基于Petri网与Flexsim的生产物流系统建模与仿真_李春杰

基于Ｐｅｔｒｉ网与Ｆｌｅｘｓｉｍ的生产物流系统建模与仿真
李春杰１
肖素梅１朱霄聪２
（
１
西南科技大学制造科学与工程学院，绵阳６２１００２）（２
广州海格通信产业集团，广州５１０６５６）
ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｏｇｉｓｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＰｅｔｒｉｎｅｔａｎｄＦｌｅｘｓｉｍ
ＬＩＣｈｕｎ－ｊｉｅ１，ＸＩＡＯＳｕ－ｍｅｉ１，ＺＨＵＸｉａｏ－ｃｏｎｇ２
（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ
６２１００２，Ｃｈｉｎａ）（２ＨａｉｇｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＩｎｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５６，Ｃｈｉｎａ）
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【摘
要】生产线是一个大型复杂的离散动态系统，建立一个生产成本低，产品质量高的生产线，
需要花费很大的投资，因而对生产物流系统的建模和仿真是必不可少的。

应用Ｐｅｔｒｉ网对生产物流系统进行建模。

并通过在Ｆｌｅｘｓｉｍ中的实体演示，分析系统优化系统。

关键词：生产物流；Ｐｅｔｒｉ网；Ｆｌｅｘｓｉｍ；建模；仿真
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｐｒｏｄｕｃｔｌｉｎｅｉｓａｌａｒｇｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｄｉｓｃｒｅｔｅｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｉｓｎｅｅｄｓｔｏｉｎｖｅｓｔａｌｏｔｔｏ
ｓｅｔｕｐａｐｒｏｄｕｃｔｌｉｎｅｏｆｌｏｗｃｏｓｔａｎｄｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙ，ＳｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＰｒｏｄｕｃ－ｔｉｏｎｌｏｇｉｓｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍ．ＩｕｓｅＰｅｔｒｉｎｅｔｔｏｂｕｉｌｄＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｏｇｉｓｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｕｓｅＦｌｅｘｓｉｍｔｏｐｕｔｕｐｅｎｔｉｔｙｄｅｍｏ，ｔｈｅｎｔｏａｎａｌｙｓｅａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｏｇｉｓｔｉｃｓ；Ｐｅｔｒｉｎｅｔｓ；Ｆｌｅｘｓｉｍ；Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
中图分类号：ＴＨ１６
文献标识码：Ａ
＊来稿日期：２００７－０１－１９
文章编号：１００１－３９９７（２００７）１２－００６２－０２
１生产物流
１．１生产物流的定义
企业生产物流是指将原材料、燃料、外购件投入生产后，经过下料、预处理、发料，运送到各加工点和存储点，以在制品的形态，借助一定的运输机械，从一个生产单位（车间、工位或仓库）流入另一个生产单位，按照规定的工艺过程要求进行加工、储存，始终体现着物料实物形态的流转过程，从而构成了企业内部物流活动的全过程。

从流动的角度出发，企业的生产物流系统可以分解为以下五个要素的结合，即流体，载体，流向，流量和流程等五要素。

生产物流担负运输、存储、装卸物料等任务，实质是生产过程中原材料、在制品、半成品和产成品等实体在生产系统内部的转移、储存或者等待的过程。

生产物流区别于其它物流系统的最显著特点是它和企业生产密切联系在一起。

ＰＬＫ表示生产物流的第ｋ个环节，其中２＜ｋ＜ｎ
＜－－＞表示生产物流各环节之间的信息流
→表示生产物流各环节之间的某一条物流连接
图１生产物流流程图
１．２影响企业生产物流的因素
生产物流主要的研究对象是制造系统，生产过程即为制造过程，制造系统的活动包括加工与装配、物料搬运与存储、检验与测试及生产管理与控制。

前三者为物理活动，其中加工与装配
改变工件的几何尺寸、外观或特性从而增加产品的附加值。

制造过程中物料的搬运即形成了生产物流，是为了实现物料在制造系统中的流动，包括装卸工件以及在不同的工作之间输送工件；据资料显示，在机械制造系统中，９５％的时间消耗在物料搬运与等待上，而仅有５％的时间用于机床加工。

