基于面向对象Pet ri网的船舶制造过程建模_船舶制造_技术方向_技术方案

基于面向对象Pet ri网的船舶制造过程建模

发布日期：2015-07-31 10:30

数字化建模与仿真技术是现代船舶企业从传统制造向可预测制造转变的一种新方法、新模式。由于船舶制造属于单件项目型制造，牵涉到的资源类多量广，生产计划动态多变，生产活动存在着并行、合作、竞争等多种关系。单凭管理者的经验对资源进行平衡和优化配置已经难以满足现代船舶制造业的需求，因此，需要构建高效的船舶制造过程模型。在综合考虑船舶企业的生产特点和各类生产资源因素的基础上，对船舶制造过程进行在(离)线仿真，实现对企业生产资源的优化配置。
由于船舶制造过程模型是系统仿真和后续分析的基础，为了保证模型的简洁性和可重用性，采用抽象节点的设计方法，将有色Petri网与O一O(面向对象)技术相结合，将面向对象的概念引入到Petri网，建立船舶制造过程的面向对象Petri网模型。

1、舟舶制造过程OPNs模型类的定义
类是用于描述具有相同性质的所有对象，针对船舶制造过程OPNs模型类定义如下:

式中，CN为类的标识符，.PN为该类的父类，没有父类时，则该类为基类；ITF是类的对外接口，它描述了触发该类中方法运行所需要的信息Msg -Ini和运行后产生的新信息Msg - Outi；CPN:: = ，是一个标准的有色Petri网，其中P为库所集，T为变迁集，相应的c(P}和c(t)是与库所和变迁有关的色彩集，Mo是定义P在上的一个该类的缺省初始值。由于引入了面向对象的思想，模型的建立基于类结构，使得Petri网具有自己的数据结构，类的继承性为Petri网引进了层次化的设计思想，从而使系统模型层次清晰，易于理解和维护。
在船舶制造过程中，基本的类元素有加工设备，运输设备、缓冲单元及装配设备。为了建立系统中各物理对象的对象子网模型，将所有物理对象分为4种主要的抽象对象：加工设备对象(PMO)、运输设备对象(TO)、缓冲单元(WBO)对象及装配设备对象(AMO)。以下针对各个抽象对象子网进行设计，并对对象子网中库所及变迁进行描述。(对象子网中Pi1库所是设备故障及维修子网的简化，其中包括故障延时变迁tf、修复延时变迁tr相关的库所)

加工设备对象PMO子网模型如图1，其对象子网库所及变迁的含义如表1、表2所述。

运输设备对象TO子网模型如图2，其对象子网库所及变迁的含义如表3、表4所述。

缓冲单元对象WBO子网模型如图3，其对象子网库所及变迁的含义如表5、表6所述。

装配设备对象AMO子网模型如图4，其对象子

网库所及变迁的含义如表7、表8所述。

船舶制造过程中，物理对象除了具有父类的属性和方法外，还具有自己的属性和方法，如加工设备物理对象还具有设备加工能力，设备类型和装夹工件平均时间等属性;另外还有一些方法，设置机床的状态、删除工件等。在对船舶制造过程模型的动志仿真过程中，利用具体扩展对象的方法特征化各物理对象，可以实现对船舶制造过程模型动态特性的研究。
2、舟舶制造过程OPNs模型颜色集定义
对于船舶制造类复杂离散系统，为了简化模里将具有相似性质的要素用一种颜色来区分，每一利颜色用一种标识符来表示。有色Petri网能有效表示系统的时序关系，使系统成为一种具有自循环性质的回路。颜色集C定义如下:

