CN109407632A - 利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，具体步骤为：1.对象功能映射，将离散制造系统组成按照各对象在系统中所充当的具体角色，将其映射为七元组，包括控制器、处理器、执行器、缓存器、流动实体、物流路径、虚拟服务节点；2.利用七元组或其子集，通过虚拟服务节点关联起一个系统，生成服务单元；3.流动实体通过虚拟服务节点进入服务单元，在执行器的协助下，按照输入缓存器、处理器或缓存器、输出缓存器的顺序依次流动，最后通过虚拟服务节点离开，生成服务逻辑；4.离散制造系统逻辑模型生成；本发明提出的七元组和服务单元概念适用于多种复杂离散制造系统的统一建模，具有普适性、统一性和系统性。

Description

利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法
技术领域
本发明涉及离散制造系统建模仿真技术领域，特别是复杂离散制造系统组成的逻辑模型建模方法。
背景技术
制造模式从大批大量生产向“多品种小批量”大规模定制生产转变，特别是以复杂航空结构件制造为代表的离散制造系统在系统组成、组织结构上呈现出高度的复杂性，离散制造企业迫切需要一种系统性的建模理论和方法对离散制造系统快速设计和分析以适应个性化、定制化的市场需求。
一般地，从物理空间看，离散制造系统可以分为人员、硬件和软件(或表述为人、物和信息)；从模型空间看，又可分为资源和实体(或表述为永久实体和暂时实体)。不同的建模软件对系统组成的划分各不相同，例如，美国FlexSim公司开发的FlexSim软件将制造系统组成分为固定资源类(包括发生器、暂存区、处理器、吸收器、合成器、分解器等等)、任务执行类(包括任务分配器、任务执行器、操作员、叉车、升降机、机器人等等)、路径网络类(包括网络节点和交通控制器)、传送带模块、AGV模块等；德国西门子公司开发的Plant Simulation软件将制造系统组成分为资源生成器(Source)、资源回收器(Drain)、处理器(SinglePro)、缓冲(Buffer)等。
一方面目前离散制造系统组成缺乏统一的、系统性分类标准和规范，另一方面现有建模软件基于系统基本组成建模，缺乏对制造系统层次的建模，导致模型的可重用性和重构性较差，难以满足大规模定制生产模式下的离散制造系统快速设计的需求。在大规模定制制造模式下，针对以复杂航空结构件为代表的离散制造系统，如何按照统一的规范对离散制造系统组成和结构进行可重用、可重构的快速建模进而支持离散制造系统的快速设计是值得研究的问题。
发明内容
针对现有离散制造系统组成和结构建模的模型可重用性、可配置性较差的问题，本发明提出利用“七元组”来统一表达系统组成和基本要素，提出利用“服务单元”来统一表达系统的层次结构，并给出了明确的图形化和形式化定义，以此来建立离散制造系统的逻辑模型，方便进一步的统一的系统的建立离散制造系统模型和后期的使用。
本发明提供一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，具体步骤如下：
1、对象功能映射：按照各对象在系统中所充当的角色及其功能，将离散制造系统中“人机料法环”基本要素映射为七元组，包括控制器、处理器、执行器、缓存器、流动实体、物流路径、虚拟服务节点。其代数规范为Seven Component＝＜C,P,E,B,F,L,VSN＞，其中控制器是“人”等具有决策属性的对象的映射，处理器、缓存器、执行器是对“机”等生产资源的映射，流动实体是对“料”的映射，物流路径是对物料、信息流动等“法”的映射，虚拟服务节点则描述了逻辑对象间的接口和关系，是对“环”的映射。值得注意的是，该映射是逻辑和功能上的映射，并不存在对象与逻辑模型的一一对应关系，即一个对象可以映射为多个逻辑模型，多个对象也可以映射为一个逻辑模型。
