基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其特點是采用以下步驟：首先，建立生產調度系統模型，獲得定制加工策略圖。之后，建立Petri網系統模型，綜合加工策略圖與Petri網系統模型，獲取整合式Petri網模型。接著，進行生產調度系統驗證，對CPN模型進行仿真后排查死鎖。這樣，能夠將現有生產環節中系統控制模型的各種邏輯關系清晰地反映在整個加工過程中，使系統有序地完成指定的加工任務。同時，能夠在CPNTools環境下對系統模型進行仿真，實現在不同布局、不同工件數、不同靜態調度結果下的FMS的運行情況。更為重要的是，采用本發明方法實現的應用系統，具有良好的分析與設計適應性。
【專利說明】基于有色Petr i網的FMS生產仿真分配方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種仿真方法，尤其涉及一種基于有色Petri網的FMS生產仿真分配 方法。
【背景技術】
[0002] 就現有的生產仿真規劃來看，由于FMS具有離散、并行、路徑可變、資源競爭、批量 可變等眾多重要特性，使得運用傳統方法很難準確的對其進行建模。Petri網是一種強大的 DES建模工具，可以很好的表示系統中的動態性，并發關系，資源約束等。由于其既有易于理 解的圖形化界面，又有較為豐富和嚴密的數學分析方法，因此Petri網被廣泛的應用在FMS 的生產過程建模及生產調度仿真。
[0003] 在目前的研究中，基于Petri網的生產調度有兩種實現方法：
[0004] 第一種方法將調度問題轉換為狀態空間搜索問題。只要狀態空間有界，理論上一 定可以找到最優解。但是當系統規模增大時，Petri網的狀態空間會呈爆炸式增長，計算狀 態空間所需的存儲空間和運算求解時間將變得無法接受。使用第一種思路無法解決大規模 系統的調度問題。
[0005] 第二種方法利用了調度領域已有的研究成果，并發揮出Petri網的圖形表達能 力，可較好地解決實際調度問題。然而，由于Petri網節點語義單義，用Petri網模型難以 實現復雜的調度算法，在建立調度系統時，需要編制專用的軟件平臺支持Petri網建模和 調度，無法利用已有的Petri網軟件，系統實現的難度與工作量較大。
[0006] Jensen提出了彩色Petri網的概念，彩色Petri網通常簡稱為CPN，特點是把系統 中具有類同行為特性的元素歸屬到一個庫所節點或一個變遷節點中，并通過定義色彩集， 使得其中的托肯能夠互相區別開來，從而使整個網的結構得到很大程度的簡化。另外，彩色 Petri網還支持遞階的建模方法，允許我們在不同的層次上對系統進行抽象和建模，為我們 的建模以及模型的修改、維護帶來了方便，特別是在描述復雜的大規模系統時，彩色Petri 網更能顯示出明顯的優越性。可是，對于系統的分析卻變得更加復雜，因為雖然網的結構是 簡化了，可是整個系統的狀態空間并沒有變小。而且，很多基本Petri網的分析方法并不 能，或者說很難直接用于彩色Petri網的分析當中來。因此，人們開發了很多專用工具來支 持CPN的建模和分析工作。丹麥的奧胡根大學和美國宇航局于2000年4月聯合推出的基 于CPN的仿真軟件CPN tools,該軟件支持標準元語言（standard ML, SML)，本文詳細介紹 了使用CPN實現FMS生產調度系統的防死鎖的方法。
[0007] 相關理論介紹：
[0008] CPN的定義為：CPN= (2，P，T，A，N，C，G，E，I)，該式中，Σ為有限類型集，亦稱為 顏色集；P為有限庫所集，庫所具有顏色，庫所中包含的數據稱為token ;T為有限變遷集;A 為有限有向弧集，滿足ρ n T=P n A=T n A=人；N為節點函數；c為顏色函數；G為變遷守衛 函數；E為有向弧表達式；I為初始化函數。
[0009] (1)庫所
[0010] 有三種標志：名字、類型和初始標志。名字（Name)用來區分其他庫所，類型（Place type)用來說明放置托肯的顏色，初始標志（Init mark)表示系統初始狀態時該庫所放置托 肯的數目。
[0011] (2)變遷
[0012] 有四種標志：名字、守護、時延和行動代碼。守護（Guard)為CPN ML的布爾表達式， 時延（Time delay)為正整數或實數表達式以"@+"開頭，行動代碼（Action)為CPN ML代 碼，它執行在變遷觸發時。
[0013] (3)有向弧
[0014] 庫所和變遷間用帶箭頭的弧連接起來，弧上的標識表示當該變遷發生時，托肯隨 之變化。
[0015] SML是一種函數式程序設計語言。SML的程序由函數組成。通常的Fortran、 Pascal、C等高級語言屬于過程式語言，過程式語言的設計面向命令，命令的執行過程包含 了狀態，而SML的設計面向表達式，其目的只是為了數值求解。SML程序不關心機器的狀態， 如內存分配、垃圾收集等存儲管理由編譯器自動完成。SML具有惰性求值、模式匹配、多態類 型等特性。用SML編寫的數學計算程序相比過程式語言要簡單而高效。
[0016] SML函數有如下形式：
[0017] fun id patl=expl
[0018] id pat2=exp2
[0019] id patn=expn〇
