摘 要

随着经济的发展，越来越多的企业开始重视起企业的物流降本作用，物流行业的物流自动化系统已经广泛得到应用，物流自动化系统是一个重要的系统，而对已建成的系统进行运作时的分析，通过更换设施设备或者改进作业方式与作业过程会耗费大量人力、物力和财力，为了节约资源，同时保证科学规划和对系统进行决策，将着色Petri网应用到物流自动化系统中来，并为其赋时，结果证明选择一种合适的建模方式对物流自动化系统进行建模分析有利于提高系统的实际效益。

本文首先给出了几种离散事件系统常见的建模方法的对比，说明了着色Petri网的建模优势，接着借用一个物流自动化系统的建模实例先用Petri网理论对系统完成了Petri网模型的构建，然后用CPN TOOLS这款成熟的仿真工具对系统进行了层次化的模型构建，并给出了时间要求。系统一般包括分拣、输送、搬运等等环节，建模时本文将其分为入库子系统和出库子系统，利用软件自带的monitor仿真工具收集所得到的数据，通过整理多次仿真数据，得到该系统在不同设置下的表现，为判断和决策提供依据。系统根据出入库调度策略的不同，还构建了出库优先的策略下的CPN模型，最后在此基础上分析了缓冲区容量对该系统性能的影响，同时还通过设置AGV的处理速度来进一步分析结果，为改进系统和做决策提供了有价值的参考。

关键词：物流自动化系统，着色Petri网，建模仿真，性能分析

Abstract

Along with the rapid economy development, more and more companies have begun to pay attention to the logistics. The highly automated logistics automation system in the logistics industry has been widely used. The logistics automation system is an important system,by analysing the established system will consume a lot of manpower, material resources, and financial resources by replacing facilities or improving operation methods. In order to save resources and ensure scientific planning and decision-making of the system, the colored Petri net is applied to the logistics automation system.some time factors are put into the model,and the results prove that a suitable modeling method can be used to model and analyze the logistics automation system. It is beneficial to improve the actual benefit of the system.

This dissertation first gives a comparison of common modeling methods for discrete event systems, illustrates the modeling advantages of colored Petri nets, and then uses a modeling example of a logistics automation system to complete the Petri net model with the Petri net theory. The construction was then followed by a hierarchical modeling of the system using CPN TOOLS, and time requirements were given. The system generally includes sorting, conveying, handling and other links. It is divided into the storage and retrieval system, this paper gets results of the system under different settings by using simulation tools to collect multiple date, providing a basis for judgment and decision-making. Based on the different scheduling strategies for storage and retrieval system, the system also constructed a CPN model under the retrieval priority strategy. Finally, the impact of buffer capacity on the performance of the system was analyzed. At the same time, the processing speed of AGV was further analyzed. As a result, it provides a reference for improving the system and making decisions.

Keywords: logistics automation system，colored Petri net，modeling simulation，performance analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容和研究方案 4

1.3.1研究思路 4

1.3.2本文的主要研究内容及目标 4

1.3.3研究方案 4

1.4本文的主要内容结构 6

第2章 离散事件系统的几种建模方法比较 7

2.1实体流图建模方法 8

2.2活动周期图建模方法 10

2.3基于事件关系图的建模方法 11

2.4基于Petri网的建模方法 12

2.5 Petri网的优势 14

2.6 本章小结 15

第3章 着色Petri网概述 16

3.3 Petri 网建模的应用 18

3.3.1制造系统 18

3.3.2 Petri网应用于工作流、物流等建模 19

3.4 CPN TOOLS仿真工具简介 19

3.5 本章小结 21

第4章 物流自动化系统实例建模与仿真分析 22

4.1物流自动化仓储系统简介 22

4.1.1 某自动化立体仓库实例设备及参数 22

4.2流程描述 23

4.3仓储作业流程分析 24

4.4流程系统流程Petri网建模 29

4.5 CPN仿真模型建立 31

4.5.1仿真变量及声明设定 31

4.5.2仿真参数设定 33

4.5.3模型构建 33

4.5.4 monitor 40

4.5.5 仿真实现 41

4.6 本章小结 43

第5章 系统分析与优化 44

5.1物流自动化系统的优化方向 44

5.2案例系统的分析与优化 45

5.3本章小结 51

第6章 经济性分析 52

第7章 总结与展望 53

7.1全文总结 53

7.2展望 53

参考文献 54

致谢： 56

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

物流的主要活动主要包括运输、库存管理、订单处理、仓储、配送和生产活动的整个过程包含的所有有关物流方面的活动^[1]。物流自动化是机械化的、作业过程高度一体化的、包括货物运输、货物搬运装卸、包装物流自动化、货物的分拣、条码信号的识别等作业过程，比如，自动扫描识别系统、自动信号检测系统、自动分拣系统、自动存取系统（立体仓库）、自动跟踪系统等。物流自动化的设施包括条码自动识别系统、自动导向车系统、货物自动跟踪系统以及辅助进行各类物流活动的系统等。可见，物流涉及的领域之广，其复杂度也非常之高，随着科技的讯速发展，现代物流已经以各种形式渗透于社会的方方面面，面对庞大而复杂的系统，我们需要更加规范的体系运营和研究物流。

