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资源分配系统死锁控制及其应用研究

朱森  
【摘要】: 由于存在有限资源的共享与竞争,资源分配系统在运行过程中容易出现资源的循环等待,这样就会产生死锁。而在高度自动化的系统中,死锁的发生往往会造成生产率下降甚至产生灾难性的后果。因此,资源分配系统的控制设计,必须考虑死锁,必须有效避免死锁的发生。究其本质,资源分配系统中抑制死锁产生的途径是使系统的资源分配策略永远不要产生循环等待现象。Petri网作为一种数学工具,由于其固有的优点,最近三十年来被广泛作为研究资源分配系统死锁分析与控制的方法。基于Petri网的资源分配系统的死锁问题主要有以下三种解决策略:死锁检测与恢复、死锁避免和死锁预防。死锁检测与恢复策略允许系统出现死锁,一旦检测到系统处于死锁状态,通过重新配置资源,使系统恢复到正常状态。死锁避免策略使用一种在线的资源分配机制,使系统不能进入死锁状态。死锁预防策略通过离线计算事先建立一种策略来控制资源的请求,从而保证系统不会进入死锁状态。本文以Petri网为工具,以资源分配系统为主要背景,深入研究了资源分配系统的死锁控制问题,并应用于实际运河的交通分析与控制。论文主要的研究工作如下: 1.提出了基于基本信标理论的一种次优化S。PR网死锁预防策略。根据基本信标和从属信标的可控性关系,为严格极小信标添加控制库所,通过调整控制库所的初始标识获得活性受控系统。根据隐式库所的特性,简化受控的Petri网模型。该预防策略添加的控制库所少,许可行为多,达到了更好的控制效果。 2.提出了基于资源回路对S3PR网的死锁控制分治策略。基于资源回路的概念提出了一种网模型的分解方法。将一个S3PR网模型分解成一个闲置子网、一个自治子网以及若干局部资源网。研究表明,可以为每一个局部资源网单独设计控制器,将这些控制器进行同步复合可以得到系统的控制器以及活性受控系统。该策略分解网系统之后,将其他文献上的死锁控制方法应用于分解后的网系统都可以在很大程度上降低控制系统设计的计算复杂性。 3.提出了基于基本信标对S4R网的死锁控制分解策略。对于S4R网,并不总是存在资源回路,这样分治策略就无法发挥作用。而基于基本信标理论,从死锁控制角度将一个网模型分解成一个闲置子网、一个自活子网以及若干信标块子网,再对每个信标块子网设计活性监督控制器,最后通过网的同步复合可以得到系统的控制器以及活性受控系统。该策略处理旨在降低此类网活性监督控制器的设计复杂度,同时可以得到更多的行为许可性。4.基于前人研究成果提出一种针对S4R网的死锁预防策略。Park的方法可以保证活性,然而过于保守。利用混合整数规划方法(Mixed Integer Programming,MIP)和直接为信标补集添加控制库所策略可以使得一些网的控制不再过于保守,只有在无法保证活性的情况下才进行Park的保守控制。添加控制库所的过程中由于不把输出弧前移,因此可以得到许可行为较多的活性Petri网控制器。 5.提出了一种活性约束表达的方法,使得在这种活性约束下,系统具有无死锁的特性。这种活性约束表现为进程闲置库所和资源库所间的不等式关系。提出了基本约束和从属约束的概念以及基本约束的选择算法,分析了其复杂性,得到了简化的活性约束集合。 6.将资源分配系统的研究成果成功应用于海军舰艇运河交通系统的研究。利用Petri网对其建模,然后对其进行分析、控制。其中进行死锁控制时采用了两种策略,并分析对比了两种策略的优劣,最后对第一种策略通过实例给出其具体扩展利用方案。 本文的研究成果对基于Petri网的资源分配系统死锁控制和离散事件系统的监督控制理论具有重要意义和价值。


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