基于Petri网的可重组制造系统建模、调度及控制方法研究

与普通的FMS相比，RMS设备层最大的不同在于：①增加了可移动加工设备；②增加了可换构件。其目的是以最小的系统冗余度为代价，做到能及时调整瓶颈工位的生产能力和系统生产功能。RMS系统层面不同于FMS之处是：RMS具有可重构性、模块化、可定制性、可转换性[142]，可以通过构件之间的联系变化，形成新的变形系统。

基于ESPN的可重组制造系统建模方法为：首先对可重组制造系统的各种不同资源进行分类；然后根据不同的分类建立相应的Petri网子网，实际加工过程被ESPN中的任意分布时间变迁或者库所所描述；根据加工过程异步并发的实际情况，进一步确定将不同的Petri网子网按一定的控制方式组合成系统模型的过渡变迁；最后建立整个系统的完整ESPN模型。

上述基于ESPN的可重组制造系统建模方法，采用自底向上模块化的方法建立基于ESPN的系统随机动态模型，能很好地适应可重组制造系统动态变化的结构，它不同于FMS建模方法的特点为：

（1）给定变迁的激发速率与托肯数之间的函数关系，根据不同的托肯数变化就可以确定变迁的不同激发速率，从而对应实际加工过程中可移动加工设备的加工情况。

（2）利用不同变迁的激发对应了不同构件的选择，形成可变结构加工设备，变迁的激发速率对应于不同构件的加工过程。同时，也可以描述不同构件之间的联系变化。

可重组制造系统的自底向上的模块化建模方法具体可分为如下几个详细过程。

1.可重组制造系统的不同资源进行分类

一般来说，制造系统主要分为以下三大模块：

●加工设备模块 加工设备包括可重组加工机床、NC、加工中心、可重组构件等；

●运输设备模块 运输设备包括小车、托盘、传送带、运输机器人等；

●仓储设备模块 仓储类设备用于原料和零件的存储，如缓冲、堆放区、仓库等。

2.不同资源的子网描述

制造系统中的各种资源及其关系可以被描述成Petri网中的库所、变迁及其相应的活动。加工过程的活动和状态的不确定时间被ESPN中带有任意分布时间的库所或变迁所描述，如一种产品在制造系统中某一工序的加工时间是确定的、原材料到达时间是符合负指数分布的等。这种描述极大地提高了系统对真实情况的模拟能力。不同产品由于加工工艺的区别需要制造单元进行重组，即不同资源的再次组织。可重组制造系统主要由以下几个模块组成：加工设备模块、运输设备模块以及存储设备模块。

制造系统的物理重组来自不同资源的增加、联系变化及资源自身构件的变化。针对不同的重组加工模式，加工资源可分成三种模块。

●普通加工模块

指该工序的加工设备由一台或一组固定加工设备组成，该设备的软硬件不可更改，不具有重组特征。ESPN的表达模块及含义如图3-2和表3-1所示。图中方框表示时延变迁，粗线表示瞬时变迁。根据Petri网简化规则（详细简化规则参见文献[61]），图3-2所示模块也可简化等同为一个时延变迁。

图3-2　普通加工工位ESPN模块

表3-1　图3-2模型的变迁及库所含义

●可移动设备模块

指该工序的加工设备由普通加工设备加上可移动的冗余设备组成。该工序一般为生产线的瓶颈工位，移动设备由于具有了可移动和调整的功能，能通过设备的增减来改变瓶颈工位的加工能力和生产节拍。ESPN的表达模块及含义如图3-3和表3-2所示。可移动加工设备（图3-3中的P3的托肯数量）的数量视生产系统的需求而定，如需要增加两台加工设备，则P3的托肯数为2。t2的激发速率和该工序加工设备台数成线性比例关系，如增加两台加工设备后，t2的激发速率=单台加工设备激发速率/3。

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图3-3　可移动设备工位模块

表3-2　图3-3模型的变迁及库所含义

●可变结构设备模块

指该工序的加工设备含有部分更换构件，可以通过更换机床构件来适应另一类特征的零件加工。ESPN的表达模块及含义如图3-4和表3-3所示。若产品加工需更换加工设备的构件，则激发t1，设备调整完毕激发t5；不需要更换加工设备的构件则激发t2。

●运输设备模块

运输模块相对应的ESPN模型如图3-5和表3-4所示。其中P2库所包含的托肯数量表示共有多少可以使用的运输小车。

图3-4　可变结构设备工位模块

表3-3　图3-4模型的变迁及库所含义

图3-5　运输设备模块

表3-4　图3-5模型的变迁及库所含义

●仓储设备模块

存储原料和零件以及提取原料和零件，其相对应的ESPN模型类似图3-5和表3-4所示。

3.确定过渡变迁

根据系统真实同步、并发等情况定义系统各个模块之间的过渡变迁。过渡变迁将可重组制造系统中各个功能模块的ESPN模型按一定的控制方式合成一个完整的ESPN模型，它确定了制造系统之间的协作和竞争关系。部分过渡变迁由于不存在冲突情况，可以由ESPN模型的自身行为确定。另一部分过渡变迁由于制造过程的随机性和变化性，使得各个制造过程在制造系统内各资源的利用存在着竞争，因此需要系统建立决策机制。如多个过渡变迁具有相同的输入库所，则必须确定是哪个输入库所触发过渡变迁；过渡变迁的输入库所中托肯数量多于变迁所需要的托肯数量，则必须确定是哪个托肯触发过渡变迁；相同的过渡变迁可由不同的输入库所触发，则必须确定是哪个输入库所触发过渡变迁。

4.建立系统模型

对给定系统的资源进行分类并给出各个模块的ESPN描述，确定重组加工过程，用过渡变迁将可重组制造系统中的各个模块连接起来，建立整个系统的ESPN模型。