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基于并行工程的制造业信息系统开发petri网模型 |
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1 引言
传统的制造业信息系统开发是一个串行循环过程，不仅耗时，而且成本高，无法适应当今瞬息万变、竞争激烈的市场要求。为减少开发时间，并行工程受到制造业的青睐。并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关各种过程的系统化方法。该方法中产品开发人员从一开始就考虑到制造业信息系统整个生命周期中产品概念形成，开发成本、系统性能、进度计划和用户需求。并行工程的实现需要大量的协同工作、柔性的组织结构和先进的设计与制造技术的支持。并行工程已在西方一些工业企业中得到应用并取得一定的成就。例如美国电话电报公司、国际商用机器公司数据设备公司以及Motorola公司等都已成功运行并行工程，它们的信息系统开发提前期均缩短50%以上，最高可达80%。
实施并行工程进行信息系统开发，将打破原有按功能进行部门划分的组织边界，建立一种以企业信息系统为中心的多学科或多功能的混合型工作队，协同工作进行信息系统的开发与设计。实施并行工程的企业组织，决定并控制了信息系统的开发方向，并进行三种平衡控制：①解决各多功能工作团队间的协调问题；②设置信息系统项目优先权；③对信息系统项目进行资源分配。信息系统开发多功能工作队独立负责完成从信息系统概念形成，到最终系统测试、维护等全部过程。
制造业信息系统开发存在三个协同工作的部分：①系统设计。包括信息系统的概念设计和结构设计。前者取决于信息系统的用户需求分析；后者则是满足制造业特点的信息系统初步设计和详细设计。②信息系统于制造系统的结合与调整，包括摸块细化、代码编制。③信息系统的实施，包括系统维护、信息反馈和信息系统性能评价。
2 制造业信息系统开发Petri网模型
2.1 模型的基本结构
本文把并行工程的概念引入到制造业信息系统开发中来。分析了一种基于并行工程的制造业信息系统开发的Petri网模型及其工作原理。结合制造业自身的特点，分析了该制造业信息系统开发Petri网模型的基本原理。在该模型中，信息系统开发过程的状态对应用于Petri网中的库所，记为P={P1，P2，…，P20}，|P|=20，表示在信息系统开发的状态以及状态个数。Petri网中的变迁，记为T={t1，t2，…t18}，|T|=18，表示该系统中存在18个信息处理与传递的规则，信息系统开发状态(P)与状态变迁规则(T)之间的关系则定义为F。Petri网中的令牌(Token)恰好反映制造业信息系统开发过程的动态性。当一些令牌位于库所时，整个系统状态将用标识(Mark)表示，记为M={μ1，μ2，…μ22}。μi表示库所i的令牌数，
图1 制造业信息系统开发过程的Petri网模型
即标识是库所集合到非负整数集合的映射M：P→N={0，1，2，…}。至此，制造业信息系统开发模型的动态模式记为：{P，T，F，M}。采用Petri网的图形表示方法，用圆圈“⊙”表示库所Pi，用“□”表示变迁ti，用黑点“·”表示令牌数，库所和变迁之间用有向弧“→”连接构成基于并行工程的信息系统开发的Petri网模型(图1)，关于库所变迁的说明参见表1。表1 制造业信息系统开发的Petri网模型
 2.2 模型的工作原理
基于并行工程的制造业信息系统开发Petri网模型具有以下特点：
(1)信息系统开发是在并行工程环境下进行，也就是在概念性设计的同时，随时对设计中的其他重大问题进行决策，因此Petri网模型中会出现信息流向多个状态的情况，即系统具有并行性。
(2)对于处于不同信息系统开发状态下的信息，不可能从某一状态出发同时到达其下属的另一状态，即Petri网模型具有非步同性。
(3)模型利用Petri网的特点给出了信息系统开发过程中各子项任务发生的顺序。利用模型的并行性加速信息系统开发，而在模型的动态运行方面尽量减少不同子任务工作速度的非同步性。
(4)为制造业信息系统开发提供仿真模型。制造业信息系统的并行开发打破了企业原有的以部门为单位的界限，必然会给企业的经营生产带来很大冲击，如果运行不当将会直接影响企业的生产经营效益。Petri网模型利用计算机仿真技术对信息系统开发的并行工程实施与应用的结果进行改善。
2.3 结构分析与简化
