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基于Petri网的柔性制造系统的网简化技术研究
摘要
本文研究了利用Petri网进行柔性制造系统的建模和分析的问题，重点关注了网简化技术的应用。首先，介绍了柔性制造系统的基本概念和特点，以及Petri网的基本原理和建模方法。然后，详细描述了网简化技术的原理和应用，包括结构简化和行为简化两个方面。最后，通过实例运用验证了网简化技术对于柔性制造系统建模的有效性和可行性。
关键词：Petri网；柔性制造系统；网简化技术；建模；分析
1.引言
随着科技的不断发展和制造业的日益竞争，柔性制造系统(FlexibleManufacturingSystem，FMS)成为了制造业的一种主流模式。柔性制造系统以高度自动化的生产线为基础，利用先进的控制技术和信息技术，实现了在一定范围内对不同产品的生产和制造过程进行自主的调度、控制和优化。
为了对柔性制造系统进行分析和优化，需要进行系统建模。传统的建模方法主要包括流程图、状态转换图等，但这些方法往往无法全面、精确地表达系统的复杂性和非确定性。Petri网作为一种基于图形化表示的系统建模工具，因其能够清晰地描述系统的并发、同步、竞争等复杂特性而受到了广泛关注。
但是，随着系统规模的增大，Petri网的表示和分析也变得越来越困难。为了解决这个问题，研究人员提出了网简化技术，通过对Petri网进行结构简化和行为简化，从而减少Petri网的规模和复杂度，提高系统建模的效率和精确度。
本文将针对柔性制造系统的建模和分析问题，探讨如何利用Petri网和网简化技术进行建模、分析和优化。
2.柔性制造系统的基本原理和特点
柔性制造系统是一种高度灵活的生产系统，它主要由多个工作站、传输设备、控制系统和人员组成。具有以下特点：
（1）模块化设计：柔性制造系统采用模块化设计，即通过将系统拆分成许多相对独立的模块来降低系统的复杂度和维护难度。模块之间通过传输设备连接，构成了一个具有良好流动性和灵活性的生产线。
（2）网络化通信：柔性制造系统采用了计算机网络技术，实现了各个工作站之间的实时通信和数据共享。这不仅有助于提高系统的响应速度，也便于实现生产过程的自动化控制和优化。
（3）自动化控制：柔性制造系统具有高度的自动化控制能力，能够实现对制造过程的全面、精细、灵活的控制。控制系统不仅可以调度生产线上的工作站，还可以监控制造过程的各个环节，实现对生产任务和生产效率的全面控制。
3.Petri网的基本原理和应用
Petri网是由荷兰学者Petri在1962年提出的，是一种图形化的系统建模和分析工具。Petri网主要由两种元素结构组成：变迁(Transition)和库所(Place)；由变迁和库所组成的有向图，被称作Petri网。在Petri网中，变迁表示系统中的事件，库所表示系统中的状态。Petri网主要有叙述语义和结构语义两种解释方式，在叙述语义和结构语义中，Petri网表示了一个有向图G=(P,T,F,S,M)。其中P表示库所集合，T表示变迁集合，F表示库所和变迁之间的弧，S表示库所中初始的token，M表示库所中token的个数。
Petri网具有很多优点，如能够全面、精确地描述系统的并行、同步、竞争等复杂特性，能够实时模拟系统行为，方便进一步的分析和优化等。
4.网简化技术的原理和应用
当系统规模较大时，Petri网的表示和分析变得越来越困难，这时需要采用网简化技术进行处理。网简化技术主要有两种方式：结构简化和行为简化。
（1）结构简化
结构简化是指通过消除Petri网结构中的某些元素，来减小Petri网的规模和复杂度。结构简化主要包括以下几种方式：
①合并库所：对于Petri网中存在多个相同的库所，在不影响系统行为的前提下可以将这些库所合并成一个库所，从而减小Petri网的规模。
②合并变迁：对于Petri网中存在多个相同的变迁，在不影响系统行为的前提下可以将这些变迁合并成一个变迁，从而减小Petri网的规模。
③删除非关键路径：对于Petri网中的某些非关键路径，可以将其删除，从而减小Petri网的规模。
（2）行为简化
行为简化是指通过对Petri网行为进行简化，来减少Petri网的复杂度。行为简化主要有以下几种方式：
①异常个数递减：对于Petri网中有多个库所，可以将这些库所根据token的个数把库所分成不同的层次，使得库所的token在某种程度上保持递减。
②有界性分析：确定Petri网的各个库所个数的上界和下界，以及各个变迁的执行时间，从而进一步简化Petri网的行为。
③变迁关系递减：对于Petri网中变迁的关联性，可以将其按照一定规则进行排序，从而简化Petri网的行为。
5.实例运用
为了验证网简化技术对于柔性制造系统的建模有效性和可行性，我们结合某公司的柔性制造系统，利用Petri网进行建模和分析