基于peri網(wǎng)的物流仿真系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

1基于分層色仿真的物流系統(tǒng)仿真模型物流系統(tǒng)的研究包括解決物流平衡和需求平衡的問題，發(fā)現(xiàn)并預(yù)測生產(chǎn)中的瓶頸和重點(diǎn)，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)營方案，充分利用設(shè)備潛力，提高線性能力，降低倉儲水平，減少能源消耗，加快循環(huán)。大多數(shù)制造系統(tǒng)都是復(fù)雜的物流系統(tǒng)。在這個龐大的系統(tǒng)建設(shè)和生產(chǎn)組織的決策方面，設(shè)計師和決策者不僅需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的多路徑物流平衡（協(xié)調(diào)生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)生產(chǎn)調(diào)整）、資源平衡（不同設(shè)備的配置）、時間平衡（生產(chǎn)線單元表的制定），而且需要充分的靈活性，以確保公司能夠適應(yīng)市場需求。由于制造系統(tǒng)公司的產(chǎn)品可以達(dá)到數(shù)百類，因此很難分析和研究這些過程中包含的系統(tǒng)。因此，在這樣一個系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃環(huán)境中，需要應(yīng)用模擬技術(shù)來分析和研究物流系統(tǒng)，以以非常低的成本解決這些問題。因此，物流系統(tǒng)的建模和模擬已成為現(xiàn)代制造業(yè)的中心主題。本文首先提出用分層有色Petri網(wǎng)對物流系統(tǒng)進(jìn)行建模,并運(yùn)用組件對象模型(COM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)仿真子模型,使得物流仿真系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性.該方法還可以應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)的仿真中,為企業(yè)生產(chǎn)計劃調(diào)度(ProductionPlanningandScheduling)、資源調(diào)度等物流管理提供了一種很好的仿真設(shè)計模式.2cpn的多集結(jié)構(gòu)定義1CPN塊是一個九元組集合CPNi=(Pi,Ti,Ai,Hi,Xi,Yi,Vi,Mi00i),其中:(1)Pi={pk|k=1,2,…,n}是一組庫所集;(2)Ti=Tsoiiso∪Tsiiisi∪T*i={ts|s=1,2,…,m}是一組變遷集;(3)Tsoiiso={tso|(?pk∈Pi?(pk,tso)?F)}是一組源變遷集;(4)Tsiiisi={tsi|(?pk∈Pi?(tsi,p)?H)}是一組阱變遷集;(5)T*i={t*|(?pk,Pi∈pi?(pk,t)∈Fi∧(t,pj)∈Hi)}是一組內(nèi)部變遷集.定義2分層有色Petri網(wǎng)是一個六元組集合HCPN={B,D,FD,PT,FT,MN),其中:(1)B是一組有限的CPN塊bi的集合;(2)D?P是一組有限的替代庫所集合(Substitute);(3)FD:D→B對應(yīng)從替代庫所D到CPN塊B的弧函數(shù);4)PT?T是一組有限的端口變遷集合;(5)FT:(Tsi∪Tso)→2PT是從CPN塊的源變遷,阱變遷及內(nèi)部變遷向端口變遷的賦值弧函數(shù);(6)MN∈BMS,表示CPN塊的多集(MultiSet).定義3替代庫所d的等價替代物是一CPN塊.其中,替代庫所d的輸出輸入變遷被CPN塊的源變遷和阱變遷替代,然后將替代庫所d從新的CPN塊中移走.