基于Petri網(wǎng)的模具生產(chǎn)前期工作流程建模*

覃羨烘，李 俏，王鵬程

(廣東理工學(xué)院 工業(yè)自動(dòng)化系，廣東 肇慶 526100)

在越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品和服務(wù)提供時(shí)間的快慢是評(píng)價(jià)生產(chǎn)流程最關(guān)鍵的指標(biāo)。生產(chǎn)流程的周期時(shí)間長(zhǎng)短反映了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的反應(yīng)快慢。在模具制造生產(chǎn)流程環(huán)境下，基于時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)成為了其主要特征。Petri網(wǎng)是分布式系統(tǒng)的建模和分析工具，可方便地描述系統(tǒng)中進(jìn)程的順序、并發(fā)、沖突以及同步等各種復(fù)雜關(guān)系。作為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，模具制造業(yè)工作流程正具有上述各種關(guān)系，因此，利用Petri網(wǎng)對(duì)模具制造業(yè)工作流程優(yōu)化更能保證工作流程的正確性與有效性。

1 Petri網(wǎng)的基本模型和生產(chǎn)流程模型

Petri網(wǎng)的概念最早是在1962年Carl Adam Petri的博士論文中提出來的，后來該模型成為理論計(jì)算機(jī)科學(xué)包括自動(dòng)機(jī)模型和形式語(yǔ)言理論的一個(gè)分支[1]。Petri網(wǎng)是一個(gè)并發(fā)模型，在分析并行系統(tǒng)的狀態(tài)行為技術(shù)中，Petri網(wǎng)模型具有自然、直觀和簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)點(diǎn)。

1.1 基本Petri網(wǎng)模型

對(duì)于不同的生產(chǎn)流程，任務(wù)的執(zhí)行次序不盡相同，Petri網(wǎng)有最基本的4種模型：順序、同步、選擇和循環(huán)，這是建立復(fù)雜流程模型的基本構(gòu)造塊[2]。

1)順序(sequence)。任務(wù)一個(gè)接一個(gè)的執(zhí)行，稱之為順序執(zhí)行。順序執(zhí)行如圖1所示，P1、P2和P3按照依次出現(xiàn)的順序執(zhí)行，T1和T2也按順序執(zhí)行。

圖1 順序執(zhí)行

圖2 同步執(zhí)行

3)選擇(conflict)。必須在2個(gè)或者多個(gè)任務(wù)中選擇1個(gè)執(zhí)行，稱之為選擇執(zhí)行。選擇執(zhí)行如圖3所示，P1中有1個(gè)標(biāo)記，從這個(gè)給定的初始條件看，T1和T2都能啟動(dòng)，但不能同時(shí)啟動(dòng)，因?yàn)樗鼈児蚕鞵1中的同一資源。P2和P3中只有1個(gè)能取得標(biāo)記，也就是說變遷T1和T2是互相沖突的，只能在T1和T2中選擇其中1個(gè)執(zhí)行，這種現(xiàn)象稱為沖突選擇。沖突反映了模型中系統(tǒng)資源的競(jìng)爭(zhēng)狀況。

圖3 選擇執(zhí)行

4)循環(huán)(circulation)。模型中某個(gè)任務(wù)反復(fù)執(zhí)行，稱之為循環(huán)執(zhí)行。循環(huán)執(zhí)行如圖4所示，變遷T決定T2是否需要執(zhí)行，以及執(zhí)行的次數(shù)，直到滿足T3執(zhí)行的條件。

圖4 循環(huán)執(zhí)行

除了這4種基本Petri模型之外，比較常用的還有混惑、通信和共享等，本文不進(jìn)行介紹。

1.2 生產(chǎn)流程模型

針對(duì)要研究的模具制造企業(yè)工作流程特點(diǎn)，在基本Petri網(wǎng)理論和高級(jí)Petri網(wǎng)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，引出模具制造企業(yè)生產(chǎn)流程模型，定義五元組∑如下[3]：

∑=(P，T；F，A，M0)

式中，P是元素集，代表事件或活動(dòng)的執(zhí)行部門；T是變遷集，代表流程中的活動(dòng)；F是P與T之間的關(guān)系；A是流程的屬性，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)向量組{a1，a2}，分別對(duì)應(yīng)于流程中活動(dòng)的時(shí)間變量和成本變量；M0是初始標(biāo)識(shí)，表達(dá)在初始條件下各庫(kù)所中的托肯分布。

在這個(gè)生產(chǎn)流程模型的定義中，省略了庫(kù)所容量、權(quán)函數(shù)等一些因素，增加了屬性項(xiàng)，即流程中活動(dòng)的時(shí)間和成本，作為流程分析的2個(gè)最重要的因素，這是企業(yè)流程模型的關(guān)鍵。

2 番禺某廠的生產(chǎn)流程現(xiàn)狀與存在問題分析

廣州番禺某模具廠是全球較具規(guī)模的模具廠，約有員工2 000人，分8個(gè)制模廠，11個(gè)生產(chǎn)單位，分玩具類和非玩具類，特別是在汽車零部件和包裝容器方面占有很大的市場(chǎng)份額，80%的模具都是出口。主要從事設(shè)計(jì)和生產(chǎn)塑料模、沖壓模、鍛造模、橡膠模以及一些來料來樣加工等。模具包括家庭用品、通信器材、電器用品、辦公室及工業(yè)用品、汽車及摩托車零件、玩具等[4]。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該廠的模具產(chǎn)品生產(chǎn)流程現(xiàn)狀(見圖5)是沿用串行方式進(jìn)行，組織模式是遞階結(jié)構(gòu)，各階段的工作是按順序方式進(jìn)行的，一個(gè)階段的工作完成后，下一階段的工作才開始，各個(gè)階段依次排列。