库所是一种可以缓冲托肯颜色集的结构，托肯被定义为结构化数据，它由托肯头和托肯体构成，托肯头包括优先级、类型等属性，托肯体是由用户定义的数据区，而托肯的流动可以用来描述信息交换，每个变迁发生，要将输入的托肯消耗完并输出新托肯。
3、舟舶制造过程OPNs模型对象间消息交互模型
对象是结构化的模块，一个简单对象就是一张具有输入输出端口的Petri网图。端口在语义上等同于库所。输入端口只能作为变迁的输入，输出端口只能作为变迁的输出。对象间由端口互连。
系统中各对象之间的消息传递依靠端口，即如果Pi∩Pj≠∅则2个对象子网OPi和OPj有关联。而对象间的相互作用关系则可以由一系列的门变迁实现，对象间的关系在数学上可以作如下定义

式中，Rij，明确了发送对象子网OPi和接受对象子网OPj之间的消息传递关系。

式中，Gij——成为门的特殊变迁的有限集合，门变迁为位于OP的输出端口OMP和OPj的输入端口IMPj之间，与R有关的所有门合起来构成系统中的门的集合;
OAij——从OPi的OMPi到门Gij的输出弧的有限集合

船舶制造过程中，需要建立了四类对象子网(加工设备子网、运输小车子网、缓冲单元子网及装配设备子网)间的消息传递模型，图5所示为运输小车对象(T O)、加工设备对象(PM O)及缓冲单元对象( WBO)之间的消息传递模型。

用G_j(j=1, 2，…n)代表船舶OPNs模型中的每一个门变迁，它们描述了对象间消息交互的激发条件。输出端口用与(或)关系连接门变迁，表示当所有(或某些)相关的端口得到了所需的托肯时门变迁就激发;相应地，门变迁用与(或)关系连接到输入库所，表示托肯将流向与其相关的所有(或某些)输入端口。

4、面向船舶产品制造过程OPNs建模实例

通过对OPNs模型对象子网及对象间消息传递模式的研究，可以建立一个船舶制造过程OPNs模型。将每个类对象子网封装成一个物理对象子网，消息传递门封装成一个活动变迁，用托肯代表工件在船舶制造过程模型中各个物理对象间的流动行为。本文在给出船舶制造过程OPNs模型体系结构的基础上，如图6所示(由于篇幅所限不描述模型的构建过程)，以船舶某一零件生产为例，阐述构建船舶产品制造过程OPNs模型的过程。

假设某船舶企业电机机座零件生产车间拥有下列设备:1组车床，1台铣床，1台刨床，1台钻床，4个缓冲单元，2台运输小车。

从PDM中提取的机座零件(2120225)生产工艺路线：粗车风扇端→精车轴伸端→粗车风扇端→精车风扇端→铣底脚平面→刨出线平面→钻底脚孔→钻吊环孔→钻端面孔→钻接线盒连接孔。缓冲单元1用于存储车加工的零件，缓冲单元2用于存储铣削加工的零件，缓冲单元3用于存储刨削加工的零件，缓冲单元4用于存储钻削加工的零件。车床、铣床、刨床和钻床抽象为加工设备对象子网。根据机座的生产工艺路线构建电机机座生产系统的OPNs模型如图7所示，
船舶中电机机座生产工艺过程OPNs模型将每个类对象子网封装成一个物理对象子网，并给出了物理对象子网(PM01：车加工设备组；PMO2：铣削加工备；PMO3：刨削加工设备组；PMO4：钻削加工设备组；TO1：运输单元；TO2：运输单元；WBO1：缓冲单元1；WBO2：缓冲单元2；WBO3：缓冲单元3；WBO4：缓冲单元4)定义以及与门变迁Gj(j=1, 2,…5)之间的信息交互关系。门变迁G1、G2、G3、G4、G5的输入为或关系，门变迁G11、G12、G13、G2、G3、G4、G5的输出为或关系。

5、结论
针对船舶产品生产过程复杂、加工设备多等特点，提出了面向对象Petr i网建模技术，在定义了OPNs模型类及对象子网间消息传递模式的基础上，用实例描述了基于OPNs的船舶制造系统的建模过程，验证了基于面向对象Petri网技术构建船舶类产品制造过程模型的可行性。

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关键词:船舶产品，OPN，建模，工艺路线

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来源：仪器仪表商情网

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