環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)建模方法

殷士勇， 鮑勁松， 唐仕喜， 楊 蕓

(1. 鹽城師范學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 鹽城 224002； 2. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620)

工業(yè)4.0的核心是信息物理系統(tǒng)(cyber physical system, CPS)[1]，而信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(cyber physical production system, CPPS)是面向生產(chǎn)制造的信息物理系統(tǒng)，是物理生產(chǎn)系統(tǒng)和數(shù)字生產(chǎn)系統(tǒng)的深度融合。在環(huán)錠紡紗生產(chǎn)系統(tǒng)(本文以棉紡生產(chǎn)為例說明)中，生產(chǎn)設(shè)備的種類復(fù)雜且數(shù)量多(梳棉機(jī)、并條機(jī)、粗紗機(jī)、細(xì)紗機(jī)、絡(luò)筒機(jī)等)、工序的連續(xù)與離散混合并重(清梳聯(lián)連續(xù)、精梳到并條以及并條到粗紗離散、粗細(xì)絡(luò)聯(lián)連續(xù)等)、纖維流形態(tài)變化大(纖維形態(tài)從無序到有序，定量化評價復(fù)雜，纖維過程動態(tài)變化)，同時伴隨生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)流、控制流的關(guān)聯(lián)關(guān)系多樣性，推進(jìn)環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的智能化面臨巨大挑戰(zhàn)。

CPPS是CPS在制造領(lǐng)域的一種具體實現(xiàn)，它既依賴于信息處理、計算機(jī)、通信等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，也依賴于制造領(lǐng)域中裝備、工藝等技術(shù)的突破。CPPS一方面需要物理世界中各類實體互聯(lián)互通，采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)在信息世界形成各類優(yōu)化的決策指令，另一方面需要通過交互對生產(chǎn)過程的實時監(jiān)測與控制。關(guān)于CPPS的架構(gòu)或建模的研究，Jiang等[2]提出一種針對CPPS的任務(wù)和資源匹配分析方法，并通過原型系統(tǒng)驗證了該方法的實現(xiàn)機(jī)制和有效性；Tomiyama等[3]提出一種用于CPPS的彈性架構(gòu)的設(shè)計方法，該系統(tǒng)可以處理離散事件過程中的干擾和故障問題。Rvrabic等[4]提出了一種基于代理的生產(chǎn)環(huán)境分布式控制方法用于CPPS，其中代理只能與整個系統(tǒng)的一部分進(jìn)行交互，并設(shè)定通過學(xué)習(xí)和溝通可以改善代理網(wǎng)絡(luò)；Siafara等[5]提出一種可以智能適應(yīng)環(huán)境和條件快速變化的CPPS架構(gòu)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；Engel等[6]在CPPS的范圍內(nèi)，使用基于知識的輔助系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和過程模塊的批處理；為在實際工廠中實施CPPS，以預(yù)測金屬鑄件的質(zhì)量和操作控制，Lee等[7]設(shè)計了用于金屬鑄造產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測和操作控制的CPPS體系結(jié)構(gòu)框架，該框架描述了物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智能、仿真、制造執(zhí)行系統(tǒng)以及高級計劃和調(diào)度系統(tǒng)之間的協(xié)作，利用組件之間的數(shù)據(jù)流描述了整個系統(tǒng)的運行機(jī)制，并通過估計定量效應(yīng)來驗證CPPS的有效性；Yao等[8]提出了基于IEC 61499 FB的CPPS的框架和實現(xiàn)方法，用于物理人機(jī)交互；曹瑞珉等[9]提出基于混雜隨機(jī)時延Petri網(wǎng)的服裝定制CPPS的事件層和物理層建模問題；王勃等[10]介紹了航空制造業(yè)的CPPS；張建良等[11]針對鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特點，提出基于互聯(lián)網(wǎng)+CPPS模式的鋼鐵智慧工廠思路。對于高動態(tài)、高速度、實時性要求高的、大規(guī)模連續(xù)性的環(huán)錠紡紗CPPS而言，當(dāng)前國內(nèi)外缺乏定義，也少有系統(tǒng)模型，更少研究建模方法。

