Brevet FR2845184A1 — publié le 20040402

PROCEDE DE DEVELOPPEMENT D'UN SYSTEME DE COMMANDE BASE SUR DES AGENTS POUR UN SYSTEME DE PRODUCTION FLEXIBLE INDUSTRIEL La présente invention concerne un procédé de développement d'un système de commande basé sur des agents, de préférence multi-agents, pour un système de production flexible industriel. Les technologies de production les plus récentes mettent en évidence une tendance mondiale allant non seulement dans le sens des petits et moyens volumes de lot, mais aussi dans le sens d'une plus grande diversité des familles de produits. Cette tendance se retrouve souvent en contradiction avec l'exigence d'une meilleure productivité, au sens d'une réduction du temps de production et 10 d'une augmentation simultanée de la charge des machines. On connaît de par la technique antérieure des systèmes de production flexibles industriels qui possèdent la capacité d'atteindre efficacement et avec des modifications minimes de leur environnement de production une large gamme de familles de produits différentes voire de types de produits différents. Ces types de concepts de flexibilité nécessitent cependant des méthodes de conception et des systèmes de commande complexes, car le degré de flexibilité des systèmes de production ne dépend pas seulement de la flexibilité des divers composants du système de production, mais aussi, dans une mesure beaucoup 2 0 plus importante, du système de commande sous-jacent. Il existe entre un système de production et le système de commande associé des interactions et relations compliquées quant à leur structure et à leur comportement. En ce qui concerne les méthodes et procédés propres à la diminution des cots et à un processus de conception détaillé pour un système de production flexible industriel, il y a actuellement une lacune. Par exemple dans l'article de A.W. Colombo intitulé " Integration of HighLevel Petri Net-based Formal Me- thods for the Supervision of Flexible Production Systems ", qui a fait l'objet d'une conférence à l'occasion du 1 er symposium en ligne des ingénieurs en électronique en 2001 (Tutorial Lecture at the lst Online Symposium of Electronics Engineers, 2001), il est fait référence aux outils et méthodes de conception, d'essai et de mise en oeuvre d'un système de production flexible, moyennant quoi il convient cependant de noter que ces outils et méthodes se distinguent de ceux prévus pour la conception, l'essai et la mise en oeuvre de la commande associée. Les articles de K. Feldmann, A.W. Colombo, entre autres " Specification, 10 Design and Implementation of Logic Controllers Based on Colored Petri Net Models and the Standard IEC 1131 Part Il, Specification and Design" (IEEE, Nov. 1999, Vol 7, p. 657-665) et Design and Implementation" (IEEE, Nov. 1999, Vol 7, p. 666-674) traitent de la description et de la conception ainsi que de l'implémentation de systèmes de régulation à base de réseaux de Pétri colorés. Un 15 autre article de A.W. Colombo et R. Carelli, intitulé " Petri Nets for Determining Manufacturing Systems " extrait de l'ouvrage intitulé " Computer-Assisted Management And Control of Manufacturing Systems " de Sypros G. Tzafestas, éditions Springer Verlag, dont le contenu est incorporé dans la présente demande, concerne l'utilisation des réseaux de Pétri pour simuler des systèmes de produc2 0 tion. Une référence aux systèmes de commande multiagents n'est pas abordée dans les articles en cause. Un système de production intelligent est inutile sans logiciel de commande approprié. C'est précisément le logiciel de commande qui organise la production, planifie et synchronise la fourniture des ressources. De plus, la fiabilité et le degré de flexibilité du système de production ne sont pas seulement déterminés par la fiabilité et la flexibilité des composants mécatroniques tels que poste de travail, les systèmes de stockage, de manipulation et de transport, etc., mais aussi considérablement par la fiabilité et la flexibilité du système de com3 0 mande. Compte tenu des énormes interactions entre les différents composants du système de production et la multiplicité des fonctions réalisées, un système de commande d'un système de production intelligent est, selon l'état actuel de la technique, agencé et réalisé selon une méthode répartie. L'implémentation d'un système de commande basé sur des agents est notamment réalisée manuellement selon l'état de la technique. De plus, l'exactitude ou l'absence de défauts de conception ne peut être confirmée qu'une fois l'implémentation du système de production flexible terminée. Du fait que le 5 logiciel de commande est élaboré séparément vis à vis de la conception et de l'implémentation du système de production à commander, l'ensemble du processus nécessite beaucoup de temps, entraîne facilement des incompréhensions et des erreurs et se révèle par conséquent