基于Petri網(wǎng)的柔性制造系統(tǒng)建模與故障診斷：理論、方法與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代制造業(yè)快速發(fā)展的進(jìn)程中，市場(chǎng)需求正朝著多樣化和個(gè)性化的方向轉(zhuǎn)變，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期大幅縮短，這使得傳統(tǒng)的剛性制造系統(tǒng)逐漸難以滿足市場(chǎng)的需求。柔性制造系統(tǒng)（FlexibleManufacturingSystem，F(xiàn)MS）作為一種高度自動(dòng)化、具有高度靈活性和可擴(kuò)展性的先進(jìn)制造系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，在制造業(yè)中的地位日益提升。FMS能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)和市場(chǎng)需求的變化，快速調(diào)整生產(chǎn)流程和設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量產(chǎn)品的高效生產(chǎn)，具有應(yīng)變性好、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)，能適應(yīng)中、小批量生產(chǎn)。其高度自動(dòng)化的特性采用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備和機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，減少了人工干預(yù)，從而提高了生產(chǎn)效率；同時(shí)，F(xiàn)MS還具備高度的信息化和集成性，集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的信息化管理與一體化管理，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化和協(xié)同，提高生產(chǎn)質(zhì)量。憑借這些突出優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)MS在汽車制造業(yè)、電子制造業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、航空航天制造業(yè)以及醫(yī)療器械制造業(yè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在汽車制造業(yè)中，F(xiàn)MS實(shí)現(xiàn)了汽車零部件的自動(dòng)化生產(chǎn)和裝配，極大地提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量；在航空航天制造業(yè)，F(xiàn)MS滿足了航空器零部件對(duì)高性能和高可靠性的嚴(yán)格要求。然而，F(xiàn)MS的復(fù)雜性也帶來(lái)了一系列問(wèn)題。由于FMS由多個(gè)自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)器人、輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且各組成部分之間關(guān)聯(lián)緊密，這導(dǎo)致其故障率相對(duì)較高。一旦某個(gè)部件出現(xiàn)故障，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、延誤交付時(shí)間，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而且，F(xiàn)MS涉及多種先進(jìn)技術(shù)和復(fù)雜的工藝流程，故障的排查和診斷難度較大，維護(hù)成本高昂，需要專業(yè)的技術(shù)人員和先進(jìn)的診斷設(shè)備。因此，對(duì)FMS進(jìn)行建模和故障診斷顯得尤為重要。通過(guò)建模，可以清晰地描述FMS的結(jié)構(gòu)、行為和動(dòng)態(tài)特性，為系統(tǒng)的分析、優(yōu)化和控制提供有力的工具；而有效的故障診斷方法則能夠及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障，定位故障源，并采取相應(yīng)的修復(fù)措施，從而提高FMS的運(yùn)行效率和可靠性，降低維護(hù)成本，保障生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。Petri網(wǎng)作為一種用于描述離散事件系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，特別適用于描述并行、異步和分布式系統(tǒng)的行為，為FMS的建模與故障診斷提供了一種有效的解決方案。Petri網(wǎng)由庫(kù)所（Place）和變遷（Transition）兩種基本元素以及它們之間的有向邊組成，通過(guò)令牌（Token）在庫(kù)所和變遷之間的流動(dòng)來(lái)表示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。在FMS建模中，庫(kù)所可用于表示系統(tǒng)中的資源或狀態(tài)，如機(jī)器設(shè)備、原材料、在制品等；變遷則可表示加工操作或物流活動(dòng)，這種直觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)工具能夠清晰地描述FMS中各部件的邏輯關(guān)系和動(dòng)態(tài)行為，有助于分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為、性能優(yōu)化和調(diào)度策略的制定。通過(guò)Petri網(wǎng)建模，可以對(duì)FMS進(jìn)行可達(dá)性分析、死鎖檢測(cè)、性能評(píng)價(jià)等，發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題和瓶頸，從而為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)提供依據(jù)。同時(shí)，基于Petri網(wǎng)的故障診斷方法能夠利用Petri網(wǎng)模型對(duì)FMS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)捕捉系統(tǒng)中的異常行為，結(jié)合其他智能算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的準(zhǔn)確分類和定位，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。綜上所述，基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷方法的研究，對(duì)于提升FMS的運(yùn)行效率和可靠性，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，增強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，有助于推動(dòng)制造業(yè)朝著智能化、柔性化的方向發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在FMS建模領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量研究工作。國(guó)外方面，早在20世紀(jì)80年代，Petri網(wǎng)就已被引入FMS建模中。例如，美國(guó)學(xué)者J.T.Yao等人率先利用Petri網(wǎng)對(duì)FMS的基本生產(chǎn)流程進(jìn)行建模，通過(guò)對(duì)庫(kù)所和變遷的合理定義，成功描述了系統(tǒng)中資源的分配與使用情況，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。隨著研究的深入，歐洲的一些研究團(tuán)隊(duì)將時(shí)間因素納入Petri網(wǎng)模型，提出了時(shí)間Petri網(wǎng)（TimePetriNet），用于分析FMS中各操作的時(shí)間約束和生產(chǎn)周期，使模型能更精確地反映實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。國(guó)內(nèi)對(duì)FMS建模的研究起步稍晚，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注Petri網(wǎng)在FMS建模中的應(yīng)用。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)復(fù)雜FMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了分層Petri網(wǎng)建模方法，將系統(tǒng)劃分為多個(gè)層次，每個(gè)層次采用不同的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行描述，有效降低了模型的復(fù)雜性，提高了建模效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)一步結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)，如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、UML建模語(yǔ)言等，提出了UML-OOPN（UnifiedModelingLanguage-Object-OrientedPetriNet）層次化建模方法，實(shí)現(xiàn)了從系統(tǒng)需求分析到模型實(shí)現(xiàn)的全生命周期支持。在故障診斷方面，國(guó)外學(xué)者在傳統(tǒng)故障診斷方法基礎(chǔ)上，結(jié)合Petri網(wǎng)展開(kāi)深入研究。日本學(xué)者通過(guò)構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的故障傳播模型，利用Petri網(wǎng)的可達(dá)性分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FMS故障的快速定位和傳播路徑分析。美國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)則將Petri網(wǎng)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，利用專家知識(shí)對(duì)Petri網(wǎng)模型中的故障診斷規(guī)則進(jìn)行定義和推理，提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和智能化水平。國(guó)內(nèi)在FMS故障診斷研究中，同樣積極引入Petri網(wǎng)技術(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)者提出了自學(xué)習(xí)模糊Petri網(wǎng)用于故障診斷，通過(guò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力訓(xùn)練Petri網(wǎng)中的權(quán)值、閾值等參數(shù)，有效解決了模糊產(chǎn)生式規(guī)則中閾值和置信度難以確定的問(wèn)題，體現(xiàn)了并行推理和顯示故障動(dòng)態(tài)傳播的優(yōu)點(diǎn)。此外，一些國(guó)內(nèi)研究還將Petri網(wǎng)與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，如支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FMS故障的自動(dòng)分類和診斷。盡管基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷研究已取得顯著成果，但仍存在一些問(wèn)題。一方面，現(xiàn)有建模方法在處理復(fù)雜FMS系統(tǒng)時(shí)，模型的復(fù)雜度較高，計(jì)算量較大，導(dǎo)致模型的求解和分析難度增加，影響了模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用。另一方面，在故障診斷中，對(duì)于多故障并發(fā)和間歇性故障的診斷準(zhǔn)確率仍有待提高，且目前的研究大多集中在理論層面，與實(shí)際FMS系統(tǒng)的結(jié)合還不夠緊密，缺乏實(shí)際應(yīng)用案例的驗(yàn)證和優(yōu)化。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷方法，致力于提升FMS的運(yùn)行效率和可靠性，為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐和切實(shí)可行的解決方案。在基于Petri網(wǎng)的FMS建模方法研究方面，全面剖析FMS的組成結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制，涵蓋加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等各個(gè)部分，明確各部分之間的相互關(guān)系和作用。依據(jù)Petri網(wǎng)的基本原理，精心構(gòu)建能夠精準(zhǔn)描述FMS各部件邏輯關(guān)系和動(dòng)態(tài)行為的Petri網(wǎng)模型。在建模過(guò)程中，合理定義庫(kù)所和變遷，準(zhǔn)確反映系統(tǒng)中的資源、狀態(tài)以及加工操作和物流活動(dòng)。例如，將加工設(shè)備定義為庫(kù)所，加工任務(wù)的開(kāi)始和結(jié)束定義為變遷，通過(guò)有向邊連接來(lái)表示任務(wù)的執(zhí)行順序和資源的流動(dòng)方向。提出有效的模型驗(yàn)證方法，如基于模擬的驗(yàn)證方法，對(duì)所構(gòu)建的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行全面驗(yàn)證，確保模型的正確性和完整性，使其能夠真實(shí)反映FMS的實(shí)際運(yùn)行情況。針對(duì)FMS故障診斷方法展開(kāi)研究，借助Petri網(wǎng)模型對(duì)FMS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注系統(tǒng)中令牌的流動(dòng)情況和庫(kù)所的狀態(tài)變化，及時(shí)捕捉系統(tǒng)中的異常行為，準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生故障。深入研究基于Petri網(wǎng)的故障傳播模型，清晰分析故障在系統(tǒng)中的傳播路徑和影響范圍，為故障診斷和修復(fù)提供關(guān)鍵依據(jù)。