基于Petri网的模具生产前期工作流程建模*

覃羡烘，李 俏，王鹏程

(广东理工学院 工业自动化系，广东 肇庆 526100)

在越来越激烈的市场竞争中，产品和服务提供时间的快慢是评价生产流程最关键的指标。生产流程的周期时间长短反映了企业对市场需求的反应快慢。在模具制造生产流程环境下，基于时间的竞争成为了其主要特征。Petri网是分布式系统的建模和分析工具，可方便地描述系统中进程的顺序、并发、冲突以及同步等各种复杂关系。作为离散事件动态系统，模具制造业工作流程正具有上述各种关系，因此，利用Petri网对模具制造业工作流程优化更能保证工作流程的正确性与有效性。

1 Petri网的基本模型和生产流程模型

Petri网的概念最早是在1962年Carl Adam Petri的博士论文中提出来的，后来该模型成为理论计算机科学包括自动机模型和形式语言理论的一个分支[1]。Petri网是一个并发模型，在分析并行系统的状态行为技术中，Petri网模型具有自然、直观和简单易懂等优点。

1.1 基本Petri网模型

对于不同的生产流程，任务的执行次序不尽相同，Petri网有最基本的4种模型：顺序、同步、选择和循环，这是建立复杂流程模型的基本构造块[2]。

1)顺序(sequence)。任务一个接一个的执行，称之为顺序执行。顺序执行如图1所示，P1、P2和P3按照依次出现的顺序执行，T1和T2也按顺序执行。

图1 顺序执行

图2 同步执行

3)选择(conflict)。必须在2个或者多个任务中选择1个执行，称之为选择执行。选择执行如图3所示，P1中有1个标记，从这个给定的初始条件看，T1和T2都能启动，但不能同时启动，因为它们共享P1中的同一资源。P2和P3中只有1个能取得标记，也就是说变迁T1和T2是互相冲突的，只能在T1和T2中选择其中1个执行，这种现象称为冲突选择。冲突反映了模型中系统资源的竞争状况。

图3 选择执行

4)循环(circulation)。模型中某个任务反复执行，称之为循环执行。循环执行如图4所示，变迁T决定T2是否需要执行，以及执行的次数，直到满足T3执行的条件。

图4 循环执行

除了这4种基本Petri模型之外，比较常用的还有混惑、通信和共享等，本文不进行介绍。

1.2 生产流程模型

针对要研究的模具制造企业工作流程特点，在基本Petri网理论和高级Petri网理论的基础上，对其进行扩展，引出模具制造企业生产流程模型，定义五元组∑如下[3]：

∑=(P，T；F，A，M0)

式中，P是元素集，代表事件或活动的执行部门；T是变迁集，代表流程中的活动；F是P与T之间的关系；A是流程的属性，它对应于一个向量组{a1，a2}，分别对应于流程中活动的时间变量和成本变量；M0是初始标识，表达在初始条件下各库所中的托肯分布。

在这个生产流程模型的定义中，省略了库所容量、权函数等一些因素，增加了属性项，即流程中活动的时间和成本，作为流程分析的2个最重要的因素，这是企业流程模型的关键。

2 番禺某厂的生产流程现状与存在问题分析

广州番禺某模具厂是全球较具规模的模具厂，约有员工2 000人，分8个制模厂，11个生产单位，分玩具类和非玩具类，特别是在汽车零部件和包装容器方面占有很大的市场份额，80%的模具都是出口。主要从事设计和生产塑料模、冲压模、锻造模、橡胶模以及一些来料来样加工等。模具包括家庭用品、通信器材、电器用品、办公室及工业用品、汽车及摩托车零件、玩具等[4]。

经调研发现，该厂的模具产品生产流程现状(见图5)是沿用串行方式进行，组织模式是递阶结构，各阶段的工作是按顺序方式进行的，一个阶段的工作完成后，下一阶段的工作才开始，各个阶段依次排列。

综上所述，本文针对于肇庆广宁配电线路的实际情况，基于暂态录波技术所建立的暂态录波式配电线路监测系统，在肇庆广宁建立配电线路状态监测分析及故障定位系统中，线路状态在线采集装置获取信息、数据，建立健全的网络架构、海量信息的智能管理和多级数据的高效处理能力，实现对配电线路运行参数的智能在线监测，通过对这些信息进行实时或周期性的分析诊断，把握故障位置，分析故障发生的特征，形成有效的故障定位、故障诊断消息推送给相关运维人员，对于肇庆广宁地区配单线路的运作状态建设具有十分显著的提升效果值得推广使用。

图5 番禺某厂生产流程现状

从图5可以看出，整个过程是一个刚性的序列，灵活性不够。在整个工作生产过程中各阶段、各部门缺乏联系、协作，容易造成设计与制造脱节，重复劳动多，整体水平控制困难，加工周期长，生产成本高。目前的生产流程存在着几个严重的问题，比较突出的表现在时间和成本这2个方面。

3 番禺某厂的生产流程的Petri网模型建模

3.1 建模步骤

结合所研究的模具工作流程的特点，按照下述步骤建立模具生产流程的Petri网模型。

1)确定所研究的模具设计生产制造过程中的所有相关资源。

2)在流程分析描述的基础上，完成工作流程到Petri网模型的映射。确定其对应库所的标示，列出状态表；确定其对应变迁的标示，列出事件表并命名；确定模型中的主要元素(库所、变迁、托肯)的类型以及元素属性项；完成建模初始化。

3)理清资源相互间关系，根据各子模型关联情况，合并所建立的子模型，得到整个流程最终模型。

3.2 生产流程建模

该模具厂内部主要由设计部、产品部、生产制造部、销售部、质保部和质检部等部门对整个生产流程进行管理以及控制。产品部是生产流程的主要责任部门，同时负责组织相关部门展开同步工作。

本文主要对该厂的玩具手枪生产进行研究，该手枪模具形状如图6所示。

图6 玩具手枪的形状

一个完整的生产流程是从接受客户产品图(或样品)和相关的技术资料、技术要求并与客户签订模具制造合同起，至试模合格交付商品模具的全过程。笔者在此将研究的玩具手枪塑料模生产流程分为2个部分：生产制造前期工作和制造生产流程。本文主要对生产制造前期工作流程进行建模。

通过对主要活动信息的筛选及提炼，总结出生产制造前期工作流程的关系，玩具手枪塑料模的生产制造前期工作流程可以用下面的流程图(见图7)描述。

图7 生产制造前期工作流程图

在上述生产制造前期工作流程描述的基础上，根据库所及事件变迁关系，列出流程的状态表和事件表(见表1)。

表1 Petri网模型的库所变量及变迁变量表示

建立生产制造前期工作流程的Petri网模型如图8所示。

图8 生产制造前期工作流程的Petri网模型

选择流程周期时间和事件为参数，玩具手枪生产制造前期工作流程的Petri网模型创建完成，为后续分析并优化工作流程做好了准备。

4 结语

本文在介绍了基本Petri网的基础上，针对要研究的番禺某厂塑料玩具手枪的模具制造前期工作流程特点，对应于工作流程活动中的时间变量和成本变量，建立了该厂的玩具手枪塑料模从获取订单到模具产品获取全套图样及相关资料的工作流程Petri网模型，为以后应用ExSpect等软件进行仿真诊断分析并优化流程打下了良好的基础。