CN110347056A - 生产线仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生产线仿真平台及仿真方法，该产线仿真平台包括：数据输入模块，用于获取来自生产线物理环境中的生产相关数据；虚拟仿真模块，用于根据生产相关数据进行生产仿真，得出仿真结果以及优化参数；数据输出模块，用于将优化参数反馈至生产线物理环境中，以优化生产执行。根据本发明的生产线仿真平台及仿真方法可以实现生产线物理环境与生产线仿真环境的虚实交互融合。

Description

生产线仿真平台及仿真方法

技术领域

本发明涉及生产线仿真领域，特别涉及一种生产线仿真平台及仿真方法。

背景技术

随着制造业市场需求的变化，离散制造业生产方式向多品种、小批量、订单式方向转变，混流生产也逐渐成为制造企业的主要生产模式，混流生产要求企业生产线具有比较强的柔性，并且具有多变性、随机性、复杂性及动态性等特点。为有效应对顾客个性化的需求，提高企业竞争能力，一方面，企业需要针对自身生产能力进行现有产线、工艺优化改造或者引进生产柔性更高的新产线。另一方面，也需要在正常生产过程中，及时发现目前企业在产品设计、工艺、计划、制造、物流等方面存在的问题，不断的自我提升改进。离散制造行业生产线作为企业投入的固定成本的主要部分，如果在改造旧产线和引入新产线的方案有误、生产中各环节中存在没有被发现的问题，都会给企业带来很大的损失，因此需要在企业生产过程中和产线实施改造和新装之前，实时监控企业生产运营情况和反复验证方案的合理性和可行性。

然而现存的生产线仿真技术并不能适应云制造这种先进制造模式、小批量多品种的生产特点、混流的生产的模式；不能实现仿真系统与实际生产系统正常生产的虚实交互优化的目标；用户使用门槛较高，一些复杂的控制逻辑没有高度模块化形成产品属性，需要用户编辑代码来实现；三维模型单一，并不能真实复原不同行业不同生产线场景。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施例部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

根据本发明的一个方面，提供一种生产线仿真平台，包括：

数据输入模块，用于获取来自生产线物理环境中的生产相关数据；

虚拟仿真模块，用于根据生产相关数据进行生产仿真，得出仿真结果以及优化参数

数据输出模块，用于将优化参数反馈至生产线物理环境中，以优化生产执行。

在本发明一个实施例中，所述生产相关数据包括订单表/投入表/交货时间表、工序表、加工时间表、产线换产时间、物理需求表或设备数据。

在本发明一个实施例，所述虚拟仿真模块包括：

设备模型库，用于提供不同行业生产线设备的模型，并配置设备属性，所述设备属性包括混线生产属性；

仿真工具，用于提供各种生产仿真工具；

生产日历，用于根据生产线实际生产日历配置仿真；

仿真图表，用于为用户提供要查看的数据种类自定义图表；

仿真试验工具，用于实现设计仿真试验。

在本发明一个实施例，所述生产线设备包括加工设备、质量设备、装配设备、物流设备、机器人设备。

根据本发明的另一个方面，提供应用于上述的生产仿真平台的生产仿真方法，该方法包括：

拖拽设备模型和生产辅助设备到场景内；

配置系统输入接口；

配置模型属性；

添加仿真工具并配置属性；

配置系统输出接口；

开始仿真；

查看仿真结果；

找出现存问题；

设计仿真试验；

运行仿真试验；

仿真试验结果数据分析；

得出最优配置数据；

输出至对应物理系统和设备；

物理系统和设备数据参数调整；

计划/方案投入生产/使用；

实时监控生产线生产；

及时响应问题。

根据本发明的生产线仿真平台及仿真方法，具有以下优点：

一、可根据离散制造业的生产特点和混线生产模式，实现可配置性较高的仿真模型对象逻辑属性，使用户不需要编码就可实现仿真配置；

二、基于云制造模式，布署在云平台上通过浏览器网页访问基于3D的仿真环境；

三、通过生产线虚拟仿真系统可对接生产制造信息化系统，获取生产计划、工艺、物料等数据信息，并在完成仿真后反馈优化数据；以及生产线虚拟仿真系统可对接生产制造设备，实时监控生产设备运行情况，对生产过程中发生的计划外问题及时响应和解决来实现生产线物理环境与生产线仿真环境的虚实交互融合，在长期数据积累的基础上，提炼产品属性，完善仿真产品属性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是用于实现根据本发明实施例的生产线仿真平台及仿真方法的示意性电子设备的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的生产线仿真平台的结构框图；

