基于AutomationML的信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法

李 迪，張 柳，張春華，周 楠

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

1 引言

當(dāng)前，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈布局全球化、消費(fèi)者需求多樣化以及產(chǎn)品市場周期不斷縮短的趨勢(shì)給制造業(yè)企業(yè)帶來重大挑戰(zhàn)［1］。制造業(yè)企業(yè)需建立能夠適應(yīng)多品種、變批量生產(chǎn)模式的制造系統(tǒng)［2］從而滿足大規(guī)模個(gè)性化定制產(chǎn)品需求。制造系統(tǒng)需要具有一定水平的適應(yīng)性和魯棒性，以確保同時(shí)進(jìn)行多種產(chǎn)品的混流生產(chǎn)［3］。信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）［4］構(gòu)建了物理空間與信息空間要素相互映射、適時(shí)交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化。通過將CPS集成到制造場景中，形成信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)，可滿足以上需求，實(shí)現(xiàn)智能制造［5］。

信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)的開發(fā)覆蓋了機(jī)械、電氣、網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域，所涉及的信息是多視角、多層次的，在不同的問題域內(nèi)需使用不同工具從不同角度描述系統(tǒng)以進(jìn)行協(xié)同開發(fā)?；旌袭悩?gòu)的工具間信息交互為系統(tǒng)開發(fā)與集成帶來重大挑戰(zhàn)。采用模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法［6］，將開發(fā)工具的信息模型化，可以有效地降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高開發(fā)效率。AutomationML（AML）由自動(dòng)化技術(shù)的主要供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)提出，是一種國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62714），用于存儲(chǔ)和交換不同工程領(lǐng)域的工程數(shù)據(jù)。目前，在生產(chǎn)線系統(tǒng)級(jí)別，國內(nèi)外逐漸集中于圍繞AML相關(guān)理念與技術(shù)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的信息模型開發(fā)和集成問題進(jìn)行相關(guān)研究。文獻(xiàn)［7］基于AML，通過關(guān)注生產(chǎn)系統(tǒng)的資源、工藝、產(chǎn)品三個(gè)角度，對(duì)螺絲生產(chǎn)線進(jìn)行信息建模，并對(duì)AML在智能制造的數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的應(yīng)用前景作了展望。文獻(xiàn)［8］采用AML建立生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備的數(shù)字孿生模型來保存產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，以便于進(jìn)行異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。文獻(xiàn)［9］采用AML表示CPS資產(chǎn)的AAS模型信息，并進(jìn)行制造系統(tǒng)的實(shí)際驗(yàn)證。目前雖然基于AML的相關(guān)研究取得了一定的成果，但是大部分僅僅面向單一具體應(yīng)用場景，其展示的建模方法流程適用性不廣；不同工具之間針對(duì)同一對(duì)象存在重復(fù)建模的問題，復(fù)用性不強(qiáng)；信息集成環(huán)節(jié)中自動(dòng)化程度不高、通用性不強(qiáng)，不能實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)線系統(tǒng)多領(lǐng)域的統(tǒng)一化、自動(dòng)化開發(fā)。

針對(duì)現(xiàn)有不足，提出基于AML的信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法及其架構(gòu)，將面向生產(chǎn)線系統(tǒng)不同領(lǐng)域開發(fā)工具的信息模型化；通過模型轉(zhuǎn)換定義模型映射規(guī)則，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)過程信息集成的自動(dòng)化。

2 信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)信息集成架構(gòu)

為保證所提模型驅(qū)動(dòng)方法應(yīng)用于生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)過程中的精確性和可信度，遵循模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（Model-Driven Architecture，MDA）下模型定義的分層架構(gòu)，將信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)的信息集成架構(gòu)分為四層，如圖1所示。

圖1 信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)信息集成架構(gòu)Fig.1 The Information Integration Architecture of Cyber-Physical Production Line System

在M0層，通過使用M1層中提供的領(lǐng)域模型來描述生產(chǎn)線系統(tǒng)。領(lǐng)域模型應(yīng)符合在M2層中定義的領(lǐng)域特定建模語言（Domain-specific modeling language，DSML）的語法和語義。在語法及語義定義之前，應(yīng)進(jìn)行領(lǐng)域概念分析以確定所要定義的DSML的適用范圍。以AML通用核心概念為指導(dǎo)展開元模型層的構(gòu)建。所建立的元模型需要遵循在M3層中定義的元元模型。元模型構(gòu)建采用UML類圖的表達(dá)方式，在具體實(shí)施過程中采用模型集成計(jì)算理論［10］提供的相關(guān)領(lǐng)域建模工具鏈［11］。

