陳艷海
湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院
基于Petri網(wǎng)的生產(chǎn)流程的建模及仿真
陳艷海
湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院
隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和汽車市場競爭日益激烈,汽車生產(chǎn)廠商對(duì)零部件制造企業(yè)供貨的及時(shí)性和質(zhì)量的準(zhǔn)確性要求越來越高,這客觀上要求汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)與管理要高效和及時(shí)。由于多樣性和個(gè)性化的市場需求日趨明顯,以顧客為中心的多品種、小批量生產(chǎn)的客戶訂單驅(qū)動(dòng)式生產(chǎn)模式已成為大多汽車零部件企業(yè)生產(chǎn)的主流。汽車生產(chǎn)廠商對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、功能、可靠性要求越來越高,迫切需求汽車零部件制造企業(yè)生產(chǎn)管理的規(guī)范和可靠,確保生產(chǎn)及時(shí)準(zhǔn)確完成,成為多數(shù)汽車零部件企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程的關(guān)鍵所在。
目前,中小型汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)的管理大多還處于人工管理階段,其車間生產(chǎn)管理面臨著許多的問題。如:車間作業(yè)數(shù)據(jù)不能夠?qū)崟r(shí)采集與反饋,使得生產(chǎn)計(jì)劃的制定和調(diào)度比較盲目;生產(chǎn)管理比較混亂,可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)產(chǎn)、誤產(chǎn)或交貨延遲的現(xiàn)象;汽車廠商對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)程和質(zhì)量無法把握;車間管理與控制困難,生產(chǎn)品數(shù)量多,庫存量大等。因此采用現(xiàn)代建模技術(shù)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)管理進(jìn)行建模并仿真很有必要。
汽車零部件生產(chǎn)流程是經(jīng)典的離散系統(tǒng)。IDEF3方法、CPM/PERT方法、事件驅(qū)動(dòng)的過程鏈方法、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)方法等是企業(yè)生產(chǎn)流程建模的常用方法?;赑etri網(wǎng)的建模技術(shù)主要有下面一些有點(diǎn):Petri網(wǎng)的建模有嚴(yán)格的形式定義,可以對(duì)流程進(jìn)行直觀的圖形表達(dá)。它適用于系統(tǒng)的圖形化建模,是一種極強(qiáng)數(shù)學(xué)化建模工具,不僅可以描述并行、異步、分布式等復(fù)雜的系統(tǒng),而且可以對(duì)系統(tǒng)的隨機(jī)性等特性提供了強(qiáng)有力的手段。因此,基于Petri網(wǎng)的建模技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)流程等多方面。
本文應(yīng)用Petri網(wǎng)建模技術(shù),在分析汽車零部件企業(yè)生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)之上,構(gòu)建企業(yè)生產(chǎn)流程的Petri網(wǎng)模型,并充分利用Petri網(wǎng)模型在對(duì)時(shí)間的定量分析能力,應(yīng)用仿真軟件對(duì)所建立的企業(yè)生產(chǎn)流程的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行模擬和仿真,分析企業(yè)生產(chǎn)時(shí)間性能,能夠很好的評(píng)價(jià)企業(yè)業(yè)務(wù)流程的性能。
在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Pctri網(wǎng)模型中,其主要結(jié)構(gòu)如下幾個(gè)元素:位置(place,或稱庫所)、變遷(transition)、?。╝rc)。位置主要用于描述系統(tǒng)元素所處的狀態(tài);變遷主要用于描述系統(tǒng)元素變化的事件;弧主要是通過其指向來確定元素局部狀態(tài)和事件之間的變化關(guān)系。Pctri網(wǎng)模型中,標(biāo)記主要應(yīng)用于在庫所中,其在庫所中的動(dòng)態(tài)變化表示系統(tǒng)元素的不同狀態(tài)。
定義:三元組N=(P,T;F),稱為有向網(wǎng)的充分必要條件是:
(1)P∩T=?(二元性)
(2)P∪T≠?(網(wǎng)非空)
(3)F?P×T∪T×P
(4)dom(T)∪cod(F)=P∪T
在Pctri網(wǎng)模型中,P用于描述N的庫所集,T用于描述N的變遷集,F(xiàn)用于描述流關(guān)系(flow relation).庫所集和變遷集是Pctri網(wǎng)的基本成分,流關(guān)系是庫所集和變遷集構(gòu)造出來的。