图3为根据本发明实施例的生产线仿真平台的应用示例；

图4为图3中生产线虚拟环境的模块示例；

图5为根据本发明实施例的生产线仿真方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施例可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施例发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

首先，参照图1来描述用于实现根据本发明实施例的生产线仿真平台及仿真方法的示例电子设备100。

如图1所示，电子设备100包括一个或多个处理器102、一个或多个存储装置104、输入/输出装置106和通信接口108。应当注意，图1所示的电子设备100的组件和结构只是示例性的，而非限制性的，根据需要，所述电子设备也可以具有其他组件和结构，也可以不包括前述的部分组件，例如可以包括显示单元，也可以不包括显示单元。

所述处理器102一般表示任何类型或形式的能够处理数据或解释和执行指令的处理单元。一般而言，处理器可以是中央处理单元(CPU)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述电子设备100中的其它组件以执行期望的功能。在特定实施例中，处理器102可以接收来自软件应用或模块的指令。这些指令可以导致处理器102完成本文描述和/或示出的一个或多个示例实施例的功能。

所述存储装置104可以包括一个或多个计算机程序产品，所述计算机程序产品可以包括各种形式的计算机可读存储介质，例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。在所述计算机可读存储介质上可以存储一个或多个计算机程序指令，处理器102可以运行所述程序指令，以实现下文所述的本发明实施例中(由处理器实现)的客户端功能以及/或者其它期望的功能。在所述计算机可读存储介质中还可以存储各种应用程序和各种数据，例如所述应用程序使用和/或产生的各种数据等。

所述输入/输出装置106可以是用户用来输入指令和向外部输出各种信息的装置，例如输入装置可以包括键盘、鼠标、麦克风和触摸屏等中的一个或多个。输出装置可以包括显示器、扬声器等中的一个或多个。

通信接口108广泛地表示任何类型或形式的能够促进示例电子设备100和一个或多个附加设备之间的通信的适配器或通信设备。例如，通信接口108可以促进电子设备100和前端或附件电子设备以及后端服务器或云端的通信。通信接口108的示例包括但不限于有线网络接口(诸如网络接口卡)、无线网络接口(诸如无线网络接口卡)、调制解调器和任何其他合适的接口。在一实施例中，通信接口108通过与诸如因特网的网络的直连提供到远程服务器/远程前端设备的直连。在特定实施例中，通信接口108通过与专用网络，例如视频监控网络、天网装置网络等网络的直连提供到远程服务器/远程前端设备的直连。通信接口108还可以间接提供这种通过任何其它合适连接的连接。

示例性地，用于实现根据本发明实施例的生产线仿真平台及仿真方法的示例电子设备可以被实现为各种计算机装置或服务器或云服务装置等。

图2为根据本发明实施例的生产线仿真平台的示意性结构框图。下面结合图2对根据本发明实施例的生产线仿真平台进行描述。

如图3所示，根据本发明实施例的生产线仿真平台200包括数据输入模块210、虚拟仿真模块220和数据输出模块230。

数据输入模块210用于获取来自生产线物理环境中的生产相关数据。所述生产相关数据包括订单表/投入表/交货时间表、工序表、加工时间表、产线换产时间、物理需求表或设备数据。

虚拟仿真模块220用于根据生产相关数据进行生产仿真，得出仿真结果以及优化参数。

所述虚拟仿真模块220包括：

设备模型库，用于提供不同行业生产线设备的模型，并配置设备属性，所述设备属性包括混线生产属性。所述生产线设备包括加工设备、质量设备、装配设备、物流设备、机器人设备。

