基于Petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法与流程

本发明属于自动制造系统技术领域，尤其涉及一种基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法。

背景技术：

近几十年来，随着信息、自动化和计算机技术的快速发展和广泛应用，自动化制造系统极大地提高了自动化技术、质量和生产效率，减少了成本、浪费和停机时间。自动制造系统总是表现为一系列过程和一组资源之间的高度复杂的相互作用，所以对具有共享资源的自动化制造系统的研究是非常有必要的。对于任何一种自动制造系统而言，死锁是应当首先解决的问题，而资源竞争是资源共享系统出现死锁等不希望事件的本质特性，所以通过合理分配资源避免资源竞争从而避免死锁是本发明建模过程中的必须要考虑的因素。

目前有不少关于自动制造系统的活性研究成果，通过阅读和了解该方向的文章后，发现还存在不足之处，有以下两方面：1)很多学者从为整个系统添加监督器这个角度出发保证系统的活性，但是往往工程中系统是很复杂的，导致添加控制器难度大成本高；2)从petri网建模角度来保证系统活性，但对系统的要求比较苛刻，不具有普遍适用性。在制造过程中，许多操作往往是同时进行的，零件的加工过程是并行的、同步的。对于制造系统目前有很多建模方法，例如：idef、petri网、面向对象等经典建模方法。idef是面向结构的分析方法，在集成模型框架、过程模型等建模方面可给出较好的解决方案，但难以实现典型离散制造系统的定量性能分析。面向对象建模方法具有良好的继承性和封装性，但对于复杂制造系统来讲，建模方法较难理解和掌握。对比来说，petri网建模比较有优势，体现在petri网是对离散并行系统的数学表示，具有比较严格的数学基础和较强的离散事件动态系统描述能力，适合于描述异步的、并发的计算机系统模型，在制造系统建模中得到了广泛的应用。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术在资源共享网中资源竞争中，合成网易引起死锁，需再通过后期干预来使得合成网满足活性，增加了后期验证的成本。

(2)现有的建模合成技术大多使用于单条变迁路径的系统，对于异步的、并发的多条变迁路径的系统并不适用，所以使得在构建系统时建模者受到很大的限制。

解决上述技术问题的难度：(1)在资源共享装配操作系统的系统模型和资源的竞争情况都变得复杂，所以如何计算为子系统添加的子资源控制库所，使得子网和最终的合成网满足活性是比较有难度的。(2)与现有的普通网合成相比，本文的研究范围扩大至同步、并发的系统(例如：装配操作系统)。

解决上述技术问题的意义：上述提出的建模方法是在合成过程中为子网添加子资源控制库所，遵守此合成规则的合成网满足活性。按照子网中的资源竞争路径来计算子资源控制库所，使得合成网中资源合理分配，无需对合成网进行后续的验证，节省后期的验证成本。并且此方法不仅适用于并行的、同步的网络同时适用于普通的单变迁路径网络。另外从建模者角度来说，大大提高了建模者在建模过程中的灵活性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法。具体提出一种子系统合成，使得合成之后的系统满足活性，合成规则适用于多资源多并发加工制造系统。

本发明是这样实现的，一种基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法，所述基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法包括以下步骤：

步骤一，定义装配结构的petri子网中的资源竞争路径集合概念；

步骤二，计算步骤一子网中需要添加的子资源控制库所的结构；

步骤三，分析子网的合成规则，并限制子资源控制库所和资源库所的资源个数关系，使得到的合成网满足活性。

进一步，步骤一，装配结构的petri子网包括：n＝(p,t,f,w)，其中p是库所集合，t是变迁集合，是有向弧或数据流关系的集合；w:(p×t)∪(t×p)→n，w表示一个映射，为petri网n的权函数，且为每一条有向弧分配一个权值，其中n＝{1,2,3...}表示自然数集合；当w:→{1}并且

进一步，步骤一，装配结构的petri子网包括b(ts,te)，b满足：在ts和te之间的子网中没有回路，则b为一个mg-block；用表示mg-block开始于变迁ts，结束于变迁te。

