On The Computational Complexity Of The Manufacturing Job Shop And Reentrant Flow Line

This paper presents a comparison study of the computational complexity of the general job shop protocol and the flow line protocol in a flexible manufacturing system. It is shown that a certain representative problem of finding resource invariants is NP-complete in the case of the job shop, while in the flow line case it admits a closed-form solution. The importance of correctly selecting part flow and job routing protocols in flexible manufacturing systems to reduce complexity is thereby conclusively demonstrated. 1 Introduction In a general flexible manufacturing system (FMS) where resources are shared, a key role in part routing, job selection, and resource assignment is played by the FMS controller. Given the same resources of machines, robots, fixtures, tooling, and so on, different structures result under different routing/assignment strategies by the controller. Unstructured strategies are generally classified as the so-called job shop organization, while structured protocols ..

Process Completing Sequences for Resource Allocation Systems with Synchronization

This paper considers the problem of establishing live resource allocation in workflows with synchronization stages. Establishing live resource allocation in this class of systems is challenging since deciding whether a given level of resource capacities is sufficient to complete a single process is NP-complete. In this paper, we develop two necessary conditions and one sufficient condition that provide quickly computable tests for the existence of process completing sequences. The necessary conditions are based on the sequence of completions of � subprocesses that merge together at a synchronization. Although the worst case complexity is O(2�), we expect the number of subprocesses combined at any synchronization will be sufficiently small so that total computation time remains manageable. The sufficient condition uses a reduction scheme that computes a sufficient capacity level of each resource type to complete and merge all � subprocesses. The worst case complexity is O(�⋅�), where � is the number of synchronizations. Finally, the paper develops capacity bounds and polynomial methods for generating feasible resource allocation sequences for merging systems with single unit allocation. This method is based on single step look-ahead for deadly marked siphons and is O(2�). Throughout the paper, we use a class of Petri nets called Generalized Augmented Marked Graphs to represent our resource allocation systems

Deadlock Prevention Policy with Behavioral Optimality or Suboptimality Achieved by the Redundancy Identification of Constraints and the Rearrangement of Monitors

This work develops an iterative deadlock prevention method for a special class of Petri nets that can well model a variety of flexible manufacturing systems. A deadlock detection technique, called mixed integer programming (MIP), is used to find a strict minimal siphon (SMS) in a plant model without a complete enumeration of siphons. The policy consists of two phases. At the first phase, SMSs are obtained by MIP technique iteratively and monitors are added to the complementary sets of the SMSs. For the possible existence of new siphons generated after the first phase, we add monitors with their output arcs first pointed to source transitions at the second phase to avoid new siphons generating and then rearrange the output arcs step by step on condition that liveness is preserved. In addition, an algorithm is proposed to remove the redundant constraints of the MIP problem in this paper. The policy improves the behavioral permissiveness of the resulting net and greatly enhances the structural simplicity of the supervisor. Theoretical analysis and experimental results verify the effectiveness of the proposed method

Synthesis of Liveness-Enforcing Petri Net Supervisors Based on a Think-Globally-Act-Locally Approach and a Structurally Minimal Method for Flexible Manufacturing Systems

This paper proposes a deadlock prevention policy for flexible manufacturing systems (FMSs) based on a think-globally-act-locally approach and a structurally minimal method. First, by using the think-globally-act-locally approach, a global idle place is temporarily added to a Petri net model with deadlocks. Then, at each iteration, an integer linear programming problem is formulated to design a minimal number of maximally permissive control places. Therefore, a supervisor with a low structural complexity is obtained since the number of control places is greatly compressed. Finally, by adding the designed supervisor, the resulting net model is optimally or near-optimally controlled. Three examples from the literature are used to illustrate the proposed method

Contributions to the deadlock problem in multithreaded software applications observed as Resource Allocation Systems