Petri網(wǎng)模型描述的是基于圖的數(shù)學(xué)形式化模型,對(duì)于分析離散的系統(tǒng)有好的效果。Petri網(wǎng)模型還可用來描述非因果的行為和不同步的因果關(guān)系。Petri網(wǎng)理論研究的主要內(nèi)容是系統(tǒng)模型的各種行為特征,主要包含以下特性:有界性、可逆性、可覆蓋性、活性、可達(dá)性、公平性等。
本文主要在分析國內(nèi)某中型汽車零部件鍛造企業(yè)的生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)上,采用Petri網(wǎng)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行建模。企業(yè)生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程描述如圖1所示。
1)根據(jù)訂單,企劃部門編制產(chǎn)品,送有關(guān)部門審核,通過審核的生產(chǎn)計(jì)劃單提交給生產(chǎn)部,沒有通過審核的打回進(jìn)行修改;
2)生產(chǎn)部門根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)計(jì)劃單安排產(chǎn)品的生產(chǎn);
3)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃單領(lǐng)料,對(duì)毛坯件的切割;
4)對(duì)切割后毛坯件進(jìn)行加熱;
5)對(duì)加熱件進(jìn)行鍛造;
6)對(duì)于鍛造后的成品進(jìn)行冷卻;
7)對(duì)冷卻后的成品進(jìn)行機(jī)加工;
8)對(duì)機(jī)加工的成品進(jìn)行檢測,不合格返回7)重新加工;
9)合格產(chǎn)品入庫。
對(duì)于上述購企業(yè)生產(chǎn)流程分析的基礎(chǔ)上,建立了企業(yè)生產(chǎn)的 Petri網(wǎng)模型,其描述如下圖2所示。
在Petri網(wǎng)所描述的企業(yè)生產(chǎn)流程的模型中,庫所的開始和完成都是由令牌的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn),當(dāng)令牌由開始位置到達(dá)結(jié)束位置時(shí),則該業(yè)務(wù)流程的完成。由上所述可以給出企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)流程變化。在圖2中,業(yè)務(wù)的含義和各變遷所需時(shí)間如表 1所示。
圖1 企業(yè)生產(chǎn)流程圖
圖2 企業(yè)生產(chǎn)流程Petri網(wǎng)模型
表1 業(yè)務(wù)變遷表
當(dāng)前Petri網(wǎng)仿真軟件很多。荷蘭Deloitte & Touche Bakkenist研制的 ExSpect軟件包就是其中之一。該軟件包包含了豐富的語義可以描述企業(yè)業(yè)務(wù)流管理,還提供了強(qiáng)大的模擬手段為后續(xù)模型仿真服務(wù)。本文分析前面所構(gòu)造的企業(yè)生產(chǎn)流程模型,在設(shè)定系統(tǒng)的初始狀態(tài)下針對(duì)模型進(jìn)行仿真。假定庫所 P1中的初始令牌值為1,作為整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)條件,其余庫所初始值中均為無。時(shí)間服從[tm in,tmax]上的正態(tài)分布,隨機(jī)數(shù)random函數(shù)作觸發(fā)種子。
一般而言,企業(yè)業(yè)務(wù)流程的量化指標(biāo)有周期時(shí)間、成本、質(zhì)量、效率、適應(yīng)性、有效性等。周期時(shí)間和效率具有正相關(guān)性。因此,一般選擇流程的周期時(shí)間和成本兩個(gè)指標(biāo)作為參數(shù)進(jìn)行仿真。為簡便,在本文中選取周期時(shí)間作為參數(shù)進(jìn)行仿真。
基于前面分析所構(gòu)建的仿真模型,本文通過仿真軟件進(jìn)行了相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn),選取時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo),得到仿真結(jié)果表2所示。
表2 仿真結(jié)果
從表中結(jié)果可以看出企業(yè)進(jìn)行一次訂單的生產(chǎn)過程所需要的時(shí)間。
本文詳細(xì)介紹了一種基于 Petri網(wǎng)的汽車鍛造業(yè)生產(chǎn)流程的建模及仿真。通過介紹Petri網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、某企業(yè)生產(chǎn)流程,并通過Petri技術(shù)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)流程進(jìn)行建立模型,并用相應(yīng)的仿真軟件進(jìn)行仿真。從仿真結(jié)果對(duì)企業(yè)生產(chǎn)效率指標(biāo),從而對(duì)企業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)來提高企業(yè)的效率。
湖北省十堰市科學(xué)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)15Y01)