进一步，步骤一，装配结构的petri子网中的有向路径l，满足以下条件：2)则l为资源库所pr的一组资源竞争路径集合。

进一步，步骤一按照资源的竞争情况分解方法进一步包括：

c＝(p,t,f,w)为由子系统组成的合成网，ci＝(pi,ti,fi,wi)表示子网系统；若装配结构的petri子网中的资源竞争路径在合成网中满足并且则为主路径；若满足并且则为次路径。

进一步，步骤二中，采用gmec方法为子网添加子资源控制库所sub-rcp；具体包括：

1)，查询子网中的资源竞争路径，按照资源竞争路径的定义查找符合定义的路径；

2)，计算子系统中要添加的子资源控制库所的个数；装配结构的petri子网中有n条资源竞争路径，添加n-1个子资源控制库所；通过前n-1个子资源控制库所使得前n-1个资源控制路径中的资源分配合理，还使得第n个资源路径的资源够用；

3)，建立约束用mrci(p)表示子资源控制库所中的资源个数以及用m(pr)表示资源库所中的资源个数；

4)，子资源控制库所中的资源个数和资源库所个数的关系满足以下条件，

进一步，步骤3)具体包括：

3.1)p∈po∧mri(p)＝0，则li(p)＝0；否则li(p)≠0；

3.2)装配结构的petri子网中的资源竞争路径中的ts和te之间由单个过程组成，则li(p)＝1；装配结构的petri子网中的资源竞争路径中的ts和te之间由n个独立的并发过程组成，则li(p)＝1/n；

3.3)计算子资源控制库所sub-rcp的结构设计及库所中的托肯数；其中n是关联矩阵；

3.4)让i＝i+1；回到第步骤3.1)步继续循环，直到i＞n-1；

3.5)得到装配结构的petri子网的所有子资源控制库所。

进一步，步骤三，将子网、子资源控制库所按照共同变迁合成，合成网满足活性中，具体包括：

限制1：在每个共同变迁中，最多存在一个输入库所是操作库所；

限制2：共同变迁子网中不包含资源库所；

限制3：在每个子网中必须至少存在一个主路径；

限制4：每个子网中的资源竞争路径的集合和合成网中的资源竞争路径集合完全相同；

最终的合成网满足活性中，子资源控制库所和资源库所中的资源个数满足以下条件：

(n1＜na)∧(n2＜nb)∧(n3＜nc)∧(n4＜nd)。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法。

本发明的另一目的在于提供一种执行所述基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法的自动制造系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明采用sub-rcp控制子系统使得合成的系统满足活性。采用此方法有以下的优点：1)通过控制子系统使得各个子网中的资源分配合理，即从本质上解决了因资源竞争导致的死锁，所以合成网必然是活的。2)采用子资源竞争路径来计算各部分子网的子资源控制库所的这种计算方法能够得到所有的资源竞争情况，并且重要的一点是在最终的合成网中不会出现没有计算到的资源竞争情况。通过此方法合成的装配操作系统，不管并发变迁路径有多少条，都可以通过文中提到的技术得到子资源控制库所，并且合成网通过调节资源库所和子资源控制库所中的资源个数关系即可使得系统中的资源个数满足制造系统生产需求。

本发明采用petri网建模。上述提到过在资源共享网中资源竞争是引起死锁的本质原因，在建模过程中通过对子网的资源进行合理分配和限制，合成网中的资源分配情况和子网中的资源分配情况保持一致，避免最终合成网发生死锁，从而合成网满足活性，无需再通过后期干预来使得合成网满足活性，减少后期验证的成本，此建模方法适用于更加广泛的系统。

