（机械制造及其自动化专业论文）基于petri网与flexsim的生产物流系统建模与仿真.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 生产物流系统是制造系统的子系统，也是企业物流系统的重要组成部分。 生产物流系统的优化可以降低物料搬运成本、提高生产效率及设备利用率、 减少生产周期等，进而提高整个制造系统的t ( 时间) 、c ( 成本) 、q ( 质量) 、 s ( 服务) 等性能指标。而生产物流系统由于具有不可逆性，近年来国内外 越来越多学者利用仿真的方法来研究。本课题以某军工厂为应用背景，应用 p e t r i 网建模和f l e x s i m 仿真相结合的方法，对该生产物流系统进行分析与研 究。主要工作如下：在调研某军工厂的生产物流系统现状的基础上，分析了 生产物流系统现存的闷题；用p e t r i 网建立加工生产线与装配线生产线的p e t r i 网模型；在建立p e t r i 网模型基础上，应用f l e x s i m 软件对整体的生产物流系 统进行仿真：分析仿真结果，提出了优化方案。 根据初步运行的数据显示，优化了生产物流系统，由此证明应用p e t r i 网与f l e x s i m 相结合的方法，对生产物流系统建模与仿真是非常有效的方法。 关键词：生产物流建模p e t r i 网仿真f l e x s i m 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s t r a c t p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mi sas u b s y s t e mo fm a n u f a c t u r es y s t e m ，a n di ti s a l s oa ni m p o r t a n c ep a r to fc o r p o r a t i o nl o g i s t i c ss y s t e m i tc a nr e d u c em a t e r i e l c o n v e y i n gc o s t ，e n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o na n de q u i p m e n tu s i n g ，a n d d e c r e a s ep r o d u c i n gc y c l ea n ds oo n ，s ot h a th e i g h t e nt h ec a p a b i l i t yi n d e x e so f t i m e ，c o s t ，q u a l i t ya n d s e r v i c ec t c i nt h ew h o l em a n u f a c t u r es y s t e m h o w e v e r ，a s p r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e mh a si r r e v e r s i b l en a t u r e ，t h e r ea r em a n yn a t i o n a la n d i n t e r n a t i o n a ls c h o l a r ss t u d yt h i sp r o g r a mu s i n gs i m u l a t i o nm e t h o di nt h ep a s tf e w y e a r s w i t ht h eb a c k g r o u n do fc e r t a i na r s e n a l ，t h et h e s i su s e sp e t r in e t sm o d e l i n g a sw e l la sf l e x s i ms i m u l a t i o nt oa n a l y z et h ep r o d u c t i o nl o g i s t i c ss y s t e m t h e m a i nc o n t e n ti sa st h e f o l l o w i n g ：f i r s t ，b a s e d o n i n v e s t i g a t i n g p r o d u c t i o n l o g i s t i e ss y s t e mo fc e r t a i na r s e n a l ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e m si n t h es y s t e m s e c o n d ，u s i n gp e t r i n e t sm e t h o d ，t h eb u i l d i n go fm o d e lo f m a c h i n i n ga n da s s e m b l yp r o d u c tl i n ei sm a d e t h i r d ，o nt h eb a s i so fp e t r in e t s m o d e l ，f l e x s i ms o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ew h o l ep r o d u c t i o nl o g i s t i c s s y s t e m f i n a l l y , t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni sa n a l y z e da n dt h eo p t i m i z i n gp r o j e c ti s b r o u g h tf o r w a r d 。 