而在５％的时间中，仅有３０％的时间真正用在机加工上，７０％的时间用在上、下工件、定位、对刀等辅助操作上。

由于物料搬运与储存不增加产品的附
加值，应该尽量减少物料的搬运与存储时间。

２基于Ｐｅｔｒｉ网的建模
２．１Ｐｅｔｒｉ网的定义［１］
一个Ｐｅｔｒｉ网表示为一个五元组。

ＰＮ＝（Ｐ，Ｔ，Ｉ，Ｏ，ｍ０）其中：（１）Ｐ＝｛ｐ１，ｐ２，．．．，ｐｎ｝是库所（Ｐｌａｃｅ）的有限集合，ｎ＞０为库所的个数；
（２）Ｔ＝｛ｔ１，ｔ２，．．．，ｔｎ｝是变迁（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）的有限集合，ｍ＞０为变迁的个数；
（３）Ｉ：Ｐ×Ｔ→Ｎ是输入函数，它定义了从Ｐ到Ｔ的有向弧的重复数或权（Ｗｅｉｇｈｔ）的集合，这里Ｎ＝｛０，１．．．｝为非负整数集；
（４）Ｏ：Ｔ×Ｐ→Ｎ是输出函数，它定义了从Ｔ到Ｐ的有向弧的重复数或权的集合，这里Ｎ＝｛０，１．．．｝为非负整数集；
（５）ｍ：Ｐ→Ｎ为Ｐｅｔｒｉ网的标识，它为一列向量，其第ｉ个元素表示第ｉ个库所中的托肯数。

ｍ０为初始标识记，表示系统的初始状态。

一个带有初始标识的网用（ＰＮ，ｍ０）表示。

Ｏ与Ｉ之差Ｃ＝
Ｏ－Ｉ称为关联矩阵。

ＰＬ１
ＰＬ２
…
ＰＬＫ
…
ＰＬＮ
第１２期
－６２－
２００７年１２月
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
机械设计与制造
一个标记ＰＮ如下图２，它的形式化描述如下：
图２标记ＰＮ形式化描述图
Ｐ＝｛ｐ１，ｐ２，ｐ３｝Ｔ＝｛ｔ１，ｔ２，ｔ３｝
Ｉ（ｐ１，ｔ１）＝１，Ｉ（ｐ１，ｔ２）＝０，Ｉ（ｐ１，ｔ３）＝０；Ｉ（ｐ２，ｔ１）＝０，Ｉ（ｐ２，ｔ２）＝１，Ｉ（ｐ３，ｔ３）＝０；Ｉ（ｐ３，ｔ１）＝０，Ｉ（ｐ３，ｔ２）＝０，Ｉ（ｐ３，ｔ３）＝１；Ｏ
（ｐ１，ｔ１）＝０，Ｏ（ｐ１，ｔ２）＝０，Ｏ（ｐ１，ｔ３）＝１；Ｏ
（ｐ２，ｔ１）＝１，Ｏ（ｐ２，ｔ２）＝０，Ｏ（ｐ２，ｔ３）＝０；Ｏ
（ｐ３，ｔ１）＝０，Ｏ（ｐ３，ｔ２）＝１，Ｏ（ｐ３，ｔ３）＝０；ｍ０＝
（１，０，０）Ｔ。

输入与输出函数分别表示为如下矩阵：Ｉ＝１０００１００
０
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"""""""#
$%%%%%%%&
１
Ｏ＝００１１
０００
１!"""""""#
$%%%%%%%&０关联矩阵为：Ｃ＝Ｏ－Ｉ＝－１０１１
－１００
１
－!"""""""#
$%%%%%%%&
１
２．２Ｐｅｔｒｉ网的变迁使能规则
Ｐｅｔｒｉ网的变迁使能规则为：在标识ｍ下使能的变迁ｔ的激
发将产生新标识
ｍ＇：’ｐ∈Ｐ：ｍ＇（ｐ）＝ｍ（ｐ）－Ｉ（ｐ，ｔ）＋Ｏ
（ｐ，ｔ）称标识ｍ′是直接从ｍ可达的，记为ｍ［ｔ＞ｍ′。

一个变迁的激发是从它的输入库所中移走托肯，而将产生的新的托肯分配到它的各个输出位置中。

图３所示的ＰＮ中，在ｍ０下使能的ｔ１激发后，将产生新的标识ｍ１：
ｍ１（ｐ１）＝ｍ０（ｐ１）－Ｉ（ｐ１，ｔ１）＋Ｏ（ｐ１，ｔ１）＝１－１＋０＝０ｍ１（ｐ２）＝ｍ０（ｐ２）－Ｉ（ｐ２，ｔ１）＋Ｏ（ｐ２，ｔ１）＝０－０＋１＝１ｍ１（ｐ３）＝ｍ０（ｐ３）－Ｉ（ｐ３，ｔ１）＋Ｏ（ｐ３，ｔ１）＝０－０＋０＝０ｍ１（ｐ４）＝ｍ０（ｐ４
）－Ｉ（ｐ４，ｔ１）＋Ｏ（ｐ４，ｔ１）＝１－１＋０＝０图３新的标识图
２．３应用Ｐｅｔｒｉ网建立的生产物流系统模型［２］
设加工车间有３台不同的机器Ｍ１、Ｍ２和Ｍ３，两个机器人
Ｒ１、Ｒ２。