本文根據(jù)CPS的通信、計算、控制“3C”特征，給出CPS的形式化定義；在此基礎(chǔ)上，再形式化定義環(huán)錠紡紗CPPS，提出“纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流”融合的環(huán)錠紡紗CPPS模型；并采用基于模型的系統(tǒng)工程方法，提出基于SysML的環(huán)錠紡紗CPPS系統(tǒng)建模。

1 環(huán)錠紡紗CPPS的定義

美國國家科學(xué)基金會定義CPS為描述計算資源(或網(wǎng)絡(luò)資源)和物理資源之間的緊密結(jié)合，體現(xiàn)通信、計算和控制的“3C”特征，核心是其與運行和部署的任務(wù)環(huán)境的各種要素的融合。2017年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局提出了CPS的概念模型[12]，它是一個信息空間與物理空間融合的復(fù)雜系統(tǒng)，提供狀態(tài)感知、信息分析與反饋和動態(tài)控制等多種服務(wù)。

CPS中虛實融合包含大量的物理對象和與之匹配的信息對象的交互操作，這些信息流和作業(yè)流在時序上是對應(yīng)的關(guān)系，實現(xiàn)信息世界與物理世界的彼此依賴、高度集成與實時交互[13-15]。

CPS是離散的信息世界與連續(xù)的物理世界的融合，因此，將CPS定義為

S={C1,C2,C3}

(1)

Ci=(P,C,E,D,I,fi),i=1,2,3

(2)

式中：S表示CPS；C1表示CPS的通信；C2表示CPS的計算；C3表示CPS的控制；P表示CPS連續(xù)的物理世界中全部實體的集合；C表示CPS離散的信息世界中全體邏輯狀態(tài)的集合；E表示物理世界全體實體的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合;D表示信息世界中全部信息對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合；I表示信息世界對物理世界控制的指令集合；i=1,2,3;f1表示通信節(jié)點之間的映射關(guān)系；f2表示計算數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系；f3表示控制指令與被控對象之間的映射關(guān)系。

環(huán)錠紡紗CPPS是用于環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的信息物理系統(tǒng)，是環(huán)錠紡紗智能生產(chǎn)的具體實現(xiàn)。環(huán)錠紡紗CPPS是CPS的子集，參照CPS定義，具體定義如下：

S′={C1,C2,C3}?S

(3)

Ci=(Pp,Cc,E(pi,pj),D(dm,dn),I(Pp,Cc),Fi)

(4)

式中：S′表示環(huán)錠紡紗CPPS；C1表示物理生產(chǎn)系統(tǒng)到信息系統(tǒng)的雙向通信；C2表示對物理生產(chǎn)系統(tǒng)的計算；C3表示對物理生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。其中：i=1,2,3;Pp表示物理生產(chǎn)系統(tǒng)；Cc表示信息系統(tǒng)；E(pi,pj)表示物理生產(chǎn)系統(tǒng)中pi和pj的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合；D(dm,dn)表示信息對象dm到dn的轉(zhuǎn)換關(guān)系集合；I(Pp,Cc)表示信息系統(tǒng)對物理生產(chǎn)系統(tǒng)的控制指令集合；F1表示通信系統(tǒng)中通信節(jié)點之間的映射關(guān)系；F2表示信息系統(tǒng)中信息對象之間的映射關(guān)系；F3表示信息系統(tǒng)中控制指令與物理生產(chǎn)系統(tǒng)中被控對象之間的映射關(guān)系。

環(huán)錠紡紗CPPS的生產(chǎn)系統(tǒng)中，實體pi和pj的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系表現(xiàn)在：1)生產(chǎn)要素多，涉及到人、機(jī)、料、法、環(huán)等各個環(huán)節(jié)；2)任意2個實體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系受到實體模型、環(huán)錠紡紗工藝、設(shè)備運動學(xué)機(jī)制等因素的影響，難以表達(dá)。各要素之間是通過相互配合完成了環(huán)錠紡紗生產(chǎn)，形成以物料形態(tài)變化為中心，關(guān)聯(lián)設(shè)備、工藝、人員、環(huán)境等生產(chǎn)全要素的“纖維流”。所以，環(huán)錠紡紗CPPS中的E(pi,pj)本質(zhì)為“纖維流”中纖維任意2個相鄰形態(tài)之間的單向轉(zhuǎn)換關(guān)系。

