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Università di Firenze – Dipartimento di Sistemi e Informatica. Attività dell’Unità di Firenze attinenti a modellazione, simulazione e analisi di sistemi reattivi distribuiti nello spazio. G.Bucci, E.Vicario, F.Baldini, L.Sassoli {bucci,vicario,fbaldini, sassoli}@dsi.unifi.it. - PowerPoint PPT Presentation
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Attività dell’Unità di Firenze attinenti a modellazione, simulazione e analisi
di sistemi reattivi distribuiti nello spazio
G.Bucci, E.Vicario, F.Baldini, L.Sassoli
{bucci,vicario,fbaldini, sassoli}@dsi.unifi.it
Università di Firenze – Dipartimento di Sistemi e Informatica
Sistemi reattivi tempo dipendenti
• La correttezza dipende requisiti non funzionali Tempificazione degli eventi Sequenzializzazione degli eventi
Applicazioni di controllo industriale, Componenti di software embedded, …
• In molti contesti diventano rilevanti anche aspetti legati alla spazialità Configurazione spaziale del sistema Vincoli di tipo spaziale Evoluzione dinamica del sistema
Esempio: Sistemi di instradamento del traffico ferroviario
• Regolazione degli scambi
• Regolazione dei semafori
• Distanziamento
Esempio: Celle di assemblaggio AGV (Automatic Guided Vehicles)
• Rispetto della sequenza e dei tempi delle lavorazioni
• Collision avoidance: modellazione di sensori ed elaborazione di dati da essi provenienti
• Deadlock avoidance: controllo dell’instradamento per evitare la congestione
Esempio: Reti ad hoc
• Sistemi di esplorazione con controllo remoto Controllo della distanza reciproca delle unità per il
mantenimento della connessione wireless col sistema di controllo
Modellazione con Reti di Petri Tempificate
• Time Petri Nets permettono la specifica e la validazione di: Tempificazione Sequenzializzazione
• E.g. sistemi di controllo industriale: Ogni lavorazione richiede un tempo
minimo (e massimo) per il completamento Le lavorazioni devono essere svolte
secondo una sequenza (e.g. catena di montaggio)
• Problema: i modelli TPN non permettono di catturare le caratteristiche spaziali del sistema Evoluzione della configurazione spaziale nel tempo (mobilità) Vincoli di spazialità legati alla configurazione dell’ambiente e alla
evoluzione dinamica
Visualizzazione in un ambiente virtuale della evoluzione spaziale controllata da un modello TPN
• La presenza di un gettone in un posto indica uno stato di operazione per un oggetto mobile
• Il progresso di una transizione modella la condizione di esecuzione di una azione nello spazio (e.g. spostamento lungo un percorso predefinito)
Esempio: applicazione al controllo di instradamento del traffico
• In fase di simulazione il modello TPN simula il software di controllo del sistema Genera comandi per le unità mobili in accordo alla tempificazione e
alla sequenzializzazione espressa nel modello Permette la visualizzazione della evoluzione dello stato del controllo
(Token Game) e della configurazione spaziale del sistema (Animazione)
[5,5] [3,3] [2,2] [5,5]
Muovi_treno1
-> stazione
Treno1_prosegui ->
prossima stazioneMuovi_treno2 Muovi_treno2
Stazione
[100,100]
[100,100]
Limiti nella modellazione
• L’evoluzione del modello TPN non è condizionata dalla configurazione spaziale e dalla velocità degli oggetti mobili
• Esempio: cella di assemblaggio con due veicoli AGV I veicoli si muovono sul percorso assegnato per il tempo determinato
dalla transizione Le collisioni tra veicoli non sono rilevate né gestite
[100,100]
Move Truck2
Truck1
Truck2 [99,99][98,98]
Move Truck1
[99,99][98,98]
Limiti nella modellazione
• La configurazione spaziale deve potere condizionare la evoluzione dello stato logico La configurazione spaziale è parte dello stato del modello L’occorrenza di una condizione nella configurazione spaziale
costituisce un evento che modifica lo stato logico
[100,100]
Move Truck2
Truck1
Truck2 [99,99][98,98][100,100][99,99]
Move Truck1
[100,100][99,99][98,98][100,100][99,99]
Estensione del modello TPN
• Il modello deve includere informazioni spaziali e cinematiche Posizione degli oggetti mobili Percorso su cui sono instradati Velocità degli oggetti mobili
• L’evoluzione del modello deve accoppiare l’evoluzione delle componenti logica e spaziale dello stato Leggi cinematiche che aggiornano la posizione degli oggetti mobili in
base al progresso nell’esecuzione delle transizioni Condizionamento della evoluzione dello stato logico del modello alla
configurazione spaziale del sistema
Spatial TPNoggetti, percorsi, velocità
• Ogni transizione del modello può essere associata a un oggetto mobile, un percorso su cui l’oggetto è instradato, e un valore di velocità
• La transizione opera come controllore per l’oggetto L’oggetto è instradato sul path associato L’oggetto si muove con il valore di velocità associato alla transizione
[100,100]
Truck2Position (x2,y2)
