الگوریتم ژنتیک برای سنجش تاخیر در سیستم های اتوماسیون شبکه ای Genetic algorithms for delays evaluation in networked automation systems
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2011
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات، شبکه های کامپیوتری، هوش مصنوعی و مهندسی الگوریتم ها و محاسبات
مقدمه سیستم های فیلدباس به صورت موفقیت آمیزی در اتوماسیون صنعتی به کار رفته و اطمینانی در باب الزامات زمانی و امنیت دستگاه ها فراهم آورده است. امروزه استفاده از یک تکنولوژی ارتباطاتی یکسان در درجات مختلف سازمان های صنعتی، مدیریت و اتوماسیون رایج است. راه حلی که از چنین ادغام عمودی حمایت می کند باید قادر باشد عملکرد بالایی در درجات بالاتر و نیز زمان واکنش کوتاه تر و دقیق تری در درجه ی میدانی فراهم کند. راه حل های اترنت که در ابتدا برای شبکه های اداری به کار گرفته شدند، را می توان نسل جدیدی از فیلدباس ها برشمرد. در حال حاضر، بسیاری از تولیدکنندگان و اتحادیه ها استاندارد اترنت مختص به خود را دارند (نیومن، ۲۰۰۷). هر راه حل با پروتکل خاص برای یک کارکرد خاص مناسب است. یک پروتکل خدمتگزار مشتری مانند مودباس در اترنت، که حتی برای کارکردهای زمانی محدود مانند کنترل حرکت مناسب نیست، ساده بوده و راه حل معقولی برای بسیاری از سیستم های کنترل صنعتی محسوب می شود. در واقع این راه حل کالا با اترنت استاندارد همخوانی دارد. بنابراین ادغام عمودی به راحتی قابل دستیابی ست. بدین ترتیب کارکردهای درجات بالا مانند عیب شناسی و مدیریت دستگاه به راحتی اجرایی می شوند. متاسفانه با چنین پروتکلی هیچ ابزار زمان بندی برای تاخیرات در دسترس نبوده و تاخیرات متفاوت ممکن است به دلیل صبر برای منابع یا همزمان سازی رخ می دهند. بنابراین سنجش عملکردهای زمانی مانند زمان واکنش پیچیده بوده و بررسی هایی که به این مسئله می پردازند بسیار کمیاب می باشند. روش های موجود اغلب مطالعات سیستم های خاص بر اساس بررسی مدل می باشند (گریفندر و فری، ۲۰۰۷، ویچ و همکاران، ۲۰۰۶، روئل و همکاران، ۲۰۰۹) که دچار مسئله ی انفجار فضای حالت می باشد. روش دیگر بر اساس شبیه سازی شبکه های پتری رنگی درجات بالاست (مارسال و همکاران، ۲۰۰۶، زیتسوف، ۲۰۰۴). این روش بر اساس زمان بوده و به آن بستگی دارد. بعلاوه تحلیلی یا دلیل رسمی در باب ظرفیت رفع بدترین سناریوهای مرتبط با بدترین تاخیرات ارائه نمی دهد. نهایتا یک روش تجربی با استفاده از آنالیزور شبکه ی منطقی در زمینه ی اندازه گیری تاخیرات در مطالعه ی دنیس و همکاران (۲۰۰۷) ارائه شده است. بنابراین هدف مقاله ی کنونی ارائه ی روشی مناسب برای ارزیابی کران های بالای تاخیرات پیوسته در سیستم های اتوماسیون شبکه ای گزینش بسته ای خدمتگزار مشتری می باشد. در حالی که یک دلیل در زمینه ی ظرفیت روش برای ارزیابی بدترین تاخیرات ارائه شده است، یک الگوریتم برای دستیابی سریع تر نیز معرفی خواهیم کرد. مابقی این مقاله بدین ترتیب سامان دهی شده است. بخش دوم شرایط بررسی و انگیزه های ما برای ابداع روش برای سنجش تاخیرات پیوسته را توضیح خواهد داد. بعد از آن دو الگوریتم برای تعیین بدترین تاخیرات در بخش سوم ارائه می شوند: یک الگوریتم جامع در بخش ۳٫۱ و یک الگوریتم ژنتیک در بخش ۳٫۲٫ یک مطالعه ی موردی