在環(huán)錠紡紗CPPS中，其信息系統(tǒng)的邏輯點對應(yīng)于環(huán)錠紡紗生產(chǎn)系統(tǒng)中物理實體，隨著環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的不斷推進(jìn)，纖維集合體的形態(tài)也在不斷變化，信息系統(tǒng)中其邏輯狀態(tài)也在不斷變化，形成與纖維流對應(yīng)的“數(shù)據(jù)流”，所以，環(huán)錠紡紗CPPS中的D(dm,dn)本質(zhì)是“數(shù)據(jù)流”中2個邏輯點之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

當(dāng)數(shù)據(jù)流匯聚到環(huán)錠紡紗信息系統(tǒng)后，需要對其進(jìn)行處理與分析，形成對環(huán)錠紡紗生產(chǎn)過程最優(yōu)決策的“控制流”。所以，紡紗CPPS中的I(Pp,Cc)為信息系統(tǒng)對物理生產(chǎn)系統(tǒng)的控制。

因此，環(huán)錠紡紗CPPS本質(zhì)上是纖維流、數(shù)據(jù)流和控制流融合的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)。

2 紡紗CPPS纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流

2.1 纖維流

以環(huán)錠紡精梳18.2 tex棉紗生產(chǎn)為例，連續(xù)的清梳聯(lián)工序是低速生產(chǎn)，其出條速度為140 m/min；離散的精梳工序和并條工序是中速生產(chǎn)，其速度分別為425鉗次/min和500 m/min；連續(xù)的粗細(xì)絡(luò)聯(lián)工序是高速生產(chǎn)，其中粗紗工序和細(xì)紗工序生產(chǎn)的錠速分別為1 250 r/min和16 000 r/min，絡(luò)筒工序的卷取速度為1 250 m/min。

牽伸和加捻使得棉花纖維分布從雜亂無序到沿縱向有序排列，物料形態(tài)也從棉包—棉塊—棉條—粗紗—細(xì)紗不斷由粗變細(xì)，從而形成環(huán)錠紡紗生產(chǎn)的“纖維流”。在纖維流動過程中，纖維的主要變化體現(xiàn)在纖維排列、纖維形態(tài)、纖維屬性以及纖維中的異纖情況等。

纖維之所以形成流態(tài)，是工藝、設(shè)備、環(huán)境等因素共同作用于纖維的結(jié)果。纖維流的模型可以描述如下：

P′={P′0,P′1,…,P′i,…,P′n}>,i∈[0,n-1]

(5)

P′i|→P′i+1

(6)

|→Pro∞D(zhuǎn)ev∞Env

(7)

2.2 數(shù)據(jù)流

纖維的流動產(chǎn)生大量的實時數(shù)據(jù)，如纖維的質(zhì)量數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。環(huán)錠紡紗CPPS中纖維不同形態(tài)下的多源數(shù)據(jù)，按其結(jié)構(gòu)化程度可以分為：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。常見的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有工藝數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)等；半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有設(shè)備的運行日志數(shù)據(jù)、通過傳感器采集的JSON格式的數(shù)據(jù)等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有異纖的照片、生產(chǎn)監(jiān)控的各種視頻數(shù)據(jù)等。

一種纖維形態(tài)下的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成另一種形態(tài)下的數(shù)據(jù)，其轉(zhuǎn)化語義有以下幾種情況。

定義1(結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的過濾轉(zhuǎn)換⊙)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdw經(jīng)過⊙轉(zhuǎn)換后成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdv。

[⊙]={sdv=⊙(sdw)∧

{(sdwi-1,sdwi,…,sdwj)?sdw∧

(sdwi-1,sdwi,…,sdwj)!?sdv}

(8)

式中：sdwk(k∈[i-1,j])為數(shù)據(jù)sdw的一個數(shù)據(jù)元。

定義2：(結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的合并轉(zhuǎn)換⊕)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdw1,2和sdw1,2經(jīng)過⊕變換后成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdv。