同時(shí)，將Petri網(wǎng)與先進(jìn)的智能算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等相結(jié)合，充分發(fā)揮人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和深度學(xué)習(xí)算法自動(dòng)提取特征的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精準(zhǔn)分類和定位。收集FMS在正常運(yùn)行和故障狀態(tài)下的大量數(shù)據(jù)，運(yùn)用這些數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠準(zhǔn)確識(shí)別不同類型的故障模式。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的科學(xué)性和全面性。在研究過(guò)程中，充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，以深入探究基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷方法。文獻(xiàn)研究法是本研究的基礎(chǔ)方法之一。通過(guò)廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、會(huì)議論文、專利文獻(xiàn)以及行業(yè)報(bào)告等，全面梳理基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。深入分析現(xiàn)有研究成果，明確研究的發(fā)展脈絡(luò)，找出當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題和不足，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和研究方向。在梳理建模方法的研究文獻(xiàn)時(shí)，了解到現(xiàn)有建模方法在處理復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)存在模型復(fù)雜度高的問(wèn)題，這為后續(xù)改進(jìn)建模方法提供了切入點(diǎn)。案例分析法在本研究中具有重要作用。選取多個(gè)具有代表性的FMS實(shí)際案例，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的分析。深入了解這些案例中FMS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行流程以及曾經(jīng)出現(xiàn)的故障類型和診斷方法。通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的研究，驗(yàn)證基于Petri網(wǎng)的建模及故障診斷方法的可行性和有效性，并發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出針對(duì)性的解決方案。以某汽車制造企業(yè)的FMS為例，通過(guò)分析其實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障記錄，驗(yàn)證了所提出的故障診斷方法在實(shí)際生產(chǎn)中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。仿真實(shí)驗(yàn)法是本研究的關(guān)鍵方法之一。利用專業(yè)的仿真軟件，如MATLAB、Arena等，構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的FMS仿真模型。在仿真環(huán)境中，模擬FMS的各種運(yùn)行場(chǎng)景，包括正常運(yùn)行、設(shè)備故障、物流堵塞等情況。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，評(píng)估所構(gòu)建模型的性能和準(zhǔn)確性，驗(yàn)證故障診斷方法的有效性。在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同的故障場(chǎng)景，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)和故障診斷方法的診斷結(jié)果，對(duì)比不同方法的診斷準(zhǔn)確率和診斷時(shí)間，為方法的優(yōu)化提供依據(jù)。基于上述研究方法，本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示。首先，通過(guò)文獻(xiàn)研究全面了解基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷方法的研究現(xiàn)狀，明確研究中存在的問(wèn)題和不足，確定研究目標(biāo)和內(nèi)容。接著，對(duì)FMS的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行深入分析，依據(jù)Petri網(wǎng)原理構(gòu)建FMS的Petri網(wǎng)模型，并采用基于模擬的方法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。在故障診斷研究階段，利用Petri網(wǎng)模型對(duì)FMS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，捕捉異常行為，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的分類和定位。最后，通過(guò)案例分析和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的建模及故障診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，得出研究結(jié)論，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。[此處插入技術(shù)路線圖1-1]通過(guò)以上研究方法和技術(shù)路線，本研究有望在基于Petri網(wǎng)的FMS建模及故障診斷方法研究方面取得創(chuàng)新性成果，為提升FMS的運(yùn)行效率和可靠性提供有效的理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)。二、Petri網(wǎng)與FMS相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1Petri網(wǎng)基本原理2.1.1Petri網(wǎng)的定義與組成元素Petri網(wǎng)作為一種用于描述離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有力工具，由卡爾?A?佩特里（CarlA.Petri）于20世紀(jì)60年代發(fā)明，它能夠精確地刻畫(huà)系統(tǒng)中的并發(fā)、異步和沖突等復(fù)雜特性，為系統(tǒng)建模與分析提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和直觀的圖形表示方法。從數(shù)學(xué)定義來(lái)看，一個(gè)經(jīng)典的Petri網(wǎng)可表示為一個(gè)四元組PN=(P,T,F,M_0)，其中各組成元素具有獨(dú)特的含義和作用。庫(kù)所（Place），在Petri網(wǎng)圖形中通常用圓形節(jié)點(diǎn)表示，它代表系統(tǒng)中的資源、狀態(tài)或條件。例如，在生產(chǎn)系統(tǒng)建模中，庫(kù)所可以表示原材料、在制品、加工設(shè)備的空閑或忙碌狀態(tài)等。每個(gè)庫(kù)所可以容納一定數(shù)量的令牌（Token），令牌的數(shù)量反映了該庫(kù)所所代表資源的數(shù)量或系統(tǒng)所處狀態(tài)的某種度量。以一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)加工模型為例，若有一個(gè)庫(kù)所表示原材料的存儲(chǔ)，當(dāng)該庫(kù)所中有3個(gè)令牌時(shí)，就意味著當(dāng)前有3個(gè)單位的原材料可供使用。變遷（Transition），一般用方形節(jié)點(diǎn)來(lái)表示，它代表系統(tǒng)中的事件或操作，是觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)變化的原因。變遷的發(fā)生通常表示某個(gè)活動(dòng)的開(kāi)始、結(jié)束或狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在上述生產(chǎn)加工模型中，變遷可以表示加工操作的開(kāi)始或完成，如原材料進(jìn)入加工設(shè)備進(jìn)行加工這一事件就可以用一個(gè)變遷來(lái)表示。變遷的發(fā)生需要滿足一定的條件，這些條件與輸入庫(kù)所中的令牌分布密切相關(guān)。有向?。–onnection）是連接庫(kù)所和變遷的有向線段，它明確了庫(kù)所和變遷之間的關(guān)系，具體可分為輸入弧和輸出弧。輸入弧從庫(kù)所指向變遷，表示該庫(kù)所中的資源是變遷發(fā)生所需要的條件；輸出弧從變遷指向庫(kù)所，表示變遷發(fā)生后產(chǎn)生的結(jié)果或資源的流向。在生產(chǎn)加工模型中，若有一條輸入弧從表示原材料的庫(kù)所指向表示加工操作的變遷，就表明只有當(dāng)原材料庫(kù)所中有足夠的令牌（即有原材料可供使用）時(shí)，該加工操作的變遷才有可能發(fā)生；而當(dāng)加工操作完成（變遷發(fā)生）后，通過(guò)輸出弧將加工完成的在制品令牌放入表示在制品的庫(kù)所中。令牌（Token）是庫(kù)所中的動(dòng)態(tài)對(duì)象，通常用小黑點(diǎn)表示，它可以在庫(kù)所和變遷之間按照一定的規(guī)則流動(dòng)，從而直觀地展示系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。令牌的流動(dòng)體現(xiàn)了系統(tǒng)中資源的使用、消耗和產(chǎn)生等情況。在實(shí)際系統(tǒng)中，令牌的含義根據(jù)具體建模對(duì)象而定，它可以是物理實(shí)體，如產(chǎn)品、零件等，也可以是抽象的概念，如任務(wù)的完成狀態(tài)、信息的傳遞等。2.1.2Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則主要圍繞變遷的發(fā)生條件和令牌的流動(dòng)規(guī)則展開(kāi)，這些規(guī)則精確地定義了Petri網(wǎng)的動(dòng)態(tài)行為，使其能夠生動(dòng)地模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。變遷的發(fā)生需要滿足嚴(yán)格的前置條件，當(dāng)且僅當(dāng)一個(gè)變遷的每個(gè)輸入庫(kù)所都擁有足夠數(shù)量的令牌（令牌數(shù)量不小于輸入弧的權(quán)重，通常情況下，若無(wú)特殊說(shuō)明，弧的權(quán)重默認(rèn)為1）時(shí)，該變遷才被允許發(fā)生，即處于“使能”（enable）狀態(tài)。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)輸系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型中，若有一個(gè)變遷表示貨物的裝載操作，其輸入庫(kù)所分別表示貨物存放點(diǎn)和運(yùn)輸車輛，只有當(dāng)貨物存放點(diǎn)的庫(kù)所中有貨物（即有令牌）且運(yùn)輸車輛的庫(kù)所表示車輛處于空閑狀態(tài)（也有令牌）時(shí)，裝載操作的變遷才具備發(fā)生的條件。一旦變遷被允許發(fā)生，它將立即執(zhí)行，這一過(guò)程被稱為“觸發(fā)”（fire）。變遷觸發(fā)時(shí)，會(huì)嚴(yán)格按照預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)令牌進(jìn)行操作：它會(huì)消耗每個(gè)輸入庫(kù)所中的令牌，令牌的消耗數(shù)量等于對(duì)應(yīng)輸入弧的權(quán)重；同時(shí)，為每個(gè)輸出庫(kù)所產(chǎn)生新的令牌，新產(chǎn)生的令牌數(shù)量等于對(duì)應(yīng)輸出弧的權(quán)重。在上述運(yùn)輸系統(tǒng)中，當(dāng)裝載操作的變遷觸發(fā)時(shí)，貨物存放點(diǎn)庫(kù)所中的一個(gè)貨物令牌被消耗，同時(shí)運(yùn)輸車輛庫(kù)所中原本表示空閑狀態(tài)的令牌被消耗，而在表示裝載完成的庫(kù)所中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的令牌，表示貨物已成功裝載到運(yùn)輸車輛上。需要注意的是，Petri網(wǎng)中可能同時(shí)存在多個(gè)變遷處于使能狀態(tài)的情況，然而，在同一時(shí)刻，一次只能有一個(gè)變遷發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)這種多個(gè)變遷都可觸發(fā)的沖突情況時(shí)，具體哪個(gè)變遷能夠優(yōu)先觸發(fā)，在基本Petri網(wǎng)中并沒(méi)有明確的規(guī)定，通常按照某種預(yù)先設(shè)定的策略來(lái)決定，如隨機(jī)選擇、優(yōu)先級(jí)策略等。例如，在一個(gè)包含多個(gè)加工任務(wù)的生產(chǎn)系統(tǒng)中，可能同時(shí)存在多個(gè)加工設(shè)備空閑，多個(gè)加工任務(wù)都具備開(kāi)始加工的條件（即多個(gè)變遷使能），此時(shí)就需要根據(jù)預(yù)先制定的生產(chǎn)調(diào)度策略來(lái)確定哪個(gè)加工任務(wù)先開(kāi)始（即哪個(gè)變遷先觸發(fā)）。為了更直觀地理解Petri網(wǎng)的運(yùn)行規(guī)則，以圖2-1所示的簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)模型為例進(jìn)行說(shuō)明。[此處插入圖2-1簡(jiǎn)單Petri網(wǎng)模型圖]在該模型中，庫(kù)所P1、P2和P3分別表示不同的資源或狀態(tài)，變遷T1和T2表示系統(tǒng)中的操作或事件。初始狀態(tài)下，庫(kù)所P1中有2個(gè)令牌，P2中有1個(gè)令牌，P3中沒(méi)有令牌。對(duì)于變遷T1，其輸入庫(kù)所為P1和P2，由于P1中有2個(gè)令牌，P2中有1個(gè)令牌，滿足變遷發(fā)生的條件，所以T1處于使能狀態(tài)。當(dāng)T1觸發(fā)時(shí)，P1中的2個(gè)令牌和P2中的1個(gè)令牌被消耗，同時(shí)在輸出庫(kù)所P3中產(chǎn)生3個(gè)令牌。此時(shí)，變遷T2的輸入庫(kù)所P3中有了3個(gè)令牌，滿足T2發(fā)生的條件，T2變?yōu)槭鼓軤顟B(tài)。