宝钢炼钢连铸物流仿真器的建模方法及其实现

1、宝钢炼钢连铸物流仿真器的建模方法及其实现陈文明苏冬平（1.宝钢股份技术中心，上海201900）摘要：本文首先介绍了 Petri Net、COM等技术，接着介绍了基于OO技术建立的炼 钢 连铸调度的物理对象的Petri模型，并进一步简要地说明了宝钢炼钢连铸物流仿真 器的软件实现。关键词：Petri Net;OO; COM;仿真器Modeling and Implement of Logistics Simulator in Baosteel Steel-makingCHEN Wen-ming SU Dong-ping（1. Baosteel Technology Center, Shanghai

2、 201900,China）Abstract: This paper firstly introduces Petri Net,COM etc. technology, then the Petri Net model of the physical objects in steelmakingand continuous cast havebeen established, finally the software implementof simulator is describedbriefly.Key Words: Petri Net, OO;COM; Simulator0引言钢铁企业物

3、流研究的目的，就是以企业物流为着眼点，对生产过程中的物流、信息 流和资金流进行综合管理，不仅要使物流和信息流尽可能同步，而且要使前后工序紧 密衔接，保持物流的一贯性。钢铁企业物流管理的理论与实践一直是国际上极为关注 的一个热点研究课题。特别是对企业内部物流的研究，其研究范围几乎覆盖了钢铁生 产全过程的各个环节。由于PetriNet对带有并发性、异步性、分布式、非确定性系统的描述能力很强，已 成为针对复杂物流系统的建模工具之一。炼钢连铸物流系统同样具有以上这些特点， 因此可以采用Petri Net技术、OO技术和分层有色Petri Net（ HCPN）对宝钢炼钢连 铸物流系统进行建模。1关于Pe

4、tri Net的基本概念一个Petri Net可以表示为一个五元组PN=（P , T，I，O，M），其中：P=P1 , P2 , .Pn）是-个有限的库所集；T=T1 , T2.Tm是一个有限的变迁集；I : P x T的输入函数；O: T x P的输出函数；M是系统的初始标志；Pn T=e ； PU T。在PetriNet中，系统中发生变化所涉及的与系统状态有关的因素，称为资源，包括 原材料、半成品、产品、人员、工具、设备等；资源按其在系统中的作用分类，每一 类存放一处，则该处称为库所，表示该处存放的资源；资源的消耗、使用及资源的变 化，称为变迁。库所和变迁是PN的两种结点，库所亦称位置，用

5、圆表示；变迁也叫转 移，用短线表示。库所与变迁之间由一带箭头的弧线连接，一般情况，库所与变迁的 数量都是有限值的自然数。Petri Net是一种能恰当地处理并发现非确定性系统模型的图形模拟工具。由于Petri Net有许多其它模型不具备的优点，使它在许多领域有了广泛的应用。但对于传 统Petri Net，仍然存在以下几个问题:（1）状态空间的指数爆炸问题：Petri Net模型状 态空间的状态数随着节点的增加而呈指数关系的增长。若Petri Net模型含有m个库所的 节点，它的状态空间为2m个状态，因此可达树法对于稍微复杂的系统就无法分析，实 际中有30个库所节点的系统也许不算太复杂，但对于这

6、样庞大的状态空间，如果试 图通过分析它的可达树来研究死锁性质，即使借助于计算机工具，也是非常困难 的，极 大地限制了 Petri Net的应用；（2）模型没有通用性和重用性。Petri Net系统 是一个封闭的网系统，对外没有明确的输入输出，其动态行为是由内部状态的各种 可能的变化以及这些变化间的关系来刻划的。实际中，尤其是在物流系统中，各个 单元都是相互联系的，不会是一个没有输入输出的封闭系统，这很大程度上限制了 Petri Net在实际系 统中的应用。（3）模型的转换非常困难：前面两个问题都是系统 建模和分析的问题，而模型的转化就是指系统建模后，如何根据系统的模型转化为 计算机的仿真程序，

7、或者如何根据模型设计仿真程序，这时一个系统实施的问题。2 COM技术Windows DNA使用一种经过广泛测试的、跨平台的组件技术（COM）。COM 是 第三方厂家将其产品集成到 Windows DNA中的主要方式。COM使各种解决方案由一 块块可重复使用的软件组件构成，使开发人员能够快速地构建和测试应用程序。COM 是一种广泛使用的技术，为组件互操作提供了二进制标准，最大程度地提高模型的可 重用性及灵活性。在建立了系统的Petri Net模型后，就可以采用组件技术对各模型进行程序实现。 一个组件模型内部维护一个相关的接口链表，之所以维护一个链表而非一个变量的意 义在于一个模型的输出可能对应多