在具體應(yīng)用中，M1層的領(lǐng)域模型提供了開發(fā)人員可直接使用的領(lǐng)域特定建模概念對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接描述，能夠避免需求與實(shí)現(xiàn)的不一致性。將基于AML概念定義的領(lǐng)域建模語言應(yīng)用于生產(chǎn)線系統(tǒng)的規(guī)劃調(diào)度問題的功能與性能驗(yàn)證的具體實(shí)現(xiàn)之中?；诖搜芯繂栴}，開發(fā)了相應(yīng)的模型轉(zhuǎn)換器，將領(lǐng)域模型分別轉(zhuǎn)換為：語義推理工具下的本體模型以便進(jìn)行規(guī)劃調(diào)度，以及形式化驗(yàn)證工具下的形式化模型以進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)性能驗(yàn)證。模型轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)同樣遵循M2層中的語法定義，以領(lǐng)域模型實(shí)例作為輸入，通過建立領(lǐng)域模型與本體模型及形式化模型之間的映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換。

3 模型構(gòu)建方法與流程

模型構(gòu)建包括元模型及領(lǐng)域模型的構(gòu)建，采用AML實(shí)現(xiàn)。采用AML建模主要基于以下核心概念：

（1）角色類（Role Class，RC），用于定義面向特定領(lǐng)域語義層；（2）接口類（Interface Class，IC），用于定義模型元素之間的關(guān)系及引用存儲(chǔ)在文件之外的信息；（3）系統(tǒng)單元類（System Unit Class，SUC），定義可重用的系統(tǒng)組件模板；（4）實(shí)例層次（Instance Hierarchy，IH），使用內(nèi)部元素（Internal Element，IE）創(chuàng)建特定應(yīng)用下的具體實(shí)例。

3.1 元模型構(gòu)建

元模型的構(gòu)建，即DSML定義，由語法及語義定義組成。在實(shí)施過程中，DSML語義通過創(chuàng)建AML角色類庫中的語義層實(shí)現(xiàn)［12］。DSML語法定義涵蓋生產(chǎn)線資產(chǎn)分類及描述，分別由產(chǎn)品-工藝-資源（Product-Process-Resource，PPR）和資產(chǎn)管理殼（Asset Administration Shell，AAS）組成。

（1）PPR：PPR是針對(duì)生產(chǎn)中規(guī)劃和調(diào)度等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)提出的對(duì)生產(chǎn)線資產(chǎn)的分類［13］，即“產(chǎn)品”、“工藝”、“資源”，如圖2所示。產(chǎn)品是指在生產(chǎn)過程中被生產(chǎn)的商品，按粒度分為原材料、半成品和成品，由資源處理。工藝是指生產(chǎn)中的特定過程，涉及一個(gè)或多個(gè)步驟的操作，用于描述所有與機(jī)械加工、制造、運(yùn)輸?shù)确矫嫦嚓P(guān)的抽象的工藝及其約束，可以產(chǎn)生產(chǎn)品。工藝按粒度分為動(dòng)作、操作和特征工藝。例如孔工藝（特征工藝），可由鉆孔工藝或沖孔工藝（操作）實(shí)現(xiàn)。其中，鉆孔工藝由移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等更小粒度工藝（動(dòng)作）構(gòu)成。資源是指在生產(chǎn)過程中提供加工能力并參與實(shí)際生產(chǎn)過程的實(shí)體，按不同粒度還可以進(jìn)一步劃分為傳感和執(zhí)行單元、設(shè)備、工作站，負(fù)責(zé)執(zhí)行產(chǎn)品所需的工藝流程。

圖2 元模型PPR部分Fig.2 Part of Metamodel：PPR

使用PPR方式進(jìn)行生產(chǎn)線資產(chǎn)分類，能夠有效地整合生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)過程中不同工程領(lǐng)域和階段的軟硬件資源、產(chǎn)品、工藝和工程數(shù)據(jù)，使其能夠被有條理地分析?；赑PR描述生產(chǎn)系統(tǒng)具有通用性，所構(gòu)建的領(lǐng)域模型復(fù)用性高。對(duì)于新的應(yīng)用場景，不需要改變?cè)Ｐ投恍枰陬I(lǐng)域模型層創(chuàng)建繼承于相應(yīng)概念的模型實(shí)例，而其它工具內(nèi)相對(duì)應(yīng)的概念則由模型轉(zhuǎn)換工具自動(dòng)生成，避免重復(fù)定義，提高自動(dòng)化程度，保證建模過程的精確性和可信度。