其具体映射规则如下：
(1)将为制造系统提供决策服务的人或控制设备包括但不限于人、中央控制系统、数控系统映射成“控制器(Controller)”，以正方形和大写字母“C”表示。其代数规范为：C＝<IM,OM,R>，其中，IM表示输入消息集，OM表示输出消息集，R表示消息处理规则集描述。
(2)将为制造系统提供生产服务的生产设备包括但不限于机床、检测设备、装配设备映射为“处理器(Processor)”，以三角形和大写字母“P”表示。处理器代数规范为：P＝<IE,OE,T>，其中IE表示输入实体集,OE表示输出实体集,T表示工序的服务时间。处理器状态参数为服务时间P(t)，0≤t≤T。根据状态参数的取值的不同，决定了处理器的不同状态。状态参数的变化使得状态更新，进而向控制器发出事件请求，例如：当P(t)＝0时，处理器状态为“等待上料”，向控制器发送“上料”请求；“上料”事件的完成将使处理器的状态切换为“正在服务”，触发“服务”动作，服务时间P(t)开始计时；当P(t)＝T时，“服务”动作，触发“下料”事件；下料后，P(t)重新置为0，等待下一次服务。其状态与状态参数的对应关系如下：
(3)执行器(Executor)为系统提供物流服务，是对各类物流设备包括但不限于堆垛机、AGV、机械手、行车的映射；用椭圆和字母“E”表示，其代数规范为：E＝<IT,OT,R>，其中IT表示输入任务集,OT表示输出任务集,R表示任务执行规则集。根据物流范围的不同，可分为单元内的执行器，称为内部执行器Eint；单元间的执行器，称之为外部执行器Eext。执行器的任务E_Task可描述为将某流动实体F从初始对象(逻辑实体或服务单元)移动到目标对象(逻辑实体或服务单元)，其代数规范为：E_Task＝＜F_id,O_source,O_dest＞。
(4)缓存器(Buffer)为系统提供缓存和仓储服务，是对各类缓存设备包括但不限于仓库、缓冲站、中转站的映射；用长方形和字母“B”表示；其代数规范为B＝<IE,OE,C>其中IE表示输入实体集,OE表示输出实体集,C表示缓存容量。根据其与外界的交互方式，可分为输入缓存器，用Bin表示，和输出缓存器，用Bout表示。缓存器的状态参数为当前容量C(c)，0≤c≤C。根据状态参数的取值的不同，决定了处理器的不同状态。例如：当C(c)＝0时，缓存器当前容量为零，状态为“允许输入，禁止输出”，此时只允许流动实体的流入；当0<C(c)<C时，缓存器状态为“允许输入，允许输出”；当C(c)＝C时，缓存器当前容量达到最大容量，状态为“禁止输入，允许输出”，此时只允许流动实体的流出。其状态与状态参数的对应关系如下：
(5)流动实体(Flow Entity)接受系统的服务，是对各类生产对象(包括但不限于毛坯、半成品、成品等)的映射；用实心圆和字母“F”表示，其代数规范为F＝<GUID,Inf>，其中GUID表示全局唯一编号，Inf表示信息集，Inf＝＜工艺信息,加工信息,物流信息,状态信息>。在本发明中流动实体具有唯一标识，可以实时追溯的信息载体。
(6)物流路径(Logistic Path)为服务单元内或服务单元间流动实体流动的方向；用箭头和字母“L”表示，其代数规范为L＝<Oi,Oj>，其中Oi表示起始对象,Oj表示目标对象。
(7)虚拟服务节点(Virtual Service Node)为服务单元内各对象包括但不限于毛坯、半成品、成品的关联关系，是服务单元的标识和与外界进行物质和信息交互的接口；用空心圆和字母“VSN”表示，其代数规范为VSN＝C×P×E×B×F。
2、服务单元生成：将生产活动抽象为“服务”，包括缓冲服务和加工服务，此处的加工为广义的加工，涉及所有与生产工艺相关的活动，如机械加工、装配、检测、包装等。一道具体工序对应一项服务。通过定义虚拟服务节点，将与该工序相关的逻辑模型(如控制器、处理器、缓存器、执行器)关联成一个有机整体，称之为“服务单元”(Service Cell,SC)，其代数规范为：SC＝<C,P,E,B,F,VSN,L>。