若T2觸發(fā)，則P3中的3個(gè)令牌被消耗，同時(shí)在P1中產(chǎn)生2個(gè)令牌，在P2中產(chǎn)生1個(gè)令牌，系統(tǒng)又回到了初始狀態(tài)類似的令牌分布情況。通過(guò)這樣的令牌流動(dòng)和變遷觸發(fā)過(guò)程，Petri網(wǎng)清晰地展示了系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。2.1.3Petri網(wǎng)的分析方法Petri網(wǎng)擁有一系列豐富且有效的分析方法，這些方法能夠深入挖掘Petri網(wǎng)模型所蘊(yùn)含的系統(tǒng)特性，為評(píng)估系統(tǒng)性能、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的手段，其中可達(dá)性分析和不變量分析是兩種常用且重要的分析方法?？蛇_(dá)性分析旨在研究系統(tǒng)從初始狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)一系列變遷的觸發(fā)能夠到達(dá)的所有可能狀態(tài)。在Petri網(wǎng)中，系統(tǒng)的狀態(tài)由令牌在庫(kù)所中的分布情況來(lái)表示，即標(biāo)識(shí)（Marking）。對(duì)于一個(gè)給定的Petri網(wǎng)PN=(P,T,F,M_0)，其中M_0為初始標(biāo)識(shí)，可達(dá)標(biāo)識(shí)集R(M_0)定義為從初始標(biāo)識(shí)M_0出發(fā)，經(jīng)過(guò)任意有限次變遷觸發(fā)所能到達(dá)的所有標(biāo)識(shí)的集合?？蛇_(dá)性分析的重要性在于它能夠全面地揭示系統(tǒng)的行為空間，幫助我們了解系統(tǒng)在各種情況下的運(yùn)行可能性。通過(guò)可達(dá)性分析，可以判斷系統(tǒng)是否能夠到達(dá)預(yù)期的目標(biāo)狀態(tài)，以及系統(tǒng)是否存在死鎖、活鎖等異常情況。若在可達(dá)標(biāo)識(shí)集中不存在某個(gè)變遷始終無(wú)法觸發(fā)的情況，則說(shuō)明系統(tǒng)不存在死鎖；若存在某些變遷可以無(wú)限次地被觸發(fā)，而其他變遷卻永遠(yuǎn)無(wú)法觸發(fā)，這可能意味著系統(tǒng)出現(xiàn)了活鎖現(xiàn)象。不變量分析則是通過(guò)研究Petri網(wǎng)中的不變量來(lái)獲取系統(tǒng)的一些固有性質(zhì)和約束條件。不變量是指在Petri網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中，不隨變遷的觸發(fā)而改變的量或關(guān)系。常見(jiàn)的不變量包括庫(kù)所不變量（P-不變量）和變遷不變量（T-不變量）。P-不變量是一個(gè)與庫(kù)所相關(guān)的非負(fù)整數(shù)向量，它表示在任何可達(dá)標(biāo)識(shí)下，庫(kù)所中令牌數(shù)量的某種線性組合始終保持不變。在一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型中，若存在一個(gè)P-不變量表明原材料庫(kù)所和成品庫(kù)所中令牌數(shù)量之和始終保持不變，這就意味著在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，原材料的消耗和成品的產(chǎn)出在數(shù)量上存在著嚴(yán)格的守恒關(guān)系。T-不變量是一個(gè)與變遷相關(guān)的非負(fù)整數(shù)向量，它表示在任何可達(dá)標(biāo)識(shí)下，變遷的觸發(fā)次數(shù)的某種線性組合始終保持不變。T-不變量可以幫助我們分析系統(tǒng)中某些操作或事件的執(zhí)行次數(shù)之間的關(guān)系，以及系統(tǒng)的循環(huán)行為和周期性。若一個(gè)T-不變量表明某個(gè)加工操作和運(yùn)輸操作的觸發(fā)次數(shù)始終保持一定的比例關(guān)系，這就為優(yōu)化生產(chǎn)流程和資源配置提供了重要的依據(jù)。可達(dá)性分析和不變量分析在系統(tǒng)性能評(píng)估中發(fā)揮著關(guān)鍵作用?？蛇_(dá)性分析能夠幫助我們?cè)u(píng)估系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，通過(guò)確定系統(tǒng)能夠到達(dá)的各種狀態(tài)，我們可以判斷系統(tǒng)是否能夠滿足不同的生產(chǎn)需求和任務(wù)要求。若一個(gè)制造系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型通過(guò)可達(dá)性分析發(fā)現(xiàn)，在某些情況下無(wú)法到達(dá)滿足訂單交付要求的狀態(tài)，這就提示我們需要對(duì)系統(tǒng)的生產(chǎn)流程或資源配置進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。不變量分析則有助于我們?cè)u(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通過(guò)揭示系統(tǒng)中的守恒關(guān)系和固有約束，我們可以判斷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)資源短缺、過(guò)載等問(wèn)題。若一個(gè)物流系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型通過(guò)不變量分析發(fā)現(xiàn)，在某些情況下會(huì)出現(xiàn)運(yùn)輸車輛資源的過(guò)度使用而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，這就需要我們重新設(shè)計(jì)物流調(diào)度策略，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，這兩種分析方法還可以相互補(bǔ)充，共同為系統(tǒng)的性能評(píng)估和優(yōu)化提供全面而深入的信息。通過(guò)可達(dá)性分析確定系統(tǒng)的可達(dá)狀態(tài)空間，再結(jié)合不變量分析所揭示的系統(tǒng)固有性質(zhì)和約束條件，我們可以更準(zhǔn)確地評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如生產(chǎn)效率、資源利用率、響應(yīng)時(shí)間等，從而為系統(tǒng)的改進(jìn)和優(yōu)化提供科學(xué)的決策依據(jù)。2.2FMS概述2.2.1FMS的組成與特點(diǎn)FMS是一種高度自動(dòng)化的制造系統(tǒng)，主要由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)了FMS的高效、靈活生產(chǎn)。硬件設(shè)備是FMS運(yùn)行的物理基礎(chǔ)，涵蓋了加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)。加工系統(tǒng)通常由多臺(tái)數(shù)控機(jī)床（CNC）或加工中心組成，這些設(shè)備具備高度的自動(dòng)化加工能力，能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序，對(duì)各種不同類型的零件進(jìn)行精密加工。在汽車零部件生產(chǎn)中，F(xiàn)MS中的加工中心可以快速切換刀具和加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、變速箱齒輪等多種零部件的加工，滿足不同車型的生產(chǎn)需求。物流系統(tǒng)負(fù)責(zé)物料在系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)輸和配送，包括自動(dòng)化輸送線、機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）等設(shè)備。自動(dòng)化輸送線能夠?qū)⒃牧?、半成品和成品在不同的加工設(shè)備之間進(jìn)行高效傳輸；機(jī)器人和AGV則可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需要，靈活地搬運(yùn)物料，實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)配送。存儲(chǔ)系統(tǒng)用于存放原材料、在制品和成品，常見(jiàn)的有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、托盤(pán)貨架等。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)利用高層貨架和堆垛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了貨物的高密度存儲(chǔ)和快速存取，有效節(jié)省了存儲(chǔ)空間，提高了存儲(chǔ)效率。軟件系統(tǒng)是FMS的核心控制部分，主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）等。CAD軟件用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和建模，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)CAD軟件創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型，直觀地展示產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形狀，并進(jìn)行虛擬裝配和分析，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。CAPP軟件根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，制定合理的加工工藝路線，確定加工方法、加工順序、切削參數(shù)等工藝參數(shù)，為CAM軟件提供加工指令。CAM軟件將CAPP生成的工藝路線轉(zhuǎn)化為機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控程序，控制加工設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)化加工。PMS軟件負(fù)責(zé)生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度和管理，根據(jù)訂單需求、設(shè)備狀態(tài)、物料供應(yīng)等信息，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。DBMS軟件用于存儲(chǔ)和管理生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等，為其他軟件系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，確保系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行。FMS具有高度柔性的顯著特點(diǎn)，能夠根據(jù)市場(chǎng)需求的變化快速調(diào)整生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。通過(guò)更換刀具、調(diào)整加工參數(shù)和改變數(shù)控程序，F(xiàn)MS可以在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同型號(hào)、不同規(guī)格的產(chǎn)品，滿足客戶的個(gè)性化需求。在電子設(shè)備制造領(lǐng)域，F(xiàn)MS可以快速切換生產(chǎn)手機(jī)、平板電腦等不同電子產(chǎn)品的零部件，適應(yīng)市場(chǎng)的快速變化。其自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)需大量人工干預(yù)，減少了人為因素對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量的影響，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。FMS中的加工設(shè)備、物流設(shè)備和控制系統(tǒng)都能夠自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了從原材料到成品的全自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程。在機(jī)械制造企業(yè)中，F(xiàn)MS可以24小時(shí)不間斷運(yùn)行，大大提高了生產(chǎn)效率。此外，F(xiàn)MS還具備高生產(chǎn)效率，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)流程、合理安排設(shè)備和物料的使用，減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和設(shè)備閑置時(shí)間，提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，F(xiàn)MS的生產(chǎn)效率可以提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。同時(shí)，F(xiàn)MS具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，企業(yè)可以根據(jù)生產(chǎn)需求的增長(zhǎng)，方便地增加加工設(shè)備、物流設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備，擴(kuò)展系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。在企業(yè)發(fā)展過(guò)程中，當(dāng)市場(chǎng)需求增加時(shí)，企業(yè)可以在原有FMS的基礎(chǔ)上，添加新的加工中心和AGV，提升系統(tǒng)的整體生產(chǎn)能力。2.2.2FMS的工作流程與運(yùn)行機(jī)制FMS的工作流程從原材料輸入開(kāi)始，到產(chǎn)品輸出結(jié)束，涵蓋了多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)緊密相連，通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的生產(chǎn)過(guò)程。當(dāng)企業(yè)接收到生產(chǎn)訂單后，首先由CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)客戶需求和產(chǎn)品要求，創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)完成后，CAPP軟件根據(jù)產(chǎn)品模型生成加工工藝路線，確定加工工序、加工方法和加工參數(shù)等。