8、个模型输入的选择，例如当转炉炼钢完成后，钢水 的下一目的地可能有多个炉外精炼设备的选择。但是，在模型实例化的时候，该接口 链表并没有包含任何具体的值，相反，该接口链表的值是当输入输出联线完成时，动 态地与下一模型对象的接口绑定。这种机制称为“伪实例”（Pseudo Instance）过程。 通过伪实例的方法，可以使用接口链表精确描述整个物流流程的物理拓扑结构。COM组件关键在于接口的定义及实现。从概念上说，接口是一组较高层次的、抽 象的系统功能的集合，也是一组模型必须实现的功能“契约”的集合。接口本身并没有 规定某一功能应当具体如何实现，而仅仅指出了作为一个模型，从抽象的意义上应当 实现的具有

9、共性的功能。3基于OO的有色Petri Net表达面向对象（OO，Object Oriented）的基本思想就是通过信息隐蔽的方法，将比较 容易变化的元素封装起来，用更稳定的元素建立模型的总体结构。对象间通过消息传 递而相互作用，对象的状态只能由其自身操作来改变，对象以类的形式组织。对象的 封装性和类的继承性，使得系统模型易于扩充，能对环境的变化迅速做出反应。充分利用0 0技术建模的方便性和Petri Net的强大理论分析能力，将0 0技术 和Petri Net有效地结合起来，得到一种研究离散事件系统的有效方法。目前将00技术 和PetriNet结合起来的工作主要有如下两类：1、对象的概念引入

10、Petri Net，它把网络中的托肯、库所节点、变迁节点等都对象 化，使其能够分类继承，从而增强了 Petri Net的描述能力。2、PetriNet方法引入00技术中。它在建模方法上采用了00技术，而在对象的 具体实现上采用了 PetriNet的技术，对象间的连接一般用合并对象的相关变迁 节点或库所节点来实现。下面用0 0方法来分别描述PetriNet的库所、变迁和令牌的属性和方法。定义库所具有如下 属性：编号：通过编号能够找到相应的库所；输入变迁集：所有输出指向该库所 的变迁的集合；输出变迁集：该库所指向的变迁的集合；颜 色集：库所所含变 迁令牌的颜色对；令牌集：库所所含令牌的集合；类型：

11、库所的类型，变迁根据此类型来决定从中取出的令牌；位置：显示库所所在位置。定义库所具有如下方法：库所初始化；令牌插入：可以利用库所的颜色集来 判断所插入的令牌是否正确；令牌的删除；令牌的获取。库所的方法大多是对令牌的操作，因此，对令牌的描述将关系着库所的方法的实 现。库所类属性编号输入变迁集输出变迁集颜色集令牌集类型位置所属系统方法初始化令牌的插入令牌的删除令牌的获得表1库所的属性和方法Table 1 Propertiesand Methods of the Place定义令牌具有如下属性：编号：用于标识令牌；令牌元素集：组成令牌元素 的集合；计时时刻；使能时间。令牌元素具有颜色和元素值两个属性

12、。定义令牌具有如下方法：对令牌元素集赋值；获得令牌元素；对计时时刻 赋值；使能时间赋值。定义变迁具有如下属性：编号：通过编号能够找到相应的变迁；输入库所集：所有输出指向该变迁的库所的集合；输出库所集：该变迁指向的库所集合； 可激发变迁集；使能颜色集；类型：变迁的类型；位置：显示变迁所在位置。定义库所具有如下方法：检查变迁；激发变迁等。4物流仿真器Petri Net模型及其实现在Petri Net中，系统中发生变化所涉及的与系统状态有关的因素，称为资源。在 分层有色Petri Net中，每个子网模块的资源库所M 0中，所包含的token即 为资源token。在作业过程中，资源token被作业计划

13、所占用。作业结束后，资源 token被重新 释放回资源库所中。计划token是用来表示计划的token。它由源变迁 产生，流经几乎整个生产过程，最后形成特定的产品。4.1转炉Petri Net模型P0T1 P1 T2 P2 T3 P3 T4图1转炉的Petri Net模型Fig. 1 LDs Petri Net Model图1为转炉的Petri Net模型，其运行机理如下：当由扰动事件表所定义的颜色分量以及吊车装入的铁水S经口变迁T1流入P1时，变迁T2、T6、T8根据P1中的颜色分量进行触发：若为S则T2触发，T2代表开始转炉吹炼，吹炼结束，转炉开始出钢，T 3触 发，出钢终了 T4触发，开