a c c o r d i n gt ot h ed i g i t a l sg o t t e nf r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h em e t h o do fp e t r i n e t sa n df l e x s i mp r o v e sv e r ye f f e c t i v eo nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f p r o d u c t i o nl o g i s t i e ss y s t e mf o ri to p t i m i z e st h es y s t e m k e yw o r d s ：p r o d u c t i o nl o g i s t i c s ； m o d e l i n g ；p e t r in e t s ；s i m u l a t i o n ； f l e x s i m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：杳毒氛 e t 期：o 7 石髟 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：毒杏杰、 导师签名： 日期：刃 f 歹- 乞 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 本文的研究意义 作为与能流、信息流并列的物流，是继资源、劳动力之后的第三利润源 泉，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用m 。物流的情况能够反映企业 的整体生产状况，减少物流成本，可以说是解决现代生产制造企业中物流成 本高的理想方法“，。而有效的减少物流成本的方法是通过建模仿真及时解决 物流平衡和需求平衡中的问题，发现和预测生产中的瓶颈和关键路径，优化 企业生产运行方案，充分挖掘设备潜力，提高通过能力，降低库存水平，降 低能耗，加快资金周转，从宏观优化中争取显著的经济效益“，。作为物流中 重要组成部分的生产物流，它的研究更具特殊意义。 生产物流系统的优化，是企业缩短生产周期和提高竞争力的关键，所以对 生产物流系统建模与仿真，具有非常重要的意义。它可以在生产企业规划初 期把拟建中的企业和与产品生产物流有关的原料资源、产品生产加工、产品 工艺数据、库存信息、搬运、产品出库等活动有机地结合起来，非常逼真地 在计算机上模拟生产制造过程：可以在方案或设备投入实际使用之前模拟该 规划方案和设备的应用情况，从而预先发现问题，避免人力、物力和财力的 浪费。优化企业的生产物流系统；减少物流作业时间；提高企业的物流效率， 以此实现企业生产物流系统的合理化，加速企业资金的周转，提高企业竞争 力。 1 2 国内外研究现状与现存问题 1 2 1国内外研究现状 企业生产物流模式的现状“1 ： ( 1 ) 物料需求计划( m r p ) 物料需求计划( m r p ) 是一种将企业供应物流、生产物流、销售物流集成 在一起的“一体化”系统“，。在2 0 世纪8 0 年代延伸为制造资源计划 ( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g ) m r pi i 。到2 0 世纪9 0 年代，又出现了 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 的概念，它进一步发展了m r p i i 的理论和 方法n ，。 ( 2 ) 准时制生产( j i t ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 准时制乍产( j i t ) 是将必要的零件以必要的数量在必要的时| 1 日j 送达生产 线，并且将所需的零件，以所需的数量，在正好的时问送达生产线。 ( 3 ) 精益生产( l e a np r o d u c t i o n ) 精益生产又叫精良生产，其目的是以最小的投入获得最大的产值，以最 快的速度进行设计和生产，最大限度地为企业谋求利益”，。它的核心思想在 于“消除浪费，强调精简组织机构”和“不断改善”。 ( 4 ) 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 敏捷制造的基本含义为“，：以柔性生产技术和动态组织结构为特点，以 高素质协同良好的工作人员为核心，实行企业问网络集成“1 ，形成快速响应 市场的社会化制造体系n “。 ( 5 ) 基于约束理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t ) 的生产物流计划和控制 约束理论t o c ( t h e o r yo fc o n s t r a i n t ) 可以改善和解决生产物流系统 中的“瓶颈约束资源”问题，它的基本原理是针对在制产品找出影响生产进 度的最薄弱环节，集中主要力量保证这些环节满负荷工作，以缩短生产周期， 降低在制品库存。 国内外生产物流系统建模与仿真的现状： 生产物流系统建模与仿真是指应用建模与仿真工具建立模型，模拟实际 的生产物流系统。现在国内外有很多建模方法与仿者软件。建模方法有：g r a i 法、i d e f 法、g i m 法、s i m ：g i s i m 法、基于模糊图论的生产物流系统建 模方法、基于遗传算法的物流建模方法等。仿真软件有：a u t o m o d 、 s i m a n i m a t i o n 、s h o w f l o w 、s t r e a m 、e m p l a n t 、r a l c 、f l e x s i m 、2 0 - s i m 、a r e n a 等仿真软件。 1 2 2 现存问题 建模与仿真方法存在的问题： 现有的建模仿真方法大多都只适合系统的静态描述，适合描述和分析动 态系统的方法很少。p e t r i 网适合动态系统的建模，但是当系统复杂时，p e t r i 网模型会非常的复杂，而且很难实现系统的分析。基于以上原因亟需提出一 种适合描述分析复杂系统的建模仿真方法，然后在此方法基础上针对具体的 生产物流系统进行分析。 研究对象存在的问题： 从宏观上来看该工厂生产率低、成本高、员工积极性低、物料堆积严重、 生产不平衡。由于生产不平衡使同类机器间的损耗情况相差很大，给生产系 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 统的折旧和设备更新带来很大麻烦。当系统的规模变得更大系统l f l 同类型的 机器数量更多时，问题就会更明显。所以有必要分析优化该工厂的生产物流 系统，找出问题所在，提出优化方案。 1 3 本文的主要研究内容与创新点 1 3 1 本文的主要研究内容 本文主要是针对具体企业的具体生产线建立生产物流系统模型并进行仿 真，分析系统问题提出优化方案，达到优化系统的目的。结合某军工厂的生 产物流系统，利用p e t r i 网与f l e x s i m 相结合的方法，对加工与装配车间的生 产物流系统进行建模与仿真。 本文中采用一种新的方法，即p e t r i 网与f l e x s i m 相结合的方法来对生产 物流系统进行建模与仿真，主要思路是通过建立p e t r i 子网来对车间中各个生 产线单独地建模，而对于整体的生产物流系统，如果用p e t r i 网来建立的模型 会非常的复杂，而在f l e x s i m 中就很容易实现，所以在f l e x s i m 中仿真生产 物流系统。如果只用f l e x s i m 来仿真，由于在f l e x s i m 中的仿真是动态的，那 么在静态图中就很难表达清楚系统中各个模型的关系，而在p e t r i 网中就很容 易表达清楚。p e t r i 网与f l e x s i m 可以取长补短。通过本文中对具体企业的验 证，可以证明这种新的方法可以达到非常好的效果。 具体研究内容如下： ( 1 ) 深入了解某军工厂，主要针对生产物流系统进行分析研究； ( 2 ) 基于p e t r i 网建立加工与装配车间生产物流系统的模型； ( 3 ) 利用f l e x s i m 软件进行模拟加工与装配车间生产物流系统，从而优 化整条生产线： ( 4 ) 分析p e t r i 网模型与f l e x s i m 中的实体模型，找出系统问题所在， 提出优化方案，优化该企业的生产物流系统。 1 3 2 本文的创新点 本文的创新点为： ( 1 ) 将p e t r i 网应用到生产物流系统的分析研究中； ( 2 ) 采用p e t r i 网与f l e x s i m 相结合的方法对生产物流系统进行建模与 分析。应用该方法，对具体企业的生产物流系统进行了建模与仿真，优化了 该企业的生产物流系统，验证了这种方法对于复杂的系统进行建模与仿真是 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 一种非常有效的方法。 1 4 本文研究的理论基础与结构 1 4 1 本文研究的理论基础 本文的研究理论基础为： ( 1 ) 系统论 。 系统论是物流学科的基础，用系统的观点研究物流活动，尤其是企业物 流是现代物流学的核心，其中清华大学教授魏宏森等提出的较为完整和科学 的系统论八原理( 系统的整体性、层次性、开放性、目的性、突变性、稳定 性、组织性和相似性原理) ，为企业物流的研究奠定了基础。 ( 2 ) 物流系统工程的理论和方法 物流系统工程，也称物流工程，是指在物流管理中，从物流系统的整体 利益出发，把物流和信息流融为一体，看作一个系统，把生产和销售全过程 看作一个整体，运用系统工程的理论和方法进行物流系统的规划、管理和控 制，选择最优方案，以最低的物流费用、高的物流效率、好的服务质量，达 到提高社会经济效益和企业效益目的的综合性组织管理技术。 ( 3 ) 现代物流管理理论 现代物流管理理论是建立在系统论、信息论和控制论的科学基础之上的。 