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Scientific Journal of Control Engineering December 2012, Volume 2 Issue 6, PP.166-171

Display and Control Group: Large Scale Automation from Distributed to Hidden Subin Wang The Research Institute of China Electronic System Engineering Company, Beijing 100036, China Email: subinwang@yahoo.com

Abstract Display and Control System is a kind of large scale automatic systems that integrate with the processing of video/audio signal and information. It has been implemented in many control centers all over China. Display and Control Group is a group of Display and Control Systems in control centers, which can be understood as an algebra system defined by mathematic methods. The control system in the Group is transferring from distributed-control to hidden-control, which means that the controllers consisting of the control system disappear and hide in the equipment. To meet the needs of the control system, two control structures are discussed in this paper. The method of how the control system works for self-organization and self-reconstruction in the Display and Control Group is proposed. The result shows that the structures are feasible through emulation experiment. These hidden controllers form a large scale automatic system, and make a group of equipment communicate and complete the task themselves. Keywords: Display and Control Group; Large Scale Automation; Evolvable Hardware; Network; Control Engineering; Self-organization; Self-reconstruction

显示控制群:从分布到隐含的大规模自动控制 王苏滨 中国电子设备系统工程公司研究所,北京 100036 摘

要:显示控制系统是集成了视音频信号信息处理的一类大规模自动控制系统,已经应用于全国许多控制中心。显示控制

群是控制中心显示控制系统组成的群,也可视为数学方法定义的一个代数系统。显示控制群中的控制系统正在从分布控制走 向隐含控制,即组成控制系统的多个控制器,分散并隐含在受控设备中。为了实现这种控制系统的控制要求,讨论了两种控 制结构。提出了这种控制系统用于显示控制群的自组织、自重构方法。进行了软件仿真实验,仿真结果说明这两种控制结构 都是可行的。这将形成看不见控制器的大规模自动控制系统,一组设备自行相互通信、组成系统、完成任务。 关键词:显示控制群;大规模自动控制;演化硬件;网络;控制工程;自组织;自重构

前言 显示控制系统是集成了视音频信号信息处理的一类自动控制系统,是对分布在全域的异型受控设备实施 集成的大规模自动控制系统。显示控制系统(以下简称显控系统)已经应用于全国许多控制中心。显示控制 群一方面指的是控制中心显控系统组成的群,另一方面指的是用数学方法定义的作为代数系统的显示控制群 [1, 2, 3]

。通过研究代数系统的显示控制群,用于解决显控系统中的自动控制问题,形成了控制中心显示控制系

统群,其在国家许多重大活动中发挥了作用。随着技术的发展,显示控制群的控制系统将从分布控制走向隐 含控制,即组成控制系统的多个控制器,将分散并隐含在各个受控设备中,一种看不见控制器的大规模自动 控制系统正在显示控制群的研究中浮现出来。 - 166 Copyright © 2012 Ivy Publisher


1 显示控制群的控制系统 在控制中心内部,显控系统控制着分布在各个要素的受控设备。在各个控制中心之间,显控系统相互连 接。这样,控制中心内要素之间和要素内的控制、全域内控制中心之间和控制中心内的控制,构成了显控系 统群建设的重要内容。遍及全域的多层次的对不同类型大量设备的自动控制需求,提出了我们称之为显示控 制的一类大规模自动控制问题,形成了以显示控制系统建设为代表的大规模控制工程建设。 对于这一类自动控制问题,首先定义了虚拟设备:R={<c,s>|c⊂C,s⊂S},描述并使控制系统能够统一地 组织、控制各种各样不同种类、不同功能、不同性能、不同操作动作和不同状态表示的显控系统中的受控设 备。虚拟设备具有形式化的接口,虚拟命令集 c 和虚拟状态集 s。定义合成运算:o:R×R→R,使多种类多台 套设备形式上组成新的设备。由集合 R 和运算 o 组成的代数系统(R,o)是半群,基于此定义了显示控制群和子 群,并通过虚实设备转换构建实际的显示控制系统群[3,4]。 在虚实转换的过程中,控制器用于对显控系统的受控设备实施控制。随着控制规模的扩大,形成了由多 个控制器组成控制系统对全域范围的受控设备实施控制的结构,如图 1 所示。图 1(b)是一种由环形结构连接 多个控制器的显示控制群示意图。

(a)

(b)

图 1 随着控制规模扩大形成多控制器的控制系统

一方面由于系统规模扩大形成了控制系统的多控制器结构。另一方面,为了提高显控系统群的生存性, 出现了由多个控制器组成的冗余可重构的控制系统。图 2 表示的是由控制器阵列组成的多控制器结构的控制 [5]

系统替代单一控制器。这种多控制器结构通过控制器的冗余增加了系统的抗毁能力 。

图 2 为增强控制系统生存性形成冗余可重构的多控制器阵列结构

显示控制群因两个方向(规模扩大、冗余重构)的需求形成了由多个控制器组成的控制系统。

2 控制器隐含于显示控制系统的受控设备中 随着技术的发展,控制器功能越来越强大,价格越来越低。如果增加控制器的数量,使之可以分布在每 一个受控设备里,如果增强控制器的功能,使每个受控设备所含的控制器都可以作为系统的控制器,而不仅 仅是单个设备的控制器,那么就可以用各受控设备内部所含的控制器来组成显示控制群的控制系统。这样, 控制器将隐含在系统各个受控设备中,再也看不见显式的作为独立设备的控制器。 事实上,显示控制群的控制系统采用多控制器的结构,主要实现了群的两个能力:自组织与自重构。 (1)关于显示控制群的自组织。显示控制群通过虚拟设备的命令集和状态集实现对全部受控设备的控 - 167 Copyright © 2012 Ivy Publisher


制。命令集在执行时,对先后顺序的要求形成了一种时间的前提关系,可以用于自动形成命令的执行序列。 命令集在执行时对设备的需求形成了一种空间的前提关系,可以用于自动组织起一组设备的空间组合。也就 是说显示控制群可以自动组织起一个实现某种功能的子显控群。而一个显示控制群最大的子群就是它自身, 即显示控制群可以实现自组织。 (2)关于显示控制群的自重构。如果某个或某些受控设备出问题,显示控制群通过控制系统重新组织 其他的或者冗余的设备可以继续工作。如果控制系统出问题,就需要控制系统的多个控制器自动重构、继续 工作,完成预定任务。 对于显示控制群,自组织是控制系统对受控设备的重组,自重构是控制系统中多个控制器的重构。自组 织与自重构提供了显示控制群适应外界变化、应对内部故障的能力。当控制器的数量足够多,以至于分散在 每一个受控设备中,当控制器的处理能力足够强,以至于每一个控制器都有能力处理全域设备的组织与控制 问题,控制系统就将消失在受控设备中。人们将只能看到设备,却看不到控制系统,然而自动控制过程还在 进行。在此讨论两种将控制系统隐含在受控设备中的控制结构。 (1)没有固定中心的集中式控制。这是由各设备中的控制器轮流担任控制中心,进行集中控制,如图 3 所示。它实际是一种令牌环控制方式。获得控制权的设备中的控制器成为控制中心,并实施控制。经过一段 时间,把控制权转交给下一个设备中的控制器,使之成为控制中心进行控制。只要把任务注入系统,这些设 备就自动组织起来,始终存在一个控制中心,组织全部设备来完成任务。如果担任控制中心的设备毁坏,系 统中剩余的设备会由于超时而产生新的控制中心,继续进行工作。如果某一个作为控制中心的控制器发现有 其他中心存在,就比较设备编号,如编号小的自动停止运行。这就保证了只有一个中心在工作。

(a)

(b)

图 3 无固定中心的集中控制

图 3(a)表示了控制权的轮循,实际还有设备之间的通信问题。通信可以采用有线网络或者无线网络。如 果采用无线令牌的通信方式,就会形成两层令牌的传递,如图 3(b)所示。(b)中底层是通信网络的令牌在传递, 上层是控制权的传递,各自传递各自的,互不影响。这说明控制权的传递与通信网络中令牌的传递不是一回 事。控制权的传递与通信网络中令牌的传递分处不同层次,可以想到,通信网络中令牌的传递要比控制权的 传递快得多,且传递的方向也可能不同。

图 4 无控制中心的分布式控制示意图 - 168 Copyright © 2012 Ivy Publisher


(2)没有控制中心的分布式控制,各设备中的控制器分布式各自分别形成控制方案,再进行民主集中 式的方案选择,各自实施控制。参见图 4,它与图 3(a)类似,但是设备中的控制器不再轮流作为控制中心来 控制全系统。此时虽然没有控制中心,但还需要各设备之间的通信。处于各设备内部的控制器,通过通信网 络收集全域信息,形成全域控制方案。各自形成的控制方案相互交流,按评价函数评分选择,各设备根据选 择出的同一方案各自对本设备实施控制。所谓民主,是指各设备中的控制器各自形成控制方案;所谓集中, 是这些方案按统一的评价方法选择,每个控制器最终得到同一个方案。这个过程是分布式实现的,每个设备 的动作,是由这个设备中的控制器根据全域控制方案对本设备实施控制的。当然各个设备中的控制器要通过 通信网络传递必要的信息。 控制结构(1)是由各设备中的控制器轮流担任控制中心。控制结构(2)没有控制中心,但各设备中的 控制器要通过相互通信选出同一个控制方案,分别实施控制,分布实现对所有受控设备的控制。

3 自重构方法 控制器分布在各个受控设备中,受控设备组成显控系统时,各个控制器应能自动构成控制系统,从而使 各个控制器所处的设备都能在控制系统的统一控制下工作。在上述两种控制结构中,都存在系统重构问题。 图 5 是表示一个设备加入正在运行的系统时的示意图。它包括两个层次:一是在通信层加入系统,二是在控 制层加入系统。

图 5 设备从多个层次加入正在运行的系统

当某一设备出故障或者被毁,其中的控制器退出控制系统,剩余的设备能自动重新组成群。参见图 6 的 (a) ,它表示当系统中一台设备发生故障,退出系统的情况。反之,如果有新的设备加入,也能进行重构。 参见图 6 的(b),它表示一台设备自动加入系统的情况。这种重构能力是令牌传递方式所支持的,新加入的 设备可根据编号顺序自动加入群。

图 6 重构示意图

图 6 表示的是控制层的重构。虽然举例用了令牌环网的通信方式,但通信层的连接方式可以是各种不同 形式的通信网络。

4 自组织方法 对于显示控制群来说,自组织是指控制系统按照预定的要求组织受控设备自动完成任务。由于任务不同, - 169 Copyright © 2012 Ivy Publisher


每次任务要组织的显控系统受控设备是不确定的,向设备发送的虚拟命令的也是不确定的。通常可以采用逻 辑推理方法或者演化硬件方法。 在显示控制群中,各种设备都可以形式地表示为接收命令、返回状态的虚拟设备  c, s  。逻辑推理方 法是根据任务、根据推理规则,找出完成任务所需要执行的命令,找出执行这些命令的设备,从而组织起一 组设备(也就是一个子群) ,向这些设备发出命令,并监视这些设备正确执行了命令,从而使显示控制群自 动完成任务。但是当设备数量增加,推理方法的计算量可能会呈指数式增加,此时可采用演化硬件方法。 演化硬件方法是采用遗传算法,在完成任务的方案空间中选择一个满意的方案。由 N 个设备组成的系统, 可以定义为一个显示控制群。这个群可以根据要完成的任务,自行组织虚拟设备工作,并且在情况发生变化 时重新组织设备。采用遗传算法: (1)从众多设备中选出一个满意度高的设备组合实现用户所需功能; (2) 当某些设备出现故障、情况发生变化时,重新组织设备继续完成任务[3,5,6,7]。 设有 N 个设备作为 N 个个体,也可视为 N 个虚拟设备。每个个体有自己的当前状态,有控制操作的可 选方案(参见图 7) 。这就构成了一个群的控制方案空间,于是确定各设备下一步的控制,就成为在此空间的 一种搜索。

图 7 系统控制方案空间示意图

系统当前状态用[

,, ,……, ]表示,下一步状态为[ ,, ,……, ],……,[ ],……。空间中下一步可选的状态多,需要进行评价、对其选择。采用如下评价函数:

f (g) 

