Fluidization of Petri nets to improve the analysis of Discrete Event Systems

Las Redes de Petri (RdP) son un formalismo ampliamente aceptado para el modelado y análisis de Sistemas de Eventos Discretos (SED). Por ejemplo sistemas de manufactura, de logística, de tráfico, redes informáticas, servicios web, redes de comunicación, procesos bioquímicos, etc. Como otros formalismos, las redes de Petri sufren del problema de la ¿explosión de estados¿, en el cual el número de estados crece explosivamente respecto de la carga del sistema, haciendo intratables algunas técnicas de análisis basadas en la enumeración de estados. La fluidificación de las redes de Petri trata de superar este problema, pasando de las RdP discretas (en las que los disparos de las transiciones y los marcados de los lugares son cantidades enteras no negativas) a las RdP continuas (en las que los disparos de las transiciones, y por lo tanto los marcados se definen en los reales). Las RdP continuas disponen de técnicas de análisis más eficientes que las discretas. Sin embargo, como toda relajación, la fluidificación supone el detrimento de la fidelidad, dando lugar a la pérdida de propiedades cualitativas o cuantitativas de la red de Petri original. El objetivo principal de esta tesis es mejorar el proceso de fluidificación de las RdP, obteniendo un formalismo continuo (o al menos parcialmente) que evite el problema de la explosión de estados, mientras aproxime adecuadamente la RdP discreta. Además, esta tesis considera no solo el proceso de fluidificación sino también el formalismo de las RdP continuas en sí mismo, estudiando la complejidad computacional de comprobar algunas propiedades. En primer lugar, se establecen las diferencias que aparecen entre las RdP discretas y continuas, y se proponen algunas transformaciones sobre la red discreta que mejorarán la red continua resultante. En segundo lugar, se examina el proceso de fluidificación de las RdP autónomas (i.e., sin ninguna interpretación temporal), y se establecen ciertas condiciones bajo las cuales la RdP continua preserva determinadas propiedades cualitativas de la RdP discreta: limitación, ausencia de bloqueos, vivacidad, etc. En tercer lugar, se contribuye al estudio de la decidibilidad y la complejidad computacional de algunas propiedades comunes de la RdP continua autónoma. En cuarto lugar, se considera el proceso de fluidificación de las RdP temporizadas. Se proponen algunas técnicas para preservar ciertas propiedades cuantitativas de las RdP discretas estocásticas por las RdP continuas temporizadas. Por último, se propone un nuevo formalismo, en el cual el disparo de las transiciones se adapta a la carga del sistema, combinando disparos discretos y continuos, dando lugar a las Redes de Petri híbridas adaptativas. Las RdP híbridas adaptativas suponen un marco conceptual para la fluidificación parcial o total de las Redes de Petri, que engloba a las redes de Petri discretas, continuas e híbridas. En general, permite preservar propiedades de la RdP original, evitando el problema de la explosión de estados

On Minimum-time Control of Continuous Petri nets: Centralized and Decentralized Perspectives