从系统论的观点出发，要求物流系统及时地提供完整、准确、必要的信息， 通过对这些信息处理，了解、掌握物流的运行状态，进而控制物流。 ( 4 ) p e t r i 网理论 p e t r i 网是一种系统的数学和图形描述与分析工具，是一种用于离散异步 并发系统的建模工具，主要用来描述计算机系统事件之间的因果关系。它通 过对实际系统构造p e t r i 网，并对p e t r i 网进行分析，从而揭示出系统的动态 特性等重要信息。 1 4 2 本文的结构 本文的内容结构如图1 - 1 所示。 第一章主要奔绍了本文的研究意义、国内外研究现状、主要研究内容、 现存问题与文章结构。 第二章首先简单介绍了生产物流的基本概念，然后详细的分析了某军工 厂的生产物流现状，指出了当前生产物流系统存在的主要问题，生产效率低， 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 经常出现物料堆积的情况等，提出了优化生产物流系统的迫切性。 图1 - 1本文内容结构示意图 f i g 卜t t h ec o n t e n ts t r u c t u r es k e t c hm a po f t h i st h o s i 8 第三章首先对p e t r i 网的基本概念做了系统的阐述，包括p e t r i 网的定性 特点等。然后应用p e t r i 网建立加工车间的模型，根据p c t r i 网模型表示了加 工与装配车间的生产情况，在此基础上分析了系统中各台机器的利用率。 第四章首先介绍了f l e x s i m 仿真软件的基本概念，然后在p e t r i 建立加 工与装配车间模型的基础上，在f l e x s i m 仿真软件中仿真运行整体的生产物 流系统。通过仿真找到生产物流系统的问题所在，提出了具体的优化方案。 1 5 本章小结 本章提出了一种建模与仿真方法，即p e t r i 网与f l e x s i m 相结合的方法。 通过建立p e t r i 子网来建立加工与装配车间的模型，在此基础上应用f l e x s i m 仿真整体的生产物流系统。通过f l e x s i m 仿真可以形象地展示系统中各环节 之问的关系，可以直观的找到生产物流系统中的缺陷，还可以通过多次快速 仿真分析优化模型，为系统优化打下了基础。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 某军工厂生产物流的研究 2 1 物流的基本概念 物流这一概念最初是1 9 0 5 年美国少校琼西贝克尔出版的著作军队和 军需品运输提出并解释的，到现在物流已经走过了一百年的历史了。1 9 7 9 年6 月中国物资经济学会派代表团参加在日本举行的第三届国际物流会议， 代表团第一次把物流这一概念介绍到了中国，到现在物流在我国已经发展了 二十多年了。 物流是商品实物形态的流通，它主要解决生产与消费的地点和时间差异。 2 0 0 1 年4 月国家颁布的物流术语标准对物流下了这样的定义：物流是物 品从供应地向接收地的实体流动过程。根据需要，将运输、储存、搬运、包 装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合。企业物流是从企 业角度上研究与之有关的物流活动，是具体的、微观的物流活动的典型领域， 制造业企业物流是为了将各种物料、零件、配件等物品从原始状态转成特定 的产品形态而生产的一种物品运动方式。图2 - 1 为企业物流的流程图。 图2 - 1企业物流流程图 f i g 2 - 1 t h ef i o wf i go fc o r p o r a l ：i o n l o g i s l ：c s 物流按照不同的分类原则物流可以分为很多种，主要可以按系统性质、 按作用、按空间范围三方面来分类。图2 2 表明了物流按不同方式分类的分 类图。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 物流 按系统性质分类 行业物流 f 社会物流 i 企业物流 按作用分类 供应物流 生产物流 销售物流 回收物流 废弃物流 l 按空阅范围分类j 星善笔蓁 l 地区物流 2 。2 生产物流 2 2 1 生产物流的定义 企业生产物流是指将原材料、燃料、外购件投入生产后，经过下料、预 处理、发料，运送到各加工点和存储点，以在制品的形态，借助一定的运输 方式，从一个生产单位( 车间、工位或仓库) 流入另一个生产单位，按照规 定的工艺过程要求进行加工、储存。生产物流担负运输、存储、装卸物料等 任务，其实质是生产过程中原材料、在制品、半成品和产成品等实体在生产 系统内部的转移和储存或者等待的过程“- ，始终体现着物料以实物形态的流 转过程，从而构成了企业内部物流活动的全过程“。 生产物流系统是生产制造各环节所组成的有机整体的纽带，又是生产过 程维持延续的基础n ”。从流动的角度出发，企业的生产物流系统可以分解为 流体、载体、流向、流量和流程五要素。生产物流系统区别于其它物流系统 的最显著特点是它和企业生产密切联系在一起，只有合理组织生产物流过程， 才有可能使生产过程始终处于最佳状态。如果物流过程组织的水平低，达不 到基本要求，即使生产条件、设备、工艺等基本条件再好，也不可能顺利完 成生产过程，更谈不上取得较好的经济效益。因此，企业没有生产物流就没 有生产，生产物流系统组织不好，就没有良好的经济效益n ”。 