1

1  i i Hi

,, ,……,

1  j  jS j

其中 H i 是违反第 i 条硬约束的处罚,对应的权重为  i ; S j 是违反第 j 条软约束的处罚,对应的权重为

 j 。当全部硬约束得到满足之后   1,否则   0 。 采用遗传算法在方案空间中进行搜索,形成下一步控制方案。当某个或某些设备增加或减少,空间中该 设备的状态不再有效,作为系统群将重新在方案空间中找出一条新曲线,成为剩余各设备的行动依据。 软件仿真是用 Matlab 编程进行的,群体的规模设为 16,交叉概率设为 0.6,变异概率设为 0.001。运行 的结果如图 8 所示:选择设备控制方案的满意度计算曲线。这里选了有一定代表性的 3 种情况的曲线。16×4 是指 4 类设备每类 16 台选 1 台组成一个组合方案,16×8 是指 8 类设备每类 16 台选 1 台组成一个组合方案, 16×16 则是 16 类设备每类 16 台选 1。曲线表示了当评价函数值达到 1.9 时的迭代次数。仿真结果具有偶然性, 总的结果相当好。这与预设的条件有关,但也说明演化硬件方法用于设备自组织的可行性。 仿真程序中分别迭代 400 次或者 1000 次,用以观察评价函数值形成的曲线。 在结构(1)的情况下,各控制器轮流担任控制中心。此时由控制中心将方案分发给各设备。 在结构(2)的情况下,没有控制中心。此时每个设备中的控制器分别计算方案,并分发给其他设备中 的控制器。各控制器分别对这 N 种方案进行排序,取评价分最高的,若得分相同则取编号靠前的。这样各自 分别自动找到一个相同的方案,并实施控制。这就是民主集中式的控制方法。 - 170 Copyright © 2012 Ivy Publisher


(a) 16×4

(b) 16×8

(c) 16×16

图 8 控制方案的满意度计算曲线示例

5 结语 随着显示控制群控制系统的控制器分布到各个受控设备中,看不见显式控制器的自动控制系统出现了, 并且形成了控制系统自重构和受控设备自组织自操作的方法。由于控制系统分散隐含于各个设备中,人们看 到的将是一群设备自行相互通信、自行组成系统、自行完成任务。 显示控制群的设备自组织方法用于无人系统群的自动控制技术研究,将使无人系统群形成自适应的工作 能力。用于未来大规模机器人群的自组织的配合操作,即使环境变化、出现故障、受到攻击、部分毁坏,这 个群将继续工作、能自行组织,形成优化的工作方案,并尽最大可能来自动执行预定的任务。

REFERENCES [1] 王苏滨, 张泽焕, 汪红宇. 显示控制群中大规模控制的形式方法[J]. 控制理论与应用, 2011, 28(6): 881-884 [2] 王苏滨. 用于无人驾驶系统的显示控制群自组织方法[J]. 中国电子科学研究院学报, 2011, 6(2): 143-146 [3] 王苏滨. 显示控制群中的虚拟设备集和设备自组织方法[J]. 中国电子科学研究院学报, 2010, 5(3): 275-281 [4] 王苏滨, 张功方, 张泽焕, 等. 显示控制系统 100 问[M]. 国防工业出版社, 2009 [5] 王苏滨. 演化硬件控制器及其控制方法[P]. 中国发明专利: ZL 200910089118. 5, 授权公告日 2011 年 3 月 30 日 [6] WANG S B, YAO X. Multi-micro processor-array: EHW for a control system[C], Proceedings of IEEE 5th International Conference on Computational Intelligence and Multimedia Applications. Los Alamitos California: IEEE Computer Society, 2003, 9: 15-20 [7] YAO X. Evolutionary Computation: Theory and Applications[M], Singapore: World Scientific, 1999 [8] 王源, 张博. 赛博武器的现状与发展[J]. 中国电子科学研究院学报, 2011, 6(3): 221-225

【作者简介】 王苏滨(1952-),男,汉族,博士,高级工程师,目前研究方向为大规模自动控制与视音 频信号信息处理。国防科技大学获硕士学位,南京理工大学获博士学位,英国伯明翰大学 作过访问学者。出版发表过计算机网络、火炮武器系统 CAD、无线射频识别、显示控制系 统等方面专著论文,多次获国家、部门科技进步奖及优秀通信工程设计奖,享受国务院政 府特殊津贴。Email: subinwang@yahoo.com

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