[发明专利]基于有色Petri网的FMS生产仿真分配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真方法，尤其涉及一种基于有色Petri网的FMS生产仿真分配方法。

背景技术

就现有的生产仿真规划来看，由于FMS具有离散、并行、路径可变、资源竞争、批量可变等众多重要特性，使得运用传统方法很难准确的对其进行建模。Petri网是一种强大的DES建模工具，可以很好的表示系统中的动态性，并发关系，资源约束等。由于其既有易于理解的图形化界面，又有较为丰富和严密的数学分析方法，因此Petri网被广泛的应用在FMS的生产过程建模及生产调度仿真。

在目前的研究中，基于Petri网的生产调度有两种实现方法：

第一种方法将调度问题转换为状态空间搜索问题。只要状态空间有界，理论上一定可以找到最优解。但是当系统规模增大时，Petri网的状态空间会呈爆炸式增长，计算状态空间所需的存储空间和运算求解时间将变得无法接受。使用第一种思路无法解决大规模系统的调度问题。

第二种方法利用了调度领域已有的研究成果，并发挥出Petri网的图形表达能力，可较好地解决实际调度问题。然而，由于Petri网节点语义单义，用Petri网模型难以实现复杂的调度算法，在建立调度系统时，需要编制专用的软件平台支持Petri网建模和调度，无法利用已有的Petri网软件，系统实现的难度与工作量较大。

Jensen提出了彩色Petri网的概念，彩色Petri网通常简称为CPN，特点是把系统中具有类同行为特性的元素归属到一个库所节点或一个变迁节点中，并通过定义色彩集，使得其中的托肯能够互相区别开来，从而使整个网的结构得到很大程度的简化。另外，彩色Petri网还支持递阶的建模方法，允许我们在不同的层次上对系统进行抽象和建模，为我们的建模以及模型的修改、维护带来了方便，特别是在描述复杂的大规模系统时，彩色Petri网更能显示出明显的优越性。可是，对于系统的分析却变得更加复杂，因为虽然网的结构是简化了，可是整个系统的状态空间并没有变小。而且，很多基本Petri网的分析方法并不能，或者说很难直接用于彩色Petri网的分析当中来。因此，人们开发了很多专用工具来支持CPN的建模和分析工作。丹麦的奥胡根大学和美国宇航局于2000年4月联合推出的基于CPN的仿真软件CPN tools，该软件支持标准元语言(standard ML，SML)，本文详细介绍了使用CPN实现FMS生产调度系统的防死锁的方法。

相关理论介绍：

CPN的定义为：CPN=（Σ，P，T，A，N，C，G，E，I），该式中，Σ为有限类型集，亦称为颜色集；P为有限库所集，库所具有颜色，库所中包含的数据称为token；T为有限变迁集；A为有限有向弧集，满足P∩T=P∩A=T∩A=N为节点函数；C为颜色函数；G为变迁守卫函数；E为有向弧表达式；I为初始化函数。

（1）库所

有三种标志：名字、类型和初始标志。名字（Name）用来区分其他库所，类型（Place type）用来说明放置托肯的颜色，初始标志（Init mark）表示系统初始状态时该库所放置托肯的数目。

（2）变迁

有四种标志：名字、守护、时延和行动代码。守护（Guard）为CPN ML的布尔表达式，时延（Time delay）为正整数或实数表达式以“@＋”开头，行动代码（Action）为CPN ML代码，它执行在变迁触发时。

（3）有向弧

库所和变迁间用带箭头的弧连接起来，弧上的标识表示当该变迁发生时，托肯随之变化。

SML是一种函数式程序设计语言。SML的程序由函数组成。通常的Fortran、Pascal、C等高级语言属于过程式语言，过程式语言的设计面向命令，命令的执行过程包含了状态，而SML的设计面向表达式，其目的只是为了数值求解。SML程序不关心机器的状态，如内存分配、垃圾收集等存储管理由编译器自动完成。SML具有惰性求值、模式匹配、多态类型等特性。用SML编写的数学计算程序相比过程式语言要简单而高效。

SML函数有如下形式：

fun id pat1=exp1

id pat2=exp2

id patn=expn。

id是函数的名称，pat是形式参数，exp是函数体。函数体可以是一个简单的数字，也可以是一段代码。SML函数可以有多个模式的参数，SML会根据输入的参数自动选择合适的函数体。CPN Tools使用SML实现对颜色集和函数的定义。CPN的颜色集使用了SML中的数据类型。CPN中的有向弧函数和变迁守卫函数使用SML编写。

发明内容