2 2 2 现代生产物流系统的基本组成 现代生产物流系统由管理层、控制层和执行层三大部分组成m ，。其中管 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 理层是一个计算机物流管理软件系统，是具有强大的数据处理能力、人工智 能要求较高的系统，是物流系统的中枢；控制层接收来自管理层的指令，控 制物流机械完成指令所规定的任务；执行层由自动化的物流机械组成控制物 流设备接受控制层的指令，控制设备执行各种操作。图2 3 为生产物流系统 各部分的功能图。 理物料库存 成物流作业计划 测物流状态 成物流作业指令 执行物流作业指令 图2 - 3生产物流系统功能图 f i g 2 - 3 t h ef u n c t i o l lf i go fp r o d u c i n gi o g is t c ss y s t e m 2 2 3 影响企业生产物流的因素 生产物流主要的研究对象是制造系统，制造系统的活动包括加工与装配、 物料搬运与存储、检验与测试及生产管理与控制。前三者为物理活动，其中 加工与装配改变工件的几何尺寸、外观或特性从而增加产品的附加值。制造 过程中物料的搬运即形成了生产物流，是为了实现物料在制造系统中的流动， 包括装卸工件以及在不同的工作之间输送工件。由于物料运与储存不增加产 品的附加值，成为了影响企业生产物流效率的主要因素n “，所以对生产物流 系统的优化研究是非常有必要的。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 某军工厂简介与生产物流现状分析 2 3 1工厂简介 本论文分析和研究的对象是中国最大的电连接器专业化生产工厂之一的 某军工厂，该工厂创立于1 9 5 8 年，是国内历史最长、生产规模最大、品种最 多的连接器专业化制造商，也是国家重点工程定点配套企业，是国内连接器 行业的重点骨干企业，居国内连接器市场占有率第一位。该工厂采用生产技 术与现代高科技相结合，他们的连接器产品已成为中国知名品牌。该工厂建 有省级技术开发中心一个，在全国同行业中，有较强的技术实力和新产品、 新技术开发能力，有良好的质量信誉。该工厂主要研制生产各类圆形连接器、 线簧连接器、i e c 6 0 3 系列印制电路连接器、射频连接器、d 系列矩形连接器、 2 0 0 m m 模块化连接器、s m c 表面贴装连接器、汽车连接器与线束及专用连 接器等。 2 3 2 生产物流现状 该工厂主要生产的军用电连接器中，以圆形连接器的生产为主，y b 3 4 7 0 圆形连接器是该工厂圆形连接器中的主要产品。产品中绝大部分主要非标准 件零件在本工厂自己加工，这些主要件包括：插座壳体、插头壳体、连接环、 插孔套管、插孔体、六角螺母、螺母盖、连接螺母、插针等。标准件多为外 购件，外购件包括：挡圈、卡圈、卡钉、密封垫圈、齿套、屏蔽环、波形垫 圈、眼环、带台铆钉、衬垫扣环、吊环、铆套、直式齿圈、螺钉、压线板、 弯式垫圈、齿环、连接销等。图2 4 为该工厂物流流程图。 图2 - 4物流流程图 f i g 2 - 4 t h ef i o wc h a r to fi o g is t i c s 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 2 4 本章小结 本章介绍了物流与生产物流的基本概念、某军工厂的情况，在此基础上 分析该军工厂的生产物流现状，得出了该厂生产物流存在的问题。为下一章 的建模分析、解决问题提供了依据。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 某军工厂生产物流系统p e t ri 网模型建立与分析 3 1p e t r j 网的基本理论 p e t r i 网“”最早是由c a r l a p e t r i 博士于1 9 6 2 年在他的博士论文中提出，后 又经p e t e r s o n 详细定义并加以描述。早期p e t r i 网主要是应用于计算机与信息处 理领域，后来具有工程背景的研究人员将p e t r i 网方法用在工程系统尤其是自 动制造系统的研究，经过4 0 多年不断地充实和发展，p e t r i 网理论已成为具有 严密数学基础、多种抽象层次的通用网络。它着眼于系统中可能发生的各种 状态变化以及变化之间的关系，适合于离散事件系统模型。如今p e t r i 网已被 广泛的应用于科研研究和工业生产当中：在计算机学科中，p c t f i 网被用于线 路设计，网络协议分析，软件工程，人工智能，形式语义，操作系统，数据 管理等等；在工业领域中，p e t r i 网被广泛用于产品结构设计，生产线布局仿 真，生产调度，工业监控系统的设计等等。经过短短数十年的发展，p e t f i 网 的抽象、描述能力已获得巨大发展，其应用范围也远远超出了计算机科学领 域，成为了研究离散时间动态系统的一种有力工具n ”“”。 p e t r i 网非常适合于建立系统动态模型，并且能对系统的动态特性进行分 析，它的图形表示也为其应用带来了很好的直观性。p e t r i 网应用的主要途径 之一是对于我们要研究的实际系统，先构造得到其相应的p e t r i 网模型，然后 通过对p e t r i 网模型的分析来了解实际系统的各种性能。