相比于现有几技术，本发明的优点进一步包括：为了解决自动制造系统中的活性问题，本发明通过提供子网合成和限制规则使得综合建模合成网必然满足活性。本发明采用在合成时通过子资源控制库所sub-rcp(sub-resourcecontrolplace)对合成网各部分子系统的资源分配情况进行调节和规划，然后将共同变迁合成最终的大网的创新方法。不仅适用于一般的petri网系统的建模过程，同时适用于具有并行、同步操作等复杂系统，具有更强的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法流程图。

图2是本发明实施例提供的三个mg-block图。

图中：(a)综合状态之前的多个并行独立的子过程组成一，其中ts＝t11，te＝t16；(b)综合状态之前的多个并行独立的子过程组成二，其中ts＝t11，te＝t16；(c)综合状态之前的多个并行独立的子过程组成三，其中，ts＝{t1,t2}，te＝t16；(d)子过程分别包含内部回路一，{t1,p3,t3,p2,t1}和{t2,p5,t6,p4,t2}；(e)子过程分别包含内部回路二，{t1,p3,t3,p2,t1}和{t2,p5,t6,p4,t2}。

图3是本发明实施例提供的两种类型的装配结构图。

图中：(a)独立并发路径的起始变迁都是同一个变迁；(b)独立并发路径起始变迁为不同变迁。

图4是本发明实施例提供的两个资源竞争路径图。

图中：(a)第一资源竞争路径说ts＝t1，te＝t4，·t1＝p9，t·4＝p9；(b)第二个路径中ts＝t6，te＝t8，·t5＝p9，t·6＝p9；(c)两个资源竞争路径分别为和{t6,p7,t8}图。

图5是本发明实施例提供的系统中无主路径，都是次路径，导致t1无法使能从而导致t2，t3无法使能图。

图6是本发明实施例提供满足以上合成规则的合成网图。

图中：(a)按照资源竞争路径的定义，可得关于资源库所的一对资源路径；(b)子网的子资源控制库所；(c)将得到的子资源控制库所和子网合成得到最终的合成网。

图7是本发明实施例提供的ams系统的网络结构模型的子网和合成网图。

图8是本发明实施例提供的按合成后就得到最终的合成网图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术在资源共享网中资源竞争中，合成网易引起死锁，需再通过后期干预来使得合成网满足活性，增加了后期验证的成本，造成现有技术建模方法适用受限。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于petri网的资源共享装配操作系统活性构建方法包括：

s101，将装配结构的petri子网按照资源的竞争情况分解。

s102，计算步骤s101子网中需要添加的子资源控制库所的结构。

s103，分析子网的合成规则，并限制子资源控制库所和资源库所的资源个数关系，使得到的合成网满足活性。

步骤s101中，装配结构的petri子网为n＝(p,t,f,w)表示一个petri网，其中p是库所集合，t是变迁集合，是有向弧或数据流关系的集合。w:(p×t)∪(t×p)→n，w表示一个映射，称为petri网n的权函数，为每一条有向弧分配一个权值，其中n＝{1,2,3...}表示自然数集合。当w:→{1}并且则称之为标识图(markedgraph)。

定义1：设b(ts,te)是一个petri网，若b满足：1)2)3)在ts和te之间的子网中没有回路，称b为一个mg-block(markedgraphblock)。用表示一个mg-block开始于变迁ts，结束于变迁te。

图2(a)-(c)展示了三个mg-block，在图2(a)和图2(b)中，ts＝t11，te＝t16。图1(c)ts＝{t1,t2}，te＝t16。他们结构都是由综合状态之前的多个并行独立的子过程组成的。图2(d)不是一个mg-block，因为他的子过程分别包含内部回路{t1,p3,t3,p2,t1}和{t2,p5,t6,p4,t2}。显然，图2(e)也不是一个mg-block。

本发明涉及两种类型的装配结构，如图3所示，图3(a)是独立并发路径的起始变迁都是同一个变迁，图3(b)是独立并发路径起始变迁为不同变迁。

定义2：子网中的有向路径l，若满足以下条件：1)2)我们则称为l为资源库所pr的一组资源竞争路径。同一组资源竞争路径使他们使能的是同一个资源库所。

图4(a)中，图4(a)中有两个资源竞争路径分别为和{t6,p7,t8}。其中p9是资源库所pr，对于第一资源竞争路径来说ts＝t1，te＝t4，·t1＝p9，t·4＝p9。第二个路径中ts＝t6，te＝t8，·t5＝p9，t·6＝p9。综上以上两个路径属于资源na的两个资源竞争路径。