Muchos sistemas artificiales, como los sistemas de manufactura, de logística, de telecomunicaciones o de tráfico, pueden ser vistos "de manera natural" como Sistemas Dinámicos de Eventos Discretos (DEDS). Desafortunadamente, cuando tienen grandes poblaciones, estos sistemas pueden sufrir del clásico problema de la explosión de estados. Con la intención de evitar este problema, se pueden aplicar técnicas de fluidificación, obteniendo una relajación fluida del modelo original discreto. Las redes de Petri continuas (CPNs) son una aproximación fluida de las redes de Petri discretas, un conocido formalismo para los DEDS. Una ventaja clave del empleo de las CPNs es que, a menudo, llevan a una substancial reducción del coste computacional. Esta tesis se centra en el control de Redes de Petri continuas temporizadas (TCPNs), donde las transiciones tienen una interpretación temporal asociada. Se asume que los sistemas siguen una semántica de servidores infinitos (velocidad variable) y que las acciones de control aplicables son la disminución de la velocidad del disparo de las transiciones. Se consideran dos interesantes problemas de control en esta tesis: 1) control del marcado objetivo, donde el objetivo es conducir el sistema (tan rápido como sea posible) desde un estado inicial a un estado final deseado, y es similar al problema de control set-point para cualquier sistema de estado continuo; 2) control del flujo óptimo, donde el objetivo es conducir el sistema a un flujo óptimo sin conocimiento a priori del estado final. En particular, estamos interesados en alcanzar el flujo máximo tan rápido como sea posible, lo cual suele ser deseable en la mayoría de sistemas prácticos. El problema de control del marcado objetivo se considera desde las perspectivas centralizada y descentralizada. Proponemos varios controladores centralizados en tiempo mínimo, y todos ellos están basados en una estrategia ON/OFF. Para algunas subclases, como las redes Choice-Free (CF), se garantiza la evolución en tiempo mínimo; mientras que para redes generales, los controladores propuestos son heurísticos. Respecto del problema de control descentralizado, proponemos en primer lugar un controlador descentralizado en tiempo mínimo para redes CF. Para redes generales, proponemos una aproximación distribuida del método Model Predictive Control (MPC); sin embargo en este método no se considera evolución en tiempo mínimo. El problema de control de flujo óptimo (en nuestro caso, flujo máximo) en tiempo mínimo se considera para redes CF. Proponemos un algoritmo heurístico en el que calculamos los "mejores" firing count vectors que llevan al sistema al flujo máximo, y aplicamos una estrategia de disparo ON/OFF. También demostramos que, debido a que las redes CF son persistentes, podemos reducir el tiempo que tarda en alcanzar el flujo máximo con algunos disparos adicionales. Los métodos de control propuestos se han implementado e integrado en una herramienta para Redes de Petri híbridas basada en Matlab, llamada SimHPN

On the decidability of problems in liveness of controlled Discrete Event Systems modeled by Petri Nets

A Discrete Event System (DES) is a discrete-state system, where the state changes at discrete-time instants due to the occurrence of events. Informally, a liveness property stipulates that a 'good thing' happens during the evolution of a system. Some examples of liveness properties include starvation freedom -- where the 'good thing' is the process making progress; termination -- in which the good thing is for an evolution to not run forever; and guaranteed service -- such as in resource allocation systems, when every request for resource is satisfied eventually. In this thesis, we consider supervisory policies for DESs that, when they exist, enforce a liveness property by appropriately disabling a subset of preventable events at certain states in the evolution of DES. One of the main contributions of this thesis is the development of a system-theoretic framework for the analysis of Liveness Enforcing Supervisory Policies (LESPs) for DESs. We model uncertainties in the forward- and feedback-path, and present necessary and sufficient conditions for the existence of Liveness Enforcing Supervisory Policies (LESPs) for a general model of DESs in this framework. The existence of an LESP reduces to the membership of the initial state to an appropriately defined set. The membership problem is undecidable. For characterizing decidable instances of this membership problem, we consider a modeling paradigm of DESs known as Petri Nets, which have applications in modeling concurrent systems, software design, manufacturing systems, etc. Petri Net (PN) models are inherently monotonic in the sense that if a transition (which loosely represents an event of the DES) can fire from a marking (a non-negative integer-valued vector that represents the state of the DES being modeled), then it can also fire from any larger marking. The monotonicity creates a possibility of representing an infinite-state system using what can be called a "finite basis" that can lead to decidability. However, we prove that several problems of our interest are still undecidable for arbitrary PN models. That is, informally, a general PN model is still too powerful for the analysis that we are interested in. Much of the thesis is devoted to the characterization of decidable instances of the existence of LESPs for arbitrary PN models within the system-theoretic framework introduced in the thesis. The philosophical implication of the results in this thesis is the existence of what can be called a "finite basis" of an infinite state system under supervision, on which the membership tests can be performed in finite time; hence resulting in the decidability of problems and finite-time termination of algorithms. The thesis discusses various scenarios where such a finite basis exists and how to find them

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 25th International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 2022, which was held during April 4-6, 2022, in Munich, Germany, as part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2022. The 23 regular papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 77 submissions. They deal with research on theories and methods to support the analysis, integration, synthesis, transformation, and verification of programs and software systems

Foundations of Software Science and Computation Structures

This open access book constitutes the proceedings of the 25th International Conference on Foundations of Software Science and Computational Structures, FOSSACS 2022, which was held during April 4-6, 2022, in Munich, Germany, as part of the European Joint Conferences on Theory and Practice of Software, ETAPS 2022. The 23 regular papers presented in this volume were carefully reviewed and selected from 77 submissions. They deal with research on theories and methods to support the analysis, integration, synthesis, transformation, and verification of programs and software systems