但对一个规模大的系 统，可能会出现状态组合爆炸的危险，从而给分析带来很大困难。针对这个 问题，国内外学者作了许多工作，他们提出了网化简、网运算，定义了化简 子网、等级化简，以及针对特殊子网、特殊结构的化简方法n 一2 nn ”。 p e t r i 网研究的系统模型行为特性包括：状态的可达性、位置的有界性、变 迁的活性、初始状态的可逆性、表示间的可达性、变迁间的坚挺性、事件间 的同步距离和公平性等。p e t r i 网模型的主要分析方法依赖于：可达树、关联矩 阵和状态方程、不变量和分析化简规则。随着该理论的迅速发展，p e t r i 网表 现形式也在不断改进，并逐步呈现多样化，其形式主要有：时间p e t r i 网、高级 p e t f i 网、着色p e t r i 网m ”“，、网络计时p e t r i 网、面向对象p e t r i 网、连续p e t r i 网、 广义随机p e t r i 网、集控p e t r i 网、而向对象智能p e t r i 网、模糊p e t r i 网、扩展p e t r i 网。其中，赋时着色p e t r i 网n ”在解决复杂实际问题特别是有关系时间调度 的复杂过程中应用广泛一。由于p e t r i 网能够清楚地描述作业进程间的同步和 异步，能够动态地展示系统内部元素的运动状态。随着p e t r i 网的不断发展和 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 完善，这一理论也越来越多地运用于各个领域。两个成功的应用领域是性能 评价和通信协议，其它很有前途的应用领域包括分布式软件系统、分布式数 据库系统、并发和并行计算、柔性制造与工业制造系统、离散事件系统、逻 辑推理、形式语言、入机系统和决策模型等m ，。 3 1 1p e t ri 网的定义 一个p e t r i 网可表示为一个五元组n ”，p 一( p ，r ，i ，o ，m 0 ) 其中： ( 1 ) p 一 a ，p 2 ，见 是库所( p l a c e ) 的有限集合，n 0 为库所的个数； ( 2 ) t 一 f l ，f 2 ，j ) 是变迁( t r a n s m i s s i o n ) 有限集合，m 0 为变迁的个 数1 ； ( 3 ) i ：p x t 一是输入函数，它定义了从p 到t 的有向弧的重复数或权 ( w e i g h t ) 的集合。这里n 一 0 ，1 为非负整数集； ( 4 ) 0 ：t x p 一是输出函数，它定义了从t 至i j p 的有向弧的重复数或权 的集合，这里n - 似1 ，为非负整数集一； ( 5 ) 腕：p 一为p e t r i 网的标识，它为一列向量，其第i 个元素表示第 i 个库所中的托肯数。m o 为初始标识记，表示系统的初始状态。一个带有初 始标识的网用( 孙r ，m 。) 表示”。 库所、变迁及弧构成了一有向图，我们称其为p e t r i 网结构图m ，。一个系 统的p e t r i 网模型的结构元素包括：用圆表示的库所( p l a c e ) 、用长方形或粗 实线条表示的变迁( t r a n s i t i o n ) 及带箭头的弧( a r c ) m ，。库所描述系统的可 能状态，变迁代表系统的可能的事件，通过弧建立局部状态与事件之间的联 系，等价于自动机中的状态转移函数，表示使事件能够发生的局部状态( 因) 或事件发生所引起的局部状态的变化( 果) n ”。系统的状态通过库所中是否 包含及包含多少托肯来描述在p e t r i 网模型，托肯用包含在库所中的实心圆表 示，它反映着库所代表的局部状态的实现动态情况n ”。若从库所p 到变迁t 的输入函数取值为非负整数，记为1 0 , ，f ) 一棚，则用从p 到t 的一有向弧旁 标注c o 表示。，与d 均可表示为以x m 非负整数矩阵，o 与，之差c o i 称 为关联矩阵“”。 3 1 2p e t ri 网的变迁规则 p e t r i 网的运行，由在网中托肯的数目和分布情况来控制。标记留驻在库 所里，控制着变迁的运行。一个p e t r i 网是由变迁的激发来运行的。由于输入 库所中的托肯的减少以及输出库所中托肯的增加，使得p n 的标识发生变化。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第13 页 一个变迁只有当它使能时才可以激发。当一个变迁的每一个输入库所里的托 肯数不少于从这个输入库所到变迁的弧的条数时，变迁使能。 变迁t 使能的规则为n ( 1 ) 对于t 的每一个输入库所p i ，( f ) ，有肘( 只) 苫w ( 只，t ) ； ( 2 ) 对于t 的每一个输出库所p ，d ( f ) ，有k ( p ，) 2 m ( p f ) + 矽( f ，p f ) ； ( 3 ) 对于t 的每个既为输入又为输出的库所，同时满足上述两个关系式。 其中为有向弧权重，k 为库所容量，m 为库所中托肯数m ，。 使能变迁触发后，完成如下操作： ( 1 ) 从t 的输入库所中减去托肯； ( 2 ) 向t 的输出库所中加入托肯。 托肯的数量可以表达为“】 f m ( p ) 一肜p ，f ) p e l ( t ) ，p 譬o ( t ) 膨一 锱：毙m p e ，( f ) o ( t ) 却, p e d ( f ) ( t ) ， l m ( p )其他 它的变迁使能规则为：在标识m 下使能的变迁t 的激发将产生新标识 埘：y p e p ：m 侈) 一掰) - 1 0 , ，f ) + d ( 办f ) 。