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Attività dellUnità di Firenze attinenti a modellazione, simulazione e analisi di sistemi reattivi distribuiti nello spazio G.Bucci, E.Vicario, F.Baldini,

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Presentazione sul tema: "Attività dellUnità di Firenze attinenti a modellazione, simulazione e analisi di sistemi reattivi distribuiti nello spazio G.Bucci, E.Vicario, F.Baldini,"— Transcript della presentazione:

1 Attività dellUnità 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, Università di Firenze – Dipartimento di Sistemi e Informatica

2 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

3 Esempio: Sistemi di instradamento del traffico ferroviario Regolazione degli scambi Regolazione dei semafori Distanziamento

4 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 dellinstradamento per evitare la congestione

5 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

6 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 dellambiente e alla evoluzione dinamica

7 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)

8 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 stazione Muovi_treno2 Stazione

9 [100,100] Limiti nella modellazione Levoluzione 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]

10 Limiti nella modellazione La configurazione spaziale deve potere condizionare la evoluzione dello stato logico La configurazione spaziale è parte dello stato del modello Loccorrenza 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]

11 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 Levoluzione del modello deve accoppiare levoluzione delle componenti logica e spaziale dello stato Leggi cinematiche che aggiornano la posizione degli oggetti mobili in base al progresso nellesecuzione delle transizioni Condizionamento della evoluzione dello stato logico del modello alla configurazione spaziale del sistema

12 Spatial TPN oggetti, percorsi, velocità Ogni transizione del modello può essere associata a un oggetto mobile, un percorso su cui loggetto è instradato, e un valore di velocità La transizione opera come controllore per loggetto Loggetto è instradato sul path associato Loggetto si muove con il valore di velocità associato alla transizione [100,100] Truck2 Position (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

13 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 y1 T 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

14 Spatial TPN: Guardie sulla configurazione spaziale Levoluzione 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 Move AGV2 [100,100] Truck1 Sensing Field Vincoli: forward sensing system

15 Modellazione, simulazione e analisi nellambiente ORIS TPN Editor 3D Environment Composer 3D Object Assembler 3D Objects TPN Animator 3D Environment Animator Time Petri Nets 3D Environments TPN Analyzer

16 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)

17 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

18 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)

19 Tool di Simulazione TPN Animator (Token game tempificato) Mostra levoluzione 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 lesecuzione dei thread di animazione

20 Esempio: simulazione di un sistema di instradamento ferroviario Il modulo di presentazione può essere adattato a contesti applicativi diversi e a simulatori diversi (2D e 3D) [5,5] [7,7] [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

21 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

22 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 Esempio cella di assemblaggio con automatic guided vehicles (AGV) Docking Station Load Area AGV2 Unload Area AGV2 Load Area AGV1 Unload Area AGV1 AGV2AGV1

23 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)

24 Risultati sperimentali preliminari nellanalisi Istante di partenza Numero di stati generati Numero di deadlock rilevati AGV1 [0,40] AGV2 [0,0] AGV1 [0,0] AGV2 [0,40] La simulazione dà solo parziale confidenza sul corretto funzionamento del sistema e sulla assenza di stalli Lanalisi 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 di AGV2 Partenza di AGV1 40 sec Ritardo partenza di AGV2 risp. a AGV1 Sfasamenti critici 40 sec 0 istanti critici

25 Space Time Petri Nets The extension is called Space Time Petri Nets (STPN) and permits to capture in a high-level formal model both the reactive behavior and the spatial characteristics of a system The utilization of virtual environments for the simulation of STPN models permits to highlight hazardous conditions Formal models permit exaustive state space analysis through enumerative techniques to guarantee absolute correctness of model behavior


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