Desde el punto de vista de la competencia por recursos compartidos sucesivamente reutilizables, se dice que un sistema concurrente compuesto por procesos secuenciales está en situación de bloqueo si existe en él un conjunto de procesos que están indefinidamente esperando la liberación de ciertos recursos retenidos por miembros del mismo conjunto de procesos. En sistemas razonablemente complejos o distribuidos, establecer una política de asignación de recursos que sea libre de bloqueos puede ser un problema muy difícil de resolver de forma eficiente. En este sentido, los modelos formales, y particularmente las redes de Petri, se han ido afianzando como herramientas fructíferas que permiten abstraer el problema de asignación de recursos en este tipo de sistemas, con el fin de abordarlo analíticamente y proveer métodos eficientes para la correcta construcción o corrección de estos sistemas. En particular, la teoría estructural de redes de Petri se postula como un potente aliado para lidiar con el problema de la explosión de estados inherente a aquéllos. En este fértil contexto han florecido una serie de trabajos que defienden una propuesta metodológica de diseño orientada al estudio estructural y la correspondiente corrección física del problema de asignación de recursos en familias de sistemas muy significativas en determinados contextos de aplicación, como el de los Sistemas de Fabricación Flexible. Las clases de modelos de redes de Petri resultantes asumen ciertas restricciones, con significado físico en el contexto de aplicación para el que están destinadas, que alivian en buena medida la complejidad del problema. En la presente tesis, se intenta acercar ese tipo de aproximación metodológica al diseño de aplicaciones software multihilo libres de bloqueos. A tal efecto, se pone de manifiesto cómo aquellas restricciones procedentes del mundo de los Sistemas de Fabricación Flexible se muestran demasiado severas para aprehender la versatilidad inherente a los sistemas software en lo que respecta a la interacción de los procesos con los recursos compartidos. En particular, se han de resaltar dos necesidades de modelado fundamentales que obstaculizan la mera adopción de antiguas aproximaciones surgidas bajo el prisma de otros dominios: (1) la necesidad de soportar el anidamiento de bucles no desplegables en el interior de los procesos, y (2) la posible compartición de recursos no disponibles en el arranque del sistema pero que son creados o declarados por un proceso en ejecución. A resultas, se identifica una serie de requerimientos básicos para la definición de un tipo de modelos orientado al estudio de sistemas software multihilo y se presenta una clase de redes de Petri, llamada PC2R, que cumple dicha lista de requerimientos, manteniéndose a su vez respetuosa con la filosofía de diseño de anteriores subclases enfocadas a otros contextos de aplicación. Junto con la revisión e integración de anteriores resultados en el nuevo marco conceptual, se aborda el estudio de propiedades inherentes a los sistemas resultantes y su relación profunda con otros tipos de modelos, la confección de resultados y algoritmos eficientes para el análisis estructural de vivacidad en la nueva clase, así como la revisión y propuesta de métodos de resolución de los problemas de bloqueo adaptadas a las particularidades físicas del dominio de aplicación. Asimismo, se estudia la complejidad computacional de ciertas vertientes relacionadas con el problema de asignación de recursos en el nuevo contexto, así como la traslación de los resultados anteriormente mencionados sobre el dominio de la ingeniería de software multihilo, donde la nueva clase de redes permite afrontar problemas inabordables considerando el marco teórico y las herramientas suministradas para subclases anteriormente explotadas

Petri net controllers for Generalized Mutual Exclusion Constraints with floor operators

In this paper a special type of nonlinear marking specifications called stair generalized mutual exclusion constraints (stair-GMECs) is defined. A stair-GMEC can be represented by an inequality whose left-hand is a linear combination of floor functions. Stair-GMECs have higher modeling power than classical GMECs and can model legal marking sets that cannot be defined by OR–AND GMECs. We propose two algorithms to enforce a stair-GMEC as a closed-loop net, in which the control structure is composed by a residue counter, remainder counters, and duplicate transitions. We also show that the proposed control structure is maximally permissive since it prevents all and only the illegal trajectories of a plant net. This approach can be applied to both bounded and unbounded nets. Several examples are proposed to illustrate the approach