例如，對(duì)于一個(gè)機(jī)械零件的加工，CAPP軟件會(huì)根據(jù)零件的形狀、尺寸和精度要求，制定出粗加工、半精加工和精加工等工序，并確定每個(gè)工序所使用的刀具、切削速度和進(jìn)給量等參數(shù)。根據(jù)CAPP生成的工藝路線，CAM軟件將其轉(zhuǎn)化為數(shù)控程序，傳輸?shù)郊庸ぴO(shè)備中。在加工系統(tǒng)中，自動(dòng)化輸送線將原材料輸送到相應(yīng)的加工設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床或加工中心。加工設(shè)備根據(jù)接收到的數(shù)控程序，對(duì)原材料進(jìn)行加工，將其逐步轉(zhuǎn)化為半成品和成品。在加工過(guò)程中，設(shè)備會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工狀態(tài)，如刀具磨損情況、加工精度等，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，確保加工質(zhì)量。若刀具磨損達(dá)到一定程度，加工設(shè)備會(huì)自動(dòng)更換刀具，保證加工的連續(xù)性和精度。加工完成的半成品或成品通過(guò)物流系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)輸和配送。自動(dòng)化輸送線將其輸送到指定的存儲(chǔ)區(qū)域或下一道加工工序。機(jī)器人和AGV在物流系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，它們可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的需求，準(zhǔn)確地搬運(yùn)物料，實(shí)現(xiàn)物料的快速流轉(zhuǎn)。AGV可以按照預(yù)設(shè)的路徑，將加工完成的零件從加工設(shè)備搬運(yùn)到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，PMS軟件負(fù)責(zé)生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度和管理。它根據(jù)訂單需求、設(shè)備狀態(tài)和物料供應(yīng)情況，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，協(xié)調(diào)各設(shè)備之間的工作。當(dāng)某臺(tái)加工設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，PMS軟件會(huì)及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，將原本分配給該設(shè)備的任務(wù)重新分配給其他可用設(shè)備，確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。DBMS軟件則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理生產(chǎn)過(guò)程中的各種數(shù)據(jù)，為PMS軟件和其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。它記錄了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、加工工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析和挖掘，可以為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供依據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。以某汽車制造企業(yè)的FMS為例，該企業(yè)的FMS主要用于生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋。當(dāng)企業(yè)接到生產(chǎn)訂單后，首先由設(shè)計(jì)部門(mén)使用CAD軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)和性能要求，設(shè)計(jì)出缸體和缸蓋的三維模型。然后，CAPP軟件根據(jù)設(shè)計(jì)模型生成加工工藝路線，確定了粗銑、精銑、鉆孔、鏜孔等加工工序，并制定了相應(yīng)的加工參數(shù)。CAM軟件將工藝路線轉(zhuǎn)化為數(shù)控程序，傳輸?shù)郊庸ぶ行?。自?dòng)化輸送線將原材料（鋁合金鑄件）輸送到加工中心，加工中心按照數(shù)控程序?qū)υ牧线M(jìn)行加工。加工完成的半成品通過(guò)自動(dòng)化輸送線輸送到檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后，由AGV將其搬運(yùn)到自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)。當(dāng)需要進(jìn)行下一步加工時(shí)，AGV再將半成品從倉(cāng)庫(kù)中取出，輸送到相應(yīng)的加工設(shè)備進(jìn)行后續(xù)加工。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，PMS軟件根據(jù)訂單數(shù)量、交貨時(shí)間和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，合理安排各加工中心的生產(chǎn)任務(wù)，確保生產(chǎn)的高效進(jìn)行。DBMS軟件存儲(chǔ)了生產(chǎn)過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、加工工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)等，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的問(wèn)題，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。2.2.3FMS建模與故障診斷的重要性準(zhǔn)確的FMS建模對(duì)于優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。FMS作為一個(gè)復(fù)雜的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其內(nèi)部各組成部分之間存在著復(fù)雜的邏輯關(guān)系和動(dòng)態(tài)行為。通過(guò)建立精確的模型，可以清晰地描述這些關(guān)系和行為，為系統(tǒng)的分析、優(yōu)化和控制提供有力的工具。基于Petri網(wǎng)的建模方法能夠直觀地展示FMS中資源的分配、使用和流動(dòng)情況，以及加工任務(wù)的執(zhí)行順序和狀態(tài)變化。通過(guò)對(duì)Petri網(wǎng)模型的分析，可以進(jìn)行可達(dá)性分析，確定系統(tǒng)是否能夠達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)；進(jìn)行死鎖檢測(cè)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖等異常情況；進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，評(píng)估系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率等性能指標(biāo)。通過(guò)可達(dá)性分析發(fā)現(xiàn)，在某些生產(chǎn)任務(wù)組合下，系統(tǒng)無(wú)法按時(shí)完成訂單交付，這就提示企業(yè)需要調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃或優(yōu)化資源配置。有效的故障診斷是保障FMS可靠性的關(guān)鍵。由于FMS設(shè)備眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)中斷，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷，能夠快速定位故障源，采取有效的修復(fù)措施，減少停機(jī)時(shí)間，降低生產(chǎn)損失?；赑etri網(wǎng)的故障診斷方法可以利用Petri網(wǎng)模型對(duì)FMS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析令牌的流動(dòng)情況和庫(kù)所的狀態(tài)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的異常行為，判斷是否發(fā)生故障以及故障的類型和位置。結(jié)合其他智能算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等，可以進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)Petri網(wǎng)模型輸出的故障特征進(jìn)行學(xué)習(xí)和分類，能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別出不同類型的故障，為故障修復(fù)提供依據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，F(xiàn)MS建模與故障診斷的重要性得到了充分體現(xiàn)。某電子制造企業(yè)在引入FMS后，通過(guò)建立基于Petri網(wǎng)的模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析和優(yōu)化，使設(shè)備利用率提高了30%，生產(chǎn)效率提升了25%。同時(shí)，采用基于Petri網(wǎng)和深度學(xué)習(xí)的故障診斷方法，將故障診斷的準(zhǔn)確率提高到了95%以上，故障修復(fù)時(shí)間縮短了50%，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，降低了生產(chǎn)成本，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。三、基于Petri網(wǎng)的FMS建模方法3.1FMS建模需求分析FMS作為一種復(fù)雜的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行建模時(shí)，需要全面考慮多方面的需求，以確保模型能夠準(zhǔn)確、有效地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和性能，為系統(tǒng)的分析、優(yōu)化和控制提供堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。在描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，F(xiàn)MS建模需要清晰且全面地呈現(xiàn)系統(tǒng)的組成部分以及各部分之間的邏輯關(guān)系。FMS通常涵蓋加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等多個(gè)關(guān)鍵部分。加工系統(tǒng)包含多臺(tái)不同類型的加工設(shè)備，如數(shù)控機(jī)床、加工中心等，這些設(shè)備具備各自獨(dú)特的加工能力和工藝要求。物流系統(tǒng)則由自動(dòng)化輸送線、AGV、機(jī)器人等設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)物料在系統(tǒng)內(nèi)的高效運(yùn)輸和精準(zhǔn)配送。存儲(chǔ)系統(tǒng)用于存放原材料、在制品和成品，常見(jiàn)的有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、托盤(pán)貨架等?？刂葡到y(tǒng)則通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和硬件，對(duì)整個(gè)FMS的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)。建模時(shí)，需要明確各組成部分之間的連接方式和交互關(guān)系。自動(dòng)化輸送線與加工設(shè)備之間的物料傳輸關(guān)系，以及控制系統(tǒng)對(duì)加工設(shè)備和物流設(shè)備的控制邏輯等。采用Petri網(wǎng)建模時(shí)，可以將加工設(shè)備、存儲(chǔ)區(qū)域等定義為庫(kù)所，將加工操作、物料運(yùn)輸?shù)榷x為變遷，通過(guò)有向弧來(lái)表示它們之間的關(guān)系。將數(shù)控機(jī)床定義為一個(gè)庫(kù)所，當(dāng)該庫(kù)所中有令牌時(shí)，表示機(jī)床處于空閑狀態(tài)，可以接受加工任務(wù)；將加工任務(wù)的開(kāi)始定義為一個(gè)變遷，當(dāng)變遷觸發(fā)時(shí)，消耗機(jī)床庫(kù)所中的令牌，同時(shí)在表示加工中的庫(kù)所中產(chǎn)生令牌。對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的描述，F(xiàn)MS建模需要精確反映系統(tǒng)隨時(shí)間的變化情況，包括加工任務(wù)的執(zhí)行順序、資源的動(dòng)態(tài)分配和釋放過(guò)程等。在FMS運(yùn)行過(guò)程中，加工任務(wù)按照一定的工藝路線依次在不同的加工設(shè)備上進(jìn)行加工，每個(gè)加工任務(wù)都有其特定的開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間和加工時(shí)間。同時(shí)，資源（如刀具、夾具、原材料等）在不同的加工階段被分配給相應(yīng)的加工任務(wù)，任務(wù)完成后資源又被釋放。在某一時(shí)刻，某臺(tái)加工設(shè)備正在加工一個(gè)零件，此時(shí)需要分配相應(yīng)的刀具和夾具；當(dāng)加工完成后，這些刀具和夾具被釋放，可供其他加工任務(wù)使用。為了準(zhǔn)確描述這些動(dòng)態(tài)行為，Petri網(wǎng)模型需要引入時(shí)間因素，如時(shí)間Petri網(wǎng)，通過(guò)為變遷添加時(shí)間參數(shù)，來(lái)表示加工操作和物流活動(dòng)的時(shí)間約束。為表示零件加工的變遷添加加工時(shí)間參數(shù)，為表示物料運(yùn)輸?shù)淖冞w添加運(yùn)輸時(shí)間參數(shù)，從而更真實(shí)地模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程。性能評(píng)估是FMS建模的重要目標(biāo)之一，建模應(yīng)能夠?yàn)橄到y(tǒng)性能評(píng)估提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)模型的分析，可以獲取系統(tǒng)的多項(xiàng)性能指標(biāo)，如生產(chǎn)效率、設(shè)備利用率、加工周期、在制品庫(kù)存水平等。生產(chǎn)效率反映了系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量，設(shè)備利用率體現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)際使用時(shí)間與可用時(shí)間的比例關(guān)系，加工周期表示從原材料進(jìn)入系統(tǒng)到成品產(chǎn)出的時(shí)間間隔，在制品庫(kù)存水平則反映了系統(tǒng)中正在加工的零件數(shù)量。這些性能指標(biāo)對(duì)于評(píng)估FMS的運(yùn)行效果、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的瓶頸和潛在問(wèn)題、優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)度策略具有重要意義。利用Petri網(wǎng)的可達(dá)性分析和不變量分析等方法，可以計(jì)算出這些性能指標(biāo)。通過(guò)可達(dá)性分析，可以確定系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的可達(dá)標(biāo)識(shí)集，進(jìn)而計(jì)算出加工周期和在制品庫(kù)存水平；通過(guò)不變量分析，可以得到系統(tǒng)中資源的守恒關(guān)系，從而評(píng)估設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。3.2基于Petri網(wǎng)的FMS建模步驟3.2.1確定系統(tǒng)邊界與建模范圍在構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的FMS模型時(shí)，首要任務(wù)是明確系統(tǒng)邊界與建模范圍，這是確保模型準(zhǔn)確性和有效性的關(guān)鍵前提。確定系統(tǒng)邊界需全面考量FMS的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與生產(chǎn)需求，明確系統(tǒng)所涵蓋的具體設(shè)備、流程以及資源，清晰界定系統(tǒng)與外部環(huán)境的交互關(guān)系。從設(shè)備層面來(lái)看，F(xiàn)MS通常包含多種類型的設(shè)備，如加工設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備等。加工設(shè)備涵蓋數(shù)控機(jī)床、加工中心等，這些設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)原材料進(jìn)行加工，將其轉(zhuǎn)化為半成品或成品。運(yùn)輸設(shè)備包括自動(dòng)化輸送線、AGV和機(jī)器人等，承擔(dān)著物料在系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備之間的運(yùn)輸任務(wù)。存儲(chǔ)設(shè)備則有自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)、托盤(pán)貨架等，用于存放原材料、在制品和成品。在確定系統(tǒng)邊界時(shí)，需明確這些設(shè)備是否屬于建模范圍，若FMS與外部倉(cāng)庫(kù)存在物料交互，需明確外部倉(cāng)庫(kù)是否納入建模范疇。若FMS的原材料需從外部供應(yīng)商處采購(gòu)，且外部供應(yīng)商的供貨能力對(duì)FMS的生產(chǎn)有顯著影響，可考慮將外部供應(yīng)商的供貨環(huán)節(jié)納入建模范圍，以便更全面地分析FMS的生產(chǎn)過(guò)程。在流程方面，F(xiàn)MS的生產(chǎn)流程復(fù)雜，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，如原材料的采購(gòu)、入庫(kù)、加工、裝配、檢驗(yàn)以及成品的出庫(kù)等。在確定建模范圍時(shí)，需根據(jù)研究目的和實(shí)際需求，確定需要詳細(xì)建模的流程環(huán)節(jié)。若研究重點(diǎn)是FMS內(nèi)部的加工和裝配過(guò)程，可將建模范圍重點(diǎn)聚焦在這些環(huán)節(jié)，對(duì)原材料采購(gòu)和成品出庫(kù)等環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化；若關(guān)注FMS的整體生產(chǎn)效率，需將所有相關(guān)流程都納入建模范圍，綜合考慮各環(huán)節(jié)之間的相互影響。資源是FMS運(yùn)行的重要支撐，包括人力資源、設(shè)備資源、物料資源和能源資源等。人力資源涵蓋操作人員、維護(hù)人員和管理人員等，他們?cè)贔MS的運(yùn)行中發(fā)揮著不同的作用。設(shè)備資源即前文所述的各類設(shè)備，物料資源包括原材料、半成品和成品等，能源資源則為設(shè)備運(yùn)行提供動(dòng)力。在確定系統(tǒng)邊界時(shí)，需明確這些資源的來(lái)源和使用情況，以及資源的限制條件。若FMS的生產(chǎn)受到能源供應(yīng)的限制，需將能源供應(yīng)環(huán)節(jié)納入建模范圍，分析能源供應(yīng)對(duì)生產(chǎn)的影響。以某汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的生產(chǎn)。在確定系統(tǒng)邊界時(shí)，明確將系統(tǒng)內(nèi)的5臺(tái)加工中心、3條自動(dòng)化輸送線、1個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)以及相關(guān)的操作人員和管理人員納入建模范圍。由于原材料由外部供應(yīng)商提供，且供應(yīng)商的供貨穩(wěn)定性對(duì)生產(chǎn)影響較大，因此將供應(yīng)商的供貨環(huán)節(jié)也納入建模范圍，以便更準(zhǔn)確地分析生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。而對(duì)于成品的銷售環(huán)節(jié)，由于其對(duì)FMS內(nèi)部生產(chǎn)過(guò)程的直接影響較小，未將其納入本次建模范圍。通過(guò)這樣明確的系統(tǒng)邊界和建模范圍界定，為后續(xù)基于Petri網(wǎng)的建模工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，能夠確保模型真實(shí)反映該汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。3.2.2定義庫(kù)所、變遷與有向弧在確定了FMS的系統(tǒng)邊界和建模范圍后，下一步關(guān)鍵任務(wù)是依據(jù)FMS的資源、操作和狀態(tài)，精準(zhǔn)定義Petri網(wǎng)中的庫(kù)所、變遷和有向弧，這是構(gòu)建Petri網(wǎng)模型的核心步驟。庫(kù)所用于表示FMS中的資源或狀態(tài)，合理定義庫(kù)所能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的靜態(tài)特性。在FMS中，加工設(shè)備是重要資源，可將每臺(tái)加工設(shè)備定義為一個(gè)庫(kù)所。當(dāng)加工設(shè)備處于空閑狀態(tài)時(shí)，該庫(kù)所中存在令牌，表示設(shè)備可接受加工任務(wù)；當(dāng)加工設(shè)備處于忙碌狀態(tài)時(shí)，庫(kù)所中的令牌被消耗，表示設(shè)備正在執(zhí)行加工任務(wù)。在一個(gè)包含3臺(tái)加工中心的FMS中，分別定義庫(kù)所P_1、P_2、P_3表示這3臺(tái)加工中心，初始狀態(tài)下，P_1中有1個(gè)令牌，P_2和P_3中沒(méi)有令牌，表明加工中心1處于空閑狀態(tài)，可接受加工任務(wù)，而加工中心2和3處于忙碌狀態(tài)。原材料、在制品和成品也可分別定義為庫(kù)所。將原材料庫(kù)定義為庫(kù)所P_4，當(dāng)庫(kù)所P_4中有令牌時(shí)，表示有原材料可供使用；將在制品庫(kù)定義為庫(kù)所P_5，令牌數(shù)量反映在制品的數(shù)量；將成品庫(kù)定義為庫(kù)所P_6，當(dāng)有成品產(chǎn)出時(shí)，庫(kù)所P_6中會(huì)產(chǎn)生令牌。變遷代表FMS中的操作或事件，其定義需緊密結(jié)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。在FMS的生產(chǎn)過(guò)程中，加工操作是核心事件，可將每個(gè)加工操作定義為一個(gè)變遷。在汽車零部件生產(chǎn)中，將缸體的銑削加工操作定義為變遷T_1，當(dāng)變遷T_1觸發(fā)時(shí)，表示銑削加工開(kāi)始，會(huì)消耗表示加工設(shè)備空閑狀態(tài)的庫(kù)所中的令牌，同時(shí)在表示加工進(jìn)行中的庫(kù)所中產(chǎn)生令牌。物料運(yùn)輸操作也是重要環(huán)節(jié)，將AGV將原材料從倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸?shù)郊庸ぴO(shè)備的操作定義為變遷T_2，當(dāng)變遷T_2觸發(fā)時(shí)，消耗表示原材料在倉(cāng)庫(kù)中的庫(kù)所中的令牌，同時(shí)在表示原材料到達(dá)加工設(shè)備處的庫(kù)所中產(chǎn)生令牌。此外，設(shè)備故障、維修等事件也可定義為變遷。將加工設(shè)備故障事件定義為變遷T_3，當(dāng)變遷T_3觸發(fā)時(shí)，改變?cè)O(shè)備狀態(tài)庫(kù)所中的令牌分布，表明設(shè)備出現(xiàn)故障。有向弧用于連接庫(kù)所和變遷，清晰描述它們之間的關(guān)系，是Petri網(wǎng)模型中信息傳遞和狀態(tài)變化的關(guān)鍵紐帶。從庫(kù)所指向變遷的有向弧為輸入弧，表示庫(kù)所中的資源是變遷發(fā)生的條件。若有一條輸入弧從表示原材料的庫(kù)所P_4指向表示加工操作的變遷T_1，則表示只有當(dāng)庫(kù)所P_4中有原材料（即有令牌）時(shí)，變遷T_1才有可能觸發(fā)，即加工操作才能開(kāi)始。從變遷指向庫(kù)所的有向弧為輸出弧，表示變遷發(fā)生后產(chǎn)生的結(jié)果或資源的流向。當(dāng)變遷T_1（加工操作）觸發(fā)完成后，通過(guò)輸出弧在表示加工完成的庫(kù)所中產(chǎn)生令牌，表明加工任務(wù)已完成。在實(shí)際定義過(guò)程中，需全面、細(xì)致地考慮FMS中各種資源、操作和狀態(tài)之間的關(guān)系，確保庫(kù)所、變遷和有向弧的定義準(zhǔn)確、完整。以某電子產(chǎn)品FMS生產(chǎn)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)包含2條SMT生產(chǎn)線、1條插件生產(chǎn)線和1條組裝生產(chǎn)線。在定義庫(kù)所時(shí)，分別將SMT生產(chǎn)線1、SMT生產(chǎn)線2、插件生產(chǎn)線、組裝生產(chǎn)線、原材料庫(kù)、在制品庫(kù)和成品庫(kù)定義為庫(kù)所P_1、P_2、P_3、P_4、P_5、P_6、P_7。在定義變遷時(shí)，將SMT生產(chǎn)操作、插件操作、組裝操作、原材料運(yùn)輸操作、在制品運(yùn)輸操作分別定義為變遷T_1、T_2、T_3、T_4、T_5。在定義有向弧時(shí)，從原材料庫(kù)所P_5到SMT生產(chǎn)操作變遷T_1繪制輸入弧，表示只有當(dāng)原材料庫(kù)中有原材料時(shí)，SMT生產(chǎn)操作才能開(kāi)始；從SMT生產(chǎn)操作變遷T_1到在制品庫(kù)所P_6繪制輸出弧，表示SMT生產(chǎn)完成后，在制品進(jìn)入在制品庫(kù)。通過(guò)這樣準(zhǔn)確的定義，構(gòu)建出能夠真實(shí)反映該電子產(chǎn)品FMS生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的Petri網(wǎng)模型。3.2.3建立Petri網(wǎng)模型以汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)為例，深入展示建立Petri網(wǎng)模型的詳細(xì)過(guò)程并繪制模型圖。該汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的生產(chǎn)，涵蓋多個(gè)加工環(huán)節(jié)和物流環(huán)節(jié)，具有一定的復(fù)雜性和代表性。在確定系統(tǒng)邊界與建模范圍時(shí)，明確將系統(tǒng)內(nèi)的加工設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備以及相關(guān)的操作人員和管理人員納入建模范圍，同時(shí)考慮到原材料供應(yīng)商的供貨環(huán)節(jié)對(duì)生產(chǎn)的重要影響，將其也納入建模范圍。在定義庫(kù)所時(shí)，設(shè)置以下庫(kù)所：P_1表示原材料庫(kù)，用于存放生產(chǎn)所需的原材料；P_2、P_3、P_4分別表示3臺(tái)加工中心，其令牌狀態(tài)反映加工中心的空閑或忙碌情況；P_5表示在制品庫(kù)，存儲(chǔ)加工過(guò)程中的半成品；P_6表示成品庫(kù)，存放生產(chǎn)完成的汽車零部件；P_7表示運(yùn)輸設(shè)備庫(kù)，包含AGV和自動(dòng)化輸送線等，令牌狀態(tài)表示運(yùn)輸設(shè)備的可用情況；P_8表示操作人員庫(kù)，令牌表示操作人員的空閑或忙碌狀態(tài)。在定義變遷時(shí)，確定以下變遷：T_1表示原材料采購(gòu)變遷，當(dāng)原材料庫(kù)存不足時(shí)，觸發(fā)該變遷進(jìn)行原材料采購(gòu)；T_2表示原材料運(yùn)輸變遷，AGV將采購(gòu)的原材料從供應(yīng)商運(yùn)輸?shù)皆牧蠋?kù)；T_3、T_4、T_5分別表示3臺(tái)加工中心的加工變遷，當(dāng)加工中心空閑且有原材料和操作人員時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)變遷進(jìn)行加工操作；T_6表示在制品運(yùn)輸變遷，AGV或自動(dòng)化輸送線將加工完成的在制品從加工中心運(yùn)輸?shù)皆谥破穾?kù)；T_7表示成品組裝變遷，將在制品庫(kù)中的半成品進(jìn)行組裝，形成成品；T_8表示成品運(yùn)輸變遷，將成品從成品庫(kù)運(yùn)輸?shù)桨l(fā)貨區(qū)。