Иерархическая система управления
Иерархическая система управления ( HCS ) – это форма системы управления , в которой набор устройств и управляющего программного обеспечения организован в виде иерархического дерева . Когда связи в дереве реализованы компьютерной сетью , то эта иерархическая система управления также является формой сетевой системы управления .
Обзор [ править ]
Созданная человеком система со сложным поведением часто организуется как иерархия. Например, иерархия командования имеет среди своих примечательных особенностей организационную структуру начальников, подчиненных и линий организационной коммуникации . Аналогично организованы иерархические системы управления, позволяющие разделить ответственность за принятие решений.
Каждый элемент иерархии представляет собой связанный узел дерева. Команды, задачи и цели, которые необходимо достичь, текут вниз по дереву от вышестоящих узлов к подчиненным, тогда как ощущения и результаты команд текут вверх по дереву от подчиненных к вышестоящим узлам. Узлы также могут обмениваться сообщениями со своими братьями и сестрами. Две отличительные особенности иерархической системы управления связаны с ее уровнями. [1]
- Каждый более высокий уровень дерева работает с более длительным интервалом планирования и выполнения, чем его непосредственно нижний уровень.
- Нижние уровни имеют локальные задачи, цели и ощущения, а их деятельность планируется и координируется более высокими уровнями, которые обычно не отменяют их решений. Уровни образуют гибридную интеллектуальную систему , в которой самые нижние, реактивные уровни являются субсимволическими. Высшие уровни, имея смягченные временные ограничения, способны рассуждать на основе абстрактной модели мира и осуществлять планирование. Иерархическая сеть задач хорошо подходит для планирования в иерархической системе управления.
Помимо искусственных систем, системы управления животными предлагается организовать в виде иерархии. В теории перцептивного контроля , которая постулирует, что поведение организма является средством контроля его восприятия, предлагается организовать системы контроля организма по иерархической схеме, поскольку их восприятие построено таким образом.
Структура системы управления [ править ]
Прилагаемая диаграмма представляет собой общую иерархическую модель, показывающую функциональные уровни производства с использованием компьютеризированного управления промышленной системой управления.
Ссылаясь на диаграмму;
- Уровень 0 содержит полевые устройства, такие как датчики расхода и температуры, а также элементы исполнительного управления, такие как регулирующие клапаны.
- Уровень 1 содержит промышленные модули ввода-вывода (I/O) и связанные с ними распределенные электронные процессоры.
- Уровень 2 содержит контролирующие компьютеры, которые сопоставляют информацию с процессорных узлов системы и предоставляют экраны управления оператору.
- Уровень 3 — это уровень управления производством, который не контролирует процесс напрямую, но занимается мониторингом производства и контролем целевых показателей.
- Уровень 4 – это уровень планирования производства.
Приложения [ править ]
Производство, робототехника и транспортные средства [ править ]
Среди робототехнических парадигм есть иерархическая парадигма, в которой робот действует по принципу «сверху вниз», требуя планирования, особенно планирования движения . Компьютерное проектирование производства находится в центре внимания исследований NIST с 1980-х годов. Научно-исследовательский центр автоматизированного производства был использован для разработки пятиуровневой модели управления производством. В начале 1990-х годов DARPA спонсировало исследования по разработке распределенных (то есть сетевых) интеллектуальных систем управления для таких приложений, как военные системы управления и контроля. NIST опирался на более ранние исследования для разработки своей системы управления в реальном времени (RCS) и программного обеспечения системы управления в реальном времени , которое представляет собой общую иерархическую систему управления, которая использовалась для управления производственным цехом , роботизированным краном и автоматизированным транспортным средством .
В ноябре 2007 года DARPA провело Urban Challenge . Победившая работа: Tartan Racing. [2] использовала иерархическую систему управления с многоуровневым планированием миссий , планированием движения , генерацией поведения, восприятием, моделированием мира и мехатроникой . [3]
Искусственный интеллект [ править ]
Архитектура подчинения — это методология разработки искусственного интеллекта , которая тесно связана с робототехникой, основанной на поведении . Эта архитектура представляет собой способ разложения сложного интеллектуального поведения на множество «простых» модулей поведения, которые, в свою очередь, организованы в слои. Каждый уровень реализует определенную цель программного агента (т.е. системы в целом), а более высокие уровни становятся все более абстрактными. Цель каждого уровня включает в себя цель нижележащих слоев, например, решение о движении вперед на уровне приема пищи учитывает решение самого нижнего уровня предотвращения препятствий. Поведение не обязательно должно планироваться высшим уровнем, скорее, поведение может запускаться сенсорными входными сигналами и поэтому быть активным только при обстоятельствах, когда оно может быть уместным. [4]
Обучение с подкреплением использовалось для изучения поведения в иерархической системе управления, в которой каждый узел может научиться улучшать свое поведение с опытом. [5]
Джеймс Альбус , работая в NIST, разработал теорию проектирования интеллектуальных систем, получившую название «Архитектура эталонной модели» (RMA). [6] это иерархическая система управления, вдохновленная RCS. Альбус определяет каждый узел, содержащий эти компоненты.