[0020] id是函數的名稱，pat是形式參數，exp是函數體。函數體可以是一個簡單的數字， 也可以是一段代碼。SML函數可以有多個模式的參數，SML會根據輸入的參數自動選擇合適 的函數體。CPN Tools使用SML實現對顏色集和函數的定義。CPN的顏色集使用了 SML中 的數據類型。CPN中的有向弧函數和變遷守衛函數使用SML編寫。
【發明內容】
[0021] 本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，提供一種基于有色 Petri網的FMS生產仿真分配方法。
[0022] 本發明的目的通過以下技術方案來實現：
[0023] 基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于包括以下步驟：步驟①， 建立生產調度系統模型，設定FMS加工單元，定制加工策略圖；步驟②，根據FMS加工策略， 把組成控制單元的元素設置為庫所，建立Petri網系統模型，若加工策略圖包括超過2條路 線方式，則建立首次Petri網系統模型后，再次分析FMS加工單元，建立二次Petri網系統 模型；步驟③，綜合加工策略圖與Petri網系統模型，獲取整合式Petri網模型；步驟④，進 行生產調度系統驗證，使用CPN工具進行分析構成CPN模型，對CPN模型進行仿真，排查死 鎖。
[0024] 上述的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其中：所述的步驟②中，如果 存在共享資源，則設置至少一個共享資源庫所。
[0025] 進一步地，上述的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其中：所述的 Petri網系統模型中的元素包括，輸入零件庫，輸出零件庫，機器人上料，加工，機器人卸料， 機器人送料安裝，機器人競爭標志。
[0026] 更進一步地，上述的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其中：所述的 Petri網系統模型中設定有瞬時變遷和時間變遷，瞬時變遷能瞬時發射；時間變遷的發生 設有延遲時間。
[0027] 更進一步地，上述的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其中：步驟④所 述的生產調度系統驗證為，根據加工策略圖給出全局節點聲明，查詢托肯，進行CPN模型仿 真。
[0028] 再進一步地，上述的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其中：所述的 FMS加工單元能同時加工兩種工件，待兩種工件加工完后通過自動安裝站進行安裝；或是， 所述的FMS加工單元先后完成一種工件的兩個不同工序的加工，完成后通過自動安裝站進 行安裝，或是，所述的FMS加工單元能同時加工一種零件和先后加工一種零件的兩個不同 工序。
[0029] 本發明技術方案的優點主要體現在：依托于對有色Petri網的應用，能夠將現有 生產環節中系統控制模型的各種邏輯關系清晰地反映在整個加工過程中，使系統有序地完 成指定的加工任務。同時，能夠在CPN Tools環境下對系統模型進行仿真，實現在不同布局、 不同工件數、不同靜態調度結果下的FMS的運行情況。并且，可以實時檢測死鎖狀態，能更 為準確地反映出系統的本質。更為重要的是，采用本發明方法實現的應用系統，有別于現有 系統的復雜程度，具有良好的分析與設計適應性，具有普遍的工程意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030] 圖1是建立生產調度系統示意圖。
[0031] 圖2是FMS加工策略Pl與P2步驟示意圖。
[0032] 圖3是Pl的Petri網系統模型示意圖。
[0033] 圖4是P2的Petri網系統模型示意圖。
[0034] 圖5是綜合Pl與P2的Petri模型示意圖。
【具體實施方式】
[0035] 如圖1?5所示的基于有色Petri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于包括 以下步驟：首先，建立生產調度系統模型，設定FMS加工單元，定制加工策略圖。之后，根據 FMS加工策略，把組成控制單元的元素設置為庫所，建立Petri網系統模型。在此期間，若 加工策略圖包括超過2條路線方式，則建立首次Petri網系統模型后，再次分析FMS加工單 元，建立二次Petri網系統模型。以此類推，完成所有的加工策略圖，為后續整合做準備。并 且，為了有效利用加工策略中的各種資源入局，如果存在共享資源，則設置至少一個共享資 源庫所，便于調取數據。接著，綜合加工策略圖與Petri網系統模型，獲取整合式Petri網 模型。之后，進行生產調度系統驗證，使用CPN工具進行分析構成CPN模型，對CPN模型進 行仿真，排查死鎖。考慮到驗證的便捷，生產調度系統驗證為，根據加工策略圖給出全局節 點聲明，查詢托肯，進行CPN模型仿真。
