规划具有分层结构化任务和并行化选项的技术过程的制作方法

本发明涉及一种用于规划技术过程的计算机实现的方法，其中所述技术过程具有分层结构化任务，其中所述技术过程(p)包括物理单元的修改。此外，本发明说明了一种用于执行技术过程的方法、一种计算机程序产品和一种计算机可读介质。本发明特别是可以用于规划和执行具有分层结构化任务和并行化选项的技术过程。

背景技术：

1、本发明的任务在于提供一种用于规划技术过程的解决方案，所述技术过程具有带有并行化选项的分层任务。

2、在大量领域中，有可能借助于自主系统来解决当今由于工程耗费而无法经济地自动化的任务。这意味着灵活的或动态的领域需要为不断出现的新变体创建合适的处理计划，然后充分执行这些处理计划。对于经常重复的固定变体，特别是在大规模生产中，手动设计的成本可能会得到回报，但所需的灵活性使该策略变得不经济。

3、主要的焦点在于任务的自动化，这种自动化主要基于过程的并行执行。

4、优选地为此提及以下领域：

5、-物流和内部物流：多个组件可以在工厂内或生产地点之间移动货物，并且可以在那里对这些货物执行进一步的生产步骤。在这里，自主性可以是集中或分散地协调各个移动车辆(agv)。此外，这也可以看作是整个工厂协调的子问题，由此于是可以自主地控制整个制造过程。因此可以轻松输入新的生产任务、改变agv的数量或对不断变化的kpi做出反应。

6、-道路交通：多个车辆和部分固定基础设施都具有一系列传感器，部分车辆也可以自主或部分自主地驾驶。这里尤其是提出以下问题，如何将哪些传感器彼此组合以借助于传感器融合为运动规划或基础设施控制产生足够准确的数据。

7、-个人交通：应当如何选择公共交通运输组件的哪些组合以动态地完成所要求的交通任务？最佳时刻表是什么？如何应对拥堵和延误，例如在轨道交通中？

8、-过程工业：多个连续的生产过程需要协调控制用于混合、加热或冷却的泵和机器以及清洁步骤。由于每个组件中的过程复杂，只有在经过详细的模拟和测试后才能持续地适配流程。因此提出了以下问题，哪些模拟和测试提供所需要的信息以及哪些控制使得kpi最小化。由于两者都耗时且成本高，因此必须将这些步骤彼此协调并且尽可能多地并行化。

9、-感知：在图像处理中存在大量算法，这些算法是计算密集型的并且在任务相关的链接中才提供可用的结果。

10、因此，现代计算机体系架构的所有优势都在这里被利用来尽可能多地并行化。

11、上述所有应用领域的共同点是必须彼此协调大量过程并且强烈并行地控制这些过程。因此，只有在创建计划期间和/或规划期间就已经考虑到并行性方面并在执行期间最大程度地利用并行性方面，才有可能在这些领域中实现自主性。

12、因此，现有技术中的一个技术问题是从大量可能的元素中自动选择适合于并行地解决给定问题的元素，在多个并行序列的网络中对这些元素结构化，并使用合适的参数将它们调整为适合于任务。

13、已知可以使用两种方案来解决特殊情况。如上所述，挑战尤其在于问题大小、执行中必要的并行性与任务提出中的灵活性的组合。

14、在第一种方案中，如果只需要有限的灵活性并且这些灵活的组件所需的值范围在设计阶段就已完全已知，则可以以经典方式手动创建该过程。为此，流程对灵活的组件的依赖性被手动编码，以及在设计过程中明确开发出哪些过程在执行期间并行运行。该手动设计过程例如可以包括状态机、行为树或htn组件。

15、在第二种方案中，可以用特殊规划器解决特殊同质领域中的非常小的任务(即理想情况下纯符号任务(也称为调度)或纯连续任务(也称为路径规划))。规划器的结果可以包含并行性(特别是以petri网的形式)，然后可以使用对应的执行组件来利用所述并行性。

16、由此得出本发明的任务是说明一种用于规划相互依赖的技术任务和技术过程的改进的解决方案。

技术实现思路

1、本发明从独立权利要求的特征中得出。有利的扩展和设计是从属权利要求的主题。本发明的设计、应用可能性和优点从以下描述和附图中得出。

2、本发明涉及一种用于规划技术过程的计算机实现的方法，其中所述技术过程具有分层结构化任务，其中所述技术过程(p)包括物理单元的修改。所述计算机实现的方法具有以下步骤：