généralement très coteux. A partir de la problématique décrite précédemment, la présente l'invention a pour but de développer un procédé du type mentionné en introduction de façon à simplifier l'implémentation d'un système de commande à base d'agents pour système de production flexible. L'invention concerne un procédé de développement d'un système de commande à base d'agents, de préférence multi-agents, pour système de production flexible industriel, selon lequel on produit un modèle de simulation du système de production, lequel modèle de simulation, dérivé du système de production, est transformé directement en modèles d'un système de commande 2 0 multi-agents. Le procédé selon l'invention repose sur l'idée d'assister, au moyen d'un procédé de simulation discret orienté événements, de préférence sur la base de réseaux de Pétri de haut niveau et/ou de réseaux de Pétri colorés étendus, 2 5 l'ensemble du processus de développement d'un système de production flexible industriel, et son système de commande multi-agents, de l'analyse de la demande à la validation en passant par la modélisation. De tels procédés sont en mesure de relier les modèles à la réalité, c'est-à-dire par exemple de traiter des signaux de capteurs qui sont utilisés lors de la simulation. 30 Selon l'invention, une intégration de la modélisation et de la validation du système de production flexible et de son système de commande multi-agents a lieu à l'intérieur d'une seule phase de conception. Les réseaux de Pétri de haut niveau, en tant que méthode formelle d'élaboration de modèles d'un système de production flexible industriel, se caractérisent en particulier par le fait que les modèles produits par cette méthode peuvent être transformés directement, puis implémentés, en modèles d'une logi5 que de commande multi-agents. On est de plus certain de satisfaire aux exigences d'applicabilité et de flexibilité de tout le système. A partir d'une configuration logicielle et matérielle prédéterminée d'un système de production flexible industriel et sur la base des informations sur les 10 tâches et fonctions à réaliser dans le système, on parvient au procédé préféré suivant: - production d'un modèle de simulation, de préférence sur la base ds réseaux de Pétri de haut niveau, pour chaque composant du système de produc15 tion flexible, compte tenu de spécifications basées sur le déroulement, - production d'un modèle de simulation d'interfaces tels qu'interfaces capteur-actionneur de chaque composant à l'intérieur d'une structure de commande logique dérivée du modèle de simulation compte tenu de spécifications mécatroniques, 2 0 validation des spécifications de chaque composant modélisé et de la structure de commande associée, - production d'un modèle de coordination des composants ou agents à partir des spécifications d'un diagramme (layout) du système de production flexible, de préférence en tenant compte aussi bien d'un comportement concurrentiel 25 que d'un comportement coopératif entre les composants, moyennant quoi le modèle de coordination sert de fondement à la structure de commande multi-agents du système de production flexible. Des informations en particulier sur les stratégies de déroulement, les 3 0 conflits, les processus décisionnels autonomes et/ou coopératifs, la coordination, la concurrence, la spécification de produits et/ou les instructions de commande, entre autres, qui peuvent apparaître dans le système, découlent de la validation de spécifications structurelles et dynamiques de la structure de commande multiagents, ou du diagramme (layout) et du comportement du système de production flexible. Ensuite s'effectuent la production, le test et l'optimisation des spécifications, telles que des spécifications d'entretien pour la structure de commande multi-agents, et de la stratégie associée de commande de déroulement pour le système de production flexible à piloter. Il convient de mentionner, à propos de l'étape du procédé dans laquelle un modèle de coordination des composants et/ou des agents est produit à partir des spécifications du diagramme (layout) du système de production flexible, qu'une désignation d'agents de système de production flexible dérive entière10 ment du modèle de simulation à réseau de Pétri de haut niveau. Le modèle de coordination sert de fondement à la structure de commande multi-agents du système de production flexible. Chaque modèle de simulation contient des propriétés structurelles et dy15 namiques des composants de production modélisés. Lorsque le modèle de coordination est généré à partir des différents modèles, il y a lieu de considérer des interactions aussi bien physiques que logiques entre composants de production. Du point de vue du système de production, le modèle de coordination est une image du matériel (installation de production). Du point de vue du système de 2 0 