分布式工业自动化系统可重构混合计算模型研究

In recent years, requirements for interoperability, flexibility and reconfigurability of complex automation industry applications have increased dramatically. Distributed software architecture is considered as the key for enabling collaborations and intelligences in industrial automation systems. Various devices connected by industrial networks coordinate with each other to improve efficiencies of controlling distributed industrial automation systems. Aiming for flexible, portable, reconfigurable and interoperable distributed automation systems, design paradigms and execution semantics will be investigated. Firstly, paradigms such as object-oriented programming will be introduced for distributed automation software design. Then, a novel time-complement event-trigger execution semantics will be proposed for deterministic execution semantics of distributed automation systems. Finally, a flexible, reconfigurable and interoperable runtime structure for distributed automation systems will be proposed by application of service-oriented architecture. Collaborations between various devices will be enabled by introducing industrial software agents and autonomic service management. This project aims for provide efficient design methodologies, deterministic execution semantics and collaborative automation for distributed automation systems in both theoretical and practical approaches. Research results will be demonstrated in material handling systems, particularly airport baggage handling systems.

随着计算机、通信与网络等信息技术的发展，工业自动化系统已由集散控制系统演进到3C（计算、通信与控制）融合的时代。分布式结构为自动化系统提供了高度的灵活性与高效协作的可能性，但如何实现全局系统的协同仍然面临挑战。通过设计可重构软件架构来提高系统的可扩展性是解决这一难题的重要途径。本项目拟提出分布式工业自动化软件设计范式，采用面向服务的软件架构，建立基于时间与事件混合驱动的计算模式，研究如何实现高效、灵活、可扩充与可重构的工业分布式软件架构。重点开展三方面研究：基于IEC61499标准的分布式自动化设计范式；时间变量和事件触发离散变量双驱动的系统计算模型；动态可重组的分布式软件运行环境设计。本项目的核心思想是基于可重构分布式自动化软件计算模型来保障系统的实时性与可靠性，形成高效的软件设计范式，具有很强的理论意义和应用价值。

本项目针对异构分布式自动化系统平台，研究了基于统一接口的模块化可扩展建模语言，将系统控制代码与仿真模型封装在相同接口的模块中，无需在设计时考虑硬件配置与软件部署方案，减少重复设计时间。针对通讯协议的多样性，研究了以事件驱动为基础的通用通讯模型，在应用层使用统一的通讯模型来减少建模的难度与所需时间。通过在事件驱动的基础上引入实际时间，研究了分布式自动化系统既随时间连续变化的变量又受事件触发的离散变量驱动的系统计算模型。采用融合时间戳与离散事件系统的执行方法，研究了消除由于不同平台性能差异所造成的执行时间不确定性的方法，提高分布式自动化系统软件执行的可靠性，降低由于执行时间波动造成系统异常。证明了在给予相同输入值以及运行时间长度的情况下，基于时间与事件混合驱动的计算模型总能得到相同的运行结果。研究了基于工业软件智能体的服务管理机制，根据每个设备内智能体对反馈与指令信息的实时监测以及通过事件消息机制与其他智能体分享信息，实现了动态组合软件服务，为分布式自动化系统自我诊断、自我防护、自我配置以及自我优化提供支持。..本项目取得的成果为设计分布式自动化系统提供了可行的方案，通过抽象化的功能块网络模块来描述系统模型能够有效的提升设计效率，降低系统模型复杂程度，可以在分布式工业设计软件中应用。基于时序的离散事件执行语义则解决了由于不同硬件设备间性能差异造成的控制结果偏差，使得多任务的不同实时性要求能够在多种设备上得到满足。知识驱动服务化软件多智能体框架则打通了不同平台间的壁垒，实现了跨平台的互联互通、信息交互与协同决策。