柔性制造系统的时间Petri网建模与分析

摘要：时间Petri网是描述和验证实时系统最常用的形式模型之一。建立基于时间 Petri网的典型柔性制造系统模型，利用状态类分析方法，定量计算所有可行调度及其执行时间，进而获得最优调度，为复杂柔性制造系统的建模与调度提供有效的模型支持。

关键词：时间Petri网；状态类方法；柔性制造系统；建模与调度

中图分类号：TP301 文献标识码：A

1引言

在大规模制造系统中，通常有少数几种产品的效率是很高的。但在面对瞬息万变的市场时，它不具有灵活性。为了解决这个问题，一种新的生产系统出现了：柔性制造系统（Flexible manufacturing systems， FMS）。FMS是一个由半独立工作站和原料处理系统组成的计算机可控系统，用于高效地生产中小批量的、多品种的零部件[1]。柔性是指系统能对变化做出快速反应的能力。变化可以是内部的，比如产品质量问题；也可以是外部的，比如设计和需求的变化。

所有FMS具有一组共同的特征：①状态空间是离散集，状态转移是事件驱动的；②系统中的某些事件必须顺序发生，某些以异步方式发生，而某些则可以独立地发生（并发）；③系统会出现冲突的情况，因此会导致非确定性；某些操作过程可能是互斥的；④另外，系统也可能会陷入死锁状态，这是系统设计时应该尽量避免的。因此，柔性制造系统的设计是非常复杂的工作：需要组合很多不同的元素，而且还要考虑许多不同的方面。这种复杂性决定了对形式化方法的重要需求。Petri网的形式化方法家族是柔性制造系统的绝好选择，它已成功应用于FMS设计和操作的各个方面：建模、调度、性能分析、控制和监视[1，2]。

如果我们需要考虑FMS系统性能或实时控制问题，那么引入时间限制是必需的。通常，可以采用两种时间引入方式：时间关联到库所，时间关联到变迁。其中后者更自然，因为变迁通常模拟系统的活动（它们需要一些时间来执行）。联系到变迁上的时间也有多种形式，其中计时 Petri网赋给每个变迁一个固定的延时[3]；时间 Petri网为每个变迁联系一个时间间隔[4]。已经证明，时间间隔比固定延时具有更强的表达能力[5]，因为间隔既能反映事件发生的不确定性，又能刻画事件发生的时限性。时间Petri网已成为描述和验证实时系统最常用的形式模型之一。

文章首先给出时间Petri网的基本定义，然后以一个典型柔性制造系统为例，建立时间Petri网调度模型，并利用状态类分析方法，计算柔性制造系统的所有可行调度及执行时间，获得最优调度，为模型的调度和控制提供有效支持。

4结论

制造系统大多具有离散事件动态系统的特征，所以Petri网非常适合这类系统的建模和分析。特别是柔性制造系统已成为一个活跃和有趣的应用领域，时间Petri网理论可以很好地用于这类系统的实时控制、调度分析和性质验证。文章以一个典型柔性制造系统，给出了基于时间Petri网的柔性制造系统的建模与分析方法，并通过状态类分析方法，得到所有可行调度及执行时间，进而获得模型的最优调度。

参考文献

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