基于OKPN的發(fā)動機裝配系統(tǒng)建模方法研究

張彥如，王三琴，馬 靖

（合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

基于OKPN的發(fā)動機裝配系統(tǒng)建模方法研究

張彥如，王三琴，馬 靖

（合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

以發(fā)動機裝配系統(tǒng)為研究對象，提出了面向?qū)ο蟮闹RPetri網(wǎng)建模方法（Object-oriented Knowledge Petri Net，OKPN），以實現(xiàn)對發(fā)動機裝配系統(tǒng)的分析和優(yōu)化的支撐。論文從系統(tǒng)建模角度出發(fā)，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，將發(fā)動機裝配系統(tǒng)抽象成若干個功能關(guān)聯(lián)的裝配單元，并以裝配單元為基本建模對象，構(gòu)建了發(fā)動機典型裝配單元OKPN模型。在此基礎(chǔ)上，將各裝配單元進行抽象和封裝，根據(jù)各裝配單元之間工藝關(guān)系，建立裝配單元之間的消息傳遞機制，構(gòu)建能夠反映裝配系統(tǒng)運行流程的發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型，該模型具有模塊化和可重用性等特點。最后，以某乘用車發(fā)動機裝配系統(tǒng)為對象進行實例驗證，證明了該方法的有效性和可行性。

面向?qū)ο笾RPetri網(wǎng)；發(fā)動機裝配系統(tǒng)；裝配單元；Petri網(wǎng)建模

0 引言

由于汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，近年來汽車市場的競爭變得十分激烈。汽車發(fā)動機作為汽車的關(guān)鍵零部件，其制造技術(shù)是整車制造技術(shù)的集中體現(xiàn)。發(fā)動機裝配是發(fā)動機制造過程的最后工序，汽車制造的重要環(huán)節(jié)。因此，準確高效的對發(fā)動機裝配系統(tǒng)（Engine Assembly System，EAS）的性能評判和優(yōu)化變得尤為重要。為了支撐對發(fā)動機裝配系統(tǒng)的優(yōu)化和分析，需要采用一定的建模方法來簡潔的描述EAS的行為和動態(tài)性能。據(jù)此，本文提出基于OKPN的發(fā)動機裝配系統(tǒng)建模方法。

EAS是一個由多個裝配單元相互協(xié)作將各零部件組合成完整發(fā)動機的系統(tǒng)。因此，EAS是一個典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)。

國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)對離散事件動態(tài)系統(tǒng)建模進行了大量的研究，所采用的方法主要有Petri網(wǎng)法［1］、Agent法［2］、排隊論與排隊網(wǎng)絡(luò)［3］、IDEF法［4］等。

Petri網(wǎng)（Petri Net，PN）具有簡潔、直觀和準確的圖形化建模能力［5］，其廣泛用于對實際的離散系統(tǒng)的建模。文獻［6-8］都對柔性裝配系統(tǒng)制造資源進行了合理分類，分別以這些制造資源作為對象進行建模。鐘師勝等［9］對航空發(fā)動機各部件及占用資源建立時間著色PN模型，描述了不同部件間對設(shè)備資源的競爭。邊月奎等［10］對汽車發(fā)動機裝配線建立了由上而下的發(fā)動機裝配線PN模型。Shah S A［11］等使用著色PN建立FMS模型，同時對該模型進行性能的評價。劉明周等［12-13］采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)（Object Oriented Modeling，OOM）與PN相結(jié)合的方式進行系統(tǒng)建模，提出從裝配質(zhì)量形成過程角度出發(fā)的AQDC-OPN模型和從機械產(chǎn)品裝配過程角度出發(fā)的TCOPN智能裝配系統(tǒng)模型。上述研究或?qū)ο到y(tǒng)的制造資源作為對象進行建模，或?qū)ο到y(tǒng)的裝配過程進行總體概述建模，缺乏對裝配系統(tǒng)的其他復(fù)雜特點的考慮。