在確定有向弧時(shí)，從原材料庫(kù)所P_1到原材料運(yùn)輸變遷T_2繪制輸入弧，表示原材料運(yùn)輸需要原材料庫(kù)中有原材料；從原材料運(yùn)輸變遷T_2到加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4繪制輸出弧，表示運(yùn)輸?shù)脑牧系竭_(dá)加工中心；從加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4到在制品運(yùn)輸變遷T_6繪制輸入弧，表示在制品運(yùn)輸需要加工中心有加工完成的在制品；從在制品運(yùn)輸變遷T_6到在制品庫(kù)所P_5繪制輸出弧，表示在制品運(yùn)輸?shù)皆谥破穾?kù)；從在制品庫(kù)所P_5到成品組裝變遷T_7繪制輸入弧，表示成品組裝需要在制品庫(kù)中有半成品；從成品組裝變遷T_7到成品庫(kù)所P_6繪制輸出弧，表示成品組裝完成后進(jìn)入成品庫(kù)；從成品庫(kù)所P_6到成品運(yùn)輸變遷T_8繪制輸入弧，表示成品運(yùn)輸需要成品庫(kù)中有成品；從成品運(yùn)輸變遷T_8到發(fā)貨區(qū)繪制輸出弧，表示成品運(yùn)輸?shù)桨l(fā)貨區(qū)。根據(jù)以上定義，繪制出汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型圖，如圖3-1所示。[此處插入汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型圖3-1]在該模型圖中，庫(kù)所和變遷通過(guò)有向弧相互連接，清晰展示了汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)中資源的流動(dòng)和操作的執(zhí)行過(guò)程。初始狀態(tài)下，原材料庫(kù)所P_1中有一定數(shù)量的令牌，表示有足夠的原材料；加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4中有部分令牌，表示部分加工中心處于空閑狀態(tài)；運(yùn)輸設(shè)備庫(kù)所P_7和操作人員庫(kù)所P_8中有令牌，表示運(yùn)輸設(shè)備和操作人員可用。隨著變遷的觸發(fā)，令牌在庫(kù)所之間流動(dòng)，反映系統(tǒng)狀態(tài)的變化。當(dāng)原材料采購(gòu)變遷T_1觸發(fā)時(shí)，原材料庫(kù)所P_1中的令牌增加；當(dāng)加工變遷T_3觸發(fā)時(shí)，加工中心庫(kù)所P_2中的令牌被消耗，在制品庫(kù)所P_5中的令牌增加。通過(guò)這樣的Petri網(wǎng)模型，能夠直觀、準(zhǔn)確地描述汽車零部件FMS生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，為后續(xù)的系統(tǒng)分析和優(yōu)化提供有力工具。3.2.4模型驗(yàn)證與優(yōu)化模型驗(yàn)證是確保基于Petri網(wǎng)的FMS模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能夠有效檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裾鎸?shí)、全面地反映了FMS的實(shí)際運(yùn)行情況。本研究采用基于模擬的方法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，該方法通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬FMS的運(yùn)行過(guò)程，觀察模型的輸出結(jié)果，并與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。在模擬過(guò)程中，設(shè)定多種不同的運(yùn)行場(chǎng)景，以全面覆蓋FMS可能面臨的各種實(shí)際情況。考慮正常生產(chǎn)情況下的場(chǎng)景，設(shè)定加工任務(wù)按照預(yù)定的工藝路線依次在各加工設(shè)備上進(jìn)行加工，物流運(yùn)輸順暢，設(shè)備和人員均正常運(yùn)行。設(shè)置設(shè)備故障場(chǎng)景，隨機(jī)選擇某臺(tái)加工設(shè)備或運(yùn)輸設(shè)備發(fā)生故障，觀察模型對(duì)故障的響應(yīng)情況，包括故障對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度的影響、系統(tǒng)如何進(jìn)行調(diào)度以應(yīng)對(duì)故障等。還需考慮訂單變更場(chǎng)景，假設(shè)突然增加或減少生產(chǎn)訂單，分析模型能否合理調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和資源分配。將模擬結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，從多個(gè)維度進(jìn)行分析。對(duì)比生產(chǎn)效率，觀察模型模擬的單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)是否相符。若實(shí)際生產(chǎn)中每小時(shí)生產(chǎn)10個(gè)汽車零部件，而模型模擬結(jié)果為每小時(shí)生產(chǎn)8個(gè)，說(shuō)明模型在生產(chǎn)效率方面可能存在偏差，需要進(jìn)一步分析原因。對(duì)比設(shè)備利用率，查看模型中各加工設(shè)備和運(yùn)輸設(shè)備的實(shí)際工作時(shí)間與總可用時(shí)間的比例是否與實(shí)際情況一致。若實(shí)際中某臺(tái)加工中心的利用率為80%，而模型中顯示為60%，則需要檢查模型中對(duì)該設(shè)備的調(diào)度策略和任務(wù)分配是否合理。還需對(duì)比物流運(yùn)輸時(shí)間，驗(yàn)證模型中物料在不同設(shè)備和庫(kù)所之間的運(yùn)輸時(shí)間是否與實(shí)際運(yùn)輸時(shí)間相近。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，以提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。若發(fā)現(xiàn)模型在某些場(chǎng)景下的生產(chǎn)效率與實(shí)際不符，通過(guò)調(diào)整變遷的觸發(fā)規(guī)則來(lái)優(yōu)化模型。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)某臺(tái)加工設(shè)備完成一個(gè)加工任務(wù)后，會(huì)立即接收下一個(gè)任務(wù)，而模型中可能存在任務(wù)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況。此時(shí)，可以修改加工變遷的觸發(fā)條件，使其在設(shè)備完成任務(wù)后能夠及時(shí)觸發(fā)下一個(gè)加工任務(wù)，減少設(shè)備空閑時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。若發(fā)現(xiàn)設(shè)備利用率存在偏差，優(yōu)化資源分配策略。在模型中，合理調(diào)整加工任務(wù)在各加工設(shè)備之間的分配，根據(jù)設(shè)備的加工能力和實(shí)際運(yùn)行情況，均衡分配任務(wù)，避免某些設(shè)備過(guò)度繁忙，而某些設(shè)備閑置的情況。對(duì)于物流運(yùn)輸時(shí)間的偏差，可以優(yōu)化運(yùn)輸路徑和調(diào)度策略。在模型中，重新規(guī)劃AGV和自動(dòng)化輸送線的運(yùn)輸路徑，選擇最優(yōu)路徑，減少運(yùn)輸時(shí)間；同時(shí)，合理安排運(yùn)輸任務(wù)的先后順序，提高物流運(yùn)輸?shù)男?。通過(guò)不斷地進(jìn)行模型驗(yàn)證和優(yōu)化，使基于Petri網(wǎng)的FMS模型能夠更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為FMS的性能分析、故障診斷和優(yōu)化決策提供可靠的依據(jù)。在對(duì)某電子制造企業(yè)的FMS進(jìn)行建模和驗(yàn)證時(shí)，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)模型在應(yīng)對(duì)設(shè)備故障時(shí)，生產(chǎn)進(jìn)度的調(diào)整不夠及時(shí)，導(dǎo)致整體生產(chǎn)效率下降。針對(duì)這一問(wèn)題，優(yōu)化了故障處理變遷的觸發(fā)規(guī)則，使其能夠在設(shè)備故障發(fā)生時(shí)，迅速將受影響的加工任務(wù)重新分配到其他可用設(shè)備上，同時(shí)調(diào)整物流運(yùn)輸路徑，確保原材料和在制品能夠及時(shí)供應(yīng)到新的加工設(shè)備。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，模型的模擬結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)更加接近，生產(chǎn)效率得到了顯著提高，有效提升了模型的可靠性和實(shí)用性。3.3建模案例分析3.3.1案例背景介紹本案例選取某汽車零部件制造企業(yè)的FMS作為研究對(duì)象，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的生產(chǎn)，在汽車制造產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)著關(guān)鍵地位，其高效穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整車生產(chǎn)至關(guān)重要。該FMS生產(chǎn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋型號(hào)多樣，以滿足不同車型發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。例如，針對(duì)某款高性能轎車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多個(gè)高精度的缸筒、水道和油道，對(duì)加工精度和表面質(zhì)量要求極高；而某款經(jīng)濟(jì)型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋則在保證性能的前提下，更注重生產(chǎn)成本的控制，對(duì)生產(chǎn)效率提出了較高要求。這些不同型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)，對(duì)FMS的柔性和高效性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在設(shè)備配置方面，該FMS擁有5臺(tái)先進(jìn)的加工中心，這些加工中心具備多軸聯(lián)動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面的加工，可對(duì)缸體和缸蓋進(jìn)行銑削、鉆孔、鏜孔等多種加工操作。配備了3條自動(dòng)化輸送線，用于物料在加工設(shè)備之間的高效傳輸，確保生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性。還擁有1個(gè)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，采用先進(jìn)的堆垛機(jī)和貨架系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)原材料、在制品和成品的高密度存儲(chǔ)和快速存取。同時(shí)，為了滿足生產(chǎn)過(guò)程中的物料搬運(yùn)需求，配備了2輛AGV，它們能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的指令，自主導(dǎo)航，準(zhǔn)確地將物料運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩Ｔ揊MS的工藝流程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。原材料（鋁合金鑄件）首先通過(guò)自動(dòng)化輸送線被運(yùn)輸?shù)郊庸ぶ行模M(jìn)行粗加工，去除大部分余量，初步形成產(chǎn)品的輪廓。粗加工完成后，工件通過(guò)自動(dòng)化輸送線或AGV被運(yùn)輸?shù)綑z測(cè)工位，進(jìn)行尺寸精度和形位公差的檢測(cè)，確保加工質(zhì)量符合要求。檢測(cè)合格的工件進(jìn)入精加工階段，在加工中心上進(jìn)行高精度的銑削、鏜孔等操作，以滿足產(chǎn)品的最終精度要求。精加工后的工件再次進(jìn)行檢測(cè)，合格后進(jìn)入清洗工序，去除表面的油污和碎屑。清洗后的工件被運(yùn)輸?shù)窖b配區(qū)域，與其他零部件進(jìn)行裝配，形成完整的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體或缸蓋。裝配完成的產(chǎn)品進(jìn)行最終檢測(cè)和包裝，然后存儲(chǔ)在自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中，等待發(fā)貨。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)管理系統(tǒng)根據(jù)訂單需求、設(shè)備狀態(tài)和物料供應(yīng)情況，合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)度加工任務(wù)和物料運(yùn)輸，確保FMS的高效運(yùn)行。例如，當(dāng)接到一批新的訂單時(shí)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)訂單的緊急程度、產(chǎn)品型號(hào)和數(shù)量，制定詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃，合理分配加工任務(wù)到各個(gè)加工中心，同時(shí)安排AGV和自動(dòng)化輸送線及時(shí)運(yùn)輸物料，保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。若某臺(tái)加工中心出現(xiàn)故障，生產(chǎn)管理系統(tǒng)會(huì)迅速調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，將受影響的加工任務(wù)重新分配到其他可用設(shè)備上，確保生產(chǎn)進(jìn)度不受太大影響。3.3.2基于Petri網(wǎng)的模型構(gòu)建過(guò)程在構(gòu)建基于Petri網(wǎng)的該汽車零部件FMS模型時(shí)，精準(zhǔn)定義庫(kù)所、變遷和有向弧是關(guān)鍵步驟，它們相互配合，能夠準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的資源、操作和狀態(tài)變化。