工件分两阶段加工，第１阶段机器Ｍ１与Ｍ２分别加工两
个工件；第２阶段用Ｍ３把Ｍ１、Ｍ２加工的工件进行装配。

经过分析之后，这个系统可以描述为如图４所示：
图４系统描述图
ｐ１：Ｍ１准备就绪ｔ１：工件到达
ｐ２：Ｍ２准备就绪ｔ２：Ｒ１往Ｍ１上装载工件ｐ３：Ｍ１加工中ｔ３：Ｒ２往Ｍ２上装载工件ｐ４：Ｍ２加工中ｔ４：Ｒ１从Ｍ１卸载ｐ５：Ｍ３准备就绪ｔ５：Ｒ２从Ｍ２卸载
ｐ６：Ｍ３加工中ｔ６：把从Ｍ１上加工完的工件装载在Ｍ３上ｐ７：Ｍ１可用ｔ７：把从Ｍ２上加工完的工件装载在Ｍ３上ｐ８：Ｍ２可用ｔ８：卸载工件并输出工件
ｐ９：Ｒ１可用ｐ１０：Ｒ２可用ｐ１１：Ｍ３可用
３Ｆｌｅｘｓｉｍ实体演示
３．１Ｆｌｅｘｓｉｍ简介
Ｆｌｅｘｓｉｍ是一种用于开发、
建模、仿真、实现和监控动态流动进程与系统的目标导向软件环境［３］，是世界上第一个在图形环境中集成了Ｃ＋＋语言的仿真软件的软件环境［４］，Ｃ＋＋能够直接用来定义模型，不再需要传统的动态链接库和用户定义变量的复杂链接。

软件中提供了实体和实体间的连接方式。

可以十分形象的描述生产物流的全过程，一目了然的发现系统的问题所在。

通过修改系统参数实现系统优化的目的。

３．２Ｐｅｔｒｉ网模型在Ｆｌｅｘｓｉｍ中的实体演示
把Ｐｅｔｒｉ网中的模型转换成Ｆｌｅｘｓｉｍ中的实体模型。

Ｆｌｅｘｓｉｍ中的实体演示可以很明显的看出整个系统的瓶颈位置为传输机，可以通过多加一个输送机或者增加输送机的速度可以来消除系统的瓶颈，以增加整个系统的效率。

图５中包含一个输送机，输送机的数度为１ｍ／ｓ，图６中增加了一个输送机，输送机的速度增为２ｍ／ｓ。

从图５明显的表现出了输送机为整个系统的瓶颈状态，通过输送机个数和速度的增加，消除了系统的瓶颈。

使系统得到了优化。

图５前输送机
Ｐ４
Ｐ１
Ｐ２
Ｐ３
ｔ１
ｔ２
Ｐ４Ｐ１
Ｐ２
Ｐ３
ｔ１
ｔ２
Ｐ９
Ｐ７
Ｐ１
Ｐ２
Ｐ３Ｐ４
Ｐ８
Ｐ１０
Ｐ５
Ｐ１１
Ｐ６
ｔ１
ｔ２ｔ３
ｔ４ｔ５
ｔ６
ｔ７
ｔ８
Ｐ１
ｔ１
Ｐ２
Ｐ３ｔ２ｔ３
第１２期－６３－
李春杰等：基于Ｐｅｔｒｉ网与Ｆｌｅｘｓｉｍ的生产物流系统建模与仿真
图６后输送机
４结论
本文中先分析了影响企业生产物流的因素，应用Ｐｅｔｒｉ网对
生产物流系统进行建模，然后在Ｆｌｅｘｓｉｍ中进行实体仿真，使系统的瓶颈状态一目了然的显示出来，通过修改系统的参数达到了优化系统的目的。