3、-读取所述分层结构化任务的依赖性说明，

4、-从所述依赖性说明中导出并行化选项，以及

5、-在纳入所述并行化选项的情况下生成第一动作序列，其中所述第一动作序列实施所述分层结构化任务。

6、在本发明的意义内的分层结构化任务是以不同的分层级别结构化的任务。较高的分层级别可以具有由位于其下面的分层级别的进一步任务更详细指定的任务。

7、特别地，分层结构化任务分别具有分层说明，其中每个分层说明确定过程内的分层级别，使得第一分层级别的第一任务由第二分层级别的进一步任务(或至少一个第二任务)进一步细化，其中所述第一任务和所述至少一个第二任务/所述进一步任务是所述分层结构化任务的一部分。特别地，第一分层级别可以由第一任务“规划、执行、控制、反应”来确定。在第二分层级别，在第二分层级别上的第一任务“控制”确定(至少一个第二任务或)进一步任务“测量实际值、调用目标值、将实际值和目标值进行比较、计算偏差”。

8、在本发明的意义中，物理单元的修改包括对物理单元、特别是真实世界中的对象的修改，特别是更改、适配、制造过程、生产步骤、处理和/或适应。这特别是包括对生产零件的铣削、各个部件的组装、工件的表面处理、工件的整形和/或对物理单元的在制造过程的范围中执行的其他修改。

9、在本发明的意义中，任务的依赖性说明是说明所提到的分层任务之间的依赖性的说明。这些依赖性在此特别可以是因果关系和/或时间关系。

10、因果依赖性说明技术过程的因果依赖性，特别是由于在先前(直接或间接在前的)动作完成且其结果存在时才能执行的动作引起的依赖性，特别是成型后上漆。特别地，一个动作还可以依赖于大量先前(并行或连续)的动作。时间信息说明技术过程的时间依赖性，特别是处理时间、等待时间、交付时间、工作时间和空闲时间。

11、在本发明的意义中，任务的并行化选项特别是用于可能并行地执行分层结构化任务的选项。从而特别是可以给定用于并行化同一分层级别的任务的选项。

12、本发明意义内的第一动作序列是动作的序列，其中这些动作实施所述分层结构化任务。该序列可以包含连续和/或并行的动作。分层任务可以定义机器的清洁，相关联的动作是“喷砂”、“刷洗”、“清洗”和“干燥”。

13、本发明的一个方面在于规划具有分层结构化任务的技术过程，并且在此过程中考虑所述分层结构化任务的并行化选项。

14、在读取所述分层结构化任务的依赖性说明时，分层规划器创建连续的动作序列，所述连续的动作序列也可以称为子计划，其中在关于所述技术过程中的所有相关元素和过程的声明性和过程性知识的分层模型的基础上具有逐步增加的详细程度。为此，将技术过程的合适动作序列转移到特殊规划组件。

15、然后，将以这种方式获得的子计划中的每个步骤制定为更详细级别上的新的分层任务，直到计划中包含的所有过程对于所述任务都足够详细为止。

16、与顺序规划不同，分层规划器不仅必须为子规划器提供模型的相关实例，还必须提供相关实例的时间信息。也就是说，特定实例何时创建或哪些组件在哪些时间段中被占用？这对于在规划期间考虑并行化的效应是强制性的。

17、在从依赖性说明中导出并行化选项时，并行化组件从分层规划器获得包含或实现并行性的计划，并且在硬件上实现并行执行。也就是对应于该计划同时启动多个过程。

18、在纳入并行化选项的情况下生成第一动作序列之后，分层规划器(也可称为规划组件)将第一动作序列提供给并行化组件，即动作的部分排序的集合——该排序首先仅说明因果依赖性而不明确地说明时间依赖性。这个计划中的每两个动作是并行执行的候选者，在这两个动作之间资源需求既非显式地(即特别是关于动作之间的顺序关系的直接说明)，也非隐式地(即特别是关于其他顺序关系的链条)说明一种关系。

19、锁定是计划中动作之间的时间限制，该时间限制对应于所述计划的因果顺序关系，其中需要两个不同的先前动作的结果作为输入变量，即存在两个时间相同的结果，由此可以启动后一个动作。并行化组件识别这种锁并使用这种锁定来确定可以被并行执行的动作系列。

20、一旦一个系列的所有输入变量都存在，该系列就可以与其他正在运行的过程无关地加以启动。

21、本发明的一种扩展包括一种用于执行技术过程的方法，其中所述技术过程已经通过根据本发明的方法加以规划。用于执行所述技术过程的方法包括通过执行所述第一动作序列来执行所述技术过程的分层结构化任务的进一步方法步骤。