14、始清理工作，清理完毕T5触发，转炉又处于可用状态。若为C则T6触发，T6表示开始检修，检修结束T7触发，转炉处于可用状态。如果为E则T8触发，T8表示转炉发生故障，T9表示开始维修，转炉维修结束T10 触发，转炉处于可用状态。4.2 Petri Net组件模型的实现在建立系统的Petri Net模型后，就可以对其进行分析。宝钢炼钢连铸物流仿真器 的分层有色Petri Net非常庞大，运用常规的Petri Net分析软件难以进行有效分析， 而且，其数学描述含义对工程人员来说，不易理解。因此，采用组件技术对各模型进行 程序实现。宝钢炼钢连铸物流仿真器的设计关键点有两处：组件模型的实现及 维护，如何

15、将一系列的单个组件模型动态地组态成一个完整的物流过程，在运行时建 立组件模型的上下联系。下面是转炉组件的接口定义语言。第一段表示转炉组件的GUID,第二段表示组件 所包含的接口有两个，【Converter和IServer，默认接口是IServer。uuid(03108F35-8549-11I3-9CF4-0080C8E0DEA2),helpstring(ConverterClass)coclass Converter default interlace IServer; interface IConverter;按照上面所述方法，实现了转炉、KIP、CAS、RH、LF、CC、IC、吊车、台 车

16、、倾转台等十种炼钢连铸设备的设备模型，并且实现了计划模型和队列模型。各 模型和相应的接口如表2：组件模型接 口转炉Iserver、IconverterKIPIserver、IKIPCASIserver、ICASRHIserver、IRHLFIserver、ILFCCIserver、ICCICIserver、IIC倾转台Iserver、Icleaner吊车Iserver、Icrane台车Iserver、Itrolley计划Imaterial队列Iqueue表2组件模型和接口的定义Table 2 The definition of the component model and its inter

17、face4.3模型组态的实现在物流仿真器的实现过程中，提出和实现了一种新的、称为活动对象系统(Active ObjectSystem)的技术。之所以称为活动对象，是表示该对象在运行时是动态地而非 静态地获得与该对象的输入输出相联系的前后模型的特性，而传统意义上的模型对象 往往在设计过程中就假定了与之相关联的模型的相关信息。模型组态的功能则要求每 个模型在设计时不能预先假定将来可能与之相连的模型具有何种特性，否则组态的灵 活性将荡然无存。对于每一个Petri Net子模型分别建立相应的COM组件模型。PetriNet模型中的每 个变迁代表一定意义的事件，每个事件发生都需要对事件进行处理，因此我们

18、定义接 口的方法来完成相应事件处理。对于每个组件至少包含通用的Iserver接口来实现相应 的功能。除此之外，每个组件有自己的接口来完成基于本身的特定功能。这样，在组 态界面中，就可以通过拖放动态地创建组件的实例，通过配置相应参数，就组成一个 物流系统。通过仿真获得相应的统计数据，如设备利用率、设备前缓冲区平均队列、 工件在设备前的平均等待时间等一系列统计数据，为合理安排物流系统、调整生产计 划提供决策依据。图2显示了物流仿真器的组态界面及其实例。4.4组态环境的实现仿真器的组态模型由VC+所建立的模型组件构成。在VB环境中，对模型组件进 行管理。组态环境的工作是：1、组态环境的创建；2、提供

19、组态模型；3、建立模型之 间的联系；4、保存/再现组态配置。为创建组态环境，建立了以下多个与组态操作相关的类：Class foldline :由一组小的直线组成，描述模型对象输入与输出的 联系。Class foldlines:是一自定义的集合类，管理屏幕上的所有折线对象。Class configure:管理模型组态的设计、编辑、管理等工作。Class model:封装模型对象的各种操作，其中包含模型组件的实例。Class models:封装模型对象的各种操作的实现。Class modelmng模型对象管理器的类，管理用户创建的模型。Class plans :作业计划类，其中包含计划组件的实例。Class ErrorEvent:扰动事件类，描述设备的故障。Class ErrorEventCollection :管理扰动事件实例。在组态界面中，系统操作人员就可以通过拖放模型工具箱内的组件模型动态地创建 组件的实例，使用鼠标对模型连线即建立了相应的逻辑联系，通过配置相应参数，就 组成一个物流系统。图2显示了物流仿真器的组态界面及其实例。画面最上部是菜单 项，下部 是快速功能键；右下为组态环境，可根据实际物流系统进行组态；左上中