（2）AAS：用于生產(chǎn)線資產(chǎn)描述，提供資產(chǎn)信息以供外部訪問。通過將生產(chǎn)線資產(chǎn)抽象成AAS，生產(chǎn)線資產(chǎn)可借由AAS進(jìn)行交互，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線系統(tǒng)的信息物理融合。

在AAS規(guī)范指導(dǎo)下定義的AAS如圖3所示。AAS由目錄清單（Manifest）和子模型（Submodel）組成。其中，目錄清單是AAS的層次結(jié)構(gòu)索引列表，從功能視角提供資產(chǎn)、AAS及各子模型唯一標(biāo)識(shí)供外部訪問；子模型是資產(chǎn)不同方面特性的聚合表示。結(jié)構(gòu)子模型從結(jié)構(gòu)視角描述資產(chǎn)的組成元素的層次，行為子模型從行為視角描述資產(chǎn)內(nèi)部組成元素之間的依賴關(guān)系。

圖3 元模型AAS部分Fig.3 Part of Metamodel：AAS

3.2 領(lǐng)域模型構(gòu)建過程

信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)可視為不同層次及不同類型的組件的組合，其領(lǐng)域模型由組件模型和應(yīng)用模型兩部分組成。組件模型是系統(tǒng)開發(fā)階段對(duì)組件的抽象；應(yīng)用模型是特定應(yīng)用場景下的具體實(shí)例，通過對(duì)組件模型的重用及組合實(shí)現(xiàn)。

本節(jié)以華南理工大學(xué)生產(chǎn)線原型平臺(tái)［14］為例進(jìn)行領(lǐng)域模型構(gòu)建。生產(chǎn)線原型平臺(tái)以U盤的打標(biāo)和木雕的加工工藝為加工任務(wù)，能夠模擬多種生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)際加工任務(wù)場景。具體地，該平臺(tái)由上盒模塊、上蓋模塊、回收模塊、上料模塊、CNC加工模塊、激光打標(biāo)模塊、包裝模塊及運(yùn)輸模塊組成，如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線原型平臺(tái)Fig.4 Production Line Prototype Platform

該生產(chǎn)線原型平臺(tái)涉及的所有組件如表1所示。

表1 生產(chǎn)線原型平臺(tái)組件Tab.1 The Components of Production Line Prototype Platform

領(lǐng)域模型的構(gòu)建按如下步驟進(jìn)行：

第一步：在AML的系統(tǒng)單元類庫中建立上述組件的組件模型，具體定義AAS下子模型實(shí)例。例如，對(duì)于帶夾爪的機(jī)械臂組件，在靜態(tài)結(jié)構(gòu)子模型下定義機(jī)械臂的靜態(tài)信息，如名稱、類型及內(nèi)部組成等；在動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)子模型下定義機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)可變信息，如運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)長、不可用時(shí)間等；在行為子模型下定義機(jī)械臂的組成部分之間的幾何關(guān)系以及機(jī)械結(jié)構(gòu)依賴關(guān)系，如夾爪需安裝在機(jī)械臂的末端。

第二步：在AML的實(shí)例層次中將實(shí)際場景所涉及的產(chǎn)品組件模型、工藝組件模型及資源組件模型進(jìn)行重用及組合，為模型的內(nèi)部元素添加具體的屬性集合，完成應(yīng)用模型的構(gòu)建。

4 模型轉(zhuǎn)換

模型轉(zhuǎn)換是模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過定義源模型到目標(biāo)模型的映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)。本節(jié)通過定義領(lǐng)域模型到本體模型和形式化模型的映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)模型轉(zhuǎn)換，從而將規(guī)劃調(diào)度問題及其驗(yàn)證過程的信息集成到基于AML的統(tǒng)一模型。