称标识r l l 是直接从m 可达的，记 为m 【t m f 。图3 1 所示的p n 为变迁使能的规则图。在m o 下使能的t 1 激发 后，将产生新的标识m 1 ： ， 图3 - 1 p n 变迁使能的规则 f i g 3 1 t h er u i eo f p nt r a n s m i s s i o nt of ir o 辫l ( b ) - m o ( p 1 ) 一，( 见，毛) + d ( 髓，气) 一1 - i + 0 0 ( p 2 ) 一m o ( p 2 ) - i ( p 2 ，) + ( ) ( p 2 ，t o o - 0 + i 一1 玛( 岛) 一1 0 ( p 3 ) 一，( 岛，f 1 ) + d ( p 3 ，f 1 ) - 0 - 0 + 0 0 鸭q 4 ) 一m 0 0 4 ) - i ( p 4 ，f 1 ) + d ( p 。，f 1 ) - 1 - 1 + 0 0 11 塑蕉坌型堂堑p ! 塑出主堕二全堑童：旦堕垄如史主生! 全堑宣：垄 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 j 消耗与产生的托肯由l 。的输入函数与输出函数确定。可以总结为一个变 迁的激发是从它的输入库所中移走托肯，而将产g 的新的托肯分配到它的各 个输出位置中m “”，。 3 1 3 基本p e t ri 网模型及分析 在用p e t r i 网对系统建模过程中，关键在于选择好模型的抽象程度，这种 选择目前主要依靠对系统的分析和经验，下面是一些最常用的基本p e t r i 网模 型“| l i l l i l ) 。 ( 1 ) 顺序( s e q u e n c e ) 如图3 2 所示，p l 中包含一个标记，变迁t t 启动， p l 中的标记移到p 2 中，导致t 2 启动，p 2 中的标记移到p 3 中，也就是p l ，p 2 和 p 3 按照在图中出现的顺序执行。用顺序执行可以模拟模型中一个线性执行过 程。 p ， 图3 - 2 f i g 3 2 顺序 s e q u e n c e 图3 - 3同步 f i g 3 - 3s y n c h r o n i z a t i o n ( 2 ) 同步( s v n c h r o n i z a t i o ) 如图3 3 所示，变迁t 有多重输入弧，只 有在p l 和p 2 中都存在一个标记的时候，才能使t l 启动，也就是p 3 在p l 和p 2 执行结束之前不能开始执行。 ( 3 ) 并发( c o n c u r r e n c y ) 如图3 4 所示，在p e t r i 网模型中两个具备条 件并且互不影响的事件可以独立发生，变迁t l 启动，p l 中失去一个标记， p 2 和p 3 同时各取得一个标记这时变迁t 2 、t 3 都可以启动，且互不影响，称这种 现象为并发。 ( 4 ) 冲突选择( c o n f l i c t c h o i c e ) 如图3 5 示，如果两个变迁至少共享一 个输入位置，则两个变迁在结构上冲突，p l 中有个标记，从这个给定的初 始条件看，t l 和t 2 都能启动，但不能同时启动，因为它们共享p l 中的一个资 源。p 2 和p 3 中只有一个能取得标记，也就是说变迁t l 、t 2 是互相冲突的，只 能在t 1 和t 2 中选择其中的一个执行，这种现象称为冲突选择。冲突反映了模 型中系统资源的竞争状况。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 图3 - 4 f i g 3 4 图3 - 5冲突选撵 f i g 3 - 5 c o n f ii c t c h o i c o ( 5 ) 混惑( c o n f u s i o n ) 如图3 - 6 所示，有时在一个p e t r i 网中同时存在 并发和冲突，而目并发的实施会引起冲突的消失或出现，称这种情况为混惑。 存在“混惑”的系统不是一个好系统。因为在这种系统中，冲突忽隐忽现， 使得对系统的控制很难。 豳3 - 6 f i g 3 6 图3 - 7 f i g 3 7 ( 6 ) 通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 如图3 7 所示，有两个顺序执行序列，上 面顺序执行序列中变迁t 1 必须在位置p l 中有一个标记时才能实施，而只有 当t l 实施时，p 3 中方能获得一个标记。 ( 7 ) 资源共享( s h a r er e s o u r c e ) 如图3 8 所示，只有当位置p 4 中包含一 个标记时，变迁t l 和t 3 才能实施。在对系统建模的时候，使用上面这些基本 p e t r i 网模型能够模拟模型中一些实时系统的特性。 ( 8 ) 循环( c i r c u l a t i o n ) 如图3 9 所示，如果一个操作系列互相连接， 完成最后一个时会初始化第一个，那么这些操作就形成了一个循环结构。 