庫(kù)所定義緊密圍繞系統(tǒng)中的資源和狀態(tài)。設(shè)置庫(kù)所P_1表示原材料庫(kù)，用于存放生產(chǎn)所需的鋁合金鑄件，其令牌數(shù)量反映原材料的庫(kù)存數(shù)量。P_2、P_3、P_4、P_5分別表示5臺(tái)加工中心，當(dāng)這些庫(kù)所中有令牌時(shí)，表示對(duì)應(yīng)加工中心處于空閑狀態(tài)，可接收加工任務(wù)；反之，若無(wú)令牌，則表示加工中心處于忙碌狀態(tài)。P_6表示在制品庫(kù)，用于存儲(chǔ)加工過(guò)程中的半成品，令牌數(shù)量體現(xiàn)了在制品的數(shù)量。P_7表示成品庫(kù)，當(dāng)有成品產(chǎn)出時(shí)，該庫(kù)所中會(huì)產(chǎn)生令牌。P_8表示自動(dòng)化輸送線庫(kù)，令牌狀態(tài)反映輸送線的可用情況。P_9表示AGV庫(kù)，令牌表示AGV的空閑或忙碌狀態(tài)。P_{10}表示檢測(cè)設(shè)備庫(kù)，反映檢測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)。變遷定義依據(jù)系統(tǒng)中的操作和事件。T_1表示原材料采購(gòu)變遷，當(dāng)原材料庫(kù)存低于設(shè)定閾值時(shí)，觸發(fā)該變遷，啟動(dòng)原材料采購(gòu)流程。T_2表示原材料運(yùn)輸變遷，AGV將采購(gòu)的原材料從供應(yīng)商運(yùn)輸?shù)皆牧蠋?kù)。T_3、T_4、T_5分別表示3臺(tái)加工中心的加工變遷，當(dāng)加工中心空閑，且有原材料和相應(yīng)的加工程序時(shí)，觸發(fā)相應(yīng)變遷，開(kāi)始加工操作。T_6表示在制品運(yùn)輸變遷，AGV或自動(dòng)化輸送線將加工完成的在制品從加工中心運(yùn)輸?shù)皆谥破穾?kù)。T_7表示檢測(cè)變遷，當(dāng)工件到達(dá)檢測(cè)工位時(shí)，觸發(fā)該變遷，進(jìn)行檢測(cè)操作。T_8表示成品裝配變遷，將在制品庫(kù)中的半成品與其他零部件進(jìn)行裝配，形成成品。T_9表示成品運(yùn)輸變遷，將成品從成品庫(kù)運(yùn)輸?shù)桨l(fā)貨區(qū)。有向弧用于連接庫(kù)所和變遷，清晰展示它們之間的關(guān)系。從原材料庫(kù)所P_1到原材料運(yùn)輸變遷T_2繪制輸入弧，表示原材料運(yùn)輸需要原材料庫(kù)中有原材料。從原材料運(yùn)輸變遷T_2到加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4、P_5繪制輸出弧，表示運(yùn)輸?shù)脑牧系竭_(dá)加工中心。從加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4、P_5到在制品運(yùn)輸變遷T_6繪制輸入弧，表示在制品運(yùn)輸需要加工中心有加工完成的在制品。從在制品運(yùn)輸變遷T_6到在制品庫(kù)所P_6繪制輸出弧，表示在制品運(yùn)輸?shù)皆谥破穾?kù)。從在制品庫(kù)所P_6到檢測(cè)變遷T_7繪制輸入弧，表示檢測(cè)需要在制品庫(kù)中有待檢測(cè)的工件。從檢測(cè)變遷T_7到在制品庫(kù)所P_6（檢測(cè)合格）或廢料庫(kù)所（檢測(cè)不合格，圖中未詳細(xì)列出）繪制輸出弧，表示檢測(cè)結(jié)果。從在制品庫(kù)所P_6（檢測(cè)合格）到成品裝配變遷T_8繪制輸入弧，表示成品裝配需要合格的在制品。從成品裝配變遷T_8到成品庫(kù)所P_7繪制輸出弧，表示成品裝配完成后進(jìn)入成品庫(kù)。從成品庫(kù)所P_7到成品運(yùn)輸變遷T_9繪制輸入弧，表示成品運(yùn)輸需要成品庫(kù)中有成品。從成品運(yùn)輸變遷T_9到發(fā)貨區(qū)繪制輸出弧，表示成品運(yùn)輸?shù)桨l(fā)貨區(qū)?；谝陨隙x，逐步構(gòu)建出該汽車零部件FMS的Petri網(wǎng)模型。首先，確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)，即初始標(biāo)識(shí)。在初始狀態(tài)下，原材料庫(kù)所P_1中有一定數(shù)量的令牌，代表初始的原材料庫(kù)存。部分加工中心庫(kù)所P_2、P_3、P_4、P_5中有令牌，表示部分加工中心處于空閑狀態(tài)。自動(dòng)化輸送線庫(kù)所P_8和AGV庫(kù)所P_9中有令牌，表示輸送線和AGV可用。其他庫(kù)所如在制品庫(kù)所P_6、成品庫(kù)所P_7和檢測(cè)設(shè)備庫(kù)所P_{10}中初始令牌數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，通常在制品庫(kù)和成品庫(kù)初始令牌為0，檢測(cè)設(shè)備庫(kù)令牌表示其初始工作狀態(tài)。然后，根據(jù)庫(kù)所、變遷和有向弧的定義，將它們有機(jī)連接起來(lái)，形成完整的Petri網(wǎng)模型，如圖3-2所示。[此處插入汽車零部件FMS的Petri網(wǎng)模型圖3-2]在該模型中，庫(kù)所和變遷通過(guò)有向弧相互關(guān)聯(lián)，清晰展示了汽車零部件FMS中資源的流動(dòng)和操作的執(zhí)行過(guò)程。隨著變遷的觸發(fā)，令牌在庫(kù)所之間流動(dòng)，直觀地反映了系統(tǒng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)原材料采購(gòu)變遷T_1觸發(fā)時(shí)，原材料庫(kù)所P_1中的令牌增加；當(dāng)加工變遷T_3觸發(fā)時(shí)，加工中心庫(kù)所P_2中的令牌被消耗，在制品庫(kù)所P_6中的令牌增加。通過(guò)這樣的Petri網(wǎng)模型，能夠?yàn)楹罄m(xù)的系統(tǒng)分析和優(yōu)化提供有力的工具。3.3.3模型分析與結(jié)果討論對(duì)構(gòu)建的基于Petri網(wǎng)的汽車零部件FMS模型進(jìn)行全面分析，通過(guò)可達(dá)性分析、資源利用率計(jì)算等方法，深入挖掘模型所反映的系統(tǒng)性能指標(biāo)，并根據(jù)分析結(jié)果提出針對(duì)性的改進(jìn)建議?？蛇_(dá)性分析是評(píng)估系統(tǒng)性能的重要手段之一，它能夠確定系統(tǒng)從初始狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)一系列變遷的觸發(fā)所能到達(dá)的所有可能狀態(tài)。利用可達(dá)性分析算法，對(duì)該FMS模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠順利完成從原材料輸入到成品輸出的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，在不同的生產(chǎn)任務(wù)和資源分配情況下，均能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)狀態(tài)。在正常生產(chǎn)情況下，系統(tǒng)能夠按照預(yù)定的工藝流程，依次觸發(fā)各個(gè)變遷，實(shí)現(xiàn)原材料的加工、在制品的運(yùn)輸和成品的裝配與運(yùn)輸，最終將成品輸送到發(fā)貨區(qū)。然而，在某些特殊情況下，如設(shè)備故障或訂單變更時(shí)，系統(tǒng)的可達(dá)性會(huì)受到一定影響。當(dāng)某臺(tái)加工中心出現(xiàn)故障時(shí)，與之相關(guān)的加工變遷無(wú)法觸發(fā)，導(dǎo)致生產(chǎn)流程中斷。通過(guò)可達(dá)性分析，可以清晰地看到故障對(duì)生產(chǎn)流程的影響范圍，以及系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)故障時(shí)的狀態(tài)變化。資源利用率是衡量FMS性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了系統(tǒng)中各種資源的實(shí)際利用程度。通過(guò)對(duì)模型中各庫(kù)所和變遷的分析，計(jì)算出各加工中心、自動(dòng)化輸送線和AGV的資源利用率。在當(dāng)前的生產(chǎn)調(diào)度策略下，部分加工中心在生產(chǎn)高峰期的利用率較高，接近90%，而在生產(chǎn)低谷期，利用率則降至50%左右。這表明加工中心的負(fù)荷不均衡，在高峰期可能會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸，影響整體生產(chǎn)效率；而在低谷期，設(shè)備閑置，造成資源浪費(fèi)。自動(dòng)化輸送線的利用率相對(duì)較為穩(wěn)定，維持在70%左右，但在某些物料運(yùn)輸頻繁的時(shí)段，仍存在一定的運(yùn)輸壓力。AGV的利用率受任務(wù)分配和路徑規(guī)劃的影響較大，部分AGV在某些時(shí)段的利用率較低，僅為30%左右，存在優(yōu)化空間?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，提出以下改進(jìn)建議。針對(duì)加工中心負(fù)荷不均衡的問(wèn)題，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度策略，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，根據(jù)訂單需求和設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整加工任務(wù)的分配。在生產(chǎn)高峰期，將部分加工任務(wù)分配到利用率較低的加工中心，以平衡各加工中心的負(fù)荷；在生產(chǎn)低谷期，合理安排設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)工作，提高設(shè)備的利用率。為了提高自動(dòng)化輸送線的運(yùn)輸效率，優(yōu)化輸送線的布局和物料運(yùn)輸路徑，減少運(yùn)輸過(guò)程中的擁堵和等待時(shí)間。在物料運(yùn)輸頻繁的時(shí)段，增加輸送線的運(yùn)行速度或采用并行運(yùn)輸方式，提高運(yùn)輸能力。對(duì)于AGV的利用率問(wèn)題，改進(jìn)任務(wù)分配和路徑規(guī)劃算法，采用智能調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)AGV的位置、任務(wù)優(yōu)先級(jí)和交通狀況，實(shí)時(shí)規(guī)劃最優(yōu)路徑，提高AGV的運(yùn)行效率和利用率。還可以考慮增加AGV的數(shù)量，以滿足生產(chǎn)需求。通過(guò)這些改進(jìn)措施，有望提高該汽車零部件FMS的整體性能，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。四、基于Petri網(wǎng)的FMS故障診斷方法4.1FMS故障類型與特點(diǎn)在FMS的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)行環(huán)境的多樣性，會(huì)出現(xiàn)多種類型的故障，這些故障對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和生產(chǎn)效率產(chǎn)生不同程度的影響。設(shè)備故障是FMS中較為常見(jiàn)的一類故障，主要包括加工設(shè)備故障、運(yùn)輸設(shè)備故障和存儲(chǔ)設(shè)備故障等。加工設(shè)備故障表現(xiàn)形式多樣，如刀具磨損、主軸故障、進(jìn)給系統(tǒng)故障等。刀具磨損會(huì)導(dǎo)致加工精度下降，使加工出的零件尺寸偏差超出允許范圍，影響產(chǎn)品質(zhì)量。主軸故障可能導(dǎo)致加工過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲過(guò)大等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使加工無(wú)法正常進(jìn)行。進(jìn)給系統(tǒng)故障則可能導(dǎo)致工件的進(jìn)給速度不穩(wěn)定，影響加工效率和精度。運(yùn)輸設(shè)備故障常見(jiàn)的有AGV故障、自動(dòng)化輸送線故障等。AGV故障可能表現(xiàn)為導(dǎo)航故障，導(dǎo)致AGV無(wú)法按照預(yù)定路徑行駛，出現(xiàn)偏離軌道、碰撞障礙物等情況；自動(dòng)化輸送線故障可能是輸送帶斷裂、電機(jī)故障等，導(dǎo)致物料無(wú)法正常運(yùn)輸，影響生產(chǎn)流程的連續(xù)性。存儲(chǔ)設(shè)備故障如自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的堆垛機(jī)故障、貨架損壞等，會(huì)影響原材料、在制品和成品的存儲(chǔ)和存取，導(dǎo)致生產(chǎn)停滯?？刂乒收鲜荈MS運(yùn)行中另一類重要的故障，涵蓋控制系統(tǒng)硬件故障和軟件故障?？刂葡到y(tǒng)硬件故障包括控制器故障、傳感器故障和執(zhí)行器故障等?？刂破鞴收峡赡軐?dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常接收和處理指令，使整個(gè)FMS失去控制。傳感器故障會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)獲取的信息不準(zhǔn)確，如位置傳感器故障可能使設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確判斷工件的位置，從而影響加工和運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)確性。執(zhí)行器故障則會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法按照指令動(dòng)作，如電磁閥故障可能使液壓系統(tǒng)無(wú)法正常工作。軟件故障常見(jiàn)的有程序錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失等。程序錯(cuò)誤可能導(dǎo)致系統(tǒng)在執(zhí)行某些任務(wù)時(shí)出現(xiàn)異常，如死循環(huán)、邏輯錯(cuò)誤等，使系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)丟失可能導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃、工藝參數(shù)等重要信息丟失，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。FMS故障具有突發(fā)性，故障往往在毫無(wú)預(yù)兆的情況下突然發(fā)生，難以提前預(yù)測(cè)。在某電子制造企業(yè)的FMS中，一臺(tái)加工中心在正常運(yùn)行過(guò)程中，突然出現(xiàn)主軸抱死的故障，導(dǎo)致正在加工的產(chǎn)品報(bào)廢，生產(chǎn)中斷。