Symbolic Supervisory Control of Resource Allocation Systems

<p>Supervisory control theory (SCT) is a formal model-based methodology for verification and synthesis of supervisors for discrete event systems (DES). The main goal is to guarantee that the closed-loop system fulfills given specifications. SCT has great promise to assist engineers with the generation of reliable control functions. This is, for instance, beneficial to manufacturing systems where both products and production equipment might change frequently.</p> <p>The industrial acceptance of SCT, however, has been limited for at least two reasons: (i) the analysis of DES involves an intrinsic difficulty known as the state-space explosion problem, which makes the explicit enumeration of enormous state-spaces for industrial systems intractable; (ii) the synthesized supervisor, represented as a deterministic finite automaton (FA) or an extended finite automaton (EFA), is not straightforward to implement in an industrial controller.</p> <p>In this thesis, to address the aforementioned issues, we study the modeling, synthesis and supervisor representation of DES using binary decision diagrams (BDDs), a compact data structure for representing DES models symbolically. We propose different kinds of BDD-based algorithms for exploring the symbolically represented state-spaces in an effort to improve the abilities of existing supervisor synthesis approaches to handle large-scale DES and represent the obtained supervisors appropriately.</p> <p>Following this spirit, we bring the efficiencies of BDD into a particular DES application domain -- deadlock avoidance for resource allocation systems (RAS) -- a problem that arises in many technological systems including flexible manufacturing systems and multi-threaded software. We propose a framework for the effective and computationally efficient development of the maximally permissive deadlock avoidance policy (DAP) for various RAS classes. Besides the employment of symbolic computation, special structural properties that are possessed by RAS are utilized by the symbolic algorithms to gain additional efficiencies in the computation of the sought DAP. Furthermore, to bridge the gap between the BDD-based representation of the target DAP and its actual industrial realization, we extend this work by introducing a procedure that generates a set of "guard" predicates to represent the resulting DAP.</p> <p>The work presented in this thesis has been implemented in the SCT tool Supremica. Computational benchmarks have manifested the superiority of the proposed algorithms with respect to the previously published results. Hence, the work holds a strong potential for providing robust, practical and efficient solutions to a broad range of supervisory control and deadlock avoidance problems that are experienced in the considered DES application domain.</p

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

Proceedings of the 21st Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design – FMCAD 2021

The Conference on Formal Methods in Computer-Aided Design (FMCAD) is an annual conference on the theory and applications of formal methods in hardware and system verification. FMCAD provides a leading forum to researchers in academia and industry for presenting and discussing groundbreaking methods, technologies, theoretical results, and tools for reasoning formally about computing systems. FMCAD covers formal aspects of computer-aided system design including verification, specification, synthesis, and testing

Recent advances in petri nets and concurrency

CEUR Workshop Proceeding