在petri网系统中，变迁的使能往往是存在一些优先使能的变迁，变迁使能顺序会使得系统的表现情况大有不同，为了方便研究，在这里先定义那些那些优先使能的变迁路径为主路径，靠后使能的变迁路径成为次路径。

定义3：设c＝(p,t,f,w)是由子系统组成的合成网，ci＝(pi,ti,fi,wi)表示子网系统。若子网中的资源竞争路径在合成网中满足并且则为主路径；若满足并且则为次路径。

图4(a)-图4(c)中，有两个资源竞争路径分别为和{t6,p7,t8}。其中路径为主路径；{t6,p7,t8}为次路径。

步骤s102中，采用gmec方法为子网添加子资源控制库所sub-rcp。具体包括：

1).查询子网中的资源竞争路径。按照资源竞争路径的定义查找符合定义的路径。

2).计算子系统中要添加的子资源控制库所的个数。设子网中有n条资源竞争路径，那么就需要添加n-1个子资源控制库所。通过前n-1个子资源控制库所使得前n-1个资源控制路径中的资源分配合理，同时又使得第n个资源路径的资源够用。

3).建立约束

用mrci(p)表示子资源控制库所中的资源个数以及用m(pr)表示资源库所中的资源个数。

3.1)如果p∈po∧mri(p)＝0，则li(p)＝0；否则li(p)≠0，具体数值为多少，见下一步。

3.2)如果子网中的资源竞争路径中的ts和te之间由单个过程组成，则li(p)＝1；如果子网中的资源竞争路径中的ts和te之间由n个独立的并发过程组成，则li(p)＝1/n。

3.3)计算子资源控制库所sub-rcp的结构设计及库所中的托肯数。其中n是关联矩阵。

3.4)让i＝i+1；回到第1)步继续循环，直到i＞n-1。

3.5)得到子网的所有子资源控制库所。

4).为了使得最终的系统满足有活性，所以要求子资源控制库所中的资源个数和资源库所个数的关系满足以下条件。

证明：子网中的每个资源竞争路径的使能都受到子资源控制库所的限制，对于满足条件的子资源控制库所子网来说它的每条资源竞争路径都是有足够资源使其使能，所以添加子资源控制库后的子网是活的。

其中当一组资源竞争路径大于三时，要添加多个子资源控制库所，此时会涉及到添加资源竞争路径的优先级问题。因为在合成网中主路径的使能优先级大于次路径的优先级，为了不让系统在一开始就出现死锁以及后期的死锁预防，所以首先要保证使能优先级较高的路径能够使能不出现时死锁，同时限制先使能的路径占用的资源个数。所以在添加优先级法则：首先为主路径添加，然后在为次路径添加，换句话说，主路径的优先级大于次路径的优先级。

步骤s103，将子网、子资源控制库所按照共同变迁合成，合成网满足活性中。具体包括：

限制1：在每个共同变迁中，最多存在一个输入库所是操作库所。

限制2：共同变迁子网中不包含资源库所。

限制3：在每个子网中必须至少存在一个主路径。

限制4：每个子网中的资源竞争路径的集合和合成网中的资源竞争路径集合要完全相同。

作为本发明优选实施例，限制1中，当子网合成时能够把资源分配给包含资源库所使能的变迁所在的路径，因为资源库所是在初始状态唯一被标记的库所。如果没有该限制那么任意一个路径都可以优先使能，那么使能的顺序会有很难确定，对于更复杂系统来说是灾难性的问题。一个标记的资源库所表示资源是可用的，表明已经将资源分配给某些库所的操作是由这些子网中的操作库所表示的，共同变迁子网中当然应该排除资源库所，因此限制2是很有必要的。