這種突發(fā)性故障給企業(yè)帶來(lái)了極大的損失，因?yàn)槠髽I(yè)無(wú)法提前做好應(yīng)對(duì)措施，只能臨時(shí)安排維修人員進(jìn)行搶修。故障還具有復(fù)雜性，由于FMS各組成部分之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，一個(gè)故障可能引發(fā)多個(gè)其他故障，形成復(fù)雜的故障鏈。在某汽車零部件FMS中，一臺(tái)AGV出現(xiàn)導(dǎo)航故障，無(wú)法將原材料按時(shí)運(yùn)輸?shù)郊庸ぴO(shè)備，導(dǎo)致加工設(shè)備因缺料而停機(jī)。同時(shí)，由于AGV的故障，使得物流系統(tǒng)的運(yùn)輸計(jì)劃被打亂，其他AGV需要重新規(guī)劃路徑，增加了運(yùn)輸時(shí)間和能耗，還可能導(dǎo)致在制品積壓，影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，故障的診斷和修復(fù)難度較大，需要綜合考慮多個(gè)因素，涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)。由于FMS涉及機(jī)械、電氣、控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，故障的原因可能是多方面的，診斷過(guò)程需要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行全面檢查和分析。對(duì)于加工設(shè)備的故障，可能需要機(jī)械工程師檢查機(jī)械部件的磨損情況，電氣工程師檢查電氣控制系統(tǒng)的故障，控制工程師檢查控制程序的正確性，增加了故障診斷的難度和時(shí)間成本。4.2基于Petri網(wǎng)的故障診斷原理基于Petri網(wǎng)的FMS故障診斷方法，是利用Petri網(wǎng)模型對(duì)FMS進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析令牌的流動(dòng)情況和庫(kù)所的狀態(tài)變化，來(lái)判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障的類型和位置。其核心原理在于，Petri網(wǎng)能夠直觀地描述系統(tǒng)中各部件之間的邏輯關(guān)系和動(dòng)態(tài)行為，為故障診斷提供了一個(gè)有效的框架。在FMS的Petri網(wǎng)模型中，庫(kù)所代表系統(tǒng)的資源、狀態(tài)或條件，變遷代表系統(tǒng)的操作或事件。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，令牌按照預(yù)設(shè)的規(guī)則在庫(kù)所和變遷之間流動(dòng)，系統(tǒng)狀態(tài)有序變化。在一個(gè)簡(jiǎn)單的加工系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型中，若有一個(gè)庫(kù)所表示原材料，一個(gè)變遷表示加工操作，當(dāng)原材料庫(kù)所中有令牌時(shí)，加工操作變遷被使能，觸發(fā)后原材料庫(kù)所中的令牌被消耗，同時(shí)在表示加工完成的庫(kù)所中產(chǎn)生令牌，這表明系統(tǒng)處于正常的加工流程中。然而，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，令牌的流動(dòng)和庫(kù)所的狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)異常變化。若某臺(tái)加工設(shè)備發(fā)生故障，與之相關(guān)的加工變遷無(wú)法觸發(fā)，導(dǎo)致令牌在輸入庫(kù)所中積累，而輸出庫(kù)所中無(wú)法產(chǎn)生令牌，打破了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的令牌流動(dòng)平衡。在一個(gè)包含多臺(tái)加工設(shè)備的FMS中，若其中一臺(tái)加工設(shè)備出現(xiàn)主軸故障，該設(shè)備對(duì)應(yīng)的加工變遷將無(wú)法觸發(fā)，原本應(yīng)該進(jìn)入該加工設(shè)備進(jìn)行加工的原材料（令牌）會(huì)一直停留在表示原材料等待加工的庫(kù)所中，而表示加工完成的庫(kù)所中則不會(huì)有新的令牌產(chǎn)生，從而可以判斷該加工設(shè)備所在的子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些異常變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的故障。為了更準(zhǔn)確地診斷故障，還可以結(jié)合其他信息，如傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行日志等。傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如溫度、壓力、振動(dòng)等，當(dāng)這些參數(shù)超出正常范圍時(shí)，傳感器會(huì)將信號(hào)傳遞給Petri網(wǎng)模型，模型根據(jù)這些信號(hào)更新庫(kù)所的狀態(tài)和令牌的分布，進(jìn)一步分析故障的原因和位置。在某化工生產(chǎn)FMS中，溫度傳感器監(jiān)測(cè)到某反應(yīng)釜的溫度異常升高，將這一信息傳遞給Petri網(wǎng)模型后，模型中表示該反應(yīng)釜狀態(tài)的庫(kù)所狀態(tài)發(fā)生改變，通過(guò)分析與該庫(kù)所相關(guān)的變遷和其他庫(kù)所的狀態(tài)變化，可以判斷是由于冷卻系統(tǒng)故障導(dǎo)致反應(yīng)釜溫度升高，從而準(zhǔn)確診斷出故障原因?；赑etri網(wǎng)的故障診斷還可以利用Petri網(wǎng)的可達(dá)性分析和不變量分析等方法?？蛇_(dá)性分析可以確定系統(tǒng)從當(dāng)前狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)一系列變遷的觸發(fā)能夠到達(dá)的所有可能狀態(tài)。在故障診斷中，通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)的可達(dá)狀態(tài)集，可以判斷系統(tǒng)是否處于異常狀態(tài)，以及可能的故障傳播路徑。若系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)不在正常運(yùn)行時(shí)的可達(dá)狀態(tài)集中，說(shuō)明系統(tǒng)發(fā)生了故障，通過(guò)分析從當(dāng)前狀態(tài)到正常狀態(tài)的可達(dá)路徑，可以推斷出故障是如何發(fā)生和傳播的。不變量分析則可以揭示系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中保持不變的特性和約束條件。在FMS中，某些資源的總量在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該保持不變，通過(guò)不變量分析可以判斷是否存在資源丟失或異常消耗的情況，從而輔助故障診斷。在一個(gè)包含原材料、在制品和成品的生產(chǎn)系統(tǒng)中，通過(guò)不變量分析發(fā)現(xiàn)原材料的消耗速度異常快，而成品的產(chǎn)出數(shù)量卻沒(méi)有相應(yīng)增加，這可能意味著在加工過(guò)程中出現(xiàn)了物料浪費(fèi)或設(shè)備故障導(dǎo)致加工效率降低等問(wèn)題。4.3故障診斷方法與流程4.3.1故障監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集通過(guò)構(gòu)建的Petri網(wǎng)模型，對(duì)FMS進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注系統(tǒng)中令牌的流動(dòng)軌跡以及庫(kù)所狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，這是實(shí)現(xiàn)故障早期發(fā)現(xiàn)和及時(shí)診斷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用傳感器技術(shù)，對(duì)FMS中的各類設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，這些參數(shù)涵蓋設(shè)備的溫度、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等多個(gè)方面。在加工設(shè)備中，通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸的溫度，一旦溫度超過(guò)正常范圍，可能意味著主軸存在異常磨損或潤(rùn)滑不良等問(wèn)題；利用振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)情況，若振動(dòng)幅度突然增大，可能預(yù)示著設(shè)備內(nèi)部零部件出現(xiàn)松動(dòng)或損壞。對(duì)于物流系統(tǒng)中的AGV，通過(guò)安裝在其驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電流傳感器，監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作電流。當(dāng)AGV在正常行駛過(guò)程中，電機(jī)電流保持在一定的穩(wěn)定范圍內(nèi)；若出現(xiàn)電機(jī)電流異常增大的情況，可能是由于AGV行駛路徑上存在障礙物，導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載增加，或者電機(jī)本身出現(xiàn)故障，如繞組短路等。在自動(dòng)化輸送線中，利用位置傳感器監(jiān)測(cè)輸送帶的運(yùn)行位置，確保其正常運(yùn)行，一旦輸送帶出現(xiàn)位置偏移，可能會(huì)導(dǎo)致物料輸送不暢，影響生產(chǎn)流程。將采集到的這些設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，與預(yù)先設(shè)定的正常運(yùn)行參數(shù)范圍進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)建立設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的閾值范圍，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超出該范圍時(shí)，立即觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，提示系統(tǒng)可能存在故障隱患。對(duì)于加工設(shè)備的主軸溫度，設(shè)定正常工作溫度范圍為40℃-60℃，若傳感器采集到的溫度達(dá)到65℃，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，通知操作人員和維護(hù)人員關(guān)注設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行故障排查。同時(shí)，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)的故障特征提取和分析提供豐富的數(shù)據(jù)資源。在數(shù)據(jù)庫(kù)中，按照設(shè)備類型、時(shí)間等維度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，方便后續(xù)查詢和分析。對(duì)于某臺(tái)加工設(shè)備，將其每天的溫度、壓力、振動(dòng)等數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序進(jìn)行記錄，以便在進(jìn)行故障診斷時(shí)，能夠全面了解設(shè)備的運(yùn)行歷史，準(zhǔn)確判斷故障原因。4.3.2故障特征提取與分析從采集的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中，運(yùn)用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，精確提取故障特征。對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，采用快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，通過(guò)分析頻域信號(hào)中的特征頻率成分，判斷設(shè)備是否存在故障以及故障的類型。在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，若出現(xiàn)軸承故障，其振動(dòng)信號(hào)在特定的頻率處會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，通過(guò)檢測(cè)這些特征頻率峰值的變化，能夠準(zhǔn)確識(shí)別軸承故障。還可以利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度分析，提取信號(hào)在不同頻率尺度下的特征，更全面地捕捉信號(hào)中的故障信息。對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，小波變換能夠有效地分解信號(hào)，突出信號(hào)中的瞬態(tài)特征，對(duì)于檢測(cè)設(shè)備的突發(fā)故障具有重要作用。利用Petri網(wǎng)的分析方法，深入分析故障特征與系統(tǒng)狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)，從而準(zhǔn)確判斷故障類型。在Petri網(wǎng)模型中，不同的故障類型會(huì)導(dǎo)致令牌流動(dòng)和庫(kù)所狀態(tài)的特定變化模式。若某臺(tái)加工設(shè)備發(fā)生故障，與之相關(guān)的加工變遷無(wú)法觸發(fā)，會(huì)使令牌在輸入庫(kù)所中積累，輸出庫(kù)所中令牌無(wú)法產(chǎn)生，打破系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的令牌流動(dòng)平衡。通過(guò)分析這些異常變化模式，結(jié)合預(yù)先建立的故障模式庫(kù)，可以確定故障的類型。在故障模式庫(kù)中，存儲(chǔ)了各種常見(jiàn)故障類型對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)狀態(tài)變化模式和故障特征，當(dāng)監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，將其與故障模式庫(kù)中的模式進(jìn)行匹配，快速判斷故障類型。若監(jiān)測(cè)到