服务单元按照服务主体的不同，分为加工服务单元(Production Service Cell,PSC)和缓存服务单元(Buffer Service Cell,BSC)。加工服务单元的服务主体为处理器，对外提供加工服务，用三角形和字母“S”表示。缓存服务单元的服务主体为缓存器，对外提供物料中转、仓储服务，用长方形和字母“S”表示。加工服务单元和缓存服务单元又分别充当更高层次系统的处理器和缓存器。控制器、服务主体(处理器或缓存器)、虚拟服务节点、物流路径、流动实体是服务单元不可或缺的基本元素，输入缓存器、输出缓存器、执行器可以根据实际需要进行配置，可以衍生出不同的服务单元组织结构，从而实现单元级的重构。
根据缓存器和执行器的不同配置，服务单元可以衍生出多种不同组合形式，包括但不限于没有输入缓存器，没有输出缓存器，既没有输入缓存器也没有输出缓存器，没有执行器。
3、服务逻辑生成：基于服务单元的组成元素，控制器自动生成控制逻辑序列。其基本服务逻辑流程如下：流动实体通过虚拟服务节点进入服务单元，在内部执行器的协助下，按照输入缓存器、处理器或缓存器、输出缓存器的顺序依次流动，最后通过虚拟服务节点离开服务单元。若某个元素缺失则自动跳过该逻辑模型。
4、离散制造系统逻辑模型生成。
基于4种基本的生产组织形式，即串联、并联、装配、拆卸，服务单元可以完整表达出复杂系统的生产组织关系。
本发明的有益效果如下：
A、本发明对复杂离散制造系统基本组成要素“人机料法环”进行了抽象和归纳，将系统基本组成映射为七元组，并给出了明确的图形和代数规范，通过配置和符号的统一表达，可以适应于不同的生产系统；
B、本发明提出的服务单元通过将复杂系统分解为一系列的服务单元，并给出了明确的图形和代数规范，能有效降低系统建模复杂度，并有利于模块化建模，提高建模速度和模型可重用性。
附图说明
图1为利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法的流程图；
图2为七元组的具体图形化和代数建模规范图；
图3为典型的加工服务单元逻辑模型；
图4为典型的仓储服务单元逻辑模型；
图5为没有输入缓存器的加工服务单元逻辑模型；
图6为没有输出缓存器的加工服务单元逻辑模型；
图7为既没有输入缓存器也没有输出缓存器的加工服务单元逻辑模型；
图8为没有执行器的加工服务单元逻辑模型；
图9为服务单元的具体图形化和代数建模规范图；
图10为串联的生产组织形式；
图11为并联的生产组织形式；
图12为装配的生产组织形式；
图13为拆卸的生产组织形式；
图14为串联式生产系统逻辑模型；
图15为混联式生产系统逻辑模型；
图16为某自动化生产线；
图17为某自动化生产线逻辑模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明详细说明：
本发明提供一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，图1为该方法的流程图。首先将离散制造系统组成按照各对象在系统中所充当的具体角色，将其映射为七元组，其代数规范为Seven Component＝<C,P,E,B,F,L,VSN>包括控制器、处理器、执行器、缓存器、流动实体、物流路径、虚拟服务节点。七元组的具体图形化和代数建模规范如图2所示。
将生产活动抽象为“服务”，包括缓存服务和加工服务，此处的加工为广义的加工，涉及所有与生产工艺相关的活动，如机械加工、装配、检测、包装等。利用七元组或其子集、通过虚拟服务节点关联起一个有机整体，生成服务单元。常见的服务单元分为加工服务单元和仓储服务单元，图3为典型的加工服务单元逻辑模型；图4为典型的仓储服务单元逻辑模型。而这里的加工服务单元和仓储服务单元又可分别充当更高层次系统的处理器和缓存器。