[⊕]={sdv=⊕(sdw1,sdw2)∧

((sdw1·A=sdw2·A)}

(9)

式中：sdw1·A=sdw2·A表示2個結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有共同的字段A。

定義3 (結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分離轉(zhuǎn)換?)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdw經(jīng)過?變換后成為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdv1和sdv2。

[?]={(sdv1,sdv2)=?(sdw)

(sdv1∧sdv2=null)∧(sdv1·A=

sdw·A)∧(sdv2·B=sdw·B)}

(10)

定義4 (半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的提取轉(zhuǎn)換○)：半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)ssdw經(jīng)過○轉(zhuǎn)換后成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdv和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)ssdt。

[◎]={(sdv,ssdt)=◎(ssdw)=∧

((sdv∧ssdt=null)∨(ssdt=null))}

(11)

定義4說明一個半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可以提取成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或者結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

定義5 (非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的提取轉(zhuǎn)換○*)： 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)nsdw經(jīng)過○* 轉(zhuǎn)換后成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)sdu、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)ssdv和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)nsdt。

[○*]={(sdu,ssdv,nsdt)○*(nsdw)∧

((sdu∧ssdv∧nsdt=null∨

((ssdv=null)∨(nsdt=null)))}

(12)

數(shù)據(jù)流從產(chǎn)生到應(yīng)用，大致分為3個階段：

1) 數(shù)據(jù)產(chǎn)生于生產(chǎn)現(xiàn)場。在生產(chǎn)現(xiàn)場，通過部署的智能傳感器，采集大量的實時數(shù)據(jù)。

2) 數(shù)據(jù)流動于邊緣端。在邊緣端，數(shù)據(jù)的流動主要體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)流的預(yù)處理。通過傳感器采集實時數(shù)據(jù)，包括：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換語義，半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過提取轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分別映射到纖維標(biāo)記信息表、設(shè)備標(biāo)記信息表、工藝標(biāo)記信息表和環(huán)境標(biāo)記信息表中。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)經(jīng)過濾和分離轉(zhuǎn)換后分別映射到與纖維質(zhì)量相關(guān)的纖維基本表、與設(shè)備相關(guān)的設(shè)備基本信息表、與工藝相關(guān)的工藝基本信息表以及與環(huán)境相關(guān)的環(huán)境基本信息表。纖維基本信息表和纖維標(biāo)記信息表經(jīng)合并轉(zhuǎn)換后映射到纖維特征有效信息表中；設(shè)備基本信息表和設(shè)備標(biāo)記信息表經(jīng)合并轉(zhuǎn)換后映射到設(shè)備有效信息表中；工藝基本信息表與工藝標(biāo)記信息表經(jīng)合并轉(zhuǎn)換后映射到工藝有效信息表中；環(huán)境基本信息表與環(huán)境標(biāo)記信息表經(jīng)合并轉(zhuǎn)換后映射到環(huán)境有效信息表中。

3) 數(shù)據(jù)應(yīng)用云中心。纖維有效信息表、設(shè)備有效信息表、工藝有效信息表和環(huán)境有效信息表經(jīng)合并轉(zhuǎn)換后進(jìn)入云中心的信息系統(tǒng)后應(yīng)用于各個應(yīng)用程序中，如：生產(chǎn)看板系統(tǒng)、設(shè)備運行監(jiān)控和運行參數(shù)調(diào)整等，成為決策控制的基礎(chǔ)。

2.3 控制流

纖維形態(tài)的變化帶來了數(shù)據(jù)流動，為使纖維形態(tài)朝著優(yōu)質(zhì)的方向變化，即新形態(tài)下纖維具有更好的質(zhì)量品質(zhì)，需對引發(fā)纖維形態(tài)變化的各因素進(jìn)行控制。

