形式語(yǔ)言對(duì)制造控制系統(tǒng)的具體組成及其所能實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)邏輯描述，是驗(yàn)證和測(cè)試制造控制系統(tǒng)具體性能的基礎(chǔ)和依據(jù)。類(lèi)生物化制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)模型的形式化描述可以用數(shù)學(xué)邏輯語(yǔ)言的方式清晰地表述所要開(kāi)發(fā)的整個(gè)控制系統(tǒng)的邏輯活動(dòng)，避免了因表述不清而引起模糊或混亂，可以使系統(tǒng)研發(fā)人員繞開(kāi)很多不必要的細(xì)節(jié)和邏輯錯(cuò)誤，提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

類(lèi)生物化制造系統(tǒng)是典型的分布式智能制造系統(tǒng)，其控制體系結(jié)構(gòu)模型中定義了基本的智能自治基元、自治基元之間的通信方式及協(xié)調(diào)交互機(jī)制，它們是分析和設(shè)計(jì)類(lèi)生物化制造系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制模型的前提，也為其具體應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。采用自然語(yǔ)言、圖表等準(zhǔn)形式化（Semi-formal）語(yǔ)言描述控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時(shí)有其先天的不足，必須采用形式化技術(shù)或語(yǔ)言才可以對(duì)分布式智能制造系統(tǒng)中智能自治基元之間通信與協(xié)商（Communication and Interaction Protocol）過(guò)程中的并發(fā)和交互進(jìn)行精確的描述。描述分布式智能制造系統(tǒng)的形式化描述語(yǔ)言必須具備以下幾個(gè)能力：（1）能夠?qū)ψ灾位g的并發(fā)性進(jìn)行描述；（2）具有模塊化特性，能夠?qū)δ承┚植拷换ミM(jìn)程進(jìn)行描述；（3）能夠描述不同自治基元之間的同步性進(jìn)程；（4）內(nèi)部狀態(tài)的可修改性，即可以對(duì)自治基元的內(nèi)部變更進(jìn)行描述；（5）能夠?qū)ψ灾位耐ㄐ判枨筮M(jìn)行描述；（6）類(lèi)生物制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性的準(zhǔn)確表述。

目前，針對(duì)現(xiàn)代分布式智能制造系統(tǒng)的常用形式化描述語(yǔ)言主要有dMARS、DESIRE、Gaia、MaSE、G-net和AUML等，它們對(duì)系統(tǒng)模型的表述做出了重要貢獻(xiàn)。但對(duì)類(lèi)生物化制造系統(tǒng)的控制體系，由于其難以從結(jié)構(gòu)上和行為上描述出動(dòng)態(tài)性行為，因此，我們嘗試用進(jìn)程代數(shù)來(lái)對(duì)分布式的類(lèi)生物化制造系統(tǒng)進(jìn)行描述，將智能自治基元作為基本進(jìn)程，通過(guò)某種規(guī)則簡(jiǎn)單組合構(gòu)成復(fù)雜的類(lèi)生物化制造系統(tǒng)，并為了提高模塊化特性，利用進(jìn)程代數(shù)對(duì)單個(gè)自治基元內(nèi)部的啞行為（Silent Action）進(jìn)行定義和描述。

2.5.2　π演算簡(jiǎn)介

π演算屬于進(jìn)程代數(shù)中的一種，通常用來(lái)描述具有動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)程（Process）的通信行為，是在擴(kuò)展了Robin Milner的CCS（Calculus of Communication System）算子以適應(yīng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可重構(gòu)性的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的并發(fā)計(jì)算模型。π演算主要由名字（Name）和進(jìn)程（Process）兩大類(lèi)實(shí)體組成。在被描述系統(tǒng)中，信息交互的通道被命名為某個(gè)Name，而系統(tǒng)中可以自治運(yùn)行的實(shí)體則被看作Process，其中還可以包括Subprocess。Process通過(guò)共享的Name所代表的信息交互通道（Channel）進(jìn)行通信。我們以英文大寫(xiě)字母P、Q、R等表示進(jìn)程，以小寫(xiě)的希臘字母α、β、γ等命名通道，變量以小寫(xiě)英文字母x、y、z等表示，變量列表則以表示。

多元π演算是在原有的單元π演算（First-order Monadic-Calculus）的基礎(chǔ)上拓展演變而來(lái)的，其在進(jìn)程表述時(shí)允許同時(shí)在多個(gè)名字的通道中進(jìn)行交互，其BNF范式如下：

