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两安建筑科技大学硕士学位论文 p e t r i 网在制造业物流系统中的应用 专业：系统工程 姓名：刘通 指导教师：黄光球教授 摘要 随着我国经济的飞速发展，生产物流在制造业企业内部的作用越来越重要， 嘉子我国对物滚技术的砑究起步较晚，企业对物流豹认谈还不够重视，船之制逮 业内部的物流本身又是一个非常复杂的过程，如何合理地组织和优化企业内部的 物流运作方式，建立一个合理的物流控制系统，成为鞭翦霞要逡切解决的闯蔻。 由于p e t r i 网模型具有较强直观性，且可以描述系统的动态、异步、并发等特 征，特别适合对离散事件系统进行建模与仿舆，而制造业企业内部的物流也是一 个动态离散的过程，具有异步、并发等特征，故非常适合于用p e t r i 网来描述。本 文首先对制造企业内部的几个基本生产过程中的物流进行了分析，分别建立了拉 动式生产系统p e t r i 网物流模型、推动式生产系统p e t r i 阿物流模型、流水线生产浆 p e t r i 网物流模型及混合生产线的p e t r i 网物流模型等。然后从众业全局角度出发， 结合网络信息控刽技术，提出了一个企业虑郝综合物流控制的参考模型，芳对该 参考模型的系统行为进行了分析。针对p e t r i 网在复杂系统建模中模型过于复杂的 不足之处，文中采用了谓词变迁系绞和有色p e t r i 网的建模方法来接述复杂系统， 对生产过程中的几个复杂的物流模型进行了化简。然后分别采用谓词，变迁系统和 有色p e t r i 网对所提出的综合物流控制的参考模型进行了详细地分析和描述，并讨 论了它们各自的优劣性，最看遥过一个具谚的应用实例，对所建立的有色p e t f i 网 综合模型进行了仿真。 本论文的翎新处在于建立了制造业内部懿几个蒸本生产过程对应韵物流掰 网模型，并采用高级p e t f i 网对复杂的p e t r i 网模型进行了化简，给出了制造业内部物 漉系统的综合参考模型及桷应的谓词变迂系统模型和蠢色p 舐网模型。引入了蘩 件弧和抑制弧来描述和解决库存的控制问题；此外对提出的有色p e t r i 网模型给出了 相应的仿真推理算法，并通过实例进行了模拟仿真。 关键谶：制造业物流系统建模有色p e t f i 网谓词，变迁系统 论文类烈：应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 t h e a p p l i c a t i o no f p e t r in e ti nm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o n l o g i s t i c ss y s t e m s p e c i a l t y ：s y s t e m se n g i n e e r i n g n a m e ：l i u t o n g i n s t r u c t o r ：p r o f h u a n gg u a n g q i u a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m yi no wc o u n t r y , t h ef u n c t i o no f l o g i s t i c si nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ye n t e r p r i s e sb e c a m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t b e c a u s et h er e s e a r c ho ft h el o g i s t i c ss t a r t e dv e r yl a t ei no l l rc o u n t r y , m a n ye n t e r p r i s e s t h i n kl i t t l eo fi t ，a n dt h el o g i s t i c si sa l s oac o m p l e xt h i n gi nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , e s t a b l i s h i n gar e a s o n a b l el o g i s t i c sc o n t r o ls y s t e mi s ad i f f i c u l tp r o b l e ma n dn e e d s u r g e n t l yt os o l v ea tp r e s e n t b e c a u s et h ep e t r in e tc a nd e s c r i b ei n t u i t i o n a l l ys y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha st h e s y s t e m sd y n a m i c ，a s y n c h r o n o u s ，c o