22、为了通过执行第一动作序列来执行所述技术过程的分层结构化任务，同样适用的是，在真实世界中执行它。

23、在本发明的另一扩展中，该方法具有进一步方法步骤：

24、-接收过程数据，其中所述过程数据包括所述技术过程的实际状态，以及

25、-基于所述过程数据生成第二动作序列，其中所述第二动作序列实施所述分层结构化任务。这包括通过执行第二动作序列来执行所述技术过程的分层结构化任务。

26、如果与第一动作序列的结果得出明显的偏差，则并行化组件将此报告回分层规划器，从而在那里可以创建计划更改，即所述第二动作序列。

27、这种并行执行必然包括监视组件，所述监视组件检查一个动作序列的所有动作是否满足规划期间计算的条件(也可称为目标状态)。

28、在出现显著偏差的情况下，特别是由于第一动作序列的结果位于预期值范围之外，或者在错误情况下，特别是由于第一动作序列不能成功结束，所述监视组件将对应的信息提供给所述规划组件，从而可以创建新计划，在本发明的措辞中即第二动作序列。特别地，向所述规划组件告知哪个动作以哪个输入和输出值导致执行的中止。根据反馈，所述规划组件可以决定是选择新规划还是继续规划。从那里该过程重新开始。

29、在本发明的一种扩展中，所述第二动作序列替代所述第一动作序列。这样做的优点是对技术过程进行新规划。

30、在本发明的一种扩展中，所述第二动作序列在时间上跟随所述第一动作序列。这样做的优点是适应性地继续执行所述技术过程。从而可以纠正偏差和错误。

31、在本发明的一种扩展中，所述第二动作序列停止所述技术过程。这样做的优点是不再执行任何动作序列并且会中断所述技术过程。

32、在本发明的一种扩展中，所述技术过程由至少一个生产单元执行，其中所述至少一个生产单元被构造为生产机器、生产机器人和/或自动化单元。所述至少一个生产单元在此在真实世界中执行所述技术过程。

33、在本发明的一种扩展中，所述技术过程被构造为：

34、-制造过程，和/或

35、-物流过程，和/或

36、-交通控制过程，和/或

37、-运输过程。

38、在此，技术过程构造为制造过程被认为是特别有利的。

39、在本发明的一种扩展中，所述依赖性说明指定了关于以下方面的分层结构化任务：

40、-程序性的顺序，和/或

41、-因果依赖性，和/或

42、-交互关系，和/或

43、-时间信息，和/或

44、-所需资源，和/或

45、-强制性时间上同时进行的任务，和/或

46、-所需工具。

47、程序性的顺序说明所述技术过程的由过程引起的依赖性。

48、因果依赖性说明所述技术过程的因果依赖性，特别是由于在先前(直接或间接在前的)动作完成且其结果存在时才能执行的动作引起的依赖性，特别是成型后上漆。特别地，一个动作还可以依赖于大量先前(并行或连续)的动作。

49、交互关系说明所述技术过程的由交互引起的依赖性，特别是当动作的执行组件必须彼此组合地执行动作时，特别是作为第一组件的夹持机器人臂和作为第二组件的加工机器人臂。

50、时间信息说明所述技术过程的时间依赖性，特别是处理时间、等待时间、交付时间、工作时间和空闲时间。

51、所需资源说明所述技术过程所需要的资源，特别是材料、原材料、货物、财务资源、人力、空间和环境条件(特别是温度、压力、湿度)。

52、强制性时间上同时进行的任务说明所述技术过程的强制性时间上同时进行的任务，特别是具有互补功能的任务，特别是清洁和供水。

53、所需工具说明所述技术过程所需要的工具，特别是说明同时/并行所需的工具、预期的工具磨损、工具的空间要求、工具的提供持续时间、工具的应用条件和/或应用资源。

54、在本发明的一种扩展中，所述依赖性说明指示在执行分层结构化任务时出现的依赖性。特别地，在此情况下参考前面提到的依赖性。

55、在本发明的一种扩展中，所述分层结构化任务分别具有分层说明，其中每个分层说明确定过程内的分层级别，使得第一分层级别的第一任务由第二分层级别的进一步任务(在本发明的措辞中由第二分层级别的至少一个第二任务)进一步细化，其中所述第一任务和所述至少一个第二任务/所述进一步任务是所述分层结构化任务的一部分。特别地，第一分层级别可以由第一任务“规划、执行、控制、反应”来确定。在第二分层级别，在第二分层级别上的第一任务“控制”确定至少一个第二任务或所述进一步任务“测量实际值、调用目标值、将实际值和目标值进行比较、计算偏差”。