نیز برای مقایسه ی این دو در بخش چهارم آمده است. نهایتا در بخش پنجم نتیجه گیری خواهیم کرد. ۲٫ سیستم های خدمتگزار مشتری در اترنت گزینه شده ساختار اتوماسیون مورد مطالعه بر اساس پروتکل خدمتگزار مشتری عمل می کند. این ساختار عمدتا از PLCs (کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی)، RIOMs (مدول های خروجی ورودی از راه دور) و یک شبکه ی اترنت گزینه شده تشکیل شده است که ارتباط بین تمامی عناصر را فراهم می کند (شکل ۱). PLC (مشتری ها) به صورت دوره ای درخواست هایی به RIOMs (سرورها) فرستاده و منتظر پاسخ می شوند. وقتی یک RIOM یک درخواست دریافت می کند آن را در صف قرار میدهد تا بر اساس سیاست گذاری FIFO به تمامی درخواست ها پاسخ دهد. یک درخواست اساسا برای کسب اطلاعات از تاسیسات (به عنوان مثال آیا آب به بالاترین درجه ی خود رسیده است؟) یا برای ارائه ی دستورات (به عنوان مثال بستن والو) و یا ترکیبی از این دو می باشد. معیار اصلی برای عملکرد زمانی چنین سیستمی وقوع یک پدیده در تاسیسات (به عنوان مثال آب به بیشترین حد ود رسیده است) و یا پدیداری یک پیامد دستوری کنترل کننده ی تاسیسات تحت کنترل (مانند بسته شدن والو) می باشد. زمان واکنش را می توان به عنوان تاخیر واکنشی سیستم اتوماسیون تعریف کرد. در واقع سنجش زمان واکنش این سیستم ها بسیار فریبنده ست. تاخیرات متفاوت ناشی از عدم همزمان سازی عناصر، منابع مشترک و البته تاخیرات داخلی (پردازش) باید در نظر گرفته شوند. در مطالعه ی ادداد و همکاران (۲۰۱۰) یک روش تحلیلی برای سنجش این زمان واکنش ابداع کردیم. در نهایت یک فرمول برای بالاترین کران زمان واکنش بدست می آید. واضح است که تاخیراتی که آنها را تاخیرات شبکه ای پیوسته می نامیم (فقط تاخیراتی که در سوییچ ها تجربه می شوند) در این فرمول شامل شده اند. یک تاخیر معمول پیوسته زمان عبور درخواست از سوییچ ها، از زمان تولید توسط PLC تا زمان دریافت آن توسط RIOM می باشد. بنابراین برای ارزیابی کران بالای زمان واکنش کران های بالای این تاخیات پیوسته مورد نیاز است. می توان چنین پنداشت که روش های موجود مانند روش شناخته شده ی محاسبات شبکه ای (کروز، ۱۹۹۱، لو بودک و تیران، ۲۰۰۴، جرجز و همکاران، ۲۰۰۵) یا روش های بدترین موارد (فان و همکاران، ۲۰۰۸، لی و لی، ۲۰۰۲) را می توان برای این اهداف به کار گرفت. متاسفانه در مورد گزینش بسته ای انتخاب شده در ترکیب با الگوی خدمتگزار کشتری این مسئله چندان واضح نیست. در واقع استقلال جریان های مورد نظر روش های قبلی به تایید درنیامده است. برای مثال یک RIOM تنها یک درخواست دریافت شده را پاسخ می دهد و بنابراین یک درخواست و پاسخ آن نمی توانند به صورت همزمان در سیستم وجود داشته باشند. علاوه بر این مسئله، فرمول مورد نظر به کران های بالای تاخیرات پیوسته بسیار حساس است. در واقع یک بیش برآورد ناچیز از این تاخیرات می تواند به بیش برآورد عظیمی از کران بالاتر زمان واکنش منجر شود. در نتیجه کیفیت کنترل در این سیستم های اتوماسیون به شدت نادیده گرفته می شوند زیرا پیوند قانون کنترل عمدتا بر اساس ارزیابی کران بالاتر می باشد (ادداد و عماری، ۲۰۰۸). بدین ترتیب روش مناسب برای سنجش تاخیرات پیوسته در این سیستم ها باید تحت بررسی قرار گیرد. این مهم هدف بخش بعدی می باشد.
