物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的動態(tài)仿真系統(tǒng)建模研究

高阿曼 劉屹 趙東方 張帥

[摘 要]為快速建立面向離散生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型，有效應(yīng)對生產(chǎn)過程中的不確定性事件，本文對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)展開研究，對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造系統(tǒng)進(jìn)行分析建模，并在此基礎(chǔ)上提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，核心是實現(xiàn)快速建模配置和動態(tài)仿真，保證仿真結(jié)果的及時性和有效性。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)過程模型；動態(tài)仿真

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.12.029

[中圖分類號]TP391.9；V411.8 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）12-00-03

1 研究背景

經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展導(dǎo)致市場競爭愈加激烈，使制造業(yè)處于不可預(yù)測的動態(tài)制造環(huán)境中，例如，生產(chǎn)過程中面臨著插單、設(shè)備故障、質(zhì)量事故等各類不確定的動態(tài)事件，為企業(yè)生產(chǎn)決策和快速響應(yīng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。由于制造系統(tǒng)建模與仿真可以在虛擬制造環(huán)境中模擬物聯(lián)網(wǎng)條件下的制造運行，因此可以通過系統(tǒng)建模與仿真對制造系統(tǒng)進(jìn)行分析和評價，從而有利于提升制造業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)決策能力。

由于制造過程涉及人機(jī)料法環(huán)測多個環(huán)節(jié)，是一個復(fù)雜的制造系統(tǒng)，而仿真模型構(gòu)建是制造系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，需體現(xiàn)復(fù)雜的制造流程和管理方式。因此，仿真建模是制造系統(tǒng)仿真中最復(fù)雜的階段之一，建模時間約占整個仿真項目周期的45%，通過縮短建模時間、減小建模復(fù)雜度對快速進(jìn)行仿真分析具有重要的意義。另外，傳統(tǒng)的生產(chǎn)仿真研究通常都是基于理想生產(chǎn)條件下的離線仿真，這種仿真模式雖然對生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，但在實際生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的隨機(jī)問題和由不確定因素產(chǎn)生的動態(tài)事件，導(dǎo)致傳統(tǒng)的離線仿真難以實時指導(dǎo)生產(chǎn)，也使得仿真結(jié)果與實際運行情況產(chǎn)生差異。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等手段，能夠?qū)崿F(xiàn)對終端現(xiàn)場運行狀態(tài)信息的實時感知和采集，進(jìn)而實現(xiàn)物物相連。生產(chǎn)中的這些不確定事件和生產(chǎn)過程信息都可以實時采集并及時反饋，不確定事件無須考慮其發(fā)生類型和概率模型，可以針對具體事件做出準(zhǔn)確反應(yīng)，因此，研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的動態(tài)仿真技術(shù)已具備條件并有重要的應(yīng)用價值。

基于此，本文首先分析了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的制造系統(tǒng)及其建模方法，在此基礎(chǔ)上對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于模型的動態(tài)仿真進(jìn)行了分析，最后提出了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)了基于模型的快速仿真配置和基于實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)仿真，從而能夠有效應(yīng)對生產(chǎn)中的突發(fā)事件，保證了仿真結(jié)果的有效性。

2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下制造系統(tǒng)分析及建模

由于建模仿真是對現(xiàn)實制造系統(tǒng)的模擬，因此在建模之前首先要對制造系統(tǒng)資源與制造過程進(jìn)行分析，然后再通過仿真建模模擬，從而達(dá)到模擬實際生產(chǎn)過程的目的。在物聯(lián)網(wǎng)制造環(huán)境中，設(shè)備資源建模是制造資源建模的核心，也是提高模型通用性的關(guān)鍵，而制造過程分析是模型虛擬運行的關(guān)鍵。通過設(shè)備建模和制造過程分析，一方面可以縮短建模時間，減小建模復(fù)雜度，另一方面可以滿足制造系統(tǒng)模型準(zhǔn)確定義生產(chǎn)系統(tǒng)和利于仿真參數(shù)快速配置。因此，在物聯(lián)網(wǎng)制造環(huán)境下，需要重點研究設(shè)備資源建模與制造過程分析，為此本文采用本體技術(shù)構(gòu)建設(shè)備資源模型，并采用Petri網(wǎng)技術(shù)分析了制造過程。

2.1 設(shè)備資源建模

本體技術(shù)是對共享概念模型的明確和形式化規(guī)范說明，用于解決知識的共享和重用問題。采用本體建模技術(shù)構(gòu)建制造資源的信息共享模型，能夠描述資源的具體屬性、接入物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的信息和關(guān)鍵資源之間的邏輯關(guān)系。本體模型屬性與仿真模型的屬性相對應(yīng)。本文建模的對象是生產(chǎn)線上的設(shè)備資源，具體包括加工設(shè)備、測量設(shè)備及運輸設(shè)備，設(shè)備本體模型如圖1所示。

