基于GSPN与ESPN的制造系统可靠性模块化建模与分析

论文摘要

近年来,随机Petri网已经成为研究离散事件动态系统的一种有力的工具,特别是在制造系统可靠性评价领域取得了显著成功,关于随机Petri网在离散制造系统领域的研究越来越多。本文针对制造系统可靠性问题,按其时间分布类型分别采用广义随机Petri网(GSPN)以及扩展随机Petri网(ESPN)进行模块化建模,在此基础上进行性能分析。本文的研究结果及内容包括以下方面：1)确立制造系统的可靠性指标根据运行过程中的状态以及制造系统具体情况,引入如下相关可靠性指标：基本可靠度指标、可用度指标、维修性指标、稳态生产率；再引入功能可靠度和多任务可靠度指标,来衡量制造系统降级运行时以及多任务运行时的系统整体可靠性水平。2)采用广义随机Petri网或扩展随机Petri网针对制造系统可靠性建立模型(1)制造系统中的各种资源及其关系可以被描述成Petri网中的库所、变迁及其相应的活动,并根据变迁时延分布的不同,而分为指数与非指数分布系统,相应地采用不同的随机Petri网建模。(2)以混合建模方法建立制造系统可靠性模型,即制造系统结构自上向下建模方法,将系统结构可分为五层：工厂层、加工车间层、加工单元层、设备模块层以及设备资源层；在此基础上,采用制造资源基于模块化的自底向上的建模方法,将制造系统设备资源主要分为以下三大模块：加工设备模块、运输设备模块和仓储设备模块。3)制造系统可靠性分析针对指数分布系统,将缓冲区对加工设备生产性能的影响进行总结分类,同时对加工设备的运行状态也进行归类,通过马尔科夫状态转移方程得到其量化值,最终得到制造系统的各项可靠性指标；而针对非指数系统,根据行为表达式可以求得Petri网的传递函数,从而可以利用矩母函数思想,实现对扩展随机Petri网的性能分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 制造系统发展现状
• 1.2.1 先进制造系统
• 1.2.2 制造系统建模技术的国内外研究现状
• 1.3 Petri网的发展历程及研究现状
• 1.3.1 Petri网的发展
• 1.3.2 Petri网用于制造系统可靠性模型中的必要性
• 1.3.3 基于Petri网制造系统可靠性模型的发展现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 基于Petri网的制造系统可靠性分析
• 2.1 基本Petri网在制造系统中的应用
• 2.1.1 Petri网的理论依据
• 2.1.2 Petri网的基本性能
• 2.1.3 基于Petri网的制造系统的性能分析
• 2.2 随机Petri网及其在制造系统中应用
• 2.2.1 随机Petri网的基本理论
• 2.2.2 马尔可夫链的相关理论
• 2.2.3 基于广义随机Petri网的制造系统性能分析
• 2.3 变迁序列在可靠性分析中的应用
• 2.3.1 基于变迁序列的可靠性分析方法
• 2.3.2 算例分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于随机Petri网的复杂制造系统建模方法
• 3.1 基于随机Petri网的制造系统分层建模方法
• 3.1.1 层次模型和模块分析
• 3.1.2 基于随机Petri网的制造系统建模方法
• 3.2 针对制造系统的分层模块化建模
• 3.2.1 制造系统的体系结构自顶向下分层
• 3.2.2 制造系统的设备资源自底向上分类
• 3.3 制造系统加工单元的模块化
• 3.3.1 假设条件
• 3.3.2 串行加工单元模块
• 3.3.3 装配加工单元模块
• 3.3.4 拆卸加工单元模块
• 3.3.5 冗余加工单元模块
• 3.3.6 多任务加工单元模块
• 3.4 基于随机Petri网的汽车制造系统模型建立
• 3.4.1 汽车制造系统的体系结构自顶向下分层
• 3.4.2 汽车制造系统自底向上完善模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 考虑缓冲区影响的马尔可夫制造系统的可靠性分析
• 4.1 制造系统的可靠性指标
• 4.1.1 基本可靠性指标
• 4.1.2 功能可靠度
• 4.1.3 多任务可靠度
• 4.2 中间缓冲区的可靠性分析
• 4.2.1 缓冲区输入和输出函数弧权重为1
• 4.2.2 缓冲区输入或输出函数弧权重大于1
• 4.3 加工设备的可靠性分析
• 4.3.1 考虑缓冲区影响的加工设备可靠性分析
• 4.3.2 考虑缓冲区影响的加工设备可靠性指标计算
• 4.4 复杂加工单元可靠性算例分析
• 4.4.1 非串行冗余加工单元可靠性分析
• 4.4.2 多任务加工单元可靠性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于ESPN的非马尔可夫制造系统的可靠性分析
• 5.1 扩展随机Petri网
• 5.1.1 扩展随机Petri网的定义
• 5.1.2 基于扩展随机Petri网的建模方法
• 5.2 基于矩母函数的分析方法
• 5.2.1 矩母函数与传递函数
• 5.2.2 基于矩母函数的性能分析方法
• 5.2.3 基于矩母函数的可靠性分析算例
• 5.3 基于行为表达式的制造系统分析方法
• 5.3.1 行为表达式
• 5.3.2 基于行为表达式的ESPN制造系统模型分析方法及步骤
• 5.3.3 含有任意分布多任务加工单元实例
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 课题结论
• 6.2 课题展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简历