commande, le modèle de coordination est une image du système de commande (topologie + intelligence). Les interactions physiques sont caractérisées, dans la phase d'implémentation du système de commande multi-agents, par l'échange futur de signaux 2 5 mécatroniques entre le système de commande et le système de production. Les interactions logiques concernent principalement des spécifications de production ou stratégies de production qui doivent commander et surveiller le système de commande multi-agents. La qualité des activités de commande et de 3 0 surveillance se caractérise par la quantité d'intelligence du système de commande (intelligence au sens de décisions optimales et/ou pseudo-optimales pour la résolution des conflits). Les modèles de simulation basés sur des réseaux de Pétri de haut niveau représentent un squelette du système de commande multiagents, et ils sont en mesure d'identifier les conflits, de fournir pour le processus décisionnel les informations nécessaires de production et de commande, et notamment de valider ou d'optimiser les résultats de la résolution des conflits. Il en résulte que le modèle de simulation représente non seulement la structure de commande multi-agents, mais permet également la conception et l'optimisation 5 du comportement de cette structure multi-agents, ce qui constitue, il convient de le souligner, un avantage particulier du procédé selon l'invention. Contrairement à la solution actuelle selon l'état de la technique, le procédé de l'invention peut déterminer un immense potentiel en terme d'économie de 10 temps et de cots par l'utilisation de modèles de simulation à réseau de Pétri à haut niveau, complets, indépendants des plateformes, configurables et exploitables en fonctionnement réel, des systèmes de production flexibles industriels et de leurs structures de commande multi-agents. D'autres particularités, avantages et caractéristiques de l'invention découlent de la description ci-après d'un exemple de réalisation. La figure unique illustre une représentation schématique du procédé. 2 0 En premier lieu, pour chaque composant Kl... KN d'un système de production flexible PS basé sur des réseaux de Pétri de haut niveau, on produit des modèles de simulation Ml... MN rassemblés en un modèle de coordination KM de réseaux de Pétri de haut niveau, qui représentent finalement un diagramme L (layout), c'est-à-dire la structure mécatronique du système de production flexible. 25 En d'autres termes, un modèle à réseau de Pétri de haut niveau est dérivé des décisions nécessaires de la commande de production, pour offrir au concepteur la possibilité de passer directement du domaine de production au domaine de développement basé sur des agents. 3 0 Enfin des agents de commande SA du système de commande SS sont tirés du modèle, à base de réseau de Pétri de haut niveau, des composants du système de production, c'est-à-dire qu'a lieu un mapping partant du processus de production et des spécifications de production vers un concept orienté agents, par l'identification des agents et de leurs capacités. Une plateforme de commande multi-agents est ensuite configurée pour le système de production, en utilisant les informations du modèle de coordination KM, à base de réseau de Pétri de haut niveau, du système de production. Il s'ensuit l'identification des décisions se rapportant aux agents et la conception des interactions entre les agents de commande (planification dynamique) de l'environnement de production. Selon l'invention, on peut réaliser une analyse qualitative et une validation des spécifications de structure et de comportement, telles que par exemple les 10 stratégies de déroulement, les situations conflictuelles, les processus décisionnels, les coopérations, la concurrence, les spécifications de produits, les instructions de commande, etc., du système de production orienté agents, en utilisant des méthodes formelles d'analyse, en combinaison avec les fondements mathématiques des modèles de simulation à base de réseaux de Pétri de haut niveau. 15 Un mapping des flux de transition et des flux locaux du modèle à base de réseau de Pétri de haut niveau s'effectue ensuite sur le jeu des spécifications réparties de commandes et de produits. Enfin s'effectue une validation des spécifications structurelles et dynamiques de la structure de commande multi-agents ou du diagramme (layout) et du comportement du système de production flexible, en 2 0 utilisant de méthodes d'analyse en combinaison avec les principes mathématiques des modèles de simulation basés sur les réseaux de Pétri de haut niveau. De plus, une validation des spécifications de performance de l'environnement de production a lieu lorsque celui-ci est déterminé et surveillé par le système de commande à base d'agents. Le procédé selon l'invention produit un jeu de critères qualitatifs et quantitatifs, qui sont rapportés aux agents, pour améliorer leur " comportement social ", c'est-à-dire le comportement entre eux et les futures interactions entre eux au sein de l'environnement de production. 