仿真工具，用于提供各种生产仿真工具。

生产日历，用于根据生产线实际生产日历配置仿真。

仿真图表，用于为用户提供要查看的数据种类自定义图表。

仿真试验工具，用于实现设计仿真试验。

数据输出模块230用于将优化参数反馈至生产线物理环境中，以优化生产执行。

数据输入模块210、虚拟仿真模块220和数据输出模块230可以由图1所示的电子设备中的处理器102运行存储装置104中存储的程序指令来实现。

图3为根据本发明实施例的生产线仿真平台的应用示例；图4为图3中生产线虚拟环境的模块示例。下面结合图3和图4对本发明提供的生产线仿真平台的实际应用情形进行说明。

如图3和图4所示，在应用本发明提供的生产线仿真平台时，要建立生产线物理环境和生产线虚拟环境，基于云制造模式，生产系统通过系统集成技术实现互联，生产设备通过应用物联网技术时间设备联网，这些系统数据和生产设备数据存储到云数据池内，通过对虚拟仿真开放数据接口权限，实现生产线物理环境与仿真环境的数据交互融合。

生产线物理环境包括信息化系统和生产线设备和控制系统。

括信息化系统用于实现各信息化系统之间的集成交互。因为仿真系统需要获取来自ERP系统生产订单数据，PLM系统产品设计数据、工艺数据、物料BOM数据，WPS仓储库存数据，APS系统排产数据，车间产线SCADA/DCS系统数据，这些系统数据，最终汇集指导产线生产执行系统(MES)完成订单生产，生产仿真系统是仿真生产执行过程，因此，生产仿真系统通过对接MES系统，获得最终指导生产的产品、工艺、物料等数据，通过仿真，获得计划执行结果，为上层制定计划和决策提供数据依据，同时也为生产执行过程提供优化数据。为使本仿真模型达到最佳的运行优化效果(实时根据生产任务和生产环境的变化进行优化仿真)，因此要实现生产线仿真系统的输入数据的及时获取和反馈数据的及时应用调整，需要实现其他各信息化系统之间的集成交互。

生产线设备包括加工设备、质量检测设备、生产辅助设备(传感器、DNC、扫描枪、RFID、手持终端等)、生产物流设备(物流小车)、生产控制设备和系统(PLC设备、DCS、SCADA)只有在这些设备和系统的共同保障线下产线才能有条不紊的完成生产任务，但是生产过程中经常会发生计划外的设备故障、生产质量问题、物料供应等问题，造成生产任务的拖期和产品质量不过关的情况。

在完成系统和设备与生产线虚拟仿真系统的基础上，生产任务投入生产前，通过把计划、设计、工艺、仓储、设备等数据输入到虚拟仿真系统中，通过仿真验证该生产方案能不能达到订单交期、质量等要求，如果满足则可投入生产，如不满足则需要通过仿真找出问题点，通过设计仿真试验针对性的进行优化，直至满足订单要求。这些优化参数回传给相应的系统和设备进行优化配置。

生产线仿真虚拟环境包括模型库和辅助生产仿真的相关工具。

其中，模型库通过行业化三维模型库搭建。

为高保真复现不同行业生产线的仿真场景，仿真系统提供不同行业生产线设备模型。同时用户可以上传自定义模型，支持大部分主流三维设计软件(如3dmax、Maya、Multigen Creator等)中三维模型导入。并且设备模型库中根据设备在生产中的功能不同，进行设备分类划分，完成设备属性模块化设计，各类设备逻辑属性不同。相对现有的方案，本方法新增质量检测设备，仿真生产过程中的质量检验过程。同时针对目前的混流生产的生产模式，本方法在生产设备属性中新增混线生产功能属性，用户可根据生产产品的类型不同设置不同的加工参数和装配清单。通过交互界面的方式实现参数的配置，无需脚本编辑，所见即所得。