環(huán)錠紡紗生產(chǎn)過程中，纖維形態(tài)的變化較多，引發(fā)纖維形態(tài)變化的因素也很多，如：從生條到精梳條轉(zhuǎn)換中，牽伸分配的調(diào)節(jié)；從精梳條到熟條的轉(zhuǎn)換中，出條速度的控制；從熟條到粗紗，粗紗到細(xì)紗轉(zhuǎn)換中的捻度與錠速的調(diào)節(jié)；絡(luò)紗的張力控制等等，因此，在纖維的流動過程中，被控制的對象很多，且對每個對象的控制是根據(jù)纖維形態(tài)變化實時進(jìn)行的，即隨著紡紗生產(chǎn)的實時推進(jìn)，調(diào)控也應(yīng)實時進(jìn)行，于是便形成了從信息系統(tǒng)到生產(chǎn)系統(tǒng)的“控制流”?？刂菩畔⑹怯缮a(chǎn)狀態(tài)超越閾值事件觸發(fā)形成，從環(huán)錠紡紗信息系統(tǒng)沿路徑傳輸?shù)奖豢刂茖ο?，其過程可以形式化地描述為

Cc>>>pi=(Eventj,IS,pi,send,ControlInfoj,path)

(13)

控制信息在傳輸過程中，某節(jié)點Nk向節(jié)點Nk+1轉(zhuǎn)發(fā)控制信息ControlInfoj的過程可以描述為

Nk>>>Nk+1=(Nk,Nk+1,send, ControlInfoj, path1, path2)

(14)

式中：>>>表示發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)；path1,path2分別表示Nk到Nk+1控制信息經(jīng)過的路徑、信息系統(tǒng)到Nk控制信息經(jīng)過的路徑。path1,path2可以為空值，表示不考慮發(fā)送路徑以及到達(dá)前的路徑。

節(jié)點Nk+1接收節(jié)點Nk發(fā)送的控制信息ControlInfoj的過程可以描述為

Nk+1<<

ControlInfoj, path)

(15)

式中：<<<表示接收轉(zhuǎn)發(fā)信息；path是從Nk到Nk+1的路徑。Nk可以為空值，表示未知節(jié)點發(fā)送的廣播信息；path可以為空值，表示不考慮接收的路徑。

當(dāng)且僅當(dāng)接收和發(fā)送路徑都是正確的，才能執(zhí)行控制指令的發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)和接收，即必須遵循以下規(guī)則：

規(guī)則1：?Na∈N,?Nb∈N，當(dāng)且僅當(dāng)以下2個條件同時成立時，才能形成從Na到Nb的流，其中N表示所有節(jié)點的集合：1)允許Na向Nb發(fā)送指令；2)允許Nb接收Na發(fā)送的指令。

規(guī)則2：?Na∈N,?Nb∈N,?Nc∈N，當(dāng)且僅當(dāng)以下6個條件同時成立，才能形成從Na經(jīng)過Nc到Nb的流：1)允許Na向Nc轉(zhuǎn)發(fā)指令；2)允許Nc接收Na轉(zhuǎn)發(fā)的指令；3)允許Nc向Nb轉(zhuǎn)發(fā)指令；4)允許Nc接收Nb轉(zhuǎn)發(fā)的指令；5)允許Na向Nb發(fā)送指令；6)允許Nb接收Na發(fā)送的指令。

2.4 纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流融合

環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)是由環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)以及它們的交互組成。包括：環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)中的“纖維流”、信息系統(tǒng)中的“數(shù)據(jù)流”以及信息系統(tǒng)與環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)交互的“控制流”。

纖維流：在工藝、設(shè)備和環(huán)境等因素共同作用下，纖維形態(tài)不斷發(fā)生變換的過程。

數(shù)據(jù)流：纖維在流動過程中，產(chǎn)生與工藝、設(shè)備和環(huán)境等相關(guān)的實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)通過不斷的過濾、提取和合并等轉(zhuǎn)換而形成的數(shù)據(jù)流。