30 En raison de leur capacité d'extension et de leur structure modulaire, les modèles de simulation à réseaux de Pétri de haut niveau ainsi développés présentent un grand nombre d'avantages - les spécifications des systèmes de production et des systèmes commande à base d'agents peuvent être générés, et validés ensemble, - la conception et la validation de systèmes de production flexibles et de systèmes de commande multi-agents sont considérés ensemble et se dé5 roulent simultanément, avec prise en compte des interactions entre les deux composants, - l'exactitude ou l'absence d'erreurs de conception du système de commande peut être confirmée avant achèvement de l'implémentation du système de production flexible et - l'image formelle du système de production flexible et de son système de commande multi-agents intégré peut être considérée comme un ensemble unitaire, utilisable autant par l'ingénieur de production que par le concepteur, pour générer par exemple des cas de test dans les deux domaines (production et commande). La désignation ici utilisée "réseau de Pétri de haut niveau" doit être identifiée par des réseaux de Pétri colorés étendus (Colored Petri Net) provenant de l'informatique et de la théorie des systèmes. Ceci signifie que la structure du réseau est complétée par des données et fonctions supplémentaires et que le 2 0 comportement dynamique du réseau peut être formalisé sur la base de l'analyse fonctionnelle. Les composants d'un modèle sont considérés comme des objets, qui sont l'image des composants réels d'un système (de manière tant statique que dynamique): ici les composants et agents de production et de commande. Revendications 1. Procédé de développement d'un système de commande (SS) basé sur des agents, de préférence basé multi-agents, pour un système de production flexible industriel (PS), caractérisé en ce que l'on produit un modèle de simulation (KM) du sys5 tème de production (PS) et en ce que le modèle de simulation (KM) dérivé du système de production (PS) est transformé directement en modèles d'un système de commande basé multi-agents (MASS). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le modèle de 10 simulation (KM; MASS) est produit sur la base d'un processus de simulation discret orienté événement tel qu'un réseau de Pétri de haut niveau ou un réseau de Pétri coloré étendu. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par une validation 15 de simulation et/ou formelle de spécifications structurelles et/ou dynamiques du système de commande multi-agents (MASS) et/ou du système de production (PS). 4. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par 2 0 les étapes suivantes: - production d'un modèle de simulation (Ml...MN) sur la base de réseaux de Pétri de haut niveau pour chaque composant (Ki. KN) du système de production flexible compte tenu de spécifications basées sur le déroulement, - production d'un modèle de simulation d'interfaces tels qu'interfaces capteur-actionneur de chaque composant (KI...KN) à l'intérieur d'une structure de commande logique (MASS) dérivée du modèle de simulation (Ml... MN) compte tenu de spécifications mécatroniques des composants de production modélisés, - validation des spécifications de chaque composant modélis (Ki... KN) et 3 0 de la structure de commande associée (MASS), - production d'un modèle de coordination (KM) des composants (Ki... KN) ou des agents (SA) à partir des spécifications d'un diagramme (layout) (L) du système de production flexible, de préférence en tenant compte aussi bien d'un..CLMF: comportement concurrentiel que coopératif entre les composants. 5. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en 5 ce que les agents du système de production flexible (PS) sont entièrement dérivés du modèle de simulation à réseau de Pétri de haut niveau (KM) (agentification). 6. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en 10 ce que le modèle de simulation à réseau de Pétri de haut niveau (KM) est utilisé comme fondement de la structure de commande multi-agents (MASS) du système de production flexible (PS). 7. Procédé selon au moins l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en 15 ce que la validation à base de simulation et/ou formelle de spécifications structurelles et dynamiques de la structure de commande multi-agents ou,du diagramme du système de production flexible et du comportement du système de production flexible comprend notamment les stratégies de déroulement, les conflits, les processus décisionnels autonomes et/ou coopératifs, la coordination, 2 0 la concurrence, la spécification de produits, et/ou les instructions de commande susceptibles d'apparaître dans le système.