定義4一個CPN塊的等價替代物即為一替代庫所d,其中,CPN塊的源變遷和阱變遷由替代庫所d的輸出輸入變遷替代,然后將CPN塊從主網(wǎng)中移走.“替代庫所”是整個HCPN層次化和結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ).對于復(fù)雜的物流系統(tǒng),我們在主干Petri網(wǎng)中引入替代庫所,替換掉那些可以從網(wǎng)中分離的單元,同時在d庫所和由d庫所代表的CPN塊之間建立賦值關(guān)系.該方法實(shí)際上是一種同時具有模塊化和層次化思想的建模方法.模塊化是指對可分離的單元單獨(dú)建模,然后將其掛到主Petri網(wǎng)上,每個子系統(tǒng)都是一個單獨(dú)的模塊;層次化是指每一層次的PN中的某些部分可以被繼續(xù)細(xì)分為更詳細(xì)的Petri網(wǎng)模型.該方法不僅有利于簡化復(fù)雜系統(tǒng)的建模過程,同時也有利于在仿真實(shí)現(xiàn)時,軟件的模塊化設(shè)計.為縮小Petri規(guī)模,我們采用顏色來描述Petri網(wǎng)中流動的令牌.3hcpn對精煉連鑄物流系統(tǒng)進(jìn)行建模模型性興隆工藝和colticmedicalcenter。以特定的鋼鋼連鑄物流系統(tǒng)為例，說明了hcpn建模步驟1鋼水回收系統(tǒng)的精制在煉鋼連鑄物流系統(tǒng)中,被加工對象是由煉鐵廠生產(chǎn)的高溫鐵水,它通過魚雷車運(yùn)輸?shù)綗掍搹S,煉鋼廠將鐵水吊裝入轉(zhuǎn)爐,轉(zhuǎn)爐將鐵水吹煉成鋼水,吹煉完的鋼水倒入轉(zhuǎn)爐下的鋼水包中,臺車將鋼水包運(yùn)到吊車跨,吊車再將鋼水包吊到相應(yīng)精煉設(shè)備,由精煉設(shè)備對鋼水進(jìn)行二次精煉處理.精煉設(shè)備有三種:RH、KIP、CAS.精煉處理結(jié)束后,由吊車將鋼水包吊到連鑄機(jī)處進(jìn)行澆鑄,或者吊到相應(yīng)的模鑄跨,用模鑄吊車將鋼水包吊起進(jìn)行鑄錠.2設(shè)備子層的物流運(yùn)行狀態(tài)仿真a.建立遞階的層次模型首先研究整個生產(chǎn)流程,把系統(tǒng)劃分為不同的層次,確定同一層次的系統(tǒng)以及各個系統(tǒng)的上層與下層,這樣就建立起一個分層的系統(tǒng)以及相關(guān)拓?fù)鋱D.對于煉鋼連鑄系統(tǒng),我們將其劃分為主物流層和設(shè)備子層.主物流層由煉鋼連鑄的主要生產(chǎn)設(shè)備組成,鐵水通過主物流層后,形成連鑄坯和模鑄坯;設(shè)備子層將各生產(chǎn)設(shè)備放大、細(xì)化,完整描述各設(shè)備的運(yùn)行狀況.設(shè)備子層的每個對象作為仿真的基本物流模型.b.建立對象模型在各個層次上,列出對象的名稱、屬性、方法、消息(事件).這里的對象是廣義的概念,在所討論的層次上,一個子系統(tǒng)亦作為一個對象進(jìn)行處理.以第二層中的轉(zhuǎn)爐對象為例,其屬性包括平均吹煉時間、平均清理時間,轉(zhuǎn)爐的當(dāng)前狀態(tài),爐次編號,下一發(fā)生事件,隨機(jī)變量的概率分布特性,當(dāng)前加工計劃等;操作包括鐵水與廢鋼的裝載、鋼水吹煉、煉鋼完畢后清理爐渣;事件包括開始裝載鐵水、裝載結(jié)束、開始吹煉、吹煉結(jié)束等等.我們將煉鋼連鑄系統(tǒng)的作業(yè)設(shè)備分為八個模型:轉(zhuǎn)爐、RH、KIP、CAS、CC(連鑄機(jī))、IC(模鑄)、臺車、吊車.c.建立子網(wǎng)模型和整個HCPN模型根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度,建立系統(tǒng)及子系統(tǒng)內(nèi)的事件列表,建立事件之間的關(guān)系表,構(gòu)造子網(wǎng)模型和整個系統(tǒng)的HCPN模型.