控制流：為使纖維朝著具有更好質(zhì)量的形態(tài)變化，對引起變化的關(guān)鍵因素進(jìn)行實時控制而形成的控制流。

環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)中的纖維流、數(shù)據(jù)流和控制流不是相互獨立而是深度融合的，如圖1所示。具體融合過程為：環(huán)錠紡紗CPPS的生產(chǎn)系統(tǒng)中，在一定的生產(chǎn)環(huán)境下，隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，纖維在設(shè)備間流動過程中，在環(huán)錠紡紗工藝、設(shè)備與環(huán)境等因素共同作用下，其形態(tài)不斷發(fā)生變化形成了纖維流。借助于現(xiàn)場總線、智能傳感器和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，伴隨著纖維的流動產(chǎn)生的與設(shè)備、工藝、環(huán)境以及纖維質(zhì)量相關(guān)的大量實時數(shù)據(jù)不斷匯聚形成了數(shù)據(jù)流，并應(yīng)用于不同的管控系統(tǒng)，如全流程質(zhì)量管控管理，最優(yōu)工藝、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)、能耗調(diào)控、車間最優(yōu)運營等。為使纖維形態(tài)朝著具有更好質(zhì)量的方向變化，各個管控系統(tǒng)發(fā)出指令對引起纖維形態(tài)變化的主要因素進(jìn)行實時監(jiān)測與控制，形成從信息系統(tǒng)到執(zhí)行器的“控制流”，如：配棉信息的下發(fā)、異纖的剔除處理、粗紗錠速的調(diào)整、細(xì)紗張力的調(diào)節(jié)、AGV路徑的規(guī)劃等。

圖1 纖維流-信息流-控制流融合Fig.1 Integration of fiber flow-information flow-control flow

3 環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)建模

基于模型的系統(tǒng)工程(model based system engineering, MBSE)方法是一種采用模型描述設(shè)計的系統(tǒng)工程方法，不但可以無歧義地表達(dá)知識，還具有利于交流和易于復(fù)用等特點[16-17]。SysML是國際系統(tǒng)工程學(xué)會和對象管理組織支持MBSE方法而聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)建模語言[18-19]。

本文采用MBSE的方法，結(jié)合SysML建模語言從系統(tǒng)的角度構(gòu)建環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的模型。由于環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)元素之間交叉關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜多樣，受篇幅限制，本文僅對其中具有代表性的環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)需求和局部用例建模以及對“纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流”融合建模。

3.1 系統(tǒng)需求與用例建模

系統(tǒng)需求分析設(shè)計人員要深入調(diào)查客戶需求，明確客戶對系統(tǒng)的要求，具體表現(xiàn)在功能性和可靠性方面，最后才能將客戶需求形成完整的可操作的需求定義。

3.1.1 系統(tǒng)需求建模

系統(tǒng)需求模型中要明確系統(tǒng)的組成部分以及每部分具有的明確功能屬性。環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)的建模就是明確對物理生產(chǎn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的功能性需求、非功能性需求以及約束關(guān)系等。環(huán)錠紡紗CPPS的系統(tǒng)需求模型包括：

1) 環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)。環(huán)錠紡紗生產(chǎn)系統(tǒng)是指為了滿足環(huán)錠紡紗生產(chǎn)而必須具備的包括人員、設(shè)備、物料、工藝和環(huán)境等基本要素的系統(tǒng)。同時對紗線質(zhì)量、生產(chǎn)成本等因素有一定的要求。

2) 通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)是指借助于現(xiàn)場總線、無線通信和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)組件的通信網(wǎng)絡(luò)，具備一定的可靠性和安全性。

3) 環(huán)錠紡紗信息系統(tǒng)。環(huán)錠紡紗信息系統(tǒng)是與物理生產(chǎn)系統(tǒng)對應(yīng)的信息化的生產(chǎn)系統(tǒng)，是通過對物理生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)的處理與分析，構(gòu)建物理生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化模型，具有迭代優(yōu)化與自主決策等能力。

4) 系統(tǒng)交互。物理生產(chǎn)系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的交互體現(xiàn)在物理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量實時數(shù)據(jù)流通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)叫畔⑾到y(tǒng)中，通過對數(shù)據(jù)的分析與處理，建立物理生產(chǎn)系統(tǒng)的各種信息模型并形成各類由信息系統(tǒng)對物理生產(chǎn)系統(tǒng)控制流，實現(xiàn)對物理生產(chǎn)系統(tǒng)各要素的閉環(huán)控制，并形成迭代交互。