4.1 領(lǐng)域模型到本體模型轉(zhuǎn)換

本體模型關(guān)注生產(chǎn)線系統(tǒng)中產(chǎn)品組件、工藝組件、資源組件的關(guān)聯(lián)關(guān)系并形成結(jié)構(gòu)化知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。語義推理工具依據(jù)本體模型進(jìn)行語義推理，將推理信息提供給規(guī)劃調(diào)度工具，實(shí)現(xiàn)將產(chǎn)品所需的加工內(nèi)容合理地分配給設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。采用OWL語言構(gòu)建本體模型。本體模型構(gòu)建基于實(shí)體（Object），分為兩個(gè)層次：實(shí)體的類層次和關(guān)系層次。實(shí)體關(guān)系又稱為屬性（Property），分為對(duì)象屬性（Object Property）和數(shù)據(jù)屬性（Data Property），分別定義實(shí)體與實(shí)體關(guān)系及實(shí)體與數(shù)據(jù)關(guān)系［15］。定義領(lǐng)域模型到本體模型的映射規(guī)則時(shí)，領(lǐng)域模型內(nèi)的組件模型部分對(duì)應(yīng)本體模型的類層次；領(lǐng)域模型內(nèi)的應(yīng)用模型部分對(duì)應(yīng)本體模型的實(shí)例，其具體映射規(guī)則如表2所示。

表2 應(yīng)用模型與本體模型實(shí)例映射規(guī)則Tab.2 The Mapping Rules between Application Model and Ontology Model Individuals

本體模型的Object Property和Data Property由應(yīng)用模型中產(chǎn)品組件、工藝組件、資源組件間的關(guān)系定義，如表3所示。

表3 本體模型屬性Tab.3 Ontology Model Properties

4.2 領(lǐng)域模型到形式化模型轉(zhuǎn)換

基于著色Petri網(wǎng)（Coloured Petri Net，CPN）構(gòu)建生產(chǎn)線系統(tǒng)的形式化模型。CPN可用于檢驗(yàn)執(zhí)行規(guī)劃調(diào)度命令的生產(chǎn)線邏輯正確性，驗(yàn)證其功能是否滿足需求并進(jìn)行性能分析。采用CPN建模主要基于以下概念［16］：庫所（Place），用于定義生產(chǎn)線系統(tǒng)的狀態(tài)；變遷（Transition），用于定義使生產(chǎn)線系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的事件；有向?。ˋrc），表示變遷方向；令牌標(biāo)記（Token），用于表示處于某個(gè)Place的對(duì)象，Token的顏色代表該對(duì)象的屬性值；顏色集（Coloured Set），用于定義屬性值的類型。

進(jìn)行領(lǐng)域模型到形式化模型的轉(zhuǎn)換時(shí)，主要關(guān)注領(lǐng)域模型內(nèi)的應(yīng)用模型部分中：（1）工作站級(jí)別的資源組件模型；（2）特征工藝級(jí)別的工藝組件模型及（3）成品級(jí)別的產(chǎn)品組件模型。由此定義應(yīng)用模型到形式化模型的映射規(guī)則，如表4所示。

表4 應(yīng)用模型到形式化模型的映射規(guī)則Tab.4 The Mapping Rules between Application Model and Formal Model

5 集成工具鏈實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)模型開發(fā)驗(yàn)證流程一體化，提出集建模工具AML Editor、語義推理工具Apache Jena、規(guī)劃調(diào)度工具、形式化驗(yàn)證工具CPN Tools、集成開發(fā)平臺(tái)GME于一體的工具鏈，支持信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法的實(shí)現(xiàn)，其工作流程如圖5所示。應(yīng)用該工具鏈時(shí)，遵循模型構(gòu)建、規(guī)劃調(diào)度、形式化驗(yàn)證的基本流程，通過模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段的信息交互。

圖5 工具鏈Fig.5 The Toolchain

模型轉(zhuǎn)換基于通用建模環(huán)境（Generic Modeling Environment，GME）。GME是一個(gè)可自定義配置的工具集，擁有模塊化、可拓展的架構(gòu)，并提供了面向第三方工具集成的擴(kuò)展接口，用于實(shí)現(xiàn)各類模型轉(zhuǎn)換器從而滿足快速工具集成的需求。通過開發(fā)面向建模工具的模型轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)GME下領(lǐng)域模型的集成；開發(fā)面向語義推理工具的模型轉(zhuǎn)換器，可將領(lǐng)域模型轉(zhuǎn)換為本體模型；開發(fā)面向規(guī)劃調(diào)度工具的模型轉(zhuǎn)換器，根據(jù)規(guī)劃調(diào)度結(jié)果更新GME下領(lǐng)域模型；開發(fā)面向形式化驗(yàn)證工具的模型轉(zhuǎn)換器，關(guān)聯(lián)CPN模板文件和領(lǐng)域模型，將領(lǐng)域模型中的規(guī)劃調(diào)度信息更新到CPN模板文件并將其導(dǎo)出。模板文件預(yù)先定義模型的可視化相關(guān)的信息，將未知工藝未知產(chǎn)品的模型仿真驗(yàn)證問題轉(zhuǎn)換成一組確定的最小化的加工工藝的仿真問題，固定形式化模型的大致結(jié)構(gòu)，降低生成形式化模型的難度。

