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        基于Petri網(wǎng)理論的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)建模

        2012-06-02 08:21:44吳曉波
        中國(guó)儲(chǔ)運(yùn) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:作業(yè)系統(tǒng)立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)

        文/周 文 吳曉波 陳 遙

        基于Petri網(wǎng)理論的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)建模

        文/周 文 吳曉波 陳 遙

        針對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的離散事件系統(tǒng)建模,Petri網(wǎng)理論具有自身的優(yōu)勢(shì),但在建模時(shí)可能存在“組合爆炸”問(wèn)題。本文以某自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)為例,采用了分解系統(tǒng)和復(fù)合模型的建模方法,不但保持了Petri網(wǎng)的分析和驗(yàn)證能力,而且避免了“組合爆炸”問(wèn)題。

        自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù);Petri網(wǎng);組合爆炸;復(fù)合模型

        對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真,首先要建立一個(gè)有效表達(dá)系統(tǒng)的理論模型,如果模型不正確或者不理想,仿真就失去了意義。所以選擇一個(gè)有效的理論建模方法并且能很好地使用此建模方法,這對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的建模仿真極其重要。Pe tri網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)化的離散事件系統(tǒng)描述工具,能夠充分顯示離散事件系統(tǒng)局部之間的關(guān)系[1,2]。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)是典型的離散事件系統(tǒng),Pe tri網(wǎng)對(duì)其建模非常合適[3,4]。

        1.Petri網(wǎng)理論在離散事件系統(tǒng)建模中的優(yōu)勢(shì)

        現(xiàn)有主要的理論建模方法包括實(shí)體流圖法、活動(dòng)周期圖法、Eule r網(wǎng)方法和Petri網(wǎng)方法。

        實(shí)體流圖法以臨時(shí)實(shí)體產(chǎn)生、流動(dòng)、消亡及其經(jīng)歷永久實(shí)體服務(wù)的過(guò)程為主線,建立系統(tǒng)的工作流程和實(shí)體之間的邏輯關(guān)系,具有簡(jiǎn)便易行的特點(diǎn),是一種最基本的建模方法?;顒?dòng)周期圖法針對(duì)實(shí)體的行為模式和活動(dòng)邏輯進(jìn)行建模,可以直觀地表示各類(lèi)實(shí)體在其生命周期中的活動(dòng)和狀況變化,清晰地描述實(shí)體之間的關(guān)系。Eu le r網(wǎng)方法同時(shí)具備活動(dòng)周期圖和Pe tri網(wǎng)方法的基本特點(diǎn),在連續(xù)與離散事件混合系統(tǒng)建模方面的能力比較強(qiáng)[5]。

        Pe tri網(wǎng)方法比較嚴(yán)密規(guī)范,并可借助數(shù)學(xué)方法對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生的并發(fā)、沖突和死鎖等現(xiàn)象進(jìn)行分析。Pe tri網(wǎng)是一種用簡(jiǎn)單圖形表示的組合模型,具有直觀、易懂和易用的優(yōu)點(diǎn),它能夠較好地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),表示系統(tǒng)中的并行、同步、沖突和因果依賴等關(guān)系,并以網(wǎng)圖的形式,簡(jiǎn)潔、直觀地模擬離散事件系統(tǒng),分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)[2]。以上建模方法適用范圍不同,都存在優(yōu)缺點(diǎn),Pe tri網(wǎng)方法在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)有一定的優(yōu)勢(shì)。但它有局限性,如果對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)時(shí),Petri網(wǎng)規(guī)模龐大,可能會(huì)引起“組合爆炸”問(wèn)題[6],給分析帶來(lái)困難,為了發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)消除缺點(diǎn),本文針對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的建模工作主要在Pe tri網(wǎng)理論上,采用分解系統(tǒng)和復(fù)合模型的建模方法。

        2.基于Petri網(wǎng)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)建模步驟

        (1)系統(tǒng)調(diào)研。對(duì)系統(tǒng)調(diào)研,了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況和采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)資料的過(guò)程,深入了解系統(tǒng)的總體流程、各種建模參數(shù),以便建立系統(tǒng)模型。

        (2)分解系統(tǒng)。把整個(gè)系統(tǒng)分解成若干個(gè)子系統(tǒng),以便對(duì)它們分別進(jìn)行建模分析。

        (3)復(fù)合建模。建立對(duì)象模型、建立Petri網(wǎng)圖、建立系統(tǒng)變遷事件表和建立系統(tǒng)Petri網(wǎng)可達(dá)樹(shù)。

        (4)分析模型。通過(guò)以上模型的建立,可以分析自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)能否順利作業(yè),有無(wú)瓶頸、死鎖等狀況發(fā)生。

        通過(guò)以上步驟對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行Petri網(wǎng)建模不但達(dá)到建模的目的,而且可有效地避免“組合爆炸”等問(wèn)題的發(fā)生。

        3.Petri網(wǎng)方法的應(yīng)用舉例

        某企業(yè)剛新建了一個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù),該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)主要儲(chǔ)存托盤(pán)物料。