3.1.2 用例模型

用例是一種黑盒視圖，通過用例和參與者構(gòu)建系統(tǒng)對外提供的服務(wù)模型或者系統(tǒng)本身具有的行為模型。

環(huán)錠紡紗CPPS的物理生產(chǎn)系統(tǒng)的局部用例模型如圖2所示。環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)主要有清梳聯(lián)、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒等主要生產(chǎn)工序，并且每個生產(chǎn)工序都涉及上料、工藝設(shè)計、設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)、質(zhì)量檢測和環(huán)境調(diào)控等輔助環(huán)節(jié)。每個生產(chǎn)工序都會有相應(yīng)的人員參與，如：擋車工要完成上料的基本操作；工藝員負(fù)責(zé)整個生產(chǎn)的工藝設(shè)計和質(zhì)量檢測；機(jī)修工負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)；空調(diào)工負(fù)責(zé)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控。

圖2 環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)局部用例模型Fig.2 Use case model of ring spinning physical production system

3.2 纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流融合建模

環(huán)錠紡紗CPPS的“纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流”融合模型包括：環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和環(huán)錠紡紗信息系統(tǒng)，如圖3所示。同時，環(huán)錠紡紗CPPS包含了3條流：物理生產(chǎn)系統(tǒng)的纖維流，從物理生產(chǎn)系統(tǒng)到信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，從信息系統(tǒng)到物理生產(chǎn)系統(tǒng)的控制流；還體現(xiàn)CPS和CPPS通信、計算與控制的3C特征。

環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)在滿足基本生產(chǎn)條件下組織生產(chǎn)，并對各個生產(chǎn)工序的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測以及數(shù)據(jù)采集。纖維在抓棉、清梳聯(lián)、精梳、并條、粗細(xì)絡(luò)聯(lián)(粗紗、細(xì)紗和絡(luò)筒)和打包碼垛等工序之間流動，形成纖維流。伴隨著纖維的流動，通過現(xiàn)場總線、傳感器和智能感知設(shè)備，大量的制造數(shù)據(jù)被采集，并且通過通信系統(tǒng)形成從物理生產(chǎn)系統(tǒng)到信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)在流動中經(jīng)過提取、過濾、合并和分離等操作后匯聚到信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性和可維護(hù)性，在信息系統(tǒng)中進(jìn)一步對數(shù)據(jù)處理，包括：數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、知識融合和迭代優(yōu)化，建立與物理生產(chǎn)系統(tǒng)對應(yīng)的各種模型，形成對物理生產(chǎn)系統(tǒng)各要素實時控制策略。

3.2.1 纖維流的活動模型

活動圖是一種動態(tài)的行為圖，通過行為表示對象(事件、能量或者數(shù)據(jù))的流動,關(guān)注行為執(zhí)行過程中對象的變化，可以描述復(fù)雜的控制邏輯。雖然描述對象變化略顯模糊，但它是唯一說明系統(tǒng)連續(xù)行為的圖。纖維的流動中，從粗紗變換成細(xì)紗這一過程非常重要，它直接決定了紗線的產(chǎn)量和品質(zhì)。纖維從粗紗變換成細(xì)紗的活動圖如圖4所示。

圖3 環(huán)錠紡紗CPPS的纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流融合模型Fig.3 Integration model of "fiber flow-data flow-control flow" for ring spinning CPPS

圖4 纖維從粗紗到細(xì)紗的活動模型Fig.4 Activity model of fiber from roving to spinning

從輸送粗紗開始，判斷細(xì)紗工藝是否變換，如不變換工藝，則再判斷環(huán)境是否適合生產(chǎn)需求，如果環(huán)境不合適，則調(diào)節(jié)至適合的生產(chǎn)環(huán)境；如果變換工藝，則進(jìn)一步判斷鋼絲圈和皮圈、細(xì)紗機(jī)輪盤、細(xì)紗羅拉等是否要更換或調(diào)節(jié)，如果要更換或調(diào)節(jié)，則在落紗后停機(jī)更換或調(diào)節(jié)，再開機(jī)后將細(xì)紗接頭；如果不要更換也不要調(diào)節(jié)或生產(chǎn)環(huán)境適合生產(chǎn)，則要不斷監(jiān)測是否有細(xì)紗斷頭，如有斷頭，則接頭，直到細(xì)紗生產(chǎn)結(jié)束。