[0036] 就本發明一較佳的實施方式來看，考慮到能夠囊括較多的元素，實現對生產現場 的有效管控，滿足自動化的設計需要，采用Petri網系統模型中的元素包括：輸入零件庫， 輸出零件庫，機器人上料，加工，機器人卸料，機器人送料安裝，機器人競爭標志。這樣，能夠 有效導入到現場的機器人自動化運作中。并且，考慮到實際操作的需要，滿足生產步驟的有 效控制，
[0037] Petri網系統模型中設定有瞬時變遷和時間變遷，瞬時變遷能瞬時發射，時間變遷 的發生設有延遲時間。
[0038] 進一步來看，考慮到實際生產時對不同工件的加工需求不同，為了滿足最大的通 用性，FMS加工單元能同時加工兩種工件，待兩種工件加工完后通過自動安裝站進行安裝。 或者是，該FMS加工單元先后完成一種工件的兩個不同工序的加工，完成后通過自動安裝 站進行安裝。同時，從生產的集約化出發，亦可以是FMS加工單元能同時加工一種零件和先 后加工一種零件的兩個不同工序。這種方式能夠提供最大化的加工效率。
[0039] 結合本發明的實際使用情況來看，FMS加工單元由兩個輸入緩沖區（II、12)，兩個 輸出緩沖區（〇1、〇2)，一臺機器人（R)、兩臺機床（M1、M2)和一個自動安裝站（M3)組成，如圖 1所示。
[0040] 之后，根據系統加工單元的特點，該加工單元可以同時加工兩種工件，兩種工件加 工完后可以通過自動安裝站進行安裝，也可以先后完成一種工件的兩個不同工序的加工， 其加工策略如下圖2所示。隨即，根據FMS加工策略，把組成控制單元的元素，如機器人、機 床、緩沖區等設置為庫所，機器人是一個共享資源，要設置一個共享資源庫所，則建立Pl的 Petri網的系統模型如下圖3所示。此圖中，Pl :輸入零件庫，Pll :輸出零件庫，P2、P7 :機 器人為組^2上料，？3、？8通1^2加工，？4、？9:機器人為組^2卸料，？5:機器人將料送到 M3，P6:M3安裝，PO:機器人競爭標志。并且，圖中的T表示變遷。根據實際情況變遷分為兩 種：瞬時變遷和時間變遷，瞬時變遷可以瞬時發射；時間變遷的發射需要一定的時間。例如 圖3中T3的發射應在機床Ml零件加工完畢后。
[0041] 接著,現在分析FMS加工單元中的P2的情況，所要建立P2的Petri網的系統模型 如下圖4所示。此圖中，Pl :輸入零件庫，P7 :輸出零件庫，P2 :機器人為Ml上料，P3 :M1、力口 工，P4 :機器人為Ml卸料，P5 :機器人將料送到M2, P6 :M2加工，PO :機器人競爭標志。
[0042] 之后，將圖3與圖4合并，構成圖5表示綜合的Petri模型。此圖中Pl :輸入零件 庫，Pll :輸出零件庫，P2、P7 :機器人為Ml、M2上料，P3、P8 :M1、M2加工，P4、P9 :機器人為 M1、M2卸料，P5 :機器人將料送到M3, P6 :M3安裝，P12 :機器人將料送到M2, PO :機器人競爭 物^志。
[0043] 這樣，該復合的系統模型就具有了同時加工一種零件和先后加工一種零件的兩個 不同工序的能力，以滿足生產中不同的零件加工任務的需求。
[0044] 結合實際的實施來看，對于一個自動化制造系統而言，死鎖情況是必須避免的。所 謂死鎖是指無設備故障的情況下，系統的正常運行過程被中止，表現在Petri網圖中就是 所有的變遷都不能被使能。產生死鎖的原因有：系統配置設計不當、物流控制策略不合理。 系統的死鎖會嚴重的影響系統的生產率和控制功能的實現，因此對系統死鎖狀態的檢測與 控制是自動化制造系統設計的一個重要問題。在本文中，對所建的系統Petri網模型也進 行了驗證。
[0045] 具體來說，采用生產調度系統的驗證過程如下：結合圖3加工策略中的某一種情 況來看，Pl: Il - M2 - M3 - 01 ;Ρ2:12 - Ml - M2 - 02。這樣，首先給出全局的節點聲明 如下：
[0046] color Job ；colset Job=with Jl|j2；
[0047] color Mach ；colset Mach=with Ml|M2|M3 ；
[0048] color Robot ；colset Robot=with Rl ；
[0049] color Inproc ；colset Inproc=product Job氺Mach ;
[0050] color Inwait ；colset Inwait=product Job^Mach ；
[0051] color End ；colset End=with ；
[0052] var R: Robot ；
[0053] var Ma:Mach ；
[0054] var Mb: Mach ；
[0055] var J: Job 〇
[0056] 當系統處于初始狀態時，庫所Ajob中有兩個托肯：1'J1++1'J2,表不兩個毛述 都可用；庫所AMach中有三個托肯：1'M1++1'M2++1'M3,表示三臺機器都是空閑的；庫所 Arobot中有一個托肯：1'R1，表示機器人空閑。模型是完成兩種工件的兩道工序的加工過 程，假設一旦機床空閑時，機器人就向其裝夾工件，并系統中毛坯是充足的。
[0057] 其所建立的部分 SML語言如下 Jf J=Jl，Then Ma=M2，Else Ma=M2,使用 CPN tools 對其建模過程進行分析。之后，對以上的CPN模型進行仿真，仿真結果如下：
[0058] Statistics