主路径是系统中优先使能的路径，若不存在主路径系统在初始状态就会存在永远不能使能的变迁，使得系统出现死锁甚至系统瘫痪，所以限制3也是很有必要的。如图5所示，系统中无主路径，都是次路径，导致t1无法使能从而导致t2，t3无法使能。

作为优选实施例，限制4是为了避免合成的大网中存在子网中没有的资源竞争路径。因为本文采用的子资源控制库所方法是通过为子网中的资源竞争路径的来限制资源个数的，所以若合成网中有子网中不存在的资源竞争路径会使得合成网中出现一些意想不到的特性，有可能导致死锁，甚至是更严重的后果。

以上是合成网的合成规则，如图6(a)-(c)所示，是满足以上合成规则的合成网，接下来按照上述提到过的gmec的扩展方法分别为图6(a)-(b)所示的两个子系统添加子资源控制库所。首先为图6(a)添加，按照资源竞争路径的定义，可得关于资源库所p9的一对资源路径和{t6,p7,t8}，所以需要添加一个子资源控制库所。通过gmec方法得nrc1＝-t1+t4；mrc1＝n1，所以得到的子资源控制库所如图6(a)，同理得到图6(b)子网的子资源控制库所，将得到的子资源控制库所和子网合成得到最终的合成网如图6(c)所示。为了使得合成网满足活性，资源分布情况应该满足第二部分4.中提到的资源不等式条件(n1＜na)∧(n2＜nb)。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

图7表示的是一个ams系统的网络结构模型的子网和合成网，子系统中的装配结构由三个独立的并行过程组成。

图7(a)-(e)表示的是子网，图(f)是各子网的子资源控制库所的结构，其中子网(c)不存在资源竞争情况所以没有资源竞争路径，所以不需要添加子资源控制库所。图7(g)是最终的合成网满足活性，子资源控制库所和资源库所中的资源个数满足以下条件：

(n1＜na)∧(n2＜nb)∧(n3＜nc)∧(n4＜nd)。

在没有添加子资源控制库所的合成网中，会因为资源分配不当产生死锁。当t1连续发射na次，t6连续发射nb次,出现死锁状态(na·p3+na·p4+na·p5+nb·p7+nb·p11+nb·p12)。此状态下要使t4变迁发射需要t10变迁发射，t10要发射t7必须发射，t7要发射t5必须发射，t5要发射t4必须发射，t4和t7出现资源循环等待，导致系统死锁。同理当t11连续发射nc次，t16连续发射nd次，t14和t17出现资源循环等待，导致死锁，系统不满足活性。当为各个子网添加子资源控制库所后，要使t1连续发射na次，t6连续发射nb次后不出现死锁，t4和t7必须不能出现资源循环等待。当满足(n1＜na)∧(n2＜nb)这个条件时，t1使能的上限是n1次，t6使能的上限是n2次，又n1＜na；n2＜nb，所以此时p13和p14中有冗余的资源使t4和t7使能，此时不会出现资源循环等待导致的死锁情况，系统是活的。同理，当满足(n3＜nc)∧(n4＜nd)这个条件时，t14和t17不会出现资源循环等待导致的死锁情况。

综上分析，当子资源控制库所和资源库所中的资源个数满足(n1＜na)∧(n2＜nb)∧(n3＜nc)∧(n4＜nd)条件关系，合成网系统是活的。

实施例2

如图8所示，按照子网中的资源竞争情况得到子资源控制库所，然后合成后就的得到了最终的合成网。其中prc1-prc6是按照每个子网中的资源竞争情况及gmec扩展方法得到的六个子资源控制库所，资源分配情况满足以下条件，则合成网满足活性：

(n1＜na)∧(n2+n3+n4＜nb)∧(n5+n6＜nc)。

满足上述关系后，系统中t3和t6、t13和t16之间不会出现资源循环等待，所以系统满足活性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。