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

Fluid approximation of Petri net models with relatively small populations

Fluidization is an appealing relaxation technique based on the removal of integrality constraints in order to ease the analysis of discrete Petri nets. The result of fluidifying discrete Petri nets are the so called Fluid or Continuous Petri nets. As with any relaxation technique, discrepancies among the behaviours of the discrete and the relaxed model may appear. Moreover, such discrepancies may have a comparatively bigger effect when the population of the system, the marking in Petri net terms, is “relatively” small. This paper proposes two complementary approaches to obtain a better fluid approximation of discrete Petri nets. The first one focuses on untimed systems and is based on the addition of places that are implicit in the untimed discrete system but not in the continuous. The idea is to cut undesired spurious solutions whose existence worsens the fluidization. The second one focuses on a particular situation that can severely affect the quality of fluidization in timed systems. Namely, such a situation arises when the enabling degree of a transition is equal to 1. This last approach aims to alleviate such a state of affairs, which is termed the bound reaching problem, on systems under infinite servers semantics

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