参考文献
１江志斌．Ｐｅｔｒｉ网及其在制造系统建模与控制中的应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４（５）．
２林宋．制造系统的Ｐｅｔｒｉ网建模［Ｊ］．北方工业大学学报，２００２，１４（３）．３ＥａｍｏｎｎＬａｖｅｒｙ，Ｐｈ．Ｄ．，ＢｉｌｌＮｏｒｄｇｒｅｎ，ＣｌｉｆｆＫｉｎｇ，ＲｏｇｅｒＨｕｌｌｉｎｇｅｒ．
ＦｌｅｘｓｉｍＭｏｄｅｌｉｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００５
（１０）：２４￣２７．４张卫德，严洪森，徐成东．基于Ｆｌｅｘｓｉｍ的生产线仿真和应用［Ｊ］．工业控制计算机，２００５，１８（９）．
从ＵＧ数模到Ｆｌｕｅｎｔ网格的转换
游新梅
王正平（西北工业大学航空学院，西安７１００７２）
ＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＵＧｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｏｆｌｕｅｎｔｇｒｉｄ
ＹＯＵＸｉｎ－ｍｅｉ，ＷＡＮＧＺｈｅｎｇ－ｐｉｎｇ
（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｘｉ＇ａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
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【摘要】ＵＧ数模的曲面快速转化为流体计算所需的网格面，从而为快速优质高效的建立Ｆｌｕｅｎｔ
计算网格提出一条新的思路，并提出切实可行、使用方便的程序。

关键词：ＵＧ数据模型；Ｆｌｕｅｎｔ网格；Ｇｒｉｐ程序
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＵＧｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｃｕｒｖｅｄｓｕｒｆａｃｅｔｏｇｒｉｄｓｕｒｆａｃｅｒｅｑｕｉｒｅｄｂｙ
Ｆｌｕｅｎｔ，ａｎｅｗｔｒａｉｎｏｆｔｈｏｕｇｈｔｓｉｓｔｈｕｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｕｐＦｌｕｅｎｔｃｏｍｐｕｔｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｒａｐｉｄｌｙｉｎｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｕｓａｂｌｅｐｒｏｇｒａｍｉｓａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＧｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ；Ｆｌｕｅｎｔｇｒｉｄ；Ｇｒｉｐｐｒｏｇｒａｍ
中图分类号：ＴＰ３１１．１３４．１
文献标识码：Ａ
＊来稿日期：２００７－０１－１７
文章编号：１００１－３９９７（２００７）１２－００６４－０２
１引言
目前，在航空领域的ＣＦＤ计算中，Ｆｌｕｅｎｔ作为专业的流体计算软件，运用已经非常广泛了。

它具有强大的流场计算功能，作为最通用的ＣＦＤ软件包之一，可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。

采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，Ｆｌｕｅｎｔ能达到最佳的收敛速度和求解精度，但它也有它本身的操作不便处，需要先经过Ｇｒｉｄｇｅｎ这类网格生成软件来将ＵＧ数据模型转化成它所需要的网格文件，然后才能导入计算。

如何把ＵＧ中建好的全机模型转换成Ｆｌｕｅｎｔ计算所需要的网格文件？从以往的工作经验来看，工作方法基本是从ＵＧ数模中在需要的位置取点或者切出大量的样条曲线，但ＵＧ软件难以从样条曲线取出所需要的点，如果用框选的方法来选取大批的样条曲线或点，它们的先后上下次序完全无法控制，这是ＵＧ的一个缺陷。

按常规的解决方法，从ＵＧ建立好的模型中把曲线转出来，导入网格划分软件对计算区域进行离散，逐条编译这些
样条曲线，并从每根样条曲线中通过手工编译得到所需要的点，这也就是Ｇｒｉｄｇｅｎ这类软件需要做的工作，然后采用ＣＦＤ求解
器进行数值模拟。

如果部件数为Ｘ，各部件样条曲线数目为Ｙ，每根曲线取Ｚ个点，那就要手工点取Ｘ＊Ｙ＊Ｚ次。

此项工作需要大量重复性的手工劳动，操作起来极为不方便，为此有必要考虑用程序来代替此项工作，从而快速准确地建立Ｆｌｕｅｎｔ网格面。

ＵＧ中提供了一个图形交互编程软件ＵＧ／ＯＰＥＮＧｒｉｐ语言，借助这一功能，我们能够实现从ＵＧ数模中直接把曲面转换成Ｆｌｕｅｎｔ计算所需要的
网格面。

２程序的实现
要把全机数据模型一次性全部转化为Ｆｌｕｅｎｔ网格面是非常困难的，因为各种飞机的各个部件，如机身、
座舱、机翼、平尾、垂尾等外形差别很大，Ｆｌｕｅｎｔ对各部件中点的分布要求也各不一样，所以很难用一个程序来解算所有的部件，只能针对不同的部件编写不同的程序，然后再按Ｆｌｕｅｎｔ的要求，从各曲线按等弧长（机身、座舱）或变弧长前缘加密（机翼、平尾、垂尾），得到符
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第１２期
－６４－
２００７年１２月
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
机械设计与制造。