因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，綜合考慮EAS的復(fù)雜特點，通過對EAS中各類工序的全面分析，抽象出影響發(fā)動機裝配的關(guān)鍵裝配單元，進而詳細分析關(guān)鍵裝配單元作業(yè)流程。采用面向?qū)ο笾RPN的建模方法，同時引入知識庫和決策變遷的概念，結(jié)合發(fā)動機裝配的特點，建立發(fā)動機裝配系統(tǒng)的OKPN模型。面向?qū)ο蟮募夹g(shù)使得模型具有較強的可重用性；知識庫所存儲中間裝配體（在制品）的各種控制和決策信息，賦予發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型智能行為，能有效避免模型的死鎖和沖突。

1 發(fā)動機裝配系統(tǒng)分析

發(fā)動機的裝配主要是由擰緊設(shè)備，缸體翻轉(zhuǎn)設(shè)備，冷熱試設(shè)備，涂膠設(shè)備，壓裝設(shè)備，物料移動設(shè)備和檢測設(shè)備以及各種物料等共同作用，將各零件、組件以及部件按照一定的順序組合而構(gòu)成完整的發(fā)動機的工藝過程。

發(fā)動機裝配系統(tǒng)是由設(shè)備管理單元、人員調(diào)度單元、供應(yīng)商管理單元、質(zhì)量管理單元、物料配送單元、生產(chǎn)計劃單元、發(fā)動機上線單元、發(fā)動機零部件裝配單元、發(fā)動機質(zhì)量檢測單元、發(fā)動機區(qū)域校驗單元和發(fā)動機下線單元、計算機控制單元等一系列裝配單元組成。裝配單元相互協(xié)作，共同完成發(fā)動機裝配系統(tǒng)的裝配功能。發(fā)動機裝配系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)動機裝配系統(tǒng)示意圖

各裝配單元以計算機控制單元為中心，接收計算機控制單元下達的指令，并向計算機控制單元反饋操作信息。其中發(fā)動機上線單元、發(fā)動機零部件裝配單元、發(fā)動機質(zhì)量檢測單元、發(fā)動機區(qū)域校驗單元和發(fā)動機下線單元組成發(fā)動機裝配過程。其他裝配單元為輔助單元，在計算機控制單元的協(xié)調(diào)作用下保證裝配活動的正常進行。

2 面向?qū)ο笾RPetri網(wǎng)的定義

定義1：OKPN=（O，R）

O=｛Oi|i=1，2，…，n｝。O為發(fā)動機裝配系統(tǒng)的裝配單元的集合。Oi為發(fā)動機裝配系統(tǒng)中的第i個裝配單元對象。n表示該發(fā)動機裝配系統(tǒng)由n個裝配單元組成。

R=｛Rij|i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，n且i≠j｝。R為發(fā)動機裝配系統(tǒng)中各裝配單元之間的信息交互網(wǎng)，Rij表示第i個裝配單元和第j個裝配單元間的信息交互。

定義2：Oi=｛Pij，Tij，F(xiàn)｝。Pij為第i個發(fā)動機裝配單元中所有庫所的集合，Pij可以進一步分類為｛ISPia，NPib，KPic，MPid｝，ISPia=｛IMi，OMi｝表示請求服務(wù)的消息庫所，是裝配單元之間信息交互的接口。IMi表示請求輸入的消息庫所，OMi表示請求輸出的消息庫所。NPib是普通狀態(tài)庫所，表示裝配單元對象內(nèi)部各資源的狀態(tài)（如裝配設(shè)備的空閑狀態(tài)，繁忙狀態(tài)等）。KPic是知識庫所，用來存儲中間裝配體（在制品）的各種信息（如在制品的產(chǎn)品出生證，裝配工藝知識等），MPid是物料庫所，表示物料的存儲狀態(tài)等。