作为第三利润源泉的物流，目前世界上已经有专门研究各种前沿物流技术的人员，我国人口多，物流成本占经济的比重大，约占GDP的18%^[1]，相比于发达国家的物流发展速度，尚有差距。一方面，这是由我国的企业的特点决定的，企业对物流的重视程度不够，没有意识到物流这块冰山下隐藏的巨大经济效益；另一方面，我国的小微企业众多，资源分散，各个企业的物流发展水平除少数有实力的大型企业外，物流现状基本上处于比较落后的阶段，主要体现在物流自动化设施的缺乏，人才及管理技术的弱势，物流意识等。因此，高度重视物流的建设，物流自动化水平的提升对提升企业竞争力有相当重要的作用。

物流系统因其运作过程的不确定性和灵活性导致其实际上是一个相当复杂的系统，系统发生的所有事件都具有离散性，在不同的时间点发生，物流系统是一个离散系统。而随着社会的发展，物流系统正在变得越来越复杂，实际的物流系统投入建成成本之高，风险大对于企业来说并不是好的选择。因此，我们在研究物流系统时，选取建模的方式对物流系统进行一个前期的模拟，为企业作出合适的大型方案决策提供有效的参考。由于物流系统的关联性渐强，建模是工程领域应用于投资巨大风险高的系统的一种辅助决策的方法，先在模型上检验可以大大降低风险，因此建模仿真成为了研究系统的主要手段，并大量应用于航空工业，制造业，流通企业等各个方面。

由于物流系统相当大而分散，物流系统包含的因素及涉及的各种信息特别多，导致了普通的建模方法无法完全合适地应用到物流系统的建模上。现有的各种建模方法更多地适用于静态系统的描述，而Petri网的性质决定了它在复杂动态建模领域不可忽视的地位。Petri网是一种十分形式化的建模工具，直观的图形显示，以及模型的动态性优势十分突出。此外，Petri网可以将复杂的系统进行分层次分析，例如一个典型的制造系统可分为：托盘类、工件类、加工机器类、AGV类，一个自动化立体仓库可分为：高架立库区、堆垛机自动存储区、出入库作业输送系统、AGV小车运送系统、出入库退库台；Petri网尤其适合动态系统建模，能够清晰地表达业务流程，相比于其他静态建模工具更合适，并且它还具有丰富的语言，在处理并发、异步、分布式系统时尤为有利。对物流系统来说，物流系统的运输、仓储等各个方面都是典型的离散性性过程，处理并发、异步等的能力又决定了它在处理物流系统的不确定性和随机性问题的重要优势，由于Petri网还拥有对行为状态进行分析的能力，对物流系统状态的可达性死锁等方面非常直观形象。总的来说，其直观的图形化的语言表达能够形象地展示物流系统的运行过程，其强大的数学分析能力对物流系统的子网研究十分合适，使整个物流过程畅通无阻，达到降低物流成本的目的。考虑到简单的Petri网在应用的系统过于庞大时，会出现模型过于复杂的问题，也就是“系统爆炸”，在后来发展的高级Petri网模型包括赋时Petri网、着色Petri网、其他高级Petri网正好解决了这个问题，目前，应用最广泛的当属着色 Petri网，着色Petri网与普通Petri网的理论基础是相同的，主要体现在通过着色标定复杂系统中类型相异的资源，将库所与颜色集绑定，颜色表示任意数据，简化了系统，丰富了Petri网的建模能力。因此，着色Petri网对于物流系统的建模是再合适不过的工具。

1.2 国内外研究现状

国内方面，针对物流系统和Petri网的研究国内外的研究现状大致如下：生产系统方面，朱华炳^[2]等人对生产物流子系统用赋时着色Petri网从产品的制造工艺、生产物流层次分别进行了研究。出入库系统方面，王伟^[3]等人利用Petri网建立了出入库的子模型；刘建^[4]等人用另一种建模工具eM-plant进行了电表自动化检定线的AGV模型。立体仓库部分的研究方面，刘雨婷^[5]等学者开始用改进的Petri网对自动化立体仓库出库系统建模优化了系统流程；王田宝^[6]等人利用着色Petri网建立了RGV小车和堆垛机模块的AS/RS系统模型，使模块化的框架更完整，上述研究的缺陷在于只研究了物流系统的一部分，多加设备可能导致爆炸式的模型，因此还有待发掘研究。分拣系统方面，张涵跃^[7]等人利用Petri网对某物流集散中心邮件内部处理流程进行了优化；吴颖颖^[8]等人对随机订单拣选模式的系统复杂、并发、同步性用Petri网解决了状态爆炸的问题；刘同娟^[9]等对不同的分拣策略进行了flexsim仿真，找出了影响效率的关键因素。信息系统方面，刘卫东^[10]等人利用Petri网方法建立了松散耦合的分布式信息系统。配送系统方面，耿丽梅^[11]等人对物流配送中心进货、存储、流通加工、分拣、出货用赋时Petri网进行了建模分析；王燕^[12]等人从配送中心数据流处理的角度用神经网络识别的方式对系统进行建模，对系统可行性和效率进行了分析。此外，刘伟荣^[13]等人利用时间Petri网理论对冷链物流过程建模研究了其运作效率。