n c u r r e n ta n ds oo n ，i tv e r ys u i t st od e s c r i b et h e d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m ( d e s ) s u c ha sl o g i s t i c ss y s t e m t ob e g i nw i t h ，t h e p a p e rd e s c r i b e ss e v e r a lb a s i cp r o d u c t i o np r o c e s s e sa b o u ti n t e r i o rl o g i s t i c so ft h e m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n de s t a b l i s h e st h ep e t r in e tl o g i s t i c sm o d e l so fp r o d u c t i o n s y s t e ms e p a r a t e l y , s u c ha sp e t r in e t1 0 奢s t i c sm o d e lo ft h ep u l lt y p e ，p e t r in e tl o g i s t i c s m o d e lo ft h ep u s ht y p e ，t h ep e t r in e tl o g i s t i c sm o d e lo fp r o d u c t i o n - r u n st y p e ，t h ep e t r i n e tl o g i s t i c sm o d e lo fm u l t i - p r o d u c ta s s e m b l yl i n et y p ea n ds oo i l t h e n ，d e s i g n sa s y n t h e t i c a l l yr e f e r e n c em o d e lo f c o n t r o l l i n gl q g i s t i c si na l le n t e r p r i s ec o n n e c t e dw i t ht h e t e c h n o l o g yo fn e t w o r ki n f o r m a t i o n ，a n da n a l y z e st h es y s t e mb e h a v i o ro ft h em o d e l i n v i e wo ft h ec o m p l e xo ft h ep e t r in e ti n t h e s y s t e mm o d e l s ，t h ep a p e ra d o p t st h e p r e d i c a t e t r a n s i t i o na n dt h ec o l o r e dp e t r in e tm o d e l i n gm e t h o d st od e s c r i b et h e c o m p l e xs y s t e m ，w h i c hm a k e st h e s e v e r a l c o m p l e xm o d e l s b e c o m e s i m p l y i n p r o d u c t i o np r o c e s s t h e na n a l y z e sa n dd e s c r i b e si nd e t a i lt h er e f e r e n c em o d e l sw i t ht h e p r e d i c a t e t r a n s i t i o na n dt h ec o l o r e dp e t r in e t ， a n dd i s c u s s e sr e s p e c t i v ef i ta n du n f i t q u a l i t yo ft h et w om e t h o d s ，f i n a l l yac o n c r e t ea p p l i c a t i o ne x a m p l ew a sg i v e nt o s i m u l a t et h ec o l o r e dp e t r in e tm o d e l 。 t h ei n n o v a t i o no ft h ep a p e ri se s t a b l i s h i n gt h ep e 缄n e tl o g i s t i c sm o d e l sf o rt h e s e v e r a lb a s i cp r o d u c t i o np r o c e s s e si nt h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，a d o p t i n gt h es e n i o r 西安建筑科技大学硕士学位论文 p e t r in e tt os i m p l i f yt h ec o m p l e xp e t r in e tm o d e l s ，g i v i n gt h es y n t h e s i sr e f e r e n c e m o d e l so fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dt h ep r e d i c a t e t r a n s i t i o ns y s t e mm o d e l sa n d c o l o r e dp e t r in e tm o d e l s ，i n t r o d u c i n gt h ec o n d f f i o na r ca n dt h es u p p r e s s i o nt od e s c r i b e a n ds o l v et h ep r o b l e m so ft h es t o c kc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o ni n f e r e n c ea l g o r i t h ma n dg i v e sa l le x a m p l ef o rt h es i m u l a t i o n i n f e r e n c ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：m a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o nl o g i s t i c s ；l o g i s t i c ss y s t e mm o d e l i n g ；c o l o r e d p e t r in e t ；p r e d i c a t e t r a n s i t i o ns y s t e m p a p e rt y p e ：r e s e a r c h i n g 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 入在其它单位己申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 关于论文使用授权的说明 日强：劬067 ；0 本人完全了解西安建筑科技大学有关傈留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文盔论文解密后应遵守此规定) 沦文作者签名：锄逄翩鎏名弗场剖日期：1 砌。 注：请将此页附在论文酋页 豇 镏 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 论文研究的背景 1 绪论 随着全球化经济的飞速发展，生产制造企业在产品市场上的竞争也越来越激 烈。但是，由于生产制造企业的生产设备投资成本一般都比较大，如果一贯地采 用改进设备来提高生产效率显然是不现实的，采用科学有效的管理方法、改进生 产工艺、降低库存资金的投入等方法显然比前者要有效得多。 据统计，在产品生产的整个过程中，物料仅有5 的时间用于加工、检验，而 其余9 5 的时间处于储存、装卸、输送和待加工状态，产品成本的2 0 4 0 直 接与物流相关【l 】。随着生产制造系统规模不断扩大、生产的柔性化水平和自动化水 平日益提高，要求生产物流也要相应地发展，使之与现代生产制造系统相适应。 传统的生产物流，物流信息管理十分落后，效率低、信息分散、不准确、传送速 度慢，特别是对库存的控制不够科学，使企业的资金没有得到充分的利用，制约 了生产的发展。为此，人们开始着手研究现代生产物流，其目的是通过科学地控 制库存水平，车间优化布局，规划或调整生产组织结构，提高管理的科学水平和 生产的自动化程度，从技术和企业挖潜入手，充分利用原有厂房、设备、能源和 人力资源，获得良好的经济效益。 物流按其业务目的可以分为供应物流、生产物流、销售物流、回收物流和废 弃物流。生产系统物流担负运输、储存、装卸物料等任务，物流系统与生产制造 的关系密一切，是生产制造各环节组成的有机整体的纽带，又是生产过程维持延 续的基础。可以说生产物流是指包含有运输、仓储、包装、装卸搬运、加工制造 和配送等诸多功能要素的生产综合服务系统。同生产物流相关的还有信息流和资 金流。与制造业相适应的物流系统一般都具有结构复杂、节奏快、路线复杂、信 息量大、实时性要求高等特点，因此很难建立一个有效的模型对其进行详细、直 观地描述。 由于p e t r i 网模型的图形表述和数学描述，使它既可采用数学分析，又可通过 图形形象地描述出物流系统的运行过程，因此p e t r i 网建模技术在物流系统建模中 有着广阔的前景。 p e t r i 网作为一种较好形式化的描述工具，在描述物流中有以下优势： ( 1 ) p e t r i 网非常适合描述离散动态模型，物流本身就是一个复杂、动态、离散 的过程，物流的存储、搬运都是一个离散的集合。 ( 2 ) p e t r i 网具有图形化表达的形式语义，有严格的数学定义和精确的语法和语 义定义，表达方式比较直观易懂，为分析提供有效的图形工具，能够较好的描述 西安建筑科技大学硕士学位论文 具有分布、并发和异步、并行、不确定和随机特征的复杂系统。 ( 3 ) p e r i l 网具有基于状态的流程描述方式及丰富的模型分析方法，物流的行为、 状态和性能的分析都可以通过p e t r i 网技术( 可达性、安全性、不变性、有无死锁) 加以解决。 因此，本文试图用p e 仃i 网来建立一个有效的制造业物流模型，并进行适当的 分析和模拟来验证系统的运行情况，并将其应用到实际系统中，使企业的整个物 流供应过程更加协调、畅通，并将企业的原材料仓库、产品仓库的库存控制在一 个合理的范围内，降低企业的生产成本。 1 2 目前国内外研究现状 1 2 1 国际现状 物流一词是第二次世界大战期间从军事后勤学( l o g i s t i c s ) 的含义演变来的，最 早源于美国，后被日本引进。物流作为“供”、“需”间有机衔接的桥梁，逐渐发展为 一门学科。也就是说，物流学从产生时间算起还不超过一百年，还是一门年轻的 科学【l j 。但是，由于物流管理在企业管理中的重要作用，使得有关物流的研究自它 产生之初就得以迅速的发展，国外关于物流管理的成果层出不穷。2 0 世纪6 0 年 代，国外研究的重点是物流的概念、物流的重要性、企业降低物流成本的方法、 运筹学及其它优化技术在物流中的应用等，7 0 年代研究配送中心自动化技术、j i t 在物流中的应用以及其它物流技术等，1 9 7 0 年，日本早稻田大学的西泽修教授把 他的著作流通费的副标题写作“不为人知的第三利润源泉”。从此，物流开始被 人称之为企业的“第三方利润源泉。” 2 1 8 0 年代对物流的研究主要在信息技术方面， 如g p s 、物流查询与跟踪技术及物流与m r pi i 、d r p 等的集成应用等，随着网 络技术时代的到来，9 0 年代主要研究物流在网络中的应用、第三方物流、供应链 以及相应技术，如电子商务与物流、e r p 、v m i 、g r o s s d o c k i n g 等【”。物流的基 本任务是完成物资( 包括原材料、辅助工具、半成品、成品等) 的储存和运输i l j 。目 前，国外对物流开展研究的科研机构和企业很多，著名的有美国物流管理协会 ( c l m ：c o u n c i lo f l o g i s t i c sm a n a g e m e m ) 、欧洲克兰菲尔德大学的克兰菲尔德物 流与运输研究中心( c c l t ：c r a n g f i e l dc e n t r ef o rl o g i s t i c sa n dt r a n s p o r t a t i o n ) 等， 这些科研机构对物流管理的研究成果有力地推动了物流知识在企业经营实践中的 应用。 物流理论研究的深入使人们看到，只对企业内部生产经营过程的物流运作及 内部功能要素进行集成是不够的。当代企业良好的运作离不开供应链上下游企业 的配合和协作。所以，物流研究开始将集成的范围扩展到企业外，涉及企业与供 应链上其它企业的合作。1 9 9 8 年美国物流管理协会对物流的定义为：“物流是供 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 应链流程的一部分，是为了满足客户需求而对商品、服务及相关信息从原产地到 消费地的高效率、高效益的正向和反向流动及储存进行的计划、实施与控制过程”。 国际上近来的研究主要是把物流作为供应链管理中的一个重要环节，作为一种整 体性的战略管理体系来研究的，现在已经扩展到了所有加盟企业的长期合作关系， 特别是集中在合作制造和建立战略伙伴关系方面，而不仅仅是供应链的连接问题， 其范围已经超越了供应链出现初期的那种以短期的、基于某些业务活动的经济关 系，更偏重于长期计划的研究【2 j 。 制造业生产物流系统属离散事件动态系统( d i s c r e t ee v e n td y n a m i cs y s t e m s ) 。涉 及到很多复杂的因素，很难用数学解析方法来建立模型。近些年，国际上在离散 动态系统的建模、分析、优化等方面的研究取得了很大进展，出现了很多新的建 模技术。可概括地将这些建模方法可分为形式化建模技术和非形式化建模技术两 大类。前者是指采用大量的数学工具通过状态方程对系统进行描述和分析，如排 队网络法、极大代数法、扰动分析法、p e t r i 网法等等【3 ，4 j ；非形式化建模技术是指 采用图形符号或语言描述等较贴近人们思维习惯的方式对系统进行描述和分析， 主要借助计算机程序来实现，如活动循环图、流程图法、面向对象建模技术等等【l ，4 】。 a a l s t 是最早将p e t d 网引入到物流仿真中的学者，他创建了基于p e t r i 网的仿 真建模工具e x s p e c t ( 1 9 8 8 ) ，并使用该工具建立了一个产品族的供应链模型，用来 分析该产品族的业务流程重组，比较不同的供应链方案【4 】，1 9 9 2 年在他的博士论 文中系统性地阐述了分时着色p e t r i 网在物流系统中的应用1 5 j 。 作为物流研究的一个重要工具，p e t r i 网最初是由德国科学家c a r la d a mp e t f i 于1 9 6 2 年在他的博士论文中提出的，用来研究通讯系统的一种图形化数学工具。 最早，p e t r i 网主要用来研究计算机与信息处理。六十年代p e t r i 网的研究以孤立的 网系统为对象，以分析技术和应用方法为目标。通用网论从七十年代开始研究， 主要内容为网系统的分类及各网类之间的关系，包括：并发论、同步论、网逻辑 和网拓扑。近年来，有关p e t r i 网的论文已经出现在各种学术年会和期刊上。四十 多年来，p e t r i 网不断地充实和发展，p e t r i 网理论已发展成为一个比较完整的体系， 是分析具有并发、并行、异步、同步、资源共享、随机等特征的系统的有力工具。 p e t r i 网理论的研究取得不少成果，如p e t r i 网的结构性质、p e t r i 网语言、随机网、着 色网。谓词变迁系统等等。由国内吴哲辉教授和美国的t m u r a t a 教授共同提出的 p e t r i 网的公平性取得了十分完整的结果，对于解决网系统中两个变迁( 变迁组) 的发生的关系提出了理论依据。 p e t r i 网研究的系统模型行为特性包括：状态可达性、位置有界性、变迁的活 性及广义性和公平性等。p e t r i 网模型的主要分析方法有：关联矩阵、状态方程、 可达树、不变量分析和分析化间规则。p e t r i 网的抽象、描述能力也在不断地向纵 向和横向发展。纵向方面，从最基本的事件变迁网( c e ) ，经过位置变迁网( p 厂r ) ， 西安建筑科技大学硕士学位论文 发展到高级网( h l c ) ( 包括位置变迁网和着色网) 。横向方面，从一般有向弧发 展到禁止弧和可变弧，从原子变迁发展到谓词变迁和子网变迁，出现了时间p e 砸 网、随机p e m 网、和模糊p e t r i 网。 应用p 缸网理论主要从事用p e t r i 网模拟、分析和洞察系统的研究。结合当 今技术的发展越来越多的应用到通讯系统、分布式系统、并行计算机系统、供应 链管理及自然科学社会科学的很多方面。应用p e m 网理论的一个重要方面就是并 发系统p e t r i 网分析工具的构造。p e m 被应用于分析和设计系统时，如果系统规模 较大则其对应模型必将十分复杂。人工分析显然是低效且不十分可靠的。因此， 分析中若能有效的使用计算机则可十分迅速可靠的得到p e t r i 网的性质。例如：日 本日立公司开发的一种基于p e t r i 网的应用软件，奢良成功地控制了组装线和自动 t 作倒装卸材料的时序控制器。在自动化系统中广泛应用的可编程控制器( p l c ) 是一种时序控制器，它是用梯型逻辑流程图来编写的，难以调试和修改。而基于 p e t r i 的时序控制器是易于设计、实现、维护的，据说比传统的方法大大地减少了 系统的开发时间。 普通p e m 网在应用方面主要有两个缺点：( 1 ) p e 扛i 网中没有数据概念，所有 控制数据都必须由网结构来表示；( 2 ) 没有分层概念，因此，它不能将一个很大 的模型用一系列定义了接口的子模型来表示。对于一个中小型系统来讲，基于p e t r i 网的建模分析都庞大到近乎无法实现的程度，手工方式完成已失去意义。很多p e m 网的研究机构都认为借助计算机，利用仿真技术来进行研究是十分有效的方法。 目前似乎每一个p e m 网的研究机构都有其自己的仿真、分析软件，缺乏一种被大 家普遍接受并广泛应用的统一软件。利用仿真技术来提高工作效率和分析的可靠 性就显得十分的必要。现在，我们利用高级有色p e t r i 网可以避免普通p e 仃i 网在应 用上的两个缺点，为p e t r i 网在仿真领域上的研究提供了广阔的前景。 当今计算机及互联网技术的发展日新月异，计算机计算能力的发展促进了模 拟技术的应用和发展。用一个数学模型- p e m 网来表示一个系统，然后，通过 一定的算法让计算机对模型进行模拟仿真分析，就可以验证系统的合理性和有效 性。而计算机网络技术的发展，促使信息网络技术在物流上也得到了广泛的应用， 使物流中大量复杂的信息得到及时有效地处理，促成了技术的飞跃式发展。 1 2 2 国内发展水平 我国对于物流的认识完全始于国外。1 9 7 9 年6 月中国物资经济学会第一次 派代表团参加了在日本举行的第三届国际物流会议，从此物流这一概念传到了国 内。随后，中国物资经济学会又组团参加了连续几年的国际物流会议，使得物流 研究技术在国内开始起步。由于当时的中国经济落后，企业和有关部门对物流的 重要性不够重视，使国内的物流研究并没有真正地深入开展起来。直到2 0 世纪 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 0 年代以后，随着我国经济的发展，以及和很多跨国公司的经济合作，使得国内 对物流的研究活跃起来。但是，由于我们起步较晚，虽然我们在近十年当中已经 在物流研究上取得了相当的成果，我们在物流领域的研究始终还是落在了国际前 沿的后面。2 0 0 1 年4 月，中华人民共和国国家标准物流术语正式颁布，将物 流定义为：“物品从供应地向接收地的实体流动过程。根据实际需要，将运输、储 存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实现有机结合。” 制造业物流研究的核心问题是如何对生产过程的物料流和信息流进行科学地规 划、管理与控制。具体研究内容包括：物流系统建模技术、物流设备技术、物流 系统管理技术、物流仿真技术等。 我国物流技术的研究起步也较晚，主要集中在高等学校和少数研究所，研究 内容涵盖物流技术的主要领域，如清华大学现代物流研究中心主要研究物流综合 运输、物流信息技术、企业物流管理、物流仓储、物流及货运场站规划、物流环 境分析等方面的内容，南开大学现代物流中心主要研究物流产业政策、区域物流 规划、物流信息系统、物流系统优化、物流核算体系及绩效评价、物流服务管理 和供应链管理等领域方面的内容，同济大学主要研究物流信息系统规划、设计、 开发与维护以及企业物流的设计、管理与运作、供应链管理、物流企业的经营管 理、国际物流管理等方面的内容，北京科技大学物流工程系物流研究所进行了物 流系统诊断、物流发展规划、方案设计、物流计算机系统设计等方面的研究工作， 还出版了学术刊物物流技术与应用。 在国内企业方面，大多数对于物流的理解大多还停留在“物流就是储存和配送 运输”的层次上，这使得许多国内储运企业纷纷易名为物流公司。在学校教育方面， 从1 9 9 3 年原国家教委增设“物流管理专业”至2 0 0 1 年止，全国只有北京物资学 院、北方交通大学、北京科技大学、大连海事大学等大约1 5 所院校开设过物流 管理专业。 近几年，中国经济蓬勃发展，使得很多企业和机构都投入到企业物流研究中。 甚至不少学者已经对精益物流进行了不同程度的探讨和研究，如李松庆、潘瑞玉 等人对精益物流的实施过程和方法进行了比较全面的论述。 国内对p e a 5 网的研究工作是在文革结束之后开始的，研究成果主要发表在每 两年一次的p e a 5 网学术报告会论文集和每半年一期p e a 5 网通讯中，主要计算 机期刊上亦可散见。八十年代p e t r i 网的研究在世界及中国有了较大的发展，近年 来国内的主要研究集中在p e l f 网的语义、公平性、活性、网运算、网化简，p n 机理论等方面。袁崇义教授编写的p e t r i 网原理与应用一书系统的介绍了p e a 5 网的有关知识，并对其在电梯控制系统和工作流模型中的应用做了深入的研究1 6 j 。 蒋昌俊教授。刀建立了p n 机理论构架，在交叠语义和偏序语义下获得反映真并发 行为的文法及其p n 机结构，揭示它们的计算能力及其相互关系。江志斌博士将 西安建筑科技大学硕士学位论文 p e t r i 网运用于制造系统建模与控制中【8 j 。林闯教授对随机p e t r i 网及其应用进行了 深入的研究 9 1 ，并在p e t r i 网知识表示和推理方面的研究己发表了不少相关的论文。 每年都有很多p e t r i 网方面的论文在各个期刊上发表。p e t r i 网正以其独特的魅力越 来越多地受到学者们的青睐。 关于p e t r i 网在物流反面的应用研究，国内不少学者也取得了不少进展。清华 大学的吴耀华、颜永年和机械部北京自动化研究所的曾庆宏等于1 9 9 6 年提出了一 种基于p e t r i 网动态模型的物流系统的p e t r i 网模型【l0 】，可以将物流系统的物理过程 通过网系统形象地表示出来。詹跃东( 2 0 0 1 ) 对烟草行业的卷接包车间的a g v s 构 造了p e t r i 网模型，并进行了仿真【1 ”。李炜( 2 0 0 2 ) 提出了基于时间p e t r i 网的物流工 作流模型，以此对物流系统进行建模1 12 1 。江志斌p e t r i 网在制造系统建模与控制中 的应用作了深入详细的研究【8 】。 2 0 0 5 年6 月，合肥工业大学的朱华柄在他的博士论文中，将面向对象赋时p e t r i 网和面向对象有色p e t r i 网理论应用到物流信息系统建模中，以整个产品工艺过程 系统为对象建立了制造加工p e t r i 网系统，然后分别以零部件加工机群、装配生产 线为对象建立制造加工子网系统在子网系统中分别建立加工时间模型、作业网模 型、装备网模型、工作组网模型，并在此基础上进行死锁、仿真等分析【l3 1 。 1 3 本论文研究的主要内容 制造业物流管理是物流管理的一个典型实例，根据物流性质的不同，制造业 物流又可分为供应物流、生产物流、销售物流三种不同的方式i l “，为便于描述， 我们仅对制造业供应物流加以分析。对制造业内部的物流系统的描述是一个很复 杂的过程。若采用普通p e t d 网来描述，系统模型将会很庞大、很复杂，本文首先将 制造业内部物流分为几个子模块，然后，分别对各个子模块进行分析，并建立了 相应的p e t r i 网模型子系统；然后建立了一个制造也物流的综合参考模型，由于该参 考模型的p e t r i 网表示很复杂，于是引入了高级p e t r i 网，分别采用谓词变迁系统和 有色p e t r i 网来对该参考模型进行分析和描述，并指出了二者各自的有缺点。采用高 级p e t r i 网来描述复杂的离散系统，不但可以描述系统的动态、并发等特征，还大大 降低了系统的复杂性，既克服了普通p e t r i 网的不足之处，又保留了普通p e t r i 网的优 点( 如直观、动态、并发等) ，今后将会是复杂物流建模的非常好的工具。 本论文的结构如下： 第一章：主要论述了论文研究的背景及目前国内外研究的现状； 第二章：介绍了p e t r i 网的基本理论，通过分析制造系统中几个关键环节的物流 子过程，建立了相应的p e t r i 网子模型； 第三章：对现代制造企业内部的物流过程进行了综合分析，建立了一个制造 6 西安建筑科技大学硕士学位论文 业内部物流综合的参考模型示意图，在此基础上，采用谓词变迁系统对该参考模 型进行了分析和描述： 第四章：给出了制造业物流的有色p e t r i 网综合模型，并通过具体实例进行了模 拟仿真； 第五章：总结和展望； 定义了几种矩阵运算规则来模拟系统的运行，大大提高了系统的运行效率。 论文中首先给出了制造业内部的物流流程示意图，并对其进行了简要的分析和描 述，然后，对该图进行抽象，建立了着色p e t f i 模型，并对该模型进行了模拟仿真。 本论文主要完成的工作如下： 1 通过分析制造业内部的物流的运作过程，给出了制造系统中常见的几个关 键环节的物流p e t r i 网模型； 2 提出了一种比较合理的制造业内部物流系统的综合参考模型： 3 对提出的制造业物流模型进行抽象和化简，并分别建立了相应的谓词变迁 系统模型和有色p e t r i 网模型。 4 在库存控制模型中，引入了条件弧和抑制弧来描述和解决库存的控制问题； 5 对提出的有色p e t r i 网模型进行了模拟仿真，并给出了相应的仿真推理算法； 6 对模型给出了应用实例； 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 制造业生产物流子系统的p e t r i 网模型 系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成的，具有特定功能的 有机整体，而且这个整体又是它从属的更大的系统的组成部分【1 3 4 1 。按照物流的 组成功能，物流系统的基本功能共有六个，即运输、储存，包装、装卸搬运、流 通加工和物流信息处理功能【2 】。其中物流存储和物流加工过程最为复杂。物流存储 涉及到对库存的控制，如何将库存控制在一个合理的范围内( 既能够提供不问断 生产所需的材料及稳定的供货产品，又使库存不会积压太多，节约生产成本) 是 一个比较复杂的过程。物流加工中，不同产品的生产工艺过程各不相同，同一条 生产线上可能对应着多种产品，如何合理地协调各条生产线有条不紊地生产多种 产品也是一个非常复杂的过程。本章将通过建立p e t r i 网模型对制造业基本生产过 程进行分析。 2 1p e t r i 网理论 2 1 1p e t r i 网的基本概念 有很多文献都有关于p e t r i 网定义的描述，国内比较权威的是文献 6 】，该文献 对p e t r i 网理论做了系统详细的介绍，但把p e t r i 网描述的过于复杂，如普通p e t r i 网又分为：p e t f i 网( 或p r e 网) 、出现网、条件事件系统( c e 系统) 、库所变迁 系统( p 厂r 系统) 等，作为一种优秀的建模工具，我们主要用它来描述、模拟和 分析系统的性能，为了将p e t r i 网建模方法推广，使一般的读者都能够理解和运用， 没有必要将其描述得太深、太复杂，因此，本文采用了文献 1 5 中的更通俗易懂的 定义方法。 定义2 1 基本p e t r i 网是一5 要元描述的有向图： p n = ( p ，t ，1 ，o ，m ) 此处： ( 1 ) p = p i , p 2 ，拂 是库所的有限集合，n 0 为库所的个数； ( 2 ) r = f l t 2 ，t m 是变迁的有限集合，m 0 为变迁的个数； ( 3 ) i ：p x t - + n 为输入函数，它定义了从p 到r 的有向弧的重复数或权的集合， 其中= 0 ，1 ， 为非负正数集； ( 4 ) o ：弘p 一为输出函数，它定义了从丁到p 的有向弧重复数或权的集合； ( 5 ) m ：p 一为p e t r i 网的标识，它为一列向量，其第i 个元素表示第f 个库所 中的托肯( t o k e n ) 数目，m d 为初标识表示系统的初始状态。某一库所p 中 所包含的托肯数目用m 来表示。 8 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 6 ) p n t = o ( 表示库所和变迁是两类不同的元素) ，且p u 殍a ( 表示网中至少 要有一个元素) 。 这里“”为笛卡尔积。若用坳，f ) = w 表示从库所p 到变迁r 的输入函数的取值， 用d ( 功= w 表示从库所r 到变迁p 的输出函数的取值，且w 为非负整数，则j r 和 d 均可表示为n x m 非负整数矩阵，与d 之差c ：o - - i 称为关联矩阵。 一般地，我们用，表示变迁t 的所有输入库所的集合，卜l 表示t 的输入库所 的个数；f 表示变迁t 的所有输出库所的集合，川表示t 的输出库所的个数；p 表 示库所p 的输入变迁集合，p - 表示库所p 的输出变迁集合，f pi 和圳分别表示它们 的个数。 定义2 3 一变迁t r 在标识m 下可激发，当且仅当：v p ee t ：m 型p ，f ) 。 e t 表示t 的输入库所集【l 】。变迁t 的激发将从e t 中移去相应数量的托肯，并在f 中 增加一定数量的托肯，从而使p e t r i 网的标识发生变化，其变化满足一下规则： 定义2 4 变迁r 在标识m 下激发后将产生新标识m ，对于v p s p ： m ( p ) = m ( p 一i 缸? 口 、p 6 q m 例+ o ( p , o 坳t 。 m 例一丑n o + o ( p , ov p e t p t ”例 砌g f p g f 我们称标识m 嗵过t 的激发从m 可达，记为：聊胗m 。 定义2 5 若从m o 开始激发某一变迁序列品产生标识m ，则称m ，是从m o 可达 的，记为：m o k 脚，所有从m o 可达的标识的集合称为可达集，记为r ( m o ) 。其 中s r - = - t j l ，t r ，- ，l ， 为1 到m 之间的整数。 将所有标识以及产生这些标识的变迁用一个用节点和有向弧连接的图形表 示，图中的节点表示标识，节点之间用带箭头的连接弧来表示变迁。有向弧始端 所连接的标识通过该有向弧所代表的变迁激发，产生该有向弧末端所连接的标识， 这样的图称为可达图( 或可达树) 。 设c 为一删的关联矩阵，m 女表示第k 次运行后p 的标识，则第抖1 次运行 后p n 的标识为： ，卯抖l = 珊一c u k ，也：o ( 2 - 1 ) 其中u k 为激发记数向量，其第i 个元素表示在第斛1 次运行中变迁t t 的激发次数。 式( 2 1 ) 称为p n 状态方程。 定义2 6 状态矩阵彳= ( 口l ，a 2 ，锄) o ，其中，嘶= ( 口订，a f 2 d 曲为一行向量，的 表示变迁i 激发后，库所，中的托肯数。显然，a o ：m 0 2 。 当我们建立了系统的p e t r i 网模型后，系统的状态可以用模型中的标识的变化 来描述，系统的性能可以通过可达图来追踪，从而找到从初始标识到目标标识的 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 最优路径( 调度计划) ，也称之为一个变迁激发序列。构建可达图的方法如下： 算法1 可达图的生成 s t e p1 将初始标识卅0 作为图的初始节点，并标记为 n e w ； s t e p2 若标记为“n e w 标识存在，则转向s t e p3 ，否则，结束； s t e p3 检查某一标记为“n e w 的标识m ，若m 与已有的其他标识相同，则将 其标记为“o l d ，并转向其他记为n e w 的标识，若在m 下无变迁可激发，则将m 标记为“d e a d ”( 死点) ； s t e p 4 若在m 下有变迁t 可激发，则激发t ，产生新的标识m7 ，并以m7 为节 点从m 至m 画一有向弧，将其标记为t ，将m 标记为“n e w ； s t e p5 若在m 下无变迁可激发，则去掉m 的“n e w 标记，转向s t e p2 。 对于库所容量为有限的时候我们可以构建系统的可达图，但是当库所的容量很 大或为无限时可达图将无止境地扩展，为此，我们可以构建覆盖树来代替无限可 达图。 定义2 7 对于v p p ：m 2 ( p ) 兰掰l ( p ) ，则标识m 2 覆盖m l ，表示为m 2 兰_ m 1 。 下面引入符号“”代表“准无限大”，表示任意大的托肯数，其中，对于任意大 的正数n ，满足： ( 1 ) 疗 ；( 2 ) t o m ”) ， 则将m7 ( p ) 中那些大于m ”( p ) 中对应的元素的值用取代，并以m7 为节点从 m 至m7 画一有向弧，将其标记为 将m7 标记为“n e w ； s t e p5 同算法1 中的s t e p5 。 2 1 2p e t r i 网的模型表示方法 p e t r i 网是一种有向图，它的结构元素一般包括： 库所( p l a c e ) ：图中用圆圈0 表示，用于描述可能的系统局部状态( 条件或状 况) 。一般被用来描述模型的输入、输出变量，或者模型的状态。 变迁( t r a n s i t i o n ) ：图中用粗短线“r 、实心矩形1 ”或空心矩形“口”表示，用于 描述系统状态改变的时间。在存在条件输出情况时，变迁还要被用来描述约束条件。 有向弧( d i r e c t e da r c ) ：用于连接库所和变迁。有向弧完成由事件所引发的局部 1 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 状态的转换，必须起始和终止于不同的元素，图中不能存在任何孤立的元素( 即多 余或不完整的信息) 。弧线表示模型体系中的各个变迁与库所之间相互关系。 托肯( t o k e n ) ：图中用库所中的黑点“”表示，代表资源或条件数目。p e t r i 网系 统实质上是一个静态结构，而系统的动态行为是通过库所中托肯的动态变化来表 示。如果一个库所描述的是一个条件，当库所中含有托肯则表示条件为真：否则， 为假。如果一个库所描述的是一个状态，在这个库所中的托肯数就用于规定这个 状态。 标志( m a r k ) ：是用来说明变量值是否存在的符号，如库所上的标志为1 ，则它所 表示的变量值存在，当变迁的所有输入库所的标志均存在时，该变迁表示的算子就 可以运算，若变迁的输入库所集的一个库所的标志不存在，则该变迁表示的算子就 不能计算。 图2 1 为物流中可能出现的几种情况的p e t r i 网表示方法【1 7 1 【1 9 1 。 p l f l p 2 t 2 p 3 ( a )