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 图3 - 8 f i g 3 8 图3 - 9循环 f i g 3 9 c ir c u i a t i o n 3 1 4p e t ri 网的性质 ( 1 ) 可达性( r e a c h a b i l i t y ) 可达性是p e t r i 网的一个重要行为特性，是用于检测系统是否可以到达某 个具有特定功能表现的特殊状态“”。 ( 2 ) 有界性与安全性( b o u n d e d n e s sa n ds a f e h e s s ) p n 的有界性与安全性是检查被p n 所描述的系统是否存在溢出的有效尺 度。 ( 3 ) 活性( 1 i v e n e s s ) p n 活性意味着在任意从初始标识m o 可达的标识m 下，总可以通过逐步 激发某变迁序列来激发任意变迁。因此，若p n 是活的，则不存在锁死。 ( 4 ) 可逆性( r e v e r s i b i l i t y ) 可逆性意味着模型可以自身初始化。这对于自动从差错中恢复过来是极 为重要的。而目它还保证所有重复制造系统的周期特征。 ( 5 ) 重复性( c o n s i s t e n c ya n dr e p e t i t i o n ) 如果存在一个初始标识m o 及个从它出发的变迁序列s ，所有( 部分) 变 迁无限的以序列s ，出现，那么该p n 就称为( 部分) 重复的。 ( 6 ) 守衡性( c o n s e r v a t i o n ) 给定一个p 一( p r ，i ，0 ，) ，若存在一矢量甜= ( q ，吡，q ) t 且 q ，o i = 1 ，2 ，兜，使得对于所有m e r 伽o ) ：m - o ) m 0 。则称该p n 相对于矢量 = g 1 ，1 ) 7 守衡。 ( 7 ) 持续性( p e r s i s t e n c y ) 如果在可达标识m 下变迁t 有发生权，那么从m 发生了其它任意变迁或任 意不包含t 的变迁序列后，t 仍有发生权。如果一个p e t r i 网中对任意可达标识 和任意变迁t ，上面所述性质都成立，就称此p e t r i 网具有持续性。 ( 8 ) 公平性( f a i r n e s s ) 今 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 p e t r i 网的公平性质旨在讨论网系统中各变迁( 或变迁组) 发生之1 8 j 的相 互依赖关系。 ( 9 ) 强连接性 一个p e t r i 网p n 是强连接的，当且仅当对每一对节点( 即库所和变迁) x 和y ，存在一条从x 到y 的路径。 3 1 5p e t ri 网的主要特点 p e t r i 网的主要特点为： ( 1 ) 能很好地描述和表达系统中的并行、同步、冲突和因果依赖等关系， 而这些关系在离散时间动态系统( d e d s ) 建模中是经常遇到的； ( 2 ) 有坚实的数学基础，有语义清晰的语法，这为进行形式化分析提供 了良好的条件。至今，已提出了多种p e t r i 网的形式化分析方法； ( 3 ) 以图形方式描述系统，使复杂系统形象化，使人更易理解，降低了 建模难度，提高了模型的易读性： ( 4 ) 可以分层次建立p e t r i 网图，合适于描述分布式递阶结构“】 ( 5 ) 与系统结构关系密切，既可描述系统内部的数据流。又可描述系统 内部的物流，易于在控制模型的基础上直接实现控制系统。 3 2 某军工厂生产物流系统模型的建立 上节中介绍了p e t r i 网的基本概念与建模方法。下面主要针对某军工厂 的加工生产线与装配生产线进行建模分析。由于该军工厂主要生产的军用电 连接器中，以圆形连接器的生产为主。所以选择圆形连接器中有代表性的产 品，y b 3 4 7 0 圆形连接器通用件作为研究对象。y b 3 4 7 0 圆形连接器通用件插 头与插座的连接方式为卡口连接：接触件端接方式为焊接；采用压接方式可 拆卸接触；采用卡钉螺旋槽。图3 1 0 为y b 3 4 7 0 圆形连接器的三维造型图。 由于企业生产物流系统是一个复杂的系统，在本节中，采用集成的方式 来建模，即先为每个生产单元构造一个基本的p n 网，再通过一些共享的资 源在仿真软件中将这些子网联结起来。该方法的应用步骤为：对每个子系统单 独建模，此时不考虑子系统问的相互作用。通常这些子系统都是比较简单且 易于检验的。不同的子系统模型可能拥有一些共同的资源与操作，即在不同 的子模型中，表示相同资源的可用状态或相同活动的状态的资源与操作。这 些资源或操作代表着子系统间的相互关联。在每一个合成步，通过融合这些 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 围3 - 1 0y b 3 4 7 0 圆形连接器三维图 f i g 3 - 1 0 3 - df i go fy b 3 4 7 0r o t u n d i t yiin k e r 共同的资源或操作来将相应子系统结合成一个较大的子系统。对每一步合成 后的子系统立郎迸行分析，这样对最终结果的分析就得到简化了。当合成完 成后，我们就得到了最终系统以及它的一些重要性质。本节的主要任务就是 应用p c t r i 网建立每个子系统单独的模型，为后面的仿真工作打下基础。 3 2 1加工车间p e t ri 网模型的建立与分析 为了p e t r i 网建模的方便，所以提出以下几个假说条件： ( 1 ) 车间的各个输送设备运