国外方面，M. Rafael da Silva et al^[13]使用随机有色Petri网的IEC 61850场景中的网络攻击建模，L. Niu et al^[14]对基于有色Petri网的并发多协商协议进行了建模，S. Jebbor et al^[15]做了KANBAN和Petri Net对随机药物供应链的管理和控制研究，总的来说，国外对Petri网的研究更侧重于整体研究，对子系统的研究文献并不多。

从以上国内外研究现状可以看出，Petri网是一个十分出色的建模工具，尤其是着色Petri网，被频繁应用于各个大大小小的系统的建模分析中。基于我国对于物流的研究上多数还处于研究大型系统某一部分的状态，为了更进一步地对物流系统进行研究，本文决定采用着色Petri网建模思路，对一个实际系统进行全面完整的分析。着色Petri网能够对物流系统进行分层次分解，能够将一个复杂的系统进行分解，从整体到局部进行分析，再通过层次结构清晰地处理大型复杂系统，通过颜色集去掉系统中多余的结构，简化并优化系统，基于大型物流系统的复杂性、庞大性、层次性，着色Petri网非常适合应用于大型复杂物流系统的建模。同时，CPN TOOLS是一个优秀的仿真工具，利用该工具能够方便地建立可执行的图形化层次化模型，通过模型的运行直观地找出系统中还存在的问题，通过修改参数或其他方式形象地建立物流系统业务流的整个过程。因此，本文提出基于着色Petri网的物流自动化系统建模仿真分析，在一个实际的物流系统的中，通过CPN TOOLS进行仿真，提升系统效率。

1.3 研究内容和研究方案

1.3.1研究思路

物流系统的设计和管理上一旦缺乏科学分析，就会出现大量的不协调情况。针对我国大部分企业的物流现状，我们应该根据变幻莫测的市场需求鼓励企业引进先进的物流管理技术及物流技术手段，让物流系统不完善不合理的地方得到重视和解决。由于仿真弥补了大多数理论难以解决的难题，因此，本文决定在一般Petri网的基础上，为了弥补处理复杂模型其不足，利用着色Petri网，利用其在建模上直观、形象描述系统结构的优势，利用其客观、精确地分析数学模型的特点，对实际的物流系统进行建模分析，同时利用仿真工具检验模型的不足。

1.3.2本文的主要研究内容及目标

本文提出在基于着色Petri网的建模方法上，选取一个实际的自动化物流系统，针对该系统现存状况的分析，意在利用Petri网和CPN TOOLS二者优势改善优化物流系统，对待改善点进行进一步的分析，找出产生这些现象的原因，并通过仿真工具来检验优化方案的可行性，从而提高生产效率，降低人力及物流成本、 充分提高各个资源的利用率，不断优化系统。

1.3.3研究方案

本论文主要采用了以下的研究方法：

（1）文献阅读法。经过大量的国内国外文献的查阅和比较，整理归纳理解国内外对物流系统的研究方法记忆研究程度，整理关于建模的思想和研究对象结构的方法，将事件、关系、状态之间的关系弄清楚。

（2）调查研究。结合实际物流系统的现状，了解熟悉该物流系统内部的各个模块运转情况，并记录其状态，以此更加让模型贴合实际，提高最终模型对世界的应用参考价值。

（3）Petri 网模型。Petri 网主要对物流系统建立状态模型，能够对物流系统进行流程模拟，又可以对生产流程中事件之间的逻辑结构及层次关系进行分析。本论文在中间重要章节利用着色Petri 网模型对物流系统进行建模，各个事件之间的逻辑关系以及状态变化通过模型表达出来。

（4）CPN TOOLS仿真。该仿真软件能够直观、简洁的对仿真模型进行检验，最后在物流系统Petri 网模型的基础上建立物流自动化系统运行过程的仿真模型，运行仿真，并统计仿真得出的数据，对数据进行严格分析与判断，在数据分析的基础上给出一定能够优化系统的改进性建议。

本文提出着色Petri网理论，基于复杂庞大的物流系统，通过对物流系统的模型表达方法的定义，设计了相关建模仿真规则；研究了基于CPN Tools建模工具的自下向上的层次化建模方法，阐述了采用CPN Tools进行仿真性能分析的方法。下图是本文的基本研究路线：

图1.1 研究路线图

基于上述分析, 本文主要完成的工作如下:

（1）以实际物流自动化系统为背景，认识建模对象。

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