开发了一种基于面向对象框架的可视化FMS仿真环境，可以模拟在不同初始条件下和实时决策规则下的FMS的实时运行状况，并提出了一种基于面向对象模型的实用死锁检测算法，可以实现实时死锁检测及报警，最后的统计结果可为作业计划与调度规则的决策及优化提供依据。
引言
FMS 是一种复杂的高投资系统，通过仿真可以在规划设计阶段对FMS 的静动态性能进行充分的预测，以便尽早发现系统布局、配置及调度控制策略方面的问题，可大大地节省FMS研制中的人力、物力和财力。由于一般的FMS仿真系统多是在一台计算机上进行的[1]，它忽略了许多在真实生产中的实际情况如各实体间的交互通讯问题、控制问题等，不能很好地模拟真实系统。FMS的仿真应能详尽、准确地模拟真实系统，对系统进行分析和评估，另外做到仿真阶段和控制系统设计阶段的自然过渡，但一般这样的仿真系统都是针对某一特定的FMS，因此缺乏通用性和扩展性，本文结合FMS的特点，利用离散事件建模方法、面向对象技术设计并实现了一种基于面向对象框架的FMS的分布式仿真环境，它集成了FMS的仿真、实时调度、评价、控制和监控等功能，可以应用于FMS控制系统的仿真、设计及实际运行控制。
1 FMS仿真环境的组成和相互关系
我们参照文[2]中的配置构造FMS的基本布局(如图6所示)，左边是原材料入口，右边是成品出口，中间有八台加工设备按线形排列，每台加工设备有四个入口缓冲区和一个出口缓冲区，工件由一辆自动引导小车AGV在各缓冲区之间运送，一台总控计算机控制和显示系统的运行状况，八台加工设备和一辆小车分别由一台计算机模拟，十台机器通过局域网连接。
本仿真系统是用面向对象方法实现的，图1表示了仿真系统中对象的组成及对象间的联系，总控计算机是由数据库对象、控制与决策对象、规则库对象、可视化界面对象和通讯对象组成；加工设备计算机是由加工设备对象、可视化界面对象和通讯对象组成；AGV计算机是由AGV对象、可视化界面对象和通讯对象组成。其中数据库对象存放系统的静态和动态信息，如加工路径表单和系统设备状态等；规则对象中存放启发式规则，如调度/分派规则和路径规则等，数据库对象和规则库对象统称为信息对象[3]。控制与决策对象从信息对象中读取相应数据执行适当的逻辑算法，向加工设备和AGV发送适当的运行指令，监视加工设备和AGV的状态更改信息对象的内容，同时进行死锁检测并通过可视化界面对象报警。总控计算机和加工设备、AGV计算机都包括通讯对象和可视化界面对象，通讯对象是各计算机之间的接口，使计算机之间进行信息交换，可视化界面对象是用于实现人机交互和动画显示。
图1 仿真系统对象的组成及其关系
2 系统建模与分析
FMS是典型的离散事件动态系统，系统的活动存在并行、合作、竞争等多种关系，因此FMS的模型应具有以下能力，能反映FMS复杂的并发特性，具有定性和定量地进行系统分析的能力，针对FMS 的特点，我们用Petri网[4]对系统进行建模和分析。
图2和图3分别是加工设备对象和小车对象的Petri网模型，它描述了对象内部的动态运行情况和对象间的接口，加工设备和小车不断向总控计算机报告Report状态，总控计算机根据系统当前的状态和决策规则，执行适当的算法作出决策，再把指令(0Command)发送给加工设备和小车。
图2 加工设备对象Petri网
图3 AGV对象Petri网
3 仿真程序的设计与实现
本仿真系统是在Windows 操作环境下利用Visual Basic语言实现的，因为Petri网模型描述了对象内部的动态行为，可以根据Petri网定义类的属性和操作[4]。
3.1 车间布局的构造
用户可以通过需要来布置车间的布局，由于屏幕区域和计算机台数所限我们规定最多有8台加工设备，因为采用面向对象方法，加工设备在系统中定义为加工设备类，每个不同的加工设备实体总是加工设备类的实例，所以系统具有较好的通用性。用户可以通过人机界面输入加工设备的个数、位置、所选加工设备的类型以及可进行操作的类型等属性，系统按输入信息动态产生给定数量和类型的加工设备对象，这些加工设备对象被加载(Load)到系统中，同时显示到可视化用户界面上，用户还可以通过鼠标拖动来改变加工设备的位置，这样用户可以根据具体要求添加、减少或替代加工设备，进行不同车间布局下的仿真。
3.2 数据库和决策规则的设计与实现
VB提供了多种访问数据库的方法，我们采用Data控件与数据访问对象(DAO)和(RemoteData)控件与远程数据对象(RDO)访问数据库。