مقدمه سیستم های فیلدباس به صورت موفقیت آمیزی در اتوماسیون صنعتی به کار رفته و اطمینانی در باب الزامات زمانی و امنیت دستگاه ها فراهم آورده است. امروزه استفاده از یک تکنولوژی ارتباطاتی یکسان در درجات مختلف سازمان های صنعتی، مدیریت و اتوماسیون رایج است. راه حلی که از چنین ادغام عمودی حمایت می کند باید قادر باشد عملکرد بالایی در درجات بالاتر و نیز زمان واکنش کوتاه تر و دقیق تری در درجه ی میدانی فراهم کند. راه حل های اترنت که در ابتدا برای شبکه های اداری به کار گرفته شدند، را می توان نسل جدیدی از فیلدباس ها برشمرد. در حال حاضر، بسیاری از تولیدکنندگان و اتحادیه ها استاندارد اترنت مختص به خود را دارند (نیومن، ۲۰۰۷). هر راه حل با پروتکل خاص برای یک کارکرد خاص مناسب است. یک پروتکل خدمتگزار مشتری مانند مودباس در اترنت، که حتی برای کارکردهای زمانی محدود مانند کنترل حرکت مناسب نیست، ساده بوده و راه حل معقولی برای بسیاری از سیستم های کنترل صنعتی محسوب می شود. در واقع این راه حل کالا با اترنت استاندارد همخوانی دارد. بنابراین ادغام عمودی به راحتی قابل دستیابی ست. بدین ترتیب کارکردهای درجات بالا مانند عیب شناسی و مدیریت دستگاه به راحتی اجرایی می شوند. متاسفانه با چنین پروتکلی هیچ ابزار زمان بندی برای تاخیرات در دسترس نبوده و تاخیرات متفاوت ممکن است به دلیل صبر برای منابع یا همزمان سازی رخ می دهند. بنابراین سنجش عملکردهای زمانی مانند زمان واکنش پیچیده بوده و بررسی هایی که به این مسئله می پردازند بسیار کمیاب می باشند. روش های موجود اغلب مطالعات سیستم های خاص بر اساس بررسی مدل می باشند (گریفندر و فری، ۲۰۰۷، ویچ و همکاران، ۲۰۰۶، روئل و همکاران، ۲۰۰۹) که دچار مسئله ی انفجار فضای حالت می باشد. روش دیگر بر اساس شبیه سازی شبکه های پتری رنگی درجات بالاست (مارسال و همکاران، ۲۰۰۶، زیتسوف، ۲۰۰۴). این روش بر اساس زمان بوده و به آن بستگی دارد. بعلاوه تحلیلی یا دلیل رسمی در باب ظرفیت رفع بدترین سناریوهای مرتبط با بدترین تاخیرات ارائه نمی دهد. نهایتا یک روش تجربی با استفاده از آنالیزور شبکه ی منطقی در زمینه ی اندازه گیری تاخیرات در مطالعه ی دنیس و همکاران (۲۰۰۷) ارائه شده است. بنابراین هدف مقاله ی کنونی ارائه ی روشی مناسب برای ارزیابی کران های بالای تاخیرات پیوسته در سیستم های اتوماسیون شبکه ای گزینش بسته ای خدمتگزار مشتری می باشد. در حالی که یک دلیل در زمینه ی ظرفیت روش برای ارزیابی بدترین تاخیرات ارائه شده است، یک الگوریتم برای دستیابی سریع تر نیز معرفی خواهیم کرد. مابقی این مقاله بدین ترتیب سامان دهی شده است. بخش دوم شرایط بررسی و انگیزه های ما برای ابداع روش برای سنجش تاخیرات پیوسته را توضیح خواهد داد. بعد از آن دو الگوریتم برای تعیین بدترین تاخیرات در بخش سوم ارائه می شوند: یک الگوریتم جامع در بخش ۳٫۱ و یک الگوریتم ژنتیک در بخش ۳٫۲٫ یک مطالعه ی موردی نیز برای مقایسه ی این دو در بخش چهارم آمده است. نهایتا در بخش پنجم نتیجه گیری خواهیم کرد. ۲٫ سیستم های خدمتگزار مشتری در اترنت گزینه شده ساختار اتوماسیون مورد مطالعه بر اساس پروتکل خدمتگزار مشتری عمل می کند. این ساختار عمدتا از PLCs (کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی)، RIOMs (مدول های خروجی ورودی از راه دور) و یک شبکه ی اترنت گزینه شده تشکیل شده است که ارتباط بین تمامی عناصر را فراهم می کند (شکل ۱). PLC (مشتری ها) به صورت دوره ای درخواست هایی به RIOMs (سرورها) فرستاده و منتظر پاسخ می شوند. وقتی یک RIOM یک درخواست دریافت می کند آن را در صف قرار میدهد تا بر اساس سیاست گذاری FIFO به تمامی درخواست ها پاسخ دهد. یک درخواست اساسا برای کسب اطلاعات از تاسیسات (به عنوان مثال آیا آب به بالاترین درجه ی خود رسیده است؟) یا برای ارائه ی دستورات (به عنوان مثال بستن والو) و یا ترکیبی از این دو می باشد. معیار اصلی برای عملکرد زمانی چنین سیستمی وقوع یک پدیده در تاسیسات (به عنوان مثال آب به بیشترین حد ود رسیده است) و یا پدیداری یک پیامد دستوری کنترل کننده ی تاسیسات تحت کنترل (مانند بسته شدن والو) می باشد. زمان واکنش را می توان به عنوان تاخیر واکنشی سیستم اتوماسیون تعریف کرد. در واقع سنجش زمان واکنش این سیستم ها بسیار فریبنده ست. تاخیرات متفاوت ناشی از عدم همزمان سازی عناصر، منابع مشترک و البته تاخیرات داخلی (پردازش) باید در نظر گرفته شوند. در مطالعه ی ادداد و همکاران (۲۰۱۰) یک روش تحلیلی برای سنجش این زمان واکنش ابداع کردیم. در نهایت یک فرمول برای بالاترین کران زمان واکنش بدست می آید. واضح است که تاخیراتی که آنها را تاخیرات شبکه ای پیوسته می نامیم (فقط تاخیراتی که در سوییچ ها تجربه می شوند) در این فرمول شامل شده اند. یک تاخیر معمول پیوسته زمان عبور درخواست از سوییچ ها، از زمان تولید توسط PLC تا زمان دریافت آن توسط RIOM می باشد. بنابراین برای ارزیابی کران بالای زمان