下圖即為運(yùn)用HCPN對某鋼廠煉鋼連鑄系統(tǒng)建模結(jié)果.為了清晰起見,弧的權(quán)函數(shù)以及有色token略去.4子網(wǎng)模型分析根據(jù)建模方法,我們可以容易地將物流過程分解成若干個子網(wǎng)模型(見圖1的設(shè)備子層),不同的子網(wǎng)模型分別代表不同的生產(chǎn)單元設(shè)備.顯然,這種分解結(jié)構(gòu)不僅有利于簡化復(fù)雜系統(tǒng)的建模,同時也有利于軟件開發(fā)的模塊化設(shè)計.為了對該模型進(jìn)行分析研究,我們以組件對象模型(ComponentObjectModel)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)HCPN仿真模型的核心基礎(chǔ).4.1com仿真模型COM是Microsoft定義的一種訪問軟件服務(wù)的通用方法,它能夠跨越鏈接庫、應(yīng)用程序、系統(tǒng)軟件甚至網(wǎng)絡(luò).它是第三方廠家將其產(chǎn)品集成到WindowsDNA中的主要方式,使各種解決方案由一塊塊可重復(fù)使用的軟件組件構(gòu)成,使開發(fā)人員能夠快速地構(gòu)建和測試應(yīng)用程序.組件(Component)是通過一些接口(Interface)實(shí)現(xiàn)與外部的交互,接口是一組較高層次的,抽象的系統(tǒng)功能的集合,由一些屬性(Attribution)和方法(Method)組成.使用COM實(shí)現(xiàn)HCPN仿真模型具有如下優(yōu)點(diǎn):a.COM提供了一種有效的途徑將軟件分塊,每塊軟件提供各自的服務(wù),開發(fā)者能夠使用面向?qū)ο蟮姆椒ㄈピO(shè)計和開發(fā)程序,簡化了復(fù)雜系統(tǒng).由于HCPN中的子網(wǎng)模型具有相對的獨(dú)立性,可以將每個子網(wǎng)模型用一個組件來實(shí)現(xiàn).b.COM是獨(dú)立于編程語言的,它定義了一個對象必須支持的二進(jìn)制接口,用戶能使用不同的編程語言來編寫支持該接口的COM對象和調(diào)用該對象的客戶.因此,無論是VB,VC,COBOL還是PASCAL開發(fā)人員,都可以在遵循接口定義標(biāo)準(zhǔn)的前提條件下,用不同的語言開發(fā)模型,然后動態(tài)地將模型掛接到仿真平臺上.顯然,模型的語言無關(guān)性將給開發(fā)人員建立HCPN仿真模型提供極大的便利.c.HCPN中的各個子網(wǎng)模型很容易用組件實(shí)現(xiàn).子網(wǎng)模型的特性可以用組件的屬性來表示.子網(wǎng)模型的行為(變遷)可以用組件的方法來表示.d.采用組件構(gòu)造子網(wǎng)仿真模型,大大增強(qiáng)了建模的靈活性,降低了建模的復(fù)雜性.用戶能很容易地用圖形化組態(tài)形式建立復(fù)雜的物流仿真對象.用戶通過拖放(Pick-Place)建立模型、通過連線操作建立模型之間的聯(lián)系,模型對象是在運(yùn)行時,動態(tài)地獲得與其輸入輸出相聯(lián)系的前后模型的特性.避免了傳統(tǒng)意義上的模型對象往往在設(shè)計過程中就假定了與之相關(guān)聯(lián)的模型的相關(guān)信息的缺點(diǎn).4.2生成加工狀態(tài)在物流系統(tǒng)的仿真中,不同的模型具有不同的特性.但是,不論這些模型的具體特性如何,都具有一些共性.這些共性通過模型組件的一個通用接口(我們稱之為IServer接口)的屬性和方法來實(shí)現(xiàn).通過定義通用接口,使得仿真具有了的可擴(kuò)展性.