綜上所述，本文針對(duì)于肇慶廣寧配電線路的實(shí)際情況，基于暫態(tài)錄波技術(shù)所建立的暫態(tài)錄波式配電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在肇慶廣寧建立配電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析及故障定位系統(tǒng)中，線路狀態(tài)在線采集裝置獲取信息、數(shù)據(jù)，建立健全的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、海量信息的智能管理和多級(jí)數(shù)據(jù)的高效處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路運(yùn)行參數(shù)的智能在線監(jiān)測(cè)，通過對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)或周期性的分析診斷，把握故障位置，分析故障發(fā)生的特征，形成有效的故障定位、故障診斷消息推送給相關(guān)運(yùn)維人員，對(duì)于肇慶廣寧地區(qū)配單線路的運(yùn)作狀態(tài)建設(shè)具有十分顯著的提升效果值得推廣使用。

圖5 番禺某廠生產(chǎn)流程現(xiàn)狀

從圖5可以看出，整個(gè)過程是一個(gè)剛性的序列，靈活性不夠。在整個(gè)工作生產(chǎn)過程中各階段、各部門缺乏聯(lián)系、協(xié)作，容易造成設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)，重復(fù)勞動(dòng)多，整體水平控制困難，加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。目前的生產(chǎn)流程存在著幾個(gè)嚴(yán)重的問題，比較突出的表現(xiàn)在時(shí)間和成本這2個(gè)方面。

3 番禺某廠的生產(chǎn)流程的Petri網(wǎng)模型建模

3.1 建模步驟

結(jié)合所研究的模具工作流程的特點(diǎn)，按照下述步驟建立模具生產(chǎn)流程的Petri網(wǎng)模型。

1)確定所研究的模具設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過程中的所有相關(guān)資源。

2)在流程分析描述的基礎(chǔ)上，完成工作流程到Petri網(wǎng)模型的映射。確定其對(duì)應(yīng)庫(kù)所的標(biāo)示，列出狀態(tài)表；確定其對(duì)應(yīng)變遷的標(biāo)示，列出事件表并命名；確定模型中的主要元素(庫(kù)所、變遷、托肯)的類型以及元素屬性項(xiàng)；完成建模初始化。

3)理清資源相互間關(guān)系，根據(jù)各子模型關(guān)聯(lián)情況，合并所建立的子模型，得到整個(gè)流程最終模型。

3.2 生產(chǎn)流程建模

該模具廠內(nèi)部主要由設(shè)計(jì)部、產(chǎn)品部、生產(chǎn)制造部、銷售部、質(zhì)保部和質(zhì)檢部等部門對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行管理以及控制。產(chǎn)品部是生產(chǎn)流程的主要責(zé)任部門，同時(shí)負(fù)責(zé)組織相關(guān)部門展開同步工作。

本文主要對(duì)該廠的玩具手槍生產(chǎn)進(jìn)行研究，該手槍模具形狀如圖6所示。

圖6 玩具手槍的形狀

一個(gè)完整的生產(chǎn)流程是從接受客戶產(chǎn)品圖(或樣品)和相關(guān)的技術(shù)資料、技術(shù)要求并與客戶簽訂模具制造合同起，至試模合格交付商品模具的全過程。筆者在此將研究的玩具手槍塑料模生產(chǎn)流程分為2個(gè)部分：生產(chǎn)制造前期工作和制造生產(chǎn)流程。本文主要對(duì)生產(chǎn)制造前期工作流程進(jìn)行建模。

通過對(duì)主要活動(dòng)信息的篩選及提煉，總結(jié)出生產(chǎn)制造前期工作流程的關(guān)系，玩具手槍塑料模的生產(chǎn)制造前期工作流程可以用下面的流程圖(見圖7)描述。

圖7 生產(chǎn)制造前期工作流程圖

在上述生產(chǎn)制造前期工作流程描述的基礎(chǔ)上，根據(jù)庫(kù)所及事件變遷關(guān)系，列出流程的狀態(tài)表和事件表(見表1)。

表1 Petri網(wǎng)模型的庫(kù)所變量及變遷變量表示

建立生產(chǎn)制造前期工作流程的Petri網(wǎng)模型如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)制造前期工作流程的Petri網(wǎng)模型

選擇流程周期時(shí)間和事件為參數(shù)，玩具手槍生產(chǎn)制造前期工作流程的Petri網(wǎng)模型創(chuàng)建完成，為后續(xù)分析并優(yōu)化工作流程做好了準(zhǔn)備。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹了基本Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)要研究的番禺某廠塑料玩具手槍的模具制造前期工作流程特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于工作流程活動(dòng)中的時(shí)間變量和成本變量，建立了該廠的玩具手槍塑料模從獲取訂單到模具產(chǎn)品獲取全套圖樣及相關(guān)資料的工作流程Petri網(wǎng)模型，為以后應(yīng)用ExSpect等軟件進(jìn)行仿真診斷分析并優(yōu)化流程打下了良好的基礎(chǔ)。