        3.1系統(tǒng)調(diào)研

        通過(guò)系統(tǒng)調(diào)研,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有了比較深入的了解,整個(gè)系統(tǒng)可分為入庫(kù)作業(yè)系統(tǒng)、揀選作業(yè)系統(tǒng)、出庫(kù)作業(yè)系統(tǒng)。以入庫(kù)作業(yè)為例,需要入庫(kù)的貨物卸貨完畢后進(jìn)行人工組盤(pán),人工組盤(pán)后以托盤(pán)形式進(jìn)行貨物的存儲(chǔ)。托盤(pán)被叉車(chē)搬運(yùn)到入庫(kù)站臺(tái),進(jìn)行信息錄入、讀RFID等入庫(kù)操作,在處理過(guò)程(如:重量檢測(cè)、尺寸檢測(cè)等)中如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行人工整理,然后再次進(jìn)行剛才入庫(kù)處理作業(yè)。相關(guān)作業(yè)處理完畢后,輸送系統(tǒng)將托盤(pán)運(yùn)到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)取貨臺(tái),準(zhǔn)備入庫(kù)。該立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)流程如圖1所示。

        圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)入庫(kù)流程圖

        3.2分解系統(tǒng)

        將各系統(tǒng)分解成子系統(tǒng),以便后面復(fù)合建模。以入庫(kù)作業(yè)系統(tǒng)為例,將入庫(kù)作業(yè)系統(tǒng)分為進(jìn)貨子系統(tǒng)和儲(chǔ)存子系統(tǒng)。

        3.3復(fù)合建模

        對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合建模,即建立對(duì)象模型、建立Petri網(wǎng)圖、建立系統(tǒng)變遷事件表和建立系統(tǒng)Petri網(wǎng)可達(dá)樹(shù)。以入庫(kù)作業(yè)系統(tǒng)的進(jìn)貨子系統(tǒng)為例進(jìn)行復(fù)合建模,根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)備關(guān)系,建立該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)的對(duì)象模型。其中:

        P={p1,p2, …,pm}是有限庫(kù)所節(jié)點(diǎn)的集合,m≥0。T={t1,t2, …,tn}是有限變遷節(jié)點(diǎn)的集合,n≥0。對(duì)象模型如圖2所示。

        圖2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)對(duì)象模型

        根據(jù)該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)對(duì)象模型建立該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)Petri網(wǎng)模型,如圖3所示。

        圖3 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

        模型中各個(gè)庫(kù)所與變遷的含義如表1所示:

        表1 進(jìn)貨子系統(tǒng)的庫(kù)所與變遷含義

        根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)Pe tri網(wǎng)模型,得到子系統(tǒng)的變遷事件表,如表2所示。

        表2 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)層的變遷事件表

        為了建立該模型的可達(dá)樹(shù),把物流層和信息管理層統(tǒng)一標(biāo)識(shí)為:Mn=(p0,p1,p3, …,p13,p14)。由自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型,可得初始標(biāo)識(shí)M0=(1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,0),分析P e t r i網(wǎng)模型,論證是否存在變遷序列使得目標(biāo)標(biāo)識(shí)Mz= M0=(1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,0)可達(dá)。

        經(jīng)過(guò)對(duì)該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型分析,得到可達(dá)樹(shù)如圖4所示。

        從可達(dá)樹(shù)中發(fā)現(xiàn),初始標(biāo)識(shí)M0=(1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,0)經(jīng)過(guò)變遷序列σ=T1T2T3T4T5T6T7T8T9到達(dá)了目標(biāo)標(biāo)識(shí)Mz=(1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,0)= M0,即回到了初始狀態(tài)。這說(shuō)明,該自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)的Pe tri網(wǎng)模型是可達(dá)的、暢通的,貨物和信息都能順利到達(dá)理想位置,進(jìn)貨作業(yè)可以順利進(jìn)行。

        圖4 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)進(jìn)貨子系統(tǒng)可達(dá)樹(shù)

        4.結(jié)論

        本文采用了分解系統(tǒng)和復(fù)合模型的建模方法,不但保持了Pe tri網(wǎng)的分析和驗(yàn)證能力,而且避免了基本Petri網(wǎng)“組合爆炸”現(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性,從而達(dá)到了研究自動(dòng)化立體系統(tǒng)能否順利作業(yè),有無(wú)瓶頸、死鎖、沖突等狀況發(fā)生的目的,進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行下一步仿真打下基礎(chǔ)。

        [1]易繼鍇,侯媛彬.智能控制技術(shù)[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2007:23-29.

        [2]袁崇義.Petri網(wǎng)原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社.2005.3.

        [3]田寶,祝中華.基于著色賦時(shí)Petri網(wǎng)的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)建模[J].工業(yè)自動(dòng)化,2008,37(2):34-38,63.

        [4]SU Yong-ding,Q IU Jing,LIU Guan-jun.M odeling o f testab ility requ irem en t based on generalized stochastic Petri nets[J].Joum al of China O rdnance,2009,1:60-64.

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        [6]肖田元,范文慧. 離散事件系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社.2011.8.

        解放軍后勤工程學(xué)院)

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