作用域局部重叠的多机工程系统的优化调度与协调控制

Cooperation control methods are is one of the key technologies to implement the collaborative work of multiple execution individuals in a variety of systems. To date the demands from various industries for large engineering systems or technical equipment consisting of multiple machines with partially overlapped workspaces are increasing rapidly. It gives a rise to an urgent need for the general cooperation control theories and methods of such a system. This proposal intends to address the cooperation problem of multi-machine systems with partially overlapping workspaces (M2SPOW) by transfer it into two problems of multi-machine scheduling and multi-machine coordination control. First, a colored traveling salesman problem and its solving methods are proposed to summarize and resolve M2SPOW's scheduling problem. Second, an M2SPOW coordination method based on Petri net supervisory control theory is presented to flexibly perform dynamic and static multi-machine coordination and support the behavior correctness and performance analysis of multi-machine coordination. Third, a resilient strategy and method for cooperative control of M2SPOW is proposed by combining the above scheduling and coordination methods. Contrast to the existing methods, it is more versatile and flexible. Finally, the applications of the proposed methods in multi-bridge waterjet cutting and multi-robot welding are conducted. The research is expected to provide a new thought for studying the common problems of scheduling, coordination and cooperation control in M2SPOW and offer theoretical support for the settlement of related practical problems. It is of great theoretical meaning and considerable application value.

协作控制是实现各类系统中多个体协同工作的关键技术。目前各行业对于作用域局部重叠的多机工程系统或技术装备的需求日益增长，由此，迫切需要开展这类系统通用的一般性协作控制理论方法的研究。项目拟将协作控制问题归结为多机调度和多机协调控制两问题来研究，（1）提出着色旅行商问题及求解方法，用于概括和解决作用域局部重叠多机系统的调度问题；（2）提出基于Petri网监督控制理论的多机协调方法，灵活实现多机的动、静态协调，支持协调行为正确性和协调性能的分析；（3）综合上述调度方法和协调方法，提出协作控制的弹性化策略和一般性方法，克服现有方法通用性和弹性差的问题；（4）最后，开展理论方法在多横梁水切割和多机器人协作焊接中的实验与应用研究。研究有望为作用域局部重叠多机系统的调度、协调和协作控制的共性问题研究提供新思路，为相关工程实际问题的解决提供理论方法支撑，具有重要的理论意义与良好的应用价值。

近年来，各行业对于作用域局部重叠的多机工程系统或技术装备的日益增长需求，迫切需要开展此类系统的通用优化作业控制理论方法的研究。针对这一需要，项目组将优化作业控制问题分解为一般性的多机优化调度问题和多机协调控制问题来统一地研究，完成的主要工作和取得的成果如下：首先，提出着色旅行商问题（CTSP）与算法，并用于多机系统调度问题的建模、求解。其次，提出基于Petri网监控理论和时间窗冲突化解的多机协调（避碰）方法，为此类多机系统的动、静态协调与性能分析提供了有力的手段和理论支撑，同时也为鲁棒的Petri网监督控制理论和Petri网分析作出了突出的贡献。再次，综合上述方法提出“在调度中协调”和“先调度、再协调”的多机系统优化作业控制的解决策略与方法，可成为此类多机系统优化调度和协调控制问题的一般性解决方案。最后，完成了理论方法在多横梁水切割和无线传感数据移动收集中的实验与应用研究，检验了提出的理论方法的正确性和效果。上述研究取得了突出的成果，已超出预期的成果目标。共发表Automatica、IEEE Trans Cybern等顶级期刊论文9篇，入选中国科学技术信息研究所发布的“表现不俗”论文和国际会议“最佳论文奖”各1次；指导的博士生学位论文被推荐参评校级及以上优秀学位论文评比；已获授权发明专利3份、申请发明专利2份。部分成果已达到国际领先水平，其中提出的CTSP创新地借助颜色来精确区分城市对多重旅行商的访问允许性的区别，实现了对现有的TSP 及变体（包括MTSP）的统一泛化，这一创新举措是对TSP 的重要发展，仍有深入研究的潜力；提出的基于CTSP的多机调度方法和基于Petri网、时间窗冲突化解的多机优化作业控制策略与方法，有望为作用域局部重叠多机系统的调度、协调和协作控制的共性问题的解决提供理论方法支撑，为相关工程实际问题研究提供新思路，具有重要的理论意义与良好的应用推广价值。