以上制造业信息系统开发的Petri网模型共有38个节点，可达图有40个以上的状态标识，不便于系统的性能分析。为了能有效地分层描述信息系统开发过程，采用两种变迁：基本变迁和非基本变迁。基本变迁不可再分解，非基本变迁可以表示成一个子网，它有内部结构，在非基本变迁所表示的子网中还可以包括非基本变迁；这样利用非基本变迁就可以实现自顶向下逐步分解的模型描述。
2.3.1 层次消解
子网同外界接口的结构形式进行层次模型的性能等效和子网的抽象合并，有如下四种情况。①子网与外界接口仅由一个输入变迁和一个输出变迁组成，如有多个输入库所或多个输出库所和子网相连，则要求所有的输入库所都是子网输入变迁的输入库所，所有的输出库所都是子网输出变迁的输出库所。②子网同外界相连仅有一个输入库所和一个输出库所，此时，输入库所和输出库所同子网内变迁的连接没有结构上的特殊要求。③子网同外界相连仅有一个输入变迁和一个输出库所。④子网同外界相连接仅有一个输入库所和一个输出变迁。
图2 消解后的Petri网模型图形及状态矩阵
根据以上标准，化简的制造业信息系统开发Petri网模型，由t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10、t18、P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、组成的子网消解得变迁t3、7，由t1、t2、t14、t15、t16、t17、P1、P2、P3、P18、P19、P20组成的子网消解得变迁t14，2，得到Petri网如图2所示.消解到此为止该Petri网共有10个节点，可达图只有4个状态标识，分析该模型的性能容易得多。
2.3.2 性能评价
在性能评价中，主要测试实体令牌通过网的平均延时时间，缓冲量是指实体令牌的缓冲量。由于Petri网模型状态空间复杂性会随着令牌数量的增加而增长，因此为了减少测试计算的复杂性，在测试网中仅设置与子网缓冲量相应的令牌数量，而不设置大于子网缓冲量的令牌数。对于测试网，可求出其稳定状态概率，从而可测试变迁t1的输入库所的平均令牌密度函数，用ri表示其输入库所中含有i个令牌的概率，从而可测试变迁t1的输入库所平均输入速率f1，即子网的吞吐率
f1=λ1∑ni=1iri i≥1 (1)
其中n是测试网t1输入库所中含令牌的最大数量，即缓冲量，λ1是t1实施速率。设N为测试网所含平均令牌数量。根据Ｌittle规则，可求出测试网(包括t1)的每个令牌平均延时时间。
T′=Nf1 (2)
子网的每个令牌平均延时时间等于T′减去变迁t1的实施时间
T=T′-1λ1 (3)
图3 信息系统开发Petri网可达图的Markoｖ链
在原Petri网模型经分割和合并后，可将子网的性能等效替换为非基本变迁t，t的指数分布的随机实施速度变量为λ=1/T。
2.3.3 动态行为分析
图3表示的是对于Petri网模型的动态特性指标进行描述。将Petri网模型有可能出现的行为状态用一标识系列Mi表示，其中Mi以行向量表示，构成可达图形式。图中有向弧表示的是标识Mi的变化过程，λ是t的传递速度。其中λ1到λ5分别对应Petri网模型中的t14，2、t3，7、t13、t11、t12每个库所的发生时间满足指数分布。这时的Petri网可达图将对应于Markoｖ链，则可以采用Markoｖ的分析方法，计算系统的运行效率，即计算制造业信息系统的开发周期。
设Pi为系统状态行为标识Mi的概率，则有
并且P1+P2+P3+P4=1
以上方程联立可解得Pi，i=1…4
设βi为库所Pi具有一个令牌的概率，则
β4=P2、β13=P3、β14=P3、β16=P16、β17=P1
N=β13+β14+β16+β17由(1)式f1=λ1·1 P1
则有制造业信息系统的开发周期T′=N/f1
3 结论
本论文把并行工程引入制造业信息系统系统开发与设计中，并分析了一种基于并行工程的制造业信息系统开发的Petri网模型及其工作原理。利用Petri网的特性与优点，结合制造业自身的特点，阐述了在并行工程下，利用Petri网进行制造业信息系统开发的过程。该模型表明，并行工程能够大幅度缩短制造业信息系统开发的周期、降低开发成本，从而增强制造业信息化和制造业本身的柔性，使制造业企业适应复杂多变的市场环境和用户需求。(end)
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(2/20/2005) |
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