Bachelor's Thesis

Testbed 4.0 model based on DES for simulation of CNP negotiation

Final Thesis 7.55 MB Appendix 2.66 MB

Author of thesis: Bc. Jan Špaček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Silvestr Vaculovič

Reviewer: doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with the design and implementation of a Testbed 4.0 control model based on discrete-event systems (DES) using the decentralized negotiation mechanism Contract Net Protocol (CNP). The model is developed in the MATLAB Simulink environment with the SimEvents extension and is intended for the simulation of a manufacturing system composed of autonomous cells communicating through a bidding algorithm. The model includes the implementation of distributed production planning, dynamic task allocation, and communication between individual system modules.
The thesis also focuses on the design of a simulation visualization system enabling the monitoring of communication between cells, system states, and selected operational metrics such as cycle time, throughput, resource utilization, queue lengths, and work in progress (WIP). Furthermore, several configuration and operational scenarios reflecting possible layouts of the Testbed 4.0 system are defined. Based on the performed simulations, the effects of system configuration changes on efficiency and behavior under decentralized control conditions are evaluated.

Keywords:

Industry 4.0, digital twin, Asset Administration Shell, AAS, SimEvents, MATLAB Simulink, discrete-event system, testbed, manufacturing simulation, bidding algorithm, decentralized control, autonomous manufacturing cells, module communication

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval připravenou prezentaci a následně odpovídal na dva dotazy položené oponentem závěrečné práce. V následné rozpravě se komise ptala zdá dává smysl realizovat práci na nekomerčním/alternativním softwaru. Komise se ujišťovala co je cílem práce. Byla vznesena námitka na formální stránku práce. Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné významné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy student odpověděl na dotazy.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Control and Instrumentation

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Fialka, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Petyovský, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Silvestr Vaculovič

Práce vytváří model řízení jednotek Testbedu 4.0 v prostředí MATLAB Simulink za využití knihovny SimEvents. Rešerše je vhodně provedena s ohledem na danou problematiku, ale v některých částech mohla být podrobnější. Návrh simulátoru zahrnuje využití CNP, vytváří strukturu komunikace mezi moduly a zavádí různá rozložení jednotlivých modulů.

Práce obsahuje rozsáhlou sadu testů zaměřených na dílčí části komunikace, chování modulů a produktů. Následně na ně navazuje testování provozních scénářů simulátoru, z nichž je nejrozsáhlejší provozní simulace během deseti dnů. Toto desetidenní testování přináší zajímavé výsledky. Kapitoly týkající se testování zvyšují úroveň práce.

Bakalářská práce splňuje zadání v plném rozsahu. Student pracoval samostatně a pravidelně přicházel na konzultace. Points proposed by supervisor: 91

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Práce se zabývá návrhem a realizací simulačního modelu Testbedu 4.0 založeného na systému diskrétních událostí v prostředí MATLAB Simulink s využitím rozšíření SimEvents. Součástí řešení je implementace decentralizovaného mechanismu vyjednávání inspirovaného Contract Net Protocol, který slouží k výběru vhodných výrobních modulů při realizaci výrobních operací.
Předložený dokument je rozsáhlý, přičemž vlastní část textu splňuje limity a přílohy obsahují velké množství popisů provedených testů. Relevantní teorie je stručně prezentována, přičemž autor se zaměřil na tvorbu modelu a provedení testů.
Jednotlivé doby operací v simulaci jsou modelovány pomocí pravděpodobnostního rozdělení a nekorespondují s reálnou předlohou Testbed 4.0, což však nemá výrazný vliv na přínos práce.
Autor provedl mnoho testů běhů, které zabírají rozsáhlou část dokumentu, čímž je doložena funkčnost a kvalitativní hodnocení. Komplexnost by avšak byla dodána i kvantitativním vyhodnocením naměřených hodnot.
Některé metriky hodnocení výrobních operací jsou pozměněny oproti zadání, avšak testovací scénáře se zaměřují na dílčí části a z provedených testů si lze udělat obrázek o jednotlivých průbězích.
V textu se vyskytují stylisticky a jazykových nedostatků, např. chybějící čárky, nekonzistentní používání velkých písmen či neobratné formulace.
Literatura je z velké části tvořena webovými zdroji a firemními materiály.
Výsledky potvrzují funkčnost navrženého modelu i implementovaného vyjednávacího mechanismu. Autor ověřil správnou realizaci komunikačních sekvencí, rezervací i přechodu na alternativní modul při selhání rezervace. Topics for thesis defence:
  1. Ve scénářích je ověřeno přepnutí na „secondbest“ kandidáta po odmítnutí rezervace. Jak by se systém zachoval v situaci, kdy by současně odmítli rezervaci všichni dostupní kandidáti daného typu modulu? Je tento stav v modelu ošetřen a jaký by byl další postup produktu?
  2. Který z použitých provozních ukazatelů byste považoval za nejvhodnější pro včasnou detekci přetížení systému (např. na základě simulace 10denního provozu)?
Points proposed by reviewer: 86

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová