（计算机软件与理论专业论文）基于时间petri网的协同设计过程时间推理及仿真研究.pdf

g，j日l：j岱q日1i刮q口鼯 一。 中文摘要 协同设计是以现代设计理论为基础的一种先进的产品设计模式。它是在计算机软硬 件工具支持的网络环境下，由两个及两个以上的设计主体基于设计对象全生命周期的信 息需求，通过一定的信息交换、知识共享和相互协作机制，互相合作地完成整个产品设 计目标的过程。它以产品设计过程中协同问题为研究对象，通过相互协作，以求达到提 高设计效率、缩短设计周期和增强产品竞争力的目标。 协同设计过程就是基于现有的设计理论和方法对设计问题进行求解的过程。它是一 个具有设计任务并发执行和设计过程动态不确定性特点的复杂过程。为了使设计的产品 赢得市场，需要在规划设计阶段对整个设计过程的时间进行充分的预测，以便尽早发现 问题。本论文在深入分析协同设计过程特点和时间p e t r i 网( t i m ep e t r in e t ，t p n ) 的基础上， 做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 给出了基于时间p e t r i 网的协同设计过程模型的形式化定义。 ( 2 ) 根据协同设计过程时间p e t r i 网模型的几种基本关系模型，给出了过程模型的 等价约简和时间推理规则。通过对协同设计过程的建模，并应用等价约简及时间推理规 则，能够计算出整个过程完成的最早时间和最迟时间。 ( 3 ) 用d e l p h i 开发了一个基于时间p e t r i 网的协同设计过程时间推理仿真系统，提 供了可视化的建模和时间推理仿真环境。在仿真平台中能够建立产品协同设计过程模 型，通过输入各设计活动的时间参数，可以模拟在不同初始条件下的实时运行情况，并 能够快速自动推理得出整个过程完成的最早时间、最迟时间和介于二者之间的某个中间 时间。 协同设计过程的时间推理结果为协同设计任务的时间安排及规划提供了参考依据， 建立的仿真工具方便了时间性能的分析，缩短了时间推理工作的耗时，对产品的协同设 计具有较好的适用性和可扩展性。 关键词：协同设计；时间p e t r i 网；t p n 协同设计模型；时间推理；协同仿真 0_，妒一 a b s t r a c t c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni sa na d v a n c e dp r o d u c td e s i g np a t t e mw h i c hi sb a s e d o nt h et h e o r yo fm o d e md e s i g n i ti sap r o c e s st h a tt h ew h o l ep r o d u c td e s i g n g o a l sa r ec o m p l e t e db yt h ec o o p e r m i o no ft w o o rm o r ed e s i g ns u b je c t si nt h e c o m p u t e rs u p p o r t e d n e t w o r ke n v i r o n m e n t t h ed e s i g nw o r ki sc a r r i e do u tb a s e d o nt h ew h o l el i f ec y c l ei n f o r m a t i o nd e m a n do ft h ed e s i g no b j e c ta n di sb ya c e r t a i nd e g r e eo fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e ，k n o w l e d g es h a r i n ga n dc o l l a b o r a t i v e m e c h a n i s m s i tc o n s i d e r st h ec o l l a b o r a t i v ei s s u e si nt h ep r o d u c td e s i g np r o c e s s a st h er e s e a r c ho b j e c t t h ep u r p o s eo fc o l l a b o r a t i v ed e s i g ni st oi m p r o v ed e s i g n e f f i c i e n c y , s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n d e n h a n c et h ep r o d u c tc o m p e t i t i v e n e s s c o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s si sap r o c e s st os o l v et h ed e s i g np r o b l e m s b a s e do nt h ee x i s t i n gd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d s i ti sac o m p l e xp r o c e s si n w h i c ht h ed e s i g nt a s k sw i l lb ec o n c u r r e n t l yi m p l e m e n t e da n d t h ed e s i g np r o c e s s w i l lb ed y n a m i ca n du n c e r t a i n i no r d e rt ol e tt h ep r o d u c tw i nt h em a r k e t ，a l l e n t e r p r i s es h o u l dp r e d i c t t h et i m eo ft h ee n t i r ed e s i g np r o c e s sa d e q u a t e l yi nt h e p l a n n i n ga n dd e s i g ns t a g e s ot h ee n t e r p r i s e c a nf i n dp r o b l e m sa ss o o na s p o s s i b l e b a s e do nt h ei n d e p t ha n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o l l a b o r a t i v e d e s i g np r o c e s sa n dt i m ep e t r in e t ( t p n ) ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw a sm a i n l y d o n ei nt h i sp a p e r ： f i r s t l y , t h ef o r m a ld e f i n i t i o no f c o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s sm o d e lb a s e d o nt i m ep e t r in e ti sp r o p o s e d s e c o n d l y t h ee q u i v a l e n ts i m p l i f i c a t i o na n d t i m er e a s o n i n gr u l e so fs e v e r a l b a s i cm o d e l si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s sa r eg i v e nb a s e do nt i m ep e t r i n e t a p p l y t h ee q u i v a l e n ts i m p l i f i c a t i o na n dt i m er e a s o n i n gr u l e st ot h ee n t i r em o d e l o ft h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s s ，t h ee a r l i e s tf i n i s ht i m ea n dt h el a t e s tf i n i s h t i m eo ft h ee n t i r ep r o c e s sc a nb ed e d u c e d f i n a l l y , as i m u l a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db yd e l p h i ，w h i c hp r o v i d e s a v i s u a ls i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rm o d e l i n ga n dt i m er e a s o n i n g t h em o d e lo f t h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g np r o c e s sc a nb ec o n s t r u c t e do nt h ep l a t f o r m a l s o ，b y i l i i n p u tt h et i m ep a r a m e t e ro ft h ea c t i v i t i e s ，t h er e a l t i m er u n n i n gs t a t u sc a nb e s i m u l a t e da td i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n s ，a n dt h ee a r l i e s tf i n i s ht i m e ，t h el a t e s t f i n i s ht i m ea n dt h et i m eb e t w e e nt h ee a r l i e s ta n d1 a t e s tf i n i s ht i m eo ft h ee n t i r e p r o c e s sc a nb ed e d u c e dq u i c k l ya n da u t o m a t i c a l l y t h et i m er e a s o n i n gr e s u l tp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt i m ea r r a n g e m e n ta n d p l a n n i n go ft h et a s k si nc o l l a b o r a t i v ed e s i g n t h es i m u l a t i o nt o o lf a c i l i t a t e st h e t i m ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc o l l a b o r a t i v ed e s i g n i th a sg r e a t l yr e d u c e dt h e t i m e c o n s u m i n go ft h et e m p o r a lr e a s o n i n gw o r k a l s ot h es y s t e mh a db e a e r a p p l i c a b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yf o rt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g no fp r o d u c t s k e yw o r d s ：c o l l a b o r a t i v ed e s i g n ；t i m ep e t r in e t ；c o l l a b o r a t i v ed e s i g nt p n m o d e l ；t i m er e a s o n i n g ；c o l l a b o r a t i v es i m u l a t i o n i v 目录 中文摘要i a b s t r a c t ? i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 产品的协同设计概念2 1 2 1 协同设计的概念_ 一2 1 2 2 协同设计的特点3 1 3 基于t p n 协同设计的国内外研究现状4 1 4 课题研究的内容5 1 5 论文的组织结构6 1 6 本章小结6 第二章基于时间p o t ri 网的建模与分析技术7 2 1p e t r i 网技术7 2 11 1p e t d 网基本概念7 2 1 2p e t r i 网的动态性质lo 2 1 3p e t r i 网的分析方法。1 1 2 1 4p e t r i 网基本运算1 2 2 2 时间p e t f i 网技术的研究1 6 2 2 1t p n 基本定义1 6 2 2 2t p n 技术的研究。l6 2 3 本章小结17 第三章基于t p n 的协同设计过程时间推理1 9 3 1 协同设计过程t p n 模型1 9 3 1 1 基于t p n 的协同设计过程模型定义1 9 3 1 2 基于t p n 的协同设计过程模型的基本关系模型2 0 3 1 3 基于t p n 建立过程模型的基本规则2 2 3 2 基于t p n 的协同设计过程模型等价约简及时间推理2 2 3 2 1 基于t p n 的协同设计过程基本模型的等价约简2 2 3 2 2 基于t p n 的协同设计过程时间推理2 5 v 3 3 基于t p n 的协同设计过程模型建立及时间推理实例分析2 5 3 4 本章小结2 8 第四章基于t p n 的协同设计过程时间推理仿真系统的设计2 9 4 1 仿真基本原理2 9 4 2 需求分析2 9 4 3 系统开发运行环境3 0 4 4 仿真系统的体系结构3 0 4 5 仿真系统的数据库设计3 l 4 6 仿真系统主要功能模块设计3 3 4 6 1 图形编辑工具栏的实现3 3 4 6 2 模型建立的实现3 4 4 6 3 变迁时间参数设置的实现3 6 4 6 4 模型仿真及时间推理的实现3 8 4 7 链式输送机驱动装置协同设计过程仿真实例分析4 0 4 8 系统测试4 3 4 9 本章小结4 6 第五章结论与展望4 7 5 1 全文总结4 7 5 2 研究展望4 7 参考文献4 9 j g 【谢51 攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 v i 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖t 匕 1 1 课题研究背景及意义 全球经济一体化和信息技术的高度发展，极大地改变了制造业的设计生产方式和管 理模式。如何有效地提高产品质量、降低成本、缩短产品上市时间已成为企业必须考虑 的问题。为了赢得市场，企业需要采用先进的设计方法，从而能够快速地研发出适应市 场变化和需求的产品【- - z 。 在计算机软硬件技术和网络技术的迅猛发展和市场竞争的日趋激烈之下，传统的产 品设计方法已经受到了巨大的挑战。现在的产品设计技术不论从深度还是广度都发生了 巨大的变化，逐渐出现了并行设计、协同设计等先进的产品设计模式。随着产品复杂性 的提高，传统意义上单独的设计者不再可能依靠自身设计能力来掌控和完成整个设计过 程，往往需要由多学科领域的设计参与者共同来承担整个设计任务，甚至要求跨地区、 跨企业、跨部门的设计者共同来承担设计项引3 1 。单靠某一种现有产品设计技术已不能 满足生命周期越来越短、功能越来越复杂产品开发的要求，所以迫切要求产品丌发模式、 开发工具以及环境适合于多功能设计团队协同工作。 计算机支持的协同工作( c o m p m e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ew o r k ，c s c w ) 将计算机技 术、网络通信技术、多媒体技术以及各种社会科学紧密结合起来，向人们提供了一种全 新的工作环境和交流方式，通过建立协同工作环境，可以改善人们交流的方式，提高群 体的工作效率。计算机支持的协同设计( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o l l a b o r a t i v ed e s i g n ，c s c d ) 是c s c w 的一个重要的应用领域，其根本的出发点是提高设计效率。它主要研究如何 利用计算机网络技术、通信技术、多媒体技术、分布处理技术以及人机接口技术建立协 同环境，使得来自不同学科的设计人员能够通过群体协同的方式共同完成产品设计任 务。协同设计从根本上改变了传统的单机作业的产品开发方式，在分布式协同设计环境 下，不同地点的设计人员可以在产品开发过程中随时寻求合作，借助于协同设计系统提 供的电子邮件系统、网络会议系统等工具进行讨论和协商，实现人一人交互，共同完成 产品的开发。协同设计已成为解决产品创新设计问题的一种新型方式。 协同设计过程是一个复杂的过程。时间性能分析是协同设计中的一个重要研究内 容。产品要赢得市场，需要在规划设计阶段对整个设计过程的时间进行充分的预测，以 便尽早发现问题。对时间的预测主要是对协同设计过程进行时问推理，即推测整个设计 从开始到结束需要的最早时间和最迟时间。 时间推理的关键在于对过程进行有效建模。而p e t r i 网是一种面向图形的建模语言， 具有很强的动态分析能力。基于时间p e t r i 网实现过程模型的时间预测是一种行之有效 1 基于时间p e t r i 网的协同设计过程时间推理及仿真研究 的方法。将时间p e t r i 网技术应用到协同设计过程的时间性能分析中，将会为产品设计 任务的时问安排和规划提供参考依据。使企业尽早知道产品设计周期，以做出合理安排。 本课题研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 产品的协同设计概念 1 2 1 协同设计的概念 所谓设计，就是尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形态存在的资源， 而创造出满足预先陈述的功能要求的物质实体，以实现对某一设计对象潜在要求的过程 1 3 】。设计是设计者进行的一种有目的、有意识、有计划的活动。随着科技的发展，设计 技术不论从深度还是广度都产生了很大的变化，逐渐出现了优化设计、并行设计、协同 设计和虚拟设计等先进的设计模式，这些先进的设计模式又促使产品更新换代的时间越 来越短，往往一个产品刚刚问世，它的第二代、第三代产品则很快接踵而来。 协同是人类社会解决各种复杂问题或完成各种大规模任务的一种重要和有效的工 作方式，它通过团队中多个成员的共同努力和合作而最终完成任务。随着计算机技术和 网络技术的迅猛发展，传统上孤立的工作方式、以单一信息媒体交流的信息交互方式已 远远无法满足需求，信息共享和人与人之间的合作日益重要。 协同设计是计算机支持的协同工作在设计领域的应用，是对并行工程、敏捷制造等 先进制造模式在设计领域的进一步深化。协同设计的概念在以往的研究中有所涉及，但 没有一个比较明确的定义。 r o s e m a n 【4 l 定义协同设计为在计算机的支持下，各成员围绕一个设计项目，承担相 应的部分设计任务，并行交互地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果的设计方 法。 b o d k e r 5 l 认为协同设计是一种系统化的方法，它要求设计者从一开始就考虑到用户 需求、概念直到质量、价格、计划安排等各种因素。协同工作的目标就是要缩短开发周 期，改善产品质量，降低产品成本，增强竞争能力。 潘云鹤【6 】认为协同设计是为了完成一定的设计目标，由两个或两个以上设计主体或 专家，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完成设计目标 的设计方法。 于海斌等【7 】认为协同设计是指利用计算机技术、多媒体技术和网络通信技术，支持 工作群体成员在共享环境下的协同工作、交互协商、分工合作、共同完成某些任务。 马峻【3 】认为协同设计是一种设计理念，指多个胁同设计参与者在计算机支持环境中， 互相合作地完成整个设计项目的过程。它以产品设计过程中协同问题为研究对象，强调 2 第一章绪论 加强人一人、人一机、机一机之间的协同工作，通过自组织的协同活动达到总体目标优 化的目的。其研究目标是研究设计过程中各种协同活动的行为方式，从系统论和社会学 的角度对协同过程进行优化，并提供支持协同设计过程的计算机支撑环境。 协同设计实质上是指在计算机软硬件工具支持的网络环境下，由两个及两个以上的 设计主体基于设计对象全生命周期的信息需求，通过一定的信息交换、知识共享和相互 协作机制，互相合作地完成整个产品设计目标的过程。它以产品设计过程中协同问题为 研究对象，通过相互协作，以求达到提高设计效率、缩短设计周期和增强产品竞争力的 目标。 协同设计中的协同是指设计者通过协同工具不仅共享产品设计信息，而且可以共享 设计者之问的应用。其协同的含义具体体现在以下几个方面【3 j ： ( 1 ) 产品设计信息的协同。在产品的协同设计中，所有设计者面对的是同一产品 信息模型。由于同一信息源在不同设计环境中的描述不尽相同，不同的设计者出于不同 的需要，对信息的使用方式也有差别，因此存在不同设计者之间设计信息的规范和标准。 ( 2 ) 设计过程的协同。各个设计参与者所承担的子任务间存在一些关联性，这决 定了各个设计参与者的设计活动必须按一定顺序协调一致地进行。 ( 3 ) 设计工具的协同。不同设计参与者根据自身拥有的设计资源所使用的设计工 具不完全一样，同一设计者也可能使用多种设计工具，协同设计应该提供这些设计工具 的管理方法。 ( 4 ) 设计环境的协同。协同设计是跨部门，甚至跨企业的活动行为。不同部门、 不同企业的设计环境存在差异，并且这种异构的设计环境随着设计的进程是动态变化 的，所以异构环境的集成是协同设计系统的一个重要内容。 ( 5 ) 网络通信的协同。异构环境下各个设计者之间的通信是包含知识处理机制的 通信。通信过程包含对不同的知识理解以及表达方式之间的转换等协调工作。 1 2 2 协同设计的特点 协同设计过程是一个对产品设计问题进行求解的复杂的过程，其复杂性表现为：产 品设计需要多种人员和资源协同完成；在产品设计中涉及多种多样的技术；产品设计中 的设计任务之问的关系复杂，存在多个设计任务并发执行的情况；产品设计过程是一个 动态的、多次迭代的不确定过程。 协同设计过程相对于传统的设计过程具有如下特剧8 。1 1 】： ( 1 ) 群体性。协同设计具有多设计主体的特点，协同设计活动要求至少两个设计 专家参与设计，这些设计专家往往是相互独立的，各自具有不同的专业知识、经验和一 3 基于时间p e t r i 网的协同设计过程时间推理及仿真研究 定的分析解决问题的能力，最终的设计成果是群体智慧的结晶。 ( 2 ) 协同性。传统的设计活动是由单个设计主体构成，因此不存在协同的问题。 但是协同设计活动则不同，它要求多个设计主体相互协调完成设计任务，这就需要有一 种用来协同各个设计专家共同完成设计任务的管理机构，该机构至少要包括各个设计专 家的协议、通讯机构、冲突监测和仲裁机制等基本的信息交互模块。 ( 3 ) 灵活性。传统的设计活动的设计流程固定，设计主体任务明确，有的甚至形 成了标准，灵活性方面的特点并不突出。而协同设计则要求参与设计的专家是动态增加 或者减少的，其设计过程是灵活多变的，而且协同设计的体系结构也是灵活可变的。 ( 4 ) 共同性。传统的设计活动往往采用自上而下的顺序进行设计，其设计目的明 确，过程清晰，设计结果偏差较小。协同设计活动则不同，它要求多个设计主体按一定 的层次并行的进行设计活动，这就要求任务的设计目标和设计上下文必须保持一致，即 各设计专家小组要实现的设计目标是共同的，只有这样才能准确、高效的完成设计任务。 ( 5 ) 异构性。协同设计是跨部门、跨企业的，由于各企业、各部门的工作平台并 非完全相同，因此，其工作平台具有异构性，主要体现在共享的数据源、求解知识的表 达方式以及使用的软硬件等方面。 1 3 基于t p n 协同设计的国内外研究现状 p e t r i 网方法已广泛应用于协同设计工作流和产品开发过程建模的研究中，为描述 和分析具有并发性、异步性、分布式、非确定性等特征的复杂系统提供了强有力的手段。 国内外很多文献讨论了利用p e t a l 网进行建模，并对建立的模型进行时间性能分析。 l i n gs e a ，s c h m i d th 1 1 2 】基于时间p e t r i 网提出了时间工作流网的概念，并给时间工作流 网的每个变迁赋予一个时间区间；田锋等【1 3 】提出利用模糊定时高级p e t r i 网对协同设计 活动建立工作流模型，并给出了简化和推理规则；沈秀敏【1 4 l 利用扩展的模糊定时高级 p e t r i 网对协同设计过程建立工作流模型，并给出了时间推理规则；高梅梅、吴智铭等【l 孓1 6 1 用模糊时间p e t r i 网进行建模，并提出用线性逻辑描述标识的变化来表示p e t r i 网运行的 行为，推理得出整个模型的时间性能；刘婷等【1 7 】用时间p e t r i 网表示工作流模型并对基 本工作流模型进行时序分析，给出线性时间推理的规则并运用规则对复杂的模型进行逐 步化简，在线性时间复杂度内解决时间推理问题；庞辉等【l8 】采用模糊时间着色p e t f i 网 f t c p n 对协同设计流程建模，并提出基于f t c p n 的工作流网四种基本组件模型的简化 规则；衣晓升等【l9 j 提出一组时间p e t r i 网保持时间约束特性不变的网变换规则和简化方 法，通过反复运用变换规则减小整个网的规模来计算整个业务过程的时间；姜浩等【2 0 】 提出一种基于扩展时间p e t r i 网的时间性能分析方法；林闯【2 i 】提出随机p e t f i 网的模型中 4 第一章绪论 任意多个变迁组成的串联、并联、选择和循环结构的性能等价公式，给出了定量分析工 作流系统性能的通用方法。 上述这些针对时间性能的分析，都是通过建立工作流模型来分析过程的时间性能。 而且在使用p e t r i 网进行系统分析时，如果系统的状态变量数比较大，还需要借助于软 件工到2 2 。2 3 1 。 目前国外开发了许多p e t r i 网工具，这些工具一般都提供了p e t r i 网的建立、修改、 存储和仿真等功能，并可作p e t r i 网相关性质分析。例如，丹麦奥尔胡斯大学( u n i v e r s i t y o fa a r h u s ) 开发的一个集编辑、仿真和分析于一体的有色p e t r i 网工具c p nt o o l s ，可以 实现对非有色时间p e t r i 网和有色时间p e t r i 网的仿真，还可以对有色p e t r i 网的性能( 如 有界性、活性、死锁、冲突) 进行分析，可以对所建立的过程模型进行仿真执行，通过 仿真可以检查所建立的过程模型是否和实际要表达的过程一致，结构上和逻辑上是否有 错误等，给过程建模和性能分析提供了极大的方便，提高了性能分析方法的柔性和扩展 性。伦敦帝国大学的j a m i eb l o o m 等开发的p e t r i 网分析工具p i p e 也给p e t r i 网模型的 建立和分析提供了很大的方便。尽管取得了相当的成果，但这些标准的软件支持工具只 能作为一般的p e t r i 网分析工具，它们忽略了许多在真实生产中的实际情况，不能很好 地模拟真实系统。从实际应用状况来看，还远未达到人们所期待的状态，在解决具体产 品协同设计时还缺乏灵活性。在国内，关于p e t r i 网软件工具的开发起步较晚，还属于 初级阶段，开发的工具较少而且功能有限，很不完善2 4 1 。 1 4 课题研究的内容 本课题的研究内容如下： ( 1 ) 基于t p n 的协同设计过程模型描述。给出了基于时间p e t r i 网的协同设计过 程模型的形式化定义。 ( 2 ) 基于t p n 的协同设计过程模型时间推理。本文给出了基于t p n 的协同设计 过程模型的四种基本关系模型的等价约简和时间推理规则。并给出应用这几种基本关系 模型推理整个过程模型的时间性能的方法。 ( 3 ) 时间推理仿真系统的设计与实现。本文以d e l p h i 为开发工具，开发了一个基 于时间p e t r i 网的协同设计过程时间推理仿真系统，提供了可视化的建模和时间推理仿 真环境。在仿真平台中能够建立产品协同设计过程模型，通过输入各设计活动的时间参 数，可以模拟在不同初始条件下的实时运行情况，得出时间性能结果。并给出了系统仿 真实例。 5 基丁时间p e t r i 网的协同设计过程时间推理及仿真研究 5 论文的组织结构 本文共分为五章，主要章节为第三章和第四章。第三章是第四章的理论基础，第四 是在理论基础上实现仿真设计。具体篇章结构如下： 第一章绪论，介绍了本课题研究的背景和意义，国内外研究现状，本课题研究内容。 第二章对p e t r i 网技术进行了研究。对p e t r i 网的定义及原理、动态性质、分析方法、 本运算以及时间p e t r i 网的定义和性质进行了深入探讨。 第三章引入了协同设计过程t p n 模型概念，给出了协同设计过程t p n 模型的几种 本关系模型的等价约简及时间推理规则。在次基础上，以链式输送机驱动装置的协同 计过程为例，建立t p n 模型进行了时间性能分析。 第四章是时问推理仿真系统的设计与实现部分。介绍了仿真环境的组成、仿真系统 具体实现方法、仿真算法。并仍以第三章链式输送机驱动装置的协同设计过程为例， 仿真系统中建立模型进行时间推理仿真验证。 第五章总结全文并提出下一步的工作设想。 6 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，协同设计的基本概念和特点，以及本课题 国内外研究现状、研究内容和组织结构。 6 第二章基于时间p e t r i 网的建模与分析技术 第二章基于时间p e t ri 网的建模与分析技术 p e t r i 网是一种比较理想的系统建模工具，在很多领域得到了广泛的应用。近年来， p e t r i 网方法已广泛应用于工作流和协同产品开发过程建模的研究中。由于在描述不确定 时间段因素时，基本p e t r i 网还存在缺点，无法完成对时间性能的分析。因此，将时间因 素加入到p e t r i 网中，从而能够利用时间p e t r i 网对协同设计过程进行建模，进而进行时间 性能分析。 2 1p e t ri 网技术 p e t r i 网是德国人c a r la d a mp e t r i 于1 9 6 2 年在他的博士论文“k o m m u n i k a t i o nm i t a u t o m a t e n 中首次提出来的，此后很多学者对其进行了研究。 目前p e t r i 网己扩展成多种形式，在基本p e t r i 网的基础上已经扩展出来许多高级p e t r i 网，如着色p e t r i 网、时间p e t r i 网、层次p e t r i 网、时序p e t r i 网等，其表达能力也越来越强。 p e t r i 网己成为一种功能强大的面向图形的建模语言，同时具有很强的动态分析能力，是 过程建模首选的工具，p e t r i 网已经广泛应用到物流业务建模、电子政务动态流程建模及 软件设计、工作流管理、数据分析、并行程序设计、协议验证等领域。它是一种适用于 多种系统，尤其是离散事件动态系统的图形化、数学化建模工具，它为描述和研究具存 并行、异步、分布式、非确定性等特征的复杂系统提供了强有力的手段。作为一种图形 化工具，可以把p e t r i 网看做与数据流图相似的通讯辅助方法；作为一种数学化工具，它 可以建立状态方程、代数方程和其他描述系统行为的数学模型【2 5 1 。 2 1 1p e t ri 网基本概念 定义2 1p e t r i 网是一个四元组州= p ，t ；f ，m o ) ，其中 ( 1 ) pu t 矽( 网非空) ； ( 2 ) p n t = ( 二元性) ； ( 3 ) f ( p xt ) u ( t xp ) ( 流关系仅存在于p 与t 的元素之间) ； ( 4 ) d o m ( f ) u c o d ( f ) = p u t ( 没有孤立元素) 其中， d o m ( f ) = 万pu tg y p u t ：( x ，y ) f c o d ( f ) = x pu 丁i 砂put ：( y ，x ) f ( 5 ) m o ：p 专 o ，1 ，2 ， n = p ，丁；f ) 被称为p n 的基网。p 和t 是两个不相交的集合，且都为有限集，p 的元素称为库所( p l a c e ) ，也称为位置，各库所包含0 个或多个标记( 称为托肯，t o k e n ) ， 7 基丁时间p e t r i 网的协同设计过科时间推理及仿真研究 t 的元素称为变迁( t r a n s i t i o n ) ，f 是网的流关系( f l o wr e l a t i o n ) ，f 的元素叫做弧。 p e t r i 网的状态由标识m ( m a r k i n g ) 来表示，p e t r i 网某一时刻的状态由网中的托肯分布 情况决定，若库所p 中有k 个托肯，则m ( p ) = k 。m o 是p e t r i 网的初始标识( i n i t i a lm a r k i n g ) ， 它描述了被模拟系统的初始状态。托肯在库所中的动态变化决定系统的状态变化。p e t r i 网的运行由网中的托肯数目和分布情况来控制，托肯驻留在库所中控制着变迁的运行。 p e t r i 网中的库所用于描述可能的系统局部状态，变迁代表事件、转化或传输，托 肯表示事物、信息、条件或对象的状态。用图形来表示一个p e t r i 网时，库所用圆圈表 示，变迁用矩形表示，对a ，b p0 t ，若( 口，6 ) f ，则从a 到b 画一条有向边。由( 3 ) 知，有向边只存在于圆圈和矩形之间，任意两个圆圈之间或任意两个矩形之间都没有有 向边相连接。若m ( p ) = k ，则在表示库所p 的圆圈内加上k 个小黑点( 当数值k 很大时， 也可以直接写上数字k ) ，称库所p 中有k 个托肯( t o k e n ) 。图2 1 表示一个p e t r i 网 。= ( n l ，m o ) ，其初始标识m o = ( 1 ，0 ，0 ，0 ，0 ) 。 t ip 2t 2 1 1 6 图2 1p e t r i 网l f i g 2 1p e t r in e t l 定义2 2 输入输出集 设刚= ( 尸，t ；f ，m o ) 是一个p e t r i 网，对于x p u 丁，记 。x = y ye 尸u 丁 ，x ) f ) x ? = i y pot ( x ，y ) f ) 称x 为x 的前集或输入集，x 为x 的后集或输出集。 定义2 3p e t r i 网的变迁发生规则 标识在p e t r i 网中的变化遵循一定的规则，称为变迁发生规贝j j ( t r a n s i t i o nf i r i n gr u l e ) ： ( 1 ) 对于变迁，t ，如果v p p ：p 。，专m ( p ) l ，则说变迁t 在标识m 有发生 权( e n a b l e d ) ，记为m t 。 ( 2 ) 若m t ，则在标识m 下，变迁t 可以发生( f i r e ) ，从标识m 发生变迁t 得到一个新的标识m7 ，记为m t m 。对v p p ， 8 第一二章基于时间p e t r i 网的建模与分析技术 m ( p ) = m ( p ) - 1 ，都t 一，。 m ( p ) + 1 ，都r 。一。， m ( p ) ，其他 从这里可知，一个变迁，如果它的每个输入库所都包含至少一个标记，则这个变迁 是使能的；一个使能变迁的触发，将会引起其每个输入库所中的标记减少，而每个输出 库所中的标记增加。 p e t r i 网的特点在于它侧重于系统的变化，包括变化发生的条件、变化的结果以及 变化之间的内在联系【1 0 l 。每个p e t r i 网在其初始标识m o 下，可能有多个变迁有发生权， 其中随意一个变迁发生，就会得到一个新的标识。在新标识下又可能有多个变迁有发生 权，其中随意一个发生，又得到一个新的标识。这样继续下去，变迁的接连发生和标识 的不断变化，就是p e t r i 网系统的运行。 一个p e t r i 网p n = ( p ，t ；f ，m o ) 的全部可能的运行情况由它的基网n 和初始标识m o 完 全确定。所以，给出了基网n 和初始标识m o ，一个p e t r i 网系统即被确定。 如图2 1 的p e t r i 网。，在标识m o = ( 1 ，0 ，0 ，0 ，0 ) 下，变迁t 1 和t 3 都有发生权。如果 变迁t 1 发生，将得到一个新的标识m l ，( n i , m i ) 如图2 2 a ) 所示；如果变迁t 3 发生， 将得到一个新的标识m 2 ，( y l ，m 2 ) 如图2 2 b ) 所示。在标识m l 下，变迁t 2 获得发生权， 如果变迁t 2 发生，将得到一个新的标识m 3 ，如图2 2 c ) 所示。在标识m 2 下，变迁t 4 将获得发生权，如果变迁t 4 发生，将也会得到新的标识m 3 。在标识m 3 下，变迁t 5 和t 6 都有发生权。如果变迁t 6 发生，系统状态将回到标识m o ，在m o 下系统会重复 选择变迁t 1 或t 3 运行；如果变迁t 5 发生，将得到一个新的标识m 4 。当运行到m 4 时，任何一个变迁都没有了发生权，网系统的运行终止。 9 基于时间p e t r i 网的协同设计过科时间推理及仿真研究 a ) b ) t i p 2t 2 t i p 2 配 t 6 c l t lp 2 丁2 t 6 d ) t 1p 2t 2 t 6 t 6 图2 2p e t r i 网l 的运行过程 f i g 2 2t h et u n i n gp r o c e s so fp e t r in e t e i 2 1 2p e t ri 网的动态性质 p e t r i 网系统运行过程中的一些性质称为p e t r i 网的动态性质。p e t r i 网的动态性质有 可达性、可逆性、可覆盖性、有界性、安全性、活性、公平性和持续性等1 2 6 1 。这里限于 篇幅，主要介绍对本文有重要意义的可达性、有界性、安全性、活性。 定义2 4 可达性 设= ( 尸，t ；f ，m 。) 是一个p e t r i 网，若存在f t ，使m p m 7 ，则称m 为从m 直 接可达的。若存在变迁序列，：，气和标识序列m ，m ：，m 使得 m t 。 m l p 2 m 2 m “ m 女则称m 为从m 可达的，从m 可达的一切标识集记为 r ( m ) 。 可达性反映了系统运行过程中能达到某