綜上所述，纖維從粗紗狀態(tài)變化到細(xì)紗狀態(tài)過程中，涉及到細(xì)紗環(huán)境、細(xì)紗工藝和細(xì)紗機(jī)的關(guān)聯(lián)。從生產(chǎn)全生命周期來看，在環(huán)境、工藝和設(shè)備等因素共同作用下，纖維形態(tài)不斷連續(xù)變化，形成了纖維流。

3.2.2 數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)模型

狀態(tài)機(jī)圖是一種精確描述實體對象時間序列內(nèi)發(fā)生的行為或事件的圖，它能更好地表達(dá)實體與其他實體或場景之間的交互過程。

環(huán)錠紡紗CPPS中數(shù)據(jù)流的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是伴隨著纖維形態(tài)的變化而發(fā)生的，圖5示出纖維從熟條狀態(tài)變成粗紗狀態(tài)過程中數(shù)據(jù)流的狀態(tài)機(jī)模型。

圖5 熟條到粗紗轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)流的狀態(tài)機(jī)模型Fig.5 State machine model of data flow for conversion from sliver to roving

首先，纖維從熟條到粗紗的狀態(tài)變換的觸發(fā)事件是粗紗工藝、粗紗機(jī)設(shè)備以及粗紗生產(chǎn)環(huán)境。其次，纖維在熟條和粗紗2種形態(tài)下的數(shù)據(jù)主要與纖維生產(chǎn)速度、纖維形態(tài)、纖維分布以及纖維質(zhì)量相關(guān)，如：質(zhì)量不勻率、條干CV值等。最后，纖維從熟條到粗紗的狀態(tài)變換中，部分?jǐn)?shù)據(jù)名稱和類型都未變化，但值已經(jīng)改變，如纖維形態(tài)的值從條狀變成了紗狀、纖維分布的值從有序變成了沿縱向有序等；部分?jǐn)?shù)據(jù)類型未變但名稱已經(jīng)改變，如出條速度變成單錠速度，二者都是描述纖維生產(chǎn)速度；部分?jǐn)?shù)據(jù)名稱和類型都發(fā)生改變，如因在粗紗工藝中增加捻度，使得粗紗纖維除了和熟條纖維具有形同的質(zhì)量不勻率和條干CV值外，還具有捻度和粗紗伸長率等。

3.2.3 控制流的序列模型

序列圖是一種行為圖，是對行為的精確說明，說明隨著時間推移而發(fā)生的行為和事件序列，它能精確地指定實體之間的交互或某場景內(nèi)交互。

環(huán)錠紡紗CPPS控制流的序列模型如圖6所示。其中，控制指令從環(huán)錠紡紗的信息系統(tǒng)中發(fā)出，經(jīng)過通信系統(tǒng)傳輸后到環(huán)錠紡紗物理生產(chǎn)系統(tǒng)中的被控對象。被控對象經(jīng)過相關(guān)操作后，纖維流的狀態(tài)也相應(yīng)地發(fā)生了變化，一旦纖維狀態(tài)變化，則會產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。被采集的新數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑾到y(tǒng)，與歷史數(shù)據(jù)集成，再經(jīng)過分析、知識融合和迭代優(yōu)化后形成優(yōu)化的控制指令。優(yōu)化的控制指令再次傳輸并作用到物理生產(chǎn)。隨著時間推移，控制流不斷被優(yōu)化，生產(chǎn)過程也不斷優(yōu)化，生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量也會相應(yīng)提高。

圖6 控制流的序列模型Fig.6 Sequence model of control flow

4 結(jié)束語

本文提出纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流融合的環(huán)錠紡紗信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)(CPPS)模型，并采用SysML建模語言對其進(jìn)行建模。首先，給出信息物理系統(tǒng)(CPS)的形式化定義；其次再結(jié)合環(huán)錠紡紗生產(chǎn)，提出環(huán)錠紡紗CPPS的形式化定義；然后提出基于纖維流-數(shù)據(jù)流-控制流融合的環(huán)錠紡紗CPPS模型；最后，通過SysML建模語言建立環(huán)錠紡紗CPPS的系統(tǒng)模型。所提模型有提高環(huán)錠紡紗生產(chǎn)智能化管控水平的前景。