当系统存在资源竞争时，总控计算机就必须通过决策规则[5]作出决策向加工设备和小车发送指令，本系统可以通过定义新的规则类实例加入新的对象。
3.3 死锁检测算法
由于FMS运行的复杂性，很难事先准确地描述系统的运行状况，所以虽然目前对FMS的死锁问题作了许多理论方面的研究[6-7]，但很少能用于实际系统中，本文基于面向对象模型采用了实用的实时检测死锁的算法，用于系统死锁检测和报警。
系统的资源对象可分为缓冲器对象和非缓冲器对象，在本系统中非缓冲器对象指加工设备对象和AGV对象，每个加工设备有四个入口缓冲区和一个出口缓冲区，所以缓冲器对象属于资源对象同时又是加工设备的属性。FMS中的死锁是由于工件对象在申请资源对象服务时，形成循环等待而引起的，通过检查工件对象和资源对象的属性值，可以鉴别FMS是否发生死锁现象，具体步骤如下：
1) 检查每一个加工设备对象的所有缓冲器的忙闲标志，若所有加工设备对象都有空闲的缓冲器，则没有死锁，退出；
2) 定义两个集合S_BUSY1 和S_BUSY2；
3) 检查所有资源对象的忙闲标志，将所有忙的资源对象加入处于忙状态的资源集合S_BUSY1；
4) 置集合S_BUSY2 =Ф；
5) 从S_BUSY1中选取一资源对象，置其checked属性为true，根据其上加工的工件对象确定该工件的下一步目标资源对象，判断该目标对象是否属于集合S_BUSY1，若不是，转下一步，若是，将该资源对象加入集合S_BUSY2；
6) 检查S_BUSY1中所有资源对象的checked属性，判断是否全部被检查过，若是转下一步，否则转5)；
7) 判断S_BUSY2是否为Ф，若是，则无死锁，退出，否则，判断S_BUSY2是否等于S_BUSY1，若不等于，转下一步，若等于，则存在死锁；
a) 若S_BUSY2中的资源总数等于系统资源总数，则为全局死锁；
b) 否则，为局部死锁；
8) 将集合S_BUSY2赋于S_BUSY1，转4)。
3.4 通讯的实现
本系统通过Winsock控件实现各个计算机之间的接口和通讯，Winsock控件可通过用户数据文报协议(UDP)或传输控制协议(TCP)进行数据交换，因为本系统需要可靠的连接，所以本系统采用TCP协议，总控计算机通过“诊听”(Winsock的Listen方法)指定的端口建立连接。各计算机之间利用Winsock控件的SetData和GetData方法发送和获得数据。Petri 网模型中不仅描述了对象内部的动态运行情况，而且定义了对象间的接口，由此我们可以定义计算机之间通讯的数据格式，例如加工设备发送给总控计算机的数据为6位字符串(如图4)。
图4 机床向总控计算机发送的数据格式
3.5 人机接口和动画界面
本系统利用VB强大的可视化功能，设计了友好的人机界面，通过界面可以选择和更改系统参数、实时监控系统状态、动画显示系统运行状况、显示甘特图和仿真统计结果。加工设备计算机显示了工件加工参数、加工设备加工进程并通过ActiveMovie控件调用3D MAX的三维动态画面实时显示不同加工类型的加工过程，画面生动逼真。总控计算机显示系统布局和动态运行状况，图5为正在运行中的总控计算机界面。
图5 正在运行中的总控计算机界面
4 仿真结果
通过界面可以选择和更改系统参数，以得到系统在不同布局、不同工件数、不同静态调度结果以及不同实时决策规则下的统计结果，统计结果可为作业计划与调度规则的决策及优化提供依据，图6显示了图6布局按先申请先服务和先进先出规则下加工9个工件的各机床利用率和各机床输入队列中的排队等待情况。从统计结果可以看出机床2前有排队等待的时间较长，而相同的机床6却无工件等待情况，可见有可能出现在同一时间区域中，工件争用机床2若把一些加工任务分给机床6，很可能缩短加工总时间。
图6 统计结果
5 总结
目前对FMS 建模与分析方法的研究很多，在理论研究中，对系统做了很大的简化和抽象，但实际情况远比理论分析假设的情况复杂得多，在FMS设计和实现中进行半物理仿真是必不可少的，但由于各方面因素的影响，实践总是远远落后于理论，我们的工作正是针对这种情况而进行的，我们开发了一种基于面向对象框架的FMS仿真环境，具有较好的通用性和可扩展性，可以模拟在不同布局、不同工件数、不同静态调度结果以及不同实时决策规则下的FMS的运行情况，并可以实时检测死锁状况，最后的统计结果可为作业计划与调度规则的决策及优化提供依据。