Tij是第i個發(fā)動機裝配單元中所有變遷的集合，Tij可以進一步分類為｛NTix，DTiy｝。NTix是普通變遷，用來表示改變裝配單元狀態(tài)的事件或資源的消耗使用等（如裝配操作，獲取在制品合格狀態(tài)等）。DTiy是決策變遷表示判斷的變遷（如判斷托盤是否為空盤等），該變遷根據(jù)判斷結(jié)果決定系統(tǒng)模型的流向。

F是一個P元素和一個T元素組成的有序偶的集合，滿足F?（P x T）∪（T x P），它建立了從庫所到變遷，從變遷到庫所的單方向聯(lián)系，并規(guī)定同類元素之間不能直接聯(lián)系。

定義3：Rij=（IMi，gij，OMi）。gij為特殊類型的變遷稱為門（gate），表示Oi到Oj之間信息傳遞門變遷的集合。

模型中各類符號如圖2所示。

圖2 OKPN模型圖例

3 發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型建模步驟

發(fā)動機裝配系統(tǒng)的建模是對實際系統(tǒng)的抽象，即從不同的層次抽象表示發(fā)動機裝配系統(tǒng)。從整體看系統(tǒng)是由不同的裝配單元組成，這些單元之間由特定的輸入輸出接口庫所及門變遷通信。對于每個裝配單元，都是由不同的行為（庫所）及狀態(tài)（變遷）組成，從而執(zhí)行特定的功能和具有特定的作用。

發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型建模步驟如圖3所示。

（1）構(gòu)建發(fā)動機裝配單元的OKPN模型：EAS是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，如果把EAS作為整體進行建模，必然使得該模型非常復(fù)雜。每個發(fā)動機裝配單元代表裝配系統(tǒng)中一類具有相似行為的裝配過程或輔助裝配活動，該裝配單元封裝了該類裝配過程或輔助裝配活動的行為和狀態(tài)，并與其它裝配單元是功能相互獨立，且工藝相互關(guān)聯(lián)的。構(gòu)造發(fā)動機裝配單元的OKPN模型的過程如下：

步驟1：對發(fā)動機裝配系統(tǒng)進行分析，將發(fā)動機裝配系統(tǒng)抽象成若干個功能關(guān)聯(lián)的裝配單元，每個裝配單元抽象為一個Oi對象。

步驟2：分析每個對象的作業(yè)流程，明確在發(fā)動機的裝配過程中各對象的內(nèi)部行為和狀態(tài)，對象之間的信息交互機制。

步驟3：由步驟2，根據(jù)對每個對象作業(yè)流程的分析結(jié)果，對這些對象內(nèi)部的元素進行細化：將系統(tǒng)對象的狀態(tài)元素映射為庫所，將系統(tǒng)對象的變化元素映射為變遷，并用有向弧表示庫所與變遷之間的關(guān)系。

步驟4：依據(jù)上述結(jié)果，構(gòu)建發(fā)動機裝配單元的OKPN模型。

（2）構(gòu)建發(fā)動機裝配系統(tǒng)的OKPN模型：在所得發(fā)動機裝配單元的OKPN模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動機裝配工藝，根據(jù)發(fā)動機的裝配工藝路線，通過門變遷與接口庫所建立各對象間的聯(lián)系，構(gòu)建各裝配單元的消息傳遞網(wǎng)絡(luò)模型，最終建立發(fā)動機裝配系統(tǒng)的OKPN模型。

圖3 發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型建模步驟

4 發(fā)動機裝配系統(tǒng)模型驗證

4.1 某發(fā)動機裝配系統(tǒng)簡介

本文主要以合肥某乘用車1.5T發(fā)動機的裝配系統(tǒng)為研究對象。該發(fā)動機的裝配路線由發(fā)動機總成裝配線和缸蓋分裝線、活塞連桿線和熱試線組成。發(fā)動機總成裝配線的主要任務(wù)是以汽缸體為裝配基礎(chǔ)，由內(nèi)向外逐段將各個部件合裝并使產(chǎn)成品下線。缸蓋分裝線主要完成部件缸蓋的氣門、火花塞等部件以及附屬零件的分總成裝配?；钊B桿線主要完成將活塞、連桿等用活塞銷等組裝起來的分總成裝配。

