基于对象的扩展有色Petri网及其在FMS物流系统建模中的应用研究

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柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成,能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。作为多品种、中小批量的一种生产模式,其运行效益至关重要,但其不可预见性也很大,相应的投资风险和人力、物力浪费的潜在可能性也较大。在过去,人们针对FMS的加工活动已经进行过太多的研究,其利润空间有限。相反,FMS 底层的物流活动可以缩短工件的投入产出周期,降低生产成本,具有非常广阔的潜在优势。因为在产品生产的整个过程中,仅仅有5%的时间用于加工活动,95%的时间是用于存储、装卸、等待加工和输送。物流系统能否高效、合理地工作直接决定着整个FMS 的生产效率及柔性的高低。在物流系统中,物料流及其对应的信息流必须保证一致,否则就会出现物流和信息流混乱的现象。要想保证物料流和信息流的一致,就必须对FMS 物流系统进行建模与仿真。通过一个简单的原型建模来很快了解整个物流系统,并通过对系统的静态结构和动态行为分析,尽早地发现系统在物理布局、资源配置及调度控制等方面的问题。最终保证系统既能完成预定生产任务,又能避免因设备使用不当造成巨大的经济损失。系统建模是保证系统设计合理,提高系统运行效率的很好手段。因此,关于FMS 物流的建模与仿真研究一直是包括理论界和工业界在内的各方人士重视研究的问题。 本文结合了目前国内外对FMS 物流的研究现状,提出了基于对象的扩展有色Petri网(ECPN)分析模型。该模型结合了面向对象技术和有色Petri 网的优点,将有色Petri网中的颜色元素进行扩展,并结合面向对象技术将FMS 物流系统映射为三层递阶体系结构,它们分别是物理层、抽象层、控制/决策层。物理层是整个系统的最低层,物理层中的各个实体资源划分为一个个相互协作的对象类。抽象层是对物理层的映射,把各个实体对象用替代子网模块描述,模块之间的信息交流,以信息令牌的方式表示。最后利用Petri 网综合技术将各个替代子网模块合并成为一个大型的综合Petri 网。控制/决策层是系统中的最高层,通过控制门的激发来控制和协调系统中各个物理对象的活动以及工件、信息的流通。整个系统是用输入/输出信息库所把各层集成起来。ECPN 模型把事物的性质和操作封装成类,有父网和子网之分,父网可以调用子网,参数由父网传到子网。同时,ECPN 将FMS 物流中存在的同步约束从对象内部分离出来,使得系统模型层次分明、结构清晰。论文中的第四章利用ECPN 模型所给出的死锁定义,得出其相应的死锁控制规则。总的来说,ECPN 模型的提出基本上解决了Petri 网应用中的“封闭”和“状态空间爆炸”问题。
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