根据缓存器和执行器的不同配置，加工服务单元可以衍生出多种不同组合形式，包括但不限于没有输入缓存器的加工服务单元逻辑模型(图5所示)，没有输出缓存器的加工服务单元逻辑模型(图6所示)，既没有输入缓存器也没有输出缓存器的加工服务单元逻辑模型(图7所示)，没有执行器的加工服务单元逻辑模型(图8所示)。
在更高层次系统中，为了规范加工服务单元和仓储服务单元，加工服务单元用三角形和字母“S”表示；缓存服务单元用长方形和字母“S”表示；服务单元的具体图形化和代数建模规范及如图9所示。
基于4种基本的生产组织形式，即串联、并联、装配、拆卸，服务单元可以完整表达出复杂系统的生产组织关系。图10为串联的生产组织形式，图11为并联的生产组织形式，图12为装配的生产组织形式，图13为拆卸的生产组织形式。
按照生产工序把各服务单元连接起来，生成具体的离散制造系统生产逻辑模型，如串联式生产模式(图14所示)和混联式生产模式(图15所示)。
以下结合一个具体案例，简要介绍本发明的具体实施过程。某自动化生产线由生产线控制系统、4台机床、1个装卸台、1台带导轨机械手、1名操作工、待加工物料和6个缓冲架组成(图16所示)。其具体建模过程如下：
步骤1：按照对象在系统中的功能，分别映射为七元素。将生产线控制系统映射为控制器，4台机床分别映射为4个处理器，1个装卸台和1名操作工一起映射为1个处理器，1台带导轨机械手映射为执行器(同时充当内部执行器和外部执行器)，待加工物料映射为流动实体，6个缓冲架根据其在系统中的角色分别映射为输入缓存器、输出缓存器。
步骤2：定义虚拟服务节点，将逻辑模型关联起来形成服务单元。该生产线可以分解成5个加工服务单元，分别为由装卸台、操作工、带导轨机械手组成的加工服务单元S1(如图7所示)和4个由机床、带导轨机械手、缓冲架组成的加工服务单元S2至S5(如图3所示)。
步骤3：根据服务单元的组成，生成服务单元服务逻辑。加工服务单元S1的控制逻辑相对简单，流动实体通过带导轨机械手(执行器)从虚拟服务节点进入服务单元S1，经装卸台和操作工(处理器)进行装卸服务，最后通过带导轨机械手(执行器)从虚拟服务节点离开服务单元S1。加工服务单元S2到S5的组成相同，故其单元控制逻辑相同；均为动实体通过带导轨机械手(执行器)从虚拟服务节点进入服务单元S2(或S3或S4或S5)，依次经过缓冲架(输入缓存器)、机床(处理器)、缓冲架(输出缓存器)，最后通过带导轨机械手(执行器)从虚拟服务节点离开服务单元S2(或S3或S4或S5)。
步骤4：按照生产工序把各服务单元连接起来，生成具体的离散制造系统生产逻辑模型。假设该生产线的工序依次为装卸台装夹工件、4台机床依次加工、装卸台拆装工件，则其具体逻辑模型如图17所示。
以上实施例仅对本发明的方法进行解释、说明，而非对其进行限制。凡是参照该实施例进行的修改和变更的行为，均在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)对象功能映射：将离散制造系统组成按照各对象在系统中所充当的具体角色，将其映射为七元组，其代数规范为Seven Component＝＜C,P,E,B,F,L,VSN＞包括控制器、处理器、执行器、缓存器、流动实体、物流路径、虚拟服务节点；
(2)服务单元生成：将复杂系统分解为一系列的服务单元，通过定义虚拟服务节点，将各逻辑模型关联成一个有机整体，确定服务单元的组成和对外接口；
(3)服务逻辑生成：基于单元的组成，控制器自动生成控制逻辑序列，流动实体通过虚拟服务节点进入服务单元，在内部执行器的协助下，按照输入缓存器、处理器或缓存器、输出缓存器的顺序依次流动，最后通过虚拟服务节点离开服务单元，生成服务逻辑，若某个元素缺失则自动跳过该逻辑模型；
(4)生成具体的离散制造逻辑模型。