4.2 發(fā)動機裝配單元OKPN模型構(gòu)建

發(fā)動機裝配單元是發(fā)動機裝配系統(tǒng)實現(xiàn)裝配功能的基本單元，在分析發(fā)動機裝配系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立每類裝配單元的OKPN模型。以裝配過程為例，可以抽象出發(fā)動機上線單元，發(fā)動機零部件裝配單元，發(fā)動機質(zhì)量檢測單元，發(fā)動機質(zhì)量門控制單元和發(fā)動機下線單元等裝配單元。由于質(zhì)量門控制單元和下線單元的建模過程與發(fā)動機質(zhì)量檢測單元類似，都屬于對發(fā)動機裝配的質(zhì)量檢驗過程，故其OKPN模型與發(fā)動機質(zhì)量檢測單元模型類似，以下不再贅述。

4.2.1 發(fā)動機上線單元的OKPN建模

發(fā)動機上線單元的OKPN模型如圖4所示。

圖4 發(fā)動機上線單元的OKPN模型

圖4的行為推理過程如下：當IMi-1庫所中令牌表示接收到發(fā)動機上線請求時，決策變遷DTi-1判斷線邊物料庫所MPi-1庫存狀態(tài)，若庫存狀態(tài)為SPi-1，觸發(fā)NTi-1變遷，并將缺料信息輸出到OMi-2庫所；若庫存狀態(tài)為SPi-2，觸發(fā)決策變遷DTi-2，使機器人開始裝載毛坯件并判斷設(shè)備是否故障。若狀態(tài)為SPi-3，則觸發(fā)NTi-2變遷，并將故障信息輸出到OMi-2庫所；若狀態(tài)為SPi-4，通過知識庫所KPi-1觸發(fā)決策變遷DTi-3，判斷所裝載毛坯件是否與產(chǎn)品型號匹配。若匹配狀態(tài)為SPi-5，則重新裝載；若匹配狀態(tài)為SPi-6，觸發(fā)NTi-3變遷，將裝配對象輸出到接口庫所OMi-1。發(fā)動機上線單元的OKPN模型元素語義如表1所示。

表1 發(fā)動機上線單元的OKPN模型元素語義

4.2.2 發(fā)動機零部件裝配單元的OKPN建模

圖5 發(fā)動機零部件裝配單元的OKPN模型

發(fā)動機零部件裝配單元OKPN模型如圖5所示，其行為推理過程如下：當輸入接口庫所IMj-1中的令牌接收到發(fā)動機中間裝配體的裝配請求時，決策變遷DTj_1判斷裝配設(shè)備是否空閑。若裝配設(shè)備處于SPj_1，工件進入緩沖區(qū)，等待裝配設(shè)備空閑。若裝配設(shè)備處于SPj_2，觸發(fā)NTj_2變遷，該工序托盤到位。托盤到位后，觸發(fā)決策變遷DTj-2托盤是否為空盤，若托盤狀態(tài)為SPj-6，觸發(fā)NTj-3變遷，將空盤輸出到OMj-1庫所；若托盤狀態(tài)為SPi-5，通過知識庫KPj-1觸發(fā)決策變遷DTj-2，判斷通過知識庫所KPj-1觸發(fā)決策變遷DTj_2，判斷產(chǎn)品總合格狀態(tài)及上工序合格狀態(tài)。當合格狀態(tài)為SPj_6，觸發(fā)NTj_9變遷，把信息存入知識庫KPj_3，并將裝配對象輸出到接口庫所OMj-1。當為狀態(tài)SPj_8，決策變遷DTj-4判斷線邊物料庫所MPj-1庫存狀態(tài)，若庫存狀態(tài)為SPj-10，觸發(fā)普通變遷NTj-3，并將缺料信息輸出到OMj-2庫所；若庫存狀態(tài)為SPj-9，觸發(fā)NTj-4變遷，該工序上料。當工序上料后，通過知識庫KPj_3，觸發(fā)NTj-5變遷，該工序開始裝配。在裝配過程中，裝配狀態(tài)庫SPj_12觸發(fā)決策變遷DTj-4，判斷設(shè)備是否故障。若狀態(tài)為SPj-14，則觸發(fā)NTj-6變遷，并將故障信息輸出到OMj-2庫所；若狀態(tài)為SPj-13，觸發(fā)NTj-7變遷，完成裝配。當發(fā)動機零部件正常裝配完成后，觸發(fā)決策變遷DTj_6，判斷本工序裝配合格狀態(tài)。當合格狀態(tài)為SPi_16，觸發(fā)NTj_8變遷，并將不合格信息輸出到OMj-2庫，同時觸發(fā)NTj_9變遷，把信息存入知識庫KPj_3，并將裝配對象輸出到OMj-1庫所。當合格狀態(tài)為SPj_17，觸發(fā)NTj_9變遷，把信息存入知識庫KPj_3，并將裝配對象輸出到OMj-1庫所。發(fā)動機零部件裝配單元的OKPN模型元素語義如表2所示。

表2 發(fā)動機零部件裝配單元的OKPN模型元素語義

4.2.3 發(fā)動機質(zhì)量檢測單元的OKPN建模

發(fā)動機質(zhì)量檢測單元的OKPN模型如圖6所示，其行為推理過程如下：當接口庫所IMm-1中令牌接收到發(fā)動機在制品的質(zhì)量檢測請求時，決策變遷DTm-1判斷檢測設(shè)備是否空閑。若檢測設(shè)備處于SPm_1，工件進入緩沖區(qū)，等待檢測設(shè)備空閑。當檢測設(shè)備處于狀態(tài)SPm_3，觸發(fā)NTm_2變遷，該工序托盤到位。托盤到位后，觸發(fā)決策變遷DTm-2判斷托盤是否為空盤，若托盤狀態(tài)為SPm-6，觸發(fā)變遷NTm-6，將空盤輸出到OMm-1庫所；若托盤狀態(tài)為SPm-5時，通過知識變遷KPm-1觸發(fā)決策變遷DTm-3，判斷前序裝配單元合格狀態(tài)及完整性。若合格狀態(tài)為SPm-8，觸發(fā)普通變遷NTm-3，并將不合格信息輸出到OMm-2庫所；若為狀態(tài)SPm-7，觸發(fā)決策變遷 DTm-4判斷設(shè)備是否故障。若狀態(tài)為SPm-9，則觸發(fā)普通變遷NTm-4，并將故障信息輸出到OMm-2庫所；若狀態(tài)為SPm-10，通過知識變遷KPm-2觸發(fā)決策變遷DTm-5，判斷本裝配單元檢測值是否符合工藝要求。若合格狀態(tài)為Sm-11，重新裝配并檢測；若合格狀態(tài)為SPm-13，觸發(fā)普通變遷NTm-6，將托盤輸出到接口庫所OMm-1。當合格狀態(tài)為SPm_12時，觸發(fā)普通變遷NTm-5，將不合格信息輸出到接口庫所OMm-2，觸發(fā)普通變遷 NTm-6，并將托盤輸出到接口庫所OMm-1。發(fā)動機質(zhì)量檢測單元的OKPN模型元素語義如表3所示。

圖6 發(fā)動機零部件檢測單元的OKPN模型

表3 發(fā)動機質(zhì)量檢測單元的OKPN模型元素語義

4.3 發(fā)動機裝配系統(tǒng)的OKPN建模

以發(fā)動機裝配系統(tǒng)的缸蓋線為例建立發(fā)動機裝配系統(tǒng)缸蓋線的OKPN模型，對缸蓋線關(guān)鍵裝配單元與相應(yīng)的單元描述如表4所示。

表4 缸蓋線關(guān)鍵裝配單元及單元描述

在構(gòu)建發(fā)動機裝配單元的OKPN的基礎(chǔ)上，對不同的發(fā)動機裝配單元進行抽象和封裝，只保留輸入和輸出關(guān)系，并根據(jù)每個裝配單元之間邏輯關(guān)系，用門變遷和接口庫所用有向弧連接建立各個裝配單元之間的消息傳遞模型，即建立發(fā)動機缸蓋線的OKPN模型，如圖7所示。模塊發(fā)動機缸蓋線的OKPN模型元素的語義如表5所示。

圖7 缸蓋線的OKPN模型

表5 缸蓋線的OKPN模型元素語義

續(xù)表

該模型的裝配單元 O1，O2，O3，O4，O5，O6，O7，O8單元對應(yīng)缸蓋線的關(guān)鍵裝配單元，它們以O(shè)0，O10單元為輔助單元在O9單元（計算機控制單元）的協(xié)調(diào)作用下，保證發(fā)動機缸蓋線的裝配活動的正常進行。模型的結(jié)構(gòu)直觀的表達了發(fā)動機裝配現(xiàn)場各單元之間的關(guān)系。

當系統(tǒng)發(fā)生變化時，各發(fā)動機裝配單元的OKPN模型本身無需做任何改變，只需要改變各裝配單元之間的消息傳遞關(guān)系，在降低模型的復(fù)雜性的同時，大大提高了模型的可重用性。

5 結(jié)束語

EAS是一種典型的復(fù)雜離散事件動態(tài)系統(tǒng)，論文通過分析發(fā)動機裝配系統(tǒng)，以裝配過程為例，建立了發(fā)動機裝配單元的OKPN模型。在此基礎(chǔ)上，對該模型進行抽象和封裝，構(gòu)建了發(fā)動機裝配系統(tǒng)OKPN模型。該模型完整的表達了發(fā)動機裝配系統(tǒng)的動態(tài)運行過程，具有模塊化和可重用性等特點。模型結(jié)構(gòu)能夠與發(fā)動機裝配現(xiàn)場的裝配單元形成直觀的對照。通過引進知識庫所和決策變遷，使模型具有自治性。同時，論文的研究為企業(yè)發(fā)動機裝配系統(tǒng)優(yōu)化提供參考依據(jù)。下一步的研究重點是利用仿真技術(shù)對該模型進行仿真，以有效地評判和優(yōu)化系統(tǒng)。

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（編輯 趙蓉）

Modeling Method Research on Engine Assembly System Based on Object-oriented Know ledge Petri Net

ZHANG Yan-ru，WANG San-qin，MA Jing
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

By taking an engine assembly system as the research object，an Object-oriented Know ledge Petri Net modeling approach was proposed to support analysis and optimization of engine assembly system.Firstly，from the attitude of system modeling，and by adopting the idea of object oriented，abstract Engine Assembly System into several assembly units functionally connected，then establish engine typical assembly unit as OKPN model by these basic units.On the basis of above steps，abstracting and encapsulating every assembly unit.establish information transmission mechanism according to their technology connection，build the OKPN model for engine assembly system.Based on the OKPN modeling technology，the process of engine assembly system was expressed.The OKPN model also has the characteristics of good modular and reusable.Finally，a case of the OKPN model of a passenger car engine assembly system was given to demonstrate the effectiveness of this model.

object-oriented know ledge Petri net；engine assembly system；assembly unit；Petri net modeling

TH166；TG506

A

1001-2265（2015）10-0145-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.040

2014-12-25

張彥如（1963—），女，河南鹿邑人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向為制造過程監(jiān)測與控制、生產(chǎn)現(xiàn)場管理等；通訊作者：王三琴（1989—），女，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，（E-mail）wsq2008ie@163.com。