واکنش کران های بالای این تاخیات پیوسته مورد نیاز است. می توان چنین پنداشت که روش های موجود مانند روش شناخته شده ی محاسبات شبکه ای (کروز، ۱۹۹۱، لو بودک و تیران، ۲۰۰۴، جرجز و همکاران، ۲۰۰۵) یا روش های بدترین موارد (فان و همکاران، ۲۰۰۸، لی و لی، ۲۰۰۲) را می توان برای این اهداف به کار گرفت. متاسفانه در مورد گزینش بسته ای انتخاب شده در ترکیب با الگوی خدمتگزار کشتری این مسئله چندان واضح نیست. در واقع استقلال جریان های مورد نظر روش های قبلی به تایید درنیامده است. برای مثال یک RIOM تنها یک درخواست دریافت شده را پاسخ می دهد و بنابراین یک درخواست و پاسخ آن نمی توانند به صورت همزمان در سیستم وجود داشته باشند. علاوه بر این مسئله، فرمول مورد نظر به کران های بالای تاخیرات پیوسته بسیار حساس است. در واقع یک بیش برآورد ناچیز از این تاخیرات می تواند به بیش برآورد عظیمی از کران بالاتر زمان واکنش منجر شود. در نتیجه کیفیت کنترل در این سیستم های اتوماسیون به شدت نادیده گرفته می شوند زیرا پیوند قانون کنترل عمدتا بر اساس ارزیابی کران بالاتر می باشد (ادداد و عماری، ۲۰۰۸). بدین ترتیب روش مناسب برای سنجش تاخیرات پیوسته در این سیستم ها باید تحت بررسی قرار گیرد. این مهم هدف بخش بعدی می باشد.
Description
Fieldbus systems have been successfully introduced in industrial automation, ensuring real time requirements on one hand and devices safety on the other hand. Nowadays, the trend is also to use the same communication technology at different levels in the industrial organizations; management and automation. A solution that supports such a vertical integration has to be able to provide high throughputs in the upper level as well as small and accurate response times in the field level. The Ethernet solutions, which were initially developed to office networks, can be considered as such a new generation of fieldbuses. Currently, many automation producers and alliances developed their own industrial Ethernet standard (Neumann, 2007). Each solution with a specific protocol is best suited to a particular application. A Client/Server protocol like Modbus over Ethernet, even not adequate for strict real time applications like motion control, is a simple and a reasonable solution for many purposes in industrial control systems. Indeed, it is an application protocol (the 7th layer of the OSI model) that is completely compliant with the standard Ethernet. Therefore, vertical integration is easily achieved. Thus, high level functions like diagnosis and device management are easily implemented. Unfortunately, with such a protocol, no global medium access scheduling is available and different delays due to waiting for resources availability or synchronization are caused. So, the evaluation of its time performances like the response time is complex and the investigations that deal with this problem are rare. The existing methods are often studies of particular systems based on model checking (Greifeneder and Frey, 2007;Witsch et al., 2006; Ruel et al., 2009) that suffers from the classical state explosion problem. Another method is based on high level colored Petri nets simulation (Marsal et al., 2006; Zaitsev, 2004). This method is time driven and very onerous of time. Moreover, it does not provide a formal analysis or proof about its capacity to sweep the worst scenarios corresponding to the worst delays. Finally, an experimental method using a logical network analyzer dedicated to delays measuring is presented in Denis et al. (2007). Hence, the aim of the current paper is to propose an adequate method to assess upper bounds of end-to-end delays of switched packets in the context of Client-Sever automation systems. While a proof about the capacity of the method to assess the worst delays is provided, a genetic algorithm is developed to achieve it much faster. The remainder of this paper is organized as follows. Section 2 introduces the context of our investigation and the motivations to develop a method for end-to-end delays evaluation. Thereafter, two algorithms, to look for the worst delays, are developed in Section 3: an exhaustive algorithm in Section 3.1 and a genetic algorithm in Section 3.2. A case study is then considered to perform a comparison between them in Section 4. Finally, Section 5 addresses some concluding remarks.