- Генерация поведения отвечает за выполнение задач, полученных от вышестоящего родительского узла. Он также планирует и выдает задачи подчиненным узлам.
- Сенсорное восприятие отвечает за получение ощущений от подчиненных узлов, их последующую группировку, фильтрацию и иную обработку в абстракции более высокого уровня, которые обновляют локальное состояние и формируют ощущения, которые отправляются в вышестоящий узел.
- Субъектное суждение отвечает за оценку обновленной ситуации и оценку альтернативных планов.
- Модель мира — это локальное состояние, которое предоставляет модель управляемой системы, управляемого процесса или среды на уровне абстракции подчиненных узлов.
На самых низких уровнях RMA может быть реализован как архитектура включения, в которой модель мира отображается непосредственно на контролируемый процесс или реальный мир, избегая необходимости в математической абстракции, и в которой ограниченное по времени реактивное планирование. может быть реализовано как конечный автомат . Однако более высокие уровни RMA могут иметь сложные математические модели мира и поведения, реализуемые посредством автоматического планирования и составления графиков . Планирование необходимо, когда определенное поведение не может быть вызвано текущими ощущениями, а скорее прогнозируемыми или ожидаемыми ощущениями, особенно теми, которые возникают в результате действий узла. [7]
См. также [ править ]
- Иерархия командования , иерархическая структура власти.
- Иерархическая организация , иерархическая организационная структура.
Ссылки [ править ]
- ^ Финдейзен, стр. 9
- ^ [1] Архивировано 19 января 2008 г. в описании команды Wayback Machine Tartan Racing.
- ^ Урмсон, К. и др., Tartan Racing: мультимодальный подход к городскому вызову DARPA. Архивировано 20 мая 2013 г. в Wayback Machine 2007, стр. 4.
- ^ Брукс, Р.А. «Планирование - это просто способ избежать выяснения того, что делать дальше». Архивировано 11 марта 2007 г. в Wayback Machine , технический отчет, Лаборатория искусственного интеллекта Массачусетского технологического института, 1987 г.
- ^ Такахаши Ю. и Асада М., Приобретение поведения посредством многоуровневого обучения с подкреплением. В материалах Международной конференции IEEE 1999 г. по системам, человеку и кибернетике, страницы 716–721.
- ^ Альбус, Дж. С. Архитектура эталонной модели для проектирования интеллектуальных систем. Архивировано 16 сентября 2008 г. в Wayback Machine. Анцаклис, П.Дж., Пассино, К.М. (ред.) (1993). Введение в интеллектуальное и автономное управление. Kluwer Academic Publishers, 1993, глава 2, стр. 27–56. ISBN 0-7923-9267-1
- ^ Мейстель, А.М., Альбус, Дж.С., Интеллектуальные системы, Джон Вили и сыновья, Нью-Йорк, 2002, стр. 30-31.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Альбус, Дж.С. (1996). «Инженерия разума» . От животных к аниматам 4: Материалы четвертой международной конференции по моделированию адаптивного поведения . МТИ Пресс.
- Альбус, Дж.С. (2000). «Архитектура эталонной модели 4-D / RCS для беспилотных наземных транспортных средств». Робототехника и автоматизация, 2000. Труды. ИКРА'00. Международная конференция IEEE . Том. 4. дои : 10.1109/РОБОТ.2000.845165 .
- Финдайзен, В.; Другие (1980). Управление и координация в иерархических системах . Чичестер [англ.]; Нью-Йорк: Дж. Уайли.
- Хейс-рот, Ф.; Эрман, Л.; Терри, А. (1992). «Приложения распределенного интеллектуального контроля и управления (DICAM) и поддержка полуавтоматической разработки» . НАСА. Исследовательский центр Эймса, Рабочие заметки семинара AAAI 1992 года по автоматизации проектирования программного обеспечения. Тема: Проектирование программного обеспечения для конкретной предметной области P 66-70 (СМ. N 93-17499 05-61) . Проверено 11 мая 2008 г.
- Джонс, AT; Маклин, ЧР (1986). «Предлагаемая иерархическая модель управления для автоматизированных производственных систем» . Журнал производственных систем . 5 (1): 15–25. CiteSeerX 10.1.1.79.6980 . дои : 10.1016/0278-6125(86)90064-6 . Проверено 11 мая 2008 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Библиотека RCS (система управления в реальном времени)
- Texai Проект с открытым исходным кодом по созданию искусственного интеллекта с использованием иерархической системы управления Albus.