56、在本发明的一种扩展中，该方法具有进一步的方法步骤：

57、-接收用户输入，以及

58、-基于所述用户输入生成第三动作序列。

59、可选地，与人的交互，特别是用户输入，以及动作序列的适应是可能的。这在调试和部分自动化时特别有意义。在这里，分层模型使得可以对应于相应的用户角色对数据和过程进行图形表示。

60、这种部分自动化的运行使得可以访问熟悉流程的人员的非模型化经验。任务的分层结构使得在此情况下可以专注于每个相关方面。从而交互组件可以是从可比较计划的集合中选择最喜欢的计划，指定额外的时间锁定或对系列进行组合，或反馈以补充属性或说明进一步规划的级别。

61、在本发明的一种扩展中，所述第三动作序列替代所述第一动作序列和/或所述第二动作序列，或者所述第三动作序列在时间上跟随所述第一动作序列和/或所述第二动作序列，或者所述第三动作序列停止所述技术过程。这样做的优点是对技术过程进行新规划，可以纠正偏差和错误，以及不再执行任何动作序列并且中断所述技术过程。

62、在本发明的一种扩展中，所述并行化选项提供关于所述分层结构化任务的时间并行化的说明。

63、本发明还包括一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中所述计算机程序可以加载到计算单元的存储装置中，其中当所述计算机程序在所述计算单元上执行时，用所述计算机程序执行根据本发明的方法的步骤。

64、本发明还包括一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中所述计算机程序可加载到计算单元的存储装置中，其中当所述计算机程序在所述计算单元上执行时，用所述计算机程序执行根据本发明的方法的步骤。

65、手动创建动作序列非常耗时、死板且容易出错。灵活性组合或并行过程中的修改进一步加剧了这个问题。本发明极大地减少了时间耗费，因为只需要一次性建模。然后规划组件创建了灵活性并确保可以与监视单元关联地排除大量错误。在此情况下，核心是在建模中使用分层结构以由此获得可管理规划任务的分层结构。

66、替代方案一般无法应用，因为要么问题的复杂性太大，要么在没有并行化的情况下无法解决问题。

67、在规划中就已经考虑并行化使得可以将策略非常详细地面向现有硬件。从而例如可以包括cpu具有多少内核或有多少agv可用。此外，还可以考虑详细的依赖性，特别是哪些机器人共享工作空间，即分层规划使得还可以分层地说明与并行化相关的方面：从离散的或符号的到连续的或子符号的。保持多个这些依赖性的复杂性是分层方案的主要优点。

68、本发明提供了允许多个组件交互以确保在大型异构领域中灵活、无错误和并行地执行的进一步优点。在此情况下交换模型、子计划以及必要时还交换错误状态。

69、计划的全自动计算以及计划的并行执行导致真实世界中的硬件调节。通过执行与借助于偏差和错误的分层规划的交互，产生了一种对外部影响做出反应的自适应方法。由此，用于执行的传感器测量更改了自主系统的行为。

70、并行过程的分层规划在大量工业应用中是相关的。在自主系统和工业4.0的各个方面具有潜力的所有地方，这可以通过规范的模型和规划来解决。用现有技术提到的示例给出了应用领域的印象。这些示例从高级mes到诸如过程仿真和协同仿真的仿真工具，再到交通控制系统。

71、本发明包括以下关键算法：

72、-用于并行性的分层规划组件：迄今为止的分层规划组件在计划创建期间没有收集时间信息并创建了顺序的计划。将分层方案扩展到调度是本发明的核心方面，在调度中实例的时间可用性是必不可少的，因此优先选择具有高并行化比例的计划。

73、-并行化单元：分析计划和识别系列对于并行控制是必不可少的。该组件不存在于顺序的分层规划中。在其他领域、特别是petri网中考虑了类似的任务创建。

74、-执行和反馈：并行执行是基于多个过程的协调启动和以后的同步。这种算法在大量应用中是已知的。本发明的一个具体方面是在出现偏差和错误的情况下借助于反馈来对控制进行适应。为此，反馈必须获得详细信息，所述详细信息使得可以准确重建哪个过程以哪些输入数据导致了该反馈。此外，可能需要根据这些详细信息结束另外的并行过程，或者在并行系列上至少不启动新过程。

75、-反馈之后的计划适应：在计划适应时必须纳入执行的信息，以防止问题再次发生。也就是说，简单地重新开始规划并不能解决该问题。分层规划中的回溯方案使得可以对这种信息做出合适的反应。也就是说，在这里连续搜索合适的抽象级别，其中存在可以在没有失败过程的情况下实现目标的替代计划。然后基于所述替代计划进行下去，就像在对并行过程的名义分层规划中那样。