[0059] ---------------------------------------------------------------------
[0060] State Space
[0061] Nodes: 21
[0062] Arcs: 24
[0063] Secs: 0
[0064] Status: Full
[0065] See Graph
[0066] Nodes: 21
[0067] Arcs: 24
[0068] Secs: 0
[0069] Boundedness Properties
[0070] ---------------------------------------------------------------------
[0071] Home Markings
[0072] [21]Liveness Properties
[0073] ---------------------------------------------------------------------
[0074] Dead Markings
[0075] [21]Dead Transition Instances
[0076] None
[0077] Live Transition Instances
[0078] None
[0079] Fairness Properties
[0080] ---------------------------------------------------------------------
[0081] No infinite occurrence sequences。
[0082] 從仿真結果可以看出，該模型變遷都是活的（Dead Transition Instances : None)，存在一個死標識（Dead Markings)，在最后達到一個死標識，但是所有數據都傳輸 完，因此系統在運行過程中是不會發生死鎖的。
[0083] 通過上述的文字表述可以看出，采用本發明后，依托于對有色Petri網的應用，能 夠將現有生產環節中系統控制模型的各種邏輯關系清晰地反映在整個加工過程中，使系統 有序地完成指定的加工任務。同時，能夠在CPN Tools環境下對系統模型進行仿真，實現在 不同布局、不同工件數、不同靜態調度結果下的FMS的運行情況。并且，可以實時檢測死鎖 狀態，能更為準確地反映出系統的本質。更為重要的是，采用本發明方法實現的應用系統， 有別于現有系統的復雜程度，具有良好的分析與設計適應性，具有普遍的工程意義。
[0084] 這些實施例僅是應用本發明技術方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換 而形成的技術方案，均落在本發明要求保護的范圍之內。
【權利要求】
1. 基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于包括W下步驟： 步驟①，建立生產調度系統模型，設定FMS加工單元，定制加工策略圖； 步驟②，根據FMS加工策略，把組成控制單元的元素設置為庫所，建立化tri網系統模 型，若加工策略圖包括超過2條路線方式，則建立首次化tri網系統模型后，再次分析FMS 加工單元，建立二次化tri網系統模型； 步驟③，綜合加工策略圖與Petri網系統模型，獲取整合式化tri網模型； 步驟④，進行生產調度系統驗證，使用CPN工具進行分析構成CPN模型，對CPN模型進 行仿真，排查死鎖。
2. 根據權利要求1所述的基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于： 所述的步驟②中，如果存在共享資源，則設置至少一個共享資源庫所。
3. 根據權利要求1所述的基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于： 所述的化tri網系統模型中的元素包括，輸入零件庫，輸出零件庫，機器人上料，加工，機器 人卸料，機器人送料安裝，機器人競爭標志。
4. 根據權利要求1所述的基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于： 所述的Petri網系統模型中設定有瞬時變遷和時間變遷，瞬時變遷能瞬時發射；時間變遷 的發生設有延遲時間。
5. 根據權利要求1所述的基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于：步 驟④所述的生產調度系統驗證為，根據加工策略圖給出全局節點聲明，查詢巧肯，進行CPN 模型仿真。
6. 根據權利要求1所述的基于有色化tri網的FMS生產仿真分配方法，其特征在于：所 述的FMS加工單元能同時加工兩種工件，待兩種工件加工完后通過自動安裝站進行安裝； 或是，所述的FMS加工單元先后完成一種工件的兩個不同工序的加工，完成后通過自動安 裝站進行安裝，或是，所述的FMS加工單元能同時加工一種零件和先后加工一種零件的兩 個不同工序。
【文檔編號】G06N7/06GK104463332SQ201410105959
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】張衛星, 陸文灝 申請人:蘇州工業職業技術學院, 張衛星