2.2 制造過程

Petri網(wǎng)是一種有向圖，由庫所（P）、變遷（T）、有向弧、托肯4個基本元素組成，其具有便于仿真軟件使用、開發(fā)等優(yōu)點，基于此，本文采用Petri網(wǎng)技術(shù)建模分析制造過程，其主要制造過程如下。首先，根據(jù)加工工藝路線描述生產(chǎn)活動，具體包括裝夾活動、運輸活動、加工活動和測量活動等。其次，建立狀態(tài)變化、變遷觸發(fā)的控制規(guī)則，包括訂單優(yōu)先級、加工批量、設(shè)備選擇零件規(guī)則和零件選擇設(shè)備規(guī)則等。生產(chǎn)過程模型與仿真模型的加工過程建模和決策設(shè)置相對應(yīng)，圖2為Petri網(wǎng)構(gòu)建的某簡單加工系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于模型的動態(tài)仿真

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，制造車間可以進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集，不確定的動態(tài)事件能得到及時反饋，因此，對生產(chǎn)過程仿真無須考慮不確定事件發(fā)生的類型和概率模型，可以針對具體事件做出準(zhǔn)確反應(yīng)。同時，還可以將仿真運行的結(jié)果與實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離分析，并采取自適應(yīng)決策，從而使仿真優(yōu)化方案更符合實際生產(chǎn)需求，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)仿真與實際生產(chǎn)結(jié)果差異較大的問題。這就是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于生產(chǎn)系統(tǒng)模型和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)仿真機(jī)制，其原理如圖3所示。

首先，構(gòu)建制造資源本體共享模型，讓所有的接入設(shè)備都能夠用該模型清晰地描述自身信息以及由該設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后所產(chǎn)生的信息，從而實現(xiàn)對設(shè)備的統(tǒng)一接入、控制和管理。其次，構(gòu)建生產(chǎn)運行模型。充分分析生產(chǎn)制造系統(tǒng)各成員的組織層次、活動、交互作用、控制規(guī)則和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下產(chǎn)生的信息，通過描述這些活動及其控制規(guī)則得到制造系統(tǒng)的生產(chǎn)運行模型。最后，基于上述生產(chǎn)系統(tǒng)模型快速進(jìn)行仿真設(shè)置，并對物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下獲取的動態(tài)事件進(jìn)行仿真，獲得仿真優(yōu)化結(jié)果。動態(tài)事件包括訂單取消、緊急插單、設(shè)備故障和質(zhì)量事故等。將仿真運行結(jié)果與實時獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)偏離分析和自適應(yīng)決策，決策結(jié)果可以是以下三類：繼續(xù)執(zhí)行基準(zhǔn)仿真運行結(jié)果、在線調(diào)整、再仿真。仿真結(jié)果為車間平衡設(shè)備負(fù)荷、生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度等提供決策依據(jù)。

4 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

基于上述研究，本文提出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于模型和實時數(shù)據(jù)的動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

該系統(tǒng)架構(gòu)采用了多層結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、交互層和仿真層。其中，數(shù)據(jù)層提供仿真所需的各種模型、實時數(shù)據(jù)，包括基于制造資源本體模型、生產(chǎn)過程模型、工藝模型和生產(chǎn)布局模型等，并接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的生產(chǎn)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，提供快速建模仿真基礎(chǔ)。交互層構(gòu)建仿真交互平臺，該平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)仿真軟件的核心，負(fù)責(zé)接收并處理來自數(shù)據(jù)層的各種模型信息、車間生產(chǎn)任務(wù)信息等，并將結(jié)果提供給仿真軟件進(jìn)行快速仿真配置，同時接收并處理仿真軟件輸出的仿真結(jié)果，依據(jù)動態(tài)仿真機(jī)制，與實時獲取的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏離分析并自適應(yīng)決策，形成解決方案，提供給車間執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行。仿真交互平臺支持多集成能力的開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具備與各類管理軟件、數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)文件等進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和集成應(yīng)用能力?；谠摻换テ脚_，打通仿真軟件與外部的數(shù)據(jù)庫、信息系統(tǒng)之間的信息通道。仿真層利用仿真軟件進(jìn)行仿真，獲取交互平臺提供的產(chǎn)品模型、布局模型、工藝約束等生產(chǎn)系統(tǒng)模型和實時數(shù)據(jù)、動態(tài)事件，將生產(chǎn)系統(tǒng)模型的屬性信息賦予仿真軟件中相應(yīng)的模型模板，快速配置仿真模型，并基于實時數(shù)據(jù)對動態(tài)事件進(jìn)行仿真計算、仿真分析和過程評價，將結(jié)果輸出給交互平臺，用于指導(dǎo)實時生產(chǎn)。

5 結(jié) 語

本文研究了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的生產(chǎn)系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的動態(tài)仿真系統(tǒng)架構(gòu)，核心是實現(xiàn)基于模型的快速仿真配置和基于實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的動態(tài)仿真，從而能夠準(zhǔn)確、快速地應(yīng)對生產(chǎn)現(xiàn)場的各種突發(fā)事件，保證了仿真的有效性。后續(xù)本文將進(jìn)一步研究動態(tài)仿真軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)和功能完善。

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