2.根据权利要求1所述的一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，其特征在于，所述控制器为系统运行提供决策服务，是对各类控制设备包括但不限于人、中央控制系统、数控系统的映射，用正方形和字母“C”表示，其代数规范为：C＝<IM,OM,R>，其中，IM表示输入消息集，OM表示输出消息集，R表示消息处理规则集描述；
所述处理器为系统提供加工服务，是对各类加工设备包括但不限于机床、检测设备、装配设备的映射；用三角形和大写字母“P”表示，其代数规范为：P＝<IE,OE,T>，其中IE表示输入实体集,OE表示输出实体集,T表示工序的服务时间；处理器状态参数为服务时间P(t)，0≤t≤T，根据状态参数的取值的不同，决定了处理器的不同状态，状态参数的变化使得状态更新，进而向控制器发出事件请求；
所述执行器为系统提供物流服务，是对各类物流设备包括但不限于堆垛机、AGV、机械手、行车的映射；用椭圆和字母“E”表示，其代数规范为：E＝<IT,OT,R>，其中IT表示输入任务集,OT表示输出任务集,R表示任务执行规则集；根据物流范围的不同，可分为单元内的执行器，称为内部执行器Eint；单元间的执行器，称之为外部执行器Eext；
所述缓存器为系统提供缓存和仓储服务，是对各类缓存设备的映射；用长方形和字母“B”表示；其代数规范为B＝<IE,OE,C>其中IE表示输入实体集,OE表示输出实体集,C表示缓存容量；根据其与外界的交互方式，可分为输入缓存器，用Bin表示，和输出缓存器，用Bout表示，缓存器的状态参数为当前容量C(c)，0≤c≤C，根据状态参数的取值的不同，决定了处理器的不同状态；
所述流动实体接受系统的服务，是对各类生产对象的映射；用实心圆和字母“F”表示，其代数规范为F＝<GUID,Inf>，其中GUID表示全局唯一编号，Inf表示信息集，Inf＝<工艺信息,加工信息,物流信息,状态信息>；流动实体具有唯一标识，可以实时追溯的信息载体；
所述物流路径为服务单元内或服务单元间流动实体流动的方向；用箭头和字母“L”表示，其代数规范为L＝<Oi,Oj>，其中Oi表示起始对象,Oj表示目标对象；
所述虚拟服务节点为服务单元内各对象包括但不限于毛坯、半成品、成品的关联关系，是服务单元的标识和与外界进行物质和信息交互的接口；用空心圆和字母“VSN”表示，其代数规范为VSN＝C×P×E×B×F。
3.根据权利要求1所述的一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统组逻辑模型的方法，其特征在于，所述步骤(2)中服务单元的代数定义为SC＝<C,P,E,B,F,VSN,>L，其中控制器、处理器、缓存器、执行器描述了服务单元的生产资源，流动实体描述了生产对象，物流路径和虚拟服务节点描述了生产组织关系。
4.根据权利要求1所述的一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，其特征在于，所述服务单元分为加工服务单元，用三角形和字母“S”表示；和缓存服务单元，用长方形和字母“S”表示；又分别充当更高层次系统的处理器和缓存器。
5.根据权利要求1所述的一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，其特征在于，根据缓存器和执行器的不同配置，服务单元可以衍生出多种不同组合形式，包括但不限于没有输入缓存器，没有输出缓存器，既没有输入缓存器也没有输出缓存器，没有执行器。
6.根据权利要求1所述的一种利用七元组和服务单元建立离散制造系统逻辑模型的方法，其特征在于，基于4种基本的生产组织形式，即串联、并联、装配、拆卸，服务单元可以完整表达出复杂系统的生产组织关系。
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