[100,100]
Move Truck1, Path p1, Speed 10
Move Truck2, Path p2, Speed 10
x2
y2
x1
y1
x
y
Truck1
Position (x1,y1)
Path p2
Path p1
Spatial TPN:Aggiornamento della configurazione spaziale
• Aggiornamento della posizione degli oggetti mobili
• Cambiamento del percorso di instradamento
• Variazione della velocità
Move Truck1
[100,100]
Truck2
Truck1: (x1,y1)
Truck2: (x2,y2)
x
y
Move Truck2
x1
y1T T
x1+speed*T x1+speed*2T
[100,100][99,99][98,98]
Truck1
Truck1: (x1+speed*T,y1)Truck1: (x1+speed*2T,y1)
Path p2
Path p1
Spatial TPN:Guardie sulla configurazione spaziale
• L’evoluzione dello stato logico del modello è condizionata dalla configurazione spaziale attraverso vincoli sulla posizione relativa degli oggetti mobili condizioni relative alla presenza di una unità mobile su un path e/o
entro una distanza
Move AGV1
[100,100]
Truck2
Truck1:(x1,y1); Path p1; Speed 10
Truck1:(x1,y1); Path p1; Speed 10
Move AGV2
[100,100]
Truck1
Sensing Field Vincoli: forward sensing system
Modellazione, simulazione e analisi nell’ambiente ORIS
TPN Editor
3D EnvironmentComposer
3D ObjectAssembler
3D Objects
TPN Animator
3D EnvironmentAnimator
Time Petri Nets
3D Environments
TPN Analyzer
Tool di modellazione
• Editor TPN Interfaccia grafica per la creazione di modelli di Petri Permette la specifica di intervalli temporali per le transizioni
e la specifica delle condizioni iniziali
• Estensione al caso di sistemi con caratteristiche spaziali Oggetti mobili Percorsi Caratteristiche cinematiche (velocità)
Tool di modellazione
• 3D Object Assembler Assemblaggio di oggetti virtuali 3D da librerie di componenti Implementazione basata su Java 3D
• Attualmente il tool permette la modellazione di robot virtuali È possibile creare librerie per la creazione di oggetti 3D diversi
Tool di modellazione
• Virtual Environments Composer Organizza su una scena gli oggetti creati con 3D Object Assembler Definizione dei percorsi e dei parametri specifici per gli oggetti
mobili
• Possibile estensione del tool per la creazione di schemi di visualizzazione diversi(e.g. visualizzazione 2D di un quadro sinottico ferroviario)
Tool di Simulazione
• TPN Animator (Token game tempificato) Mostra l’evoluzione del modello
TPN nel tempo Produce i comandi di animazione
per gli oggetti mobili
• 3D Environment Animator Ricostruisce gli ambienti virtuali
creati con il tool “Environment Composer”
Riceve i comandi da TPN Animator e gestisce l’esecuzione dei thread di animazione
Esempio: simulazione di un sistema di instradamento ferroviario
• Il modulo di presentazione può essere adattato a contesti applicativi diversi e a simulatoridiversi (2D e 3D)
[5,5]
[5,5]
[7,7]
[5,5]
[5,5]
T2 move-stazione, speed=5
T1 move-scambio, speed=2
T2 prosegui, speed=5
Treno T1
Treno T2
Stazione
T1 prosegui – b1
Vincolo: b1 libero
T1 prosegui – b2
Vincolo: b2 libero
Binario b1
Binario b2
Analisi dello spazio degli stati
• Lo stato di un modello TPN dipende da: Marcamento Insieme dei time to fire delle transizioni in progresso
• Nei modelli TPN estesi per la modellazione di sistemi con spazialità, questo include anche lo stato degli oggetti mobili Posizione degli oggetti Percorso su cui attualmente sono instradati
• Enumerazione dello spazio degli stati Grafo di raggiungibilità Informazioni sui comportamenti critici rispetto a vincoli di tempo reale o di
configurazione spaziale Calcolo della probabilità degli stati
• Gestione del traffico Assenza di collisioni basato su “controllo in avanti”
(forward sensing control) sui veicoli mobili Assenza di stalli
• Il comportamento del sistema è difficilmente predicibile
Il controllo è complesso Le tempificazioni delle
operazioni di manipolazione e degli istanti di partenza dei veicoli sono non deterministiche
Dipendenza da vincoli spaziali
Esempiocella di assemblaggio con automatic guided vehicles (AGV)
Docking Station
Load Area AGV2
Unload Area AGV2
Load Area AGV1
Unload Area AGV1
AGV2AGV2 AGV1AGV1
Modellazione con il tool ORIS
• TPN Editor: modello di Petri
• Virtual Environments Composer: arrangiamento iniziale e traiettorie
ANALIZZATORE
Rilevazione di stalli (situazioni in cui i veicoli non
possono procedere senza collidere)
Risultati sperimentali preliminari nell’analisi
Istante di partenza Numero di stati generati
Numero di deadlock rilevati
AGV1 [0,40]
AGV2 [0,0]434939 32
AGV1 [0,0]
AGV2 [0,40]319695 19
• La simulazione dà solo parziale confidenza sul corretto funzionamento del sistema e sulla assenza di stalli
• L’analisi esaustiva dello spazio degli stati del modello TPN esteso permette di avere garanzie di correttezza:
Rilevazione delle situazioni di stallo Identificazione degli sfasamenti critici tra gli istanti di partenza dei veicoli
Ritardo partenza di AGV1 risp. a AGV2
0
Partenza diAGV2
Partenza di AGV1
40 sec
Ritardo partenza di AGV2 risp. a AGV1
Sfasamenti critici
40 sec
40 sec0
istanti critici
istanti critici