通用接口屬性提供如下功能:1)設(shè)置隨機(jī)變量的隨機(jī)分布參數(shù);2)對外提供該模型下一發(fā)生事件的時間及類型;3)當(dāng)加工單元進(jìn)入加工狀態(tài)時,提供設(shè)置設(shè)備的加工狀態(tài),加工類型;4)當(dāng)設(shè)備加工完畢后,設(shè)置清理狀態(tài)及清理需要的時間;5)為工件的下一步加工工序提供各種路由選擇;通用接口方法提供如下功能:1)動態(tài)地增加、刪除與之相連的模型對象的接口,這一功能與通過模型的輸出輸入端口間連線以建立模型關(guān)聯(lián)的功能相對應(yīng);2)查詢與該模型在物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相關(guān)聯(lián)的其他模型的相關(guān)信息;3)仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能,如統(tǒng)計平均設(shè)備利用率、平均等待時間等.確立了上述通用的接口后,我們將獲得一種極其靈活的仿真架構(gòu),仿真主程序僅需要對抽象的接口進(jìn)行操作,而無須考慮提供該接口具體實(shí)現(xiàn)的加工單元的實(shí)際物理特性,不同的加工單元在接口定義的抽象層上是完全相同的.比如,轉(zhuǎn)爐與RH精煉裝置從物理特性上說,顯然有著截然不同的屬性,它們各自的Petri網(wǎng)模型中的變遷激發(fā),狀態(tài)的轉(zhuǎn)移過程大相徑庭,但它們將對外則提供相同的關(guān)于下一發(fā)生事件的時間及類型的功能.仿真推進(jìn)程序無須知道當(dāng)前正在操作的接口是轉(zhuǎn)爐的接口還是RH裝置的接口,只需要知道該接口對應(yīng)的模型下一事件何時發(fā)生,是何種類型即可.這樣通過掃描所有模型的未來事件發(fā)生時間和類型,選擇最近發(fā)生事件來推進(jìn)仿真時鐘(事件調(diào)度法).4.3接口設(shè)計.對于前面建立的每一個Petri網(wǎng)子模型,我們分別建立相應(yīng)的模型組件.前面Petri模型中的每個變遷代表一定意義的事件,每個事件發(fā)生都需要對事件進(jìn)行處理,因此我們定義接口的方法來相應(yīng)該事件.每個組件至少包含前面所述的通用接口,來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能.除此之外,每個組件有自己的專用接口來完成基于前面子網(wǎng)模型的特定功能.圖2顯示了基于COM的物流仿真程序框架.4.4在統(tǒng)一的背景下,把每一個企業(yè)的數(shù)據(jù)掛接到仿真主框架上,在仿真中實(shí)現(xiàn)動態(tài)仿真建立上述模型組件后,用戶就能夠在較為固定的仿真平臺上,根據(jù)現(xiàn)場布局進(jìn)行組態(tài),.通過拖放和連線方式建立模型以及模型之間的聯(lián)系,模型之間的連線表示設(shè)備間的可行路徑(工序),見圖3.最后通過仿真獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù),如設(shè)備利用率、設(shè)備前緩沖區(qū)平均隊列、工件在設(shè)備前的平均等待時間等,為合理安排物流系統(tǒng)、調(diào)整生產(chǎn)計劃提供決策依據(jù).以這種方式,可以做到在根本不修改或極少修改仿真主算法的情況下,向仿真主框架上掛接任意的符合接口定義標(biāo)準(zhǔn)的模型.比如,當(dāng)企業(yè)增加了新的設(shè)備后,只需提供該設(shè)備的子網(wǎng)模型組件,即可對新的系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真系統(tǒng)無需進(jìn)行重新編譯,使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的升級性和可擴(kuò)展性.并且它將可以很容易地運(yùn)用于其他的離散事件系統(tǒng)仿真中,如柔性制造系統(tǒng)(FMS)、生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)的物流等,只要第三方的模型開發(fā)人員開