6 開發(fā)實(shí)例

本節(jié)以木雕產(chǎn)品的加工包裝為例，應(yīng)用前文提出的基于AML的信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法及工具鏈進(jìn)行實(shí)施。

（1）在AML Editor中，基于已定義的角色類庫及系統(tǒng)單元類庫中的組件模型，定義基于木雕產(chǎn)品加工包裝的生產(chǎn)線系統(tǒng)應(yīng)用模型，如圖6所示。

圖6 基于木雕產(chǎn)品加工包裝的生產(chǎn)線系統(tǒng)應(yīng)用模型Fig.6 Production Line System Application Model Based on The Processing and Packaging of Woodcarving Products

（2）集成開發(fā)平臺(tái)GME界面如圖7所示，紅框區(qū)域?yàn)椴寮^(qū)，對(duì)應(yīng)模型轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)。通過GME中的AML Importer插件實(shí)現(xiàn)基于AML定義的模型到GME下模型的轉(zhuǎn)換。

圖7 GME界面Fig.7 GME Interface

（3）通過AML2OWL插件將GME下領(lǐng)域模型轉(zhuǎn)換為本體模型，以文本形式提供給Apache Jena進(jìn)行語義推理。

（4）規(guī)劃調(diào)度工具根據(jù)語義推理信息進(jìn)行規(guī)劃調(diào)度，將規(guī)劃調(diào)度結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中。

（5）通過GME中的PPS2AML插件讀取數(shù)據(jù)庫中信息，同時(shí)更新領(lǐng)域模型。

（6）定義CPN模板文件并通過GME中的CPN Importer插件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，創(chuàng)建CPN模型，并為CPN模型元素和領(lǐng)域模型元素定義映射關(guān)系。CPN模板文件與領(lǐng)域模型對(duì)應(yīng)。

（7）通過CPN Exporter插件獲取領(lǐng)域模型中規(guī)劃調(diào)度信息并更新CPN模型。

（8）將更新后的CPN模型導(dǎo)出到原有的CPN文件中，在CPN Tools中進(jìn)行驗(yàn)證，如圖8所示。若驗(yàn)證結(jié)果理想，則可依據(jù)規(guī)劃調(diào)度結(jié)果安排產(chǎn)品的生產(chǎn)；若驗(yàn)證結(jié)果不理想，則證明規(guī)劃調(diào)度結(jié)果不合理，需將驗(yàn)證結(jié)果返回給規(guī)劃調(diào)度工具，重新觸發(fā)規(guī)劃調(diào)度過程，即上述的第4步，并執(zhí)行后續(xù)過程，直到驗(yàn)證結(jié)果滿足需求。

可見，將所提出方法及工具鏈應(yīng)用于生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)由模型構(gòu)建到規(guī)劃調(diào)度再到形式化驗(yàn)證的完整流程，提高了系統(tǒng)開發(fā)的自動(dòng)化程度。

7 結(jié)論

這里介紹了基于AML的信息物理生產(chǎn)線系統(tǒng)模型驅(qū)動(dòng)開發(fā)方法及其架構(gòu)。該方法基于AML概念構(gòu)建元模型，進(jìn)而構(gòu)建領(lǐng)域模型；基于定義的模型映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)域模型到本體模型及形式化模型的轉(zhuǎn)換，以便進(jìn)行生產(chǎn)線系統(tǒng)的規(guī)劃調(diào)度問題的功能與性能驗(yàn)證。開發(fā)的工具鏈能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線開發(fā)流程化、模型集成和模型轉(zhuǎn)換過程的可視化與自動(dòng)化?；谏a(chǎn)線原型平臺(tái)驗(yàn)證了該方法的合理性及可行性。未來的工作將更多地集中在已開發(fā)工具的完善以及對(duì)模型轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行正確性驗(yàn)證。