式（2.1）所示的一階多元π演算的BNF范式描述了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的某個(gè)進(jìn)程。在BNF范式中，“0”表示沒(méi)有任何動(dòng)作的零進(jìn)程；ρ·P則表示在執(zhí)行進(jìn)程P之前必須完成動(dòng)作ρ；“|”表示并行組合算子（Parallel Composition Operator），用以表示成對(duì)的并行進(jìn)程；“+”表示和算子（Sum Operator），通常用來(lái)描述可執(zhí)行的下一步進(jìn)行具有多種選擇的可能性；為約束算子（Restriction Operator），表示變量列表中的變量?jī)H對(duì)進(jìn)程P開(kāi)放，其余進(jìn)程無(wú)法獲取任何變量列表中的信息；[x=y]P表示選擇執(zhí)行進(jìn)程，即當(dāng)滿足中括號(hào)的條件（變量x等于變量y）時(shí)，執(zhí)行進(jìn)程P；!P表示對(duì)進(jìn)程P的反復(fù)組裝過(guò)程，“！”又稱(chēng)之為復(fù)制算子（Replication Operator）；為進(jìn)程P的某種形式的定義，其通過(guò)變量列表中的變量將A和P這兩個(gè)進(jìn)程關(guān)聯(lián)起來(lái)。

多元π演算所表達(dá)的內(nèi)容同樣是由兩大部分組成的，第一部分是用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)進(jìn)程之間交互后的發(fā)展進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述的約減規(guī)則（Reduction Rule）；第二部分是針對(duì)系統(tǒng)進(jìn)程與外部動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境交互后的發(fā)展變化進(jìn)行描述的轉(zhuǎn)換規(guī)則（Transition Rule）。

2.5.3　基于一階多元π演算的控制體系結(jié)構(gòu)的形式化描述

為了便于構(gòu)建類(lèi)生物化制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)的形式化模型，圍繞制造系統(tǒng)接受外部訂單在系統(tǒng)內(nèi)部可選制造資源間動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)分配和分配到任務(wù)的智能基元內(nèi)部自治調(diào)度為核心目標(biāo)，我們根據(jù)圖2.10所示的類(lèi)生物化制造系統(tǒng)協(xié)調(diào)模型，將類(lèi)生物化的制造實(shí)體抽象為5種基本對(duì)象，即類(lèi)神經(jīng)中樞控制器BNC、車(chē)間調(diào)度控制JSC、自治基元控制器APC、任務(wù)管理控制器TMC和資源管理控制器RMC，并以此為基礎(chǔ)建立了如圖2.11所示的控制信息傳遞模型。

在明確了信息傳遞模型各個(gè)關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)類(lèi)生物化制造系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)的主要控制協(xié)調(diào)功能，設(shè)計(jì)了自治基元之間的通信鏈接（見(jiàn)表2.1），并應(yīng)用π演算法對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的命名和定義。假設(shè)通信鏈接是一一對(duì)應(yīng)的，比如wbj鏈接僅僅表示BNC-to-JSC的通信通道，對(duì)表中以w、v為首命名通信鏈接，以i、j為首交互的信息進(jìn)行定義。

結(jié)合類(lèi)生物化制造系統(tǒng)自治基元之間的通信鏈接系統(tǒng)控制信息傳遞模型，類(lèi)生物化制造系統(tǒng)的控制體系結(jié)構(gòu)模型的形式化表達(dá)式可以描述為：

其中，

在上述基于一階多元π演算所描述的類(lèi)生物化制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)模型中，式（2.1）為整個(gè)系統(tǒng)形式化模型的總體表達(dá)式，而式（2.2）至式（2.6）則為系統(tǒng)組成各個(gè)主要進(jìn)程的行為表達(dá)式。其中，各主要進(jìn)程中的變量列表如下所示：

在式（2.1）—式（2.7）所表述的類(lèi)生物化制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)模型的形式化表達(dá)式中，其表示的基本控制協(xié)調(diào)過(guò)程為：類(lèi)神經(jīng)中樞控制器BNC接收外部環(huán)境中各種刺激（如市場(chǎng)需求、任務(wù)訂單等），將其以生產(chǎn)任務(wù)（刺激）的形式向車(chē)間調(diào)度控制JSC發(fā)出請(qǐng)求，JSC通過(guò)類(lèi)體液信息環(huán)境向有加工能力的智能自治基元APC發(fā)出請(qǐng)求；JSC和APC之間的信息交互模仿生物神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行，而APC與任務(wù)管理控制器TMC及資源管理控制器RMC之間則模仿基于激素?cái)U(kuò)散反應(yīng)機(jī)制的隱式調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。類(lèi)生物制造系統(tǒng)形式化模型中的變量除了表2-1所示含義，式（2.2）中iTout表示等待超時(shí)，式（2.3）中ts表示基于內(nèi)分泌機(jī)制的類(lèi)生物化內(nèi)部評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程，式（2.4）中，t1和t2分別表示智能自治基元內(nèi)部的自治調(diào)度和協(xié)調(diào)分配的計(jì)算過(guò)程，屬于基元內(nèi)部自治行為，外部實(shí)體不可見(jiàn)，式（.5）中，tr則代表了制造系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)隨機(jī)干擾，如機(jī)床故障等。