为使仿真结果更具有参考性和直接使用的便捷性，生产线仿真系统提供各种工具：

生产日历:根据生产线实际生产日历配置仿真，使仿真结果不需要通过转换即可参考使用；

仿真图表：为了便捷用户查看和分析仿真结果数据提供仿真图表工具，用户可选取需要查看的数据种类自定义图表样式实现数据查看；

仿真试验工具：1、生产周期、在制品库存、质量、产线产能、能耗等指标是衡量生产水平的重要指标，影响上述关键指标的因素较多，通过设计仿真试验，确定影响关键指标的因素，更有针对性的去解决问题，达到设计方案和现有生产优化的目的。虚拟仿真实验的实施可大大节约实际生产成本。2、通过定义试验输入(可多个)和输出值，先通过试验得出对输出值影响最大的输入值，在对该输入值做一定取值范围的多级实验，获取使输出值最优的取值。

4)接口工具：仿真系统可以对接物理信息系统和设备的输入数据接口，同时仿真结果数据输出至生产线设备、控制系统等的输出接口。

图5为根据本发明实施例的生产线仿真方法的示意性流程图。

如图5所示，本发明实施例的生产线仿真方法包括下述步骤：

1)打开浏览器登录云平台；

2)访问生产线虚拟仿真功能模块；

3)拖拽设备模型和生产辅助设备到场景内；

4)配置系统输入接口；

5)配置模型属性(配置一次，后续直接刷新输入数据即可)；

6)添加仿真工具并配置属性；

7)配置系统输出接口；

8)开始仿真；

9)查看仿真结果；

10)找出现存问题；

11)设计仿真试验；

12)运行仿真试验；

13)仿真试验结果数据分析；

14)得出最优配置数据；

15)输出至对应物理系统和设备；

16)物理系统和设备数据参数调整；

17)计划/方案投入生产/使用；

18)实时监控生产线生产；

19)及时响应问题；

20)重复步骤11-19。

此外，本发明实施例还提供了一种生产线仿真设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上且在所述处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现前述图5所示方法的步骤。

此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，在所述程序指令被计算机或处理器运行时用于执行本发明实施例的基工业现场远程监控方法的相应步骤，并且用于实现根据本发明实施例的基工业现场远程监控装置的相应单元或模块。所述存储介质例如可以包括个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。所述计算机可读存储介质可以是一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。

根据本发明实施例的生产线仿真平台中的各模块可以通过根据本发明实施例的用于实现生产线仿真平台的电子设备、服务器、装置的处理器运行在存储器中存储的计算机程序指令来实现，或者可以在根据本发明实施例的计算机程序产品的计算机可读存储介质中存储的计算机指令被计算机运行时实现。

根据本发明的生产线仿真平台及仿真方法，具有以下优点：

一、可根据离散制造业的生产特点和混线生产模式，实现可配置性较高的仿真模型对象逻辑属性，使用户不需要编码就可实现仿真配置；

二、基于云制造模式，布署在云平台上通过浏览器网页访问基于3D的仿真环境；

三、通过生产线虚拟仿真系统可对接生产制造信息化系统，获取生产计划、工艺、物料等数据信息，并在完成仿真后反馈优化数据；以及生产线虚拟仿真系统可对接生产制造设备，实时监控生产设备运行情况，对生产过程中发生的计划外问题及时响应和解决来实现生产线物理环境与生产线仿真环境的虚实交互融合，在长期数据积累的基础上，提炼产品属性，完善仿真产品属性。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的物品分析设备中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种生产线仿真平台，其特征在于，包括：

数据输入模块，用于获取来自生产线物理环境中的生产相关数据；

虚拟仿真模块，用于根据生产相关数据进行生产仿真，得出仿真结果以及优化参数；

数据输出模块，用于将优化参数反馈至生产线物理环境中，以优化生产执行。

2.根所述据权利要求1所述的生产线仿真平台，其特征在于，所述生产相关数据包括订单表/投入表/交货时间表、工序表、加工时间表、产线换产时间、物理需求表或设备数据。

3.根据权利要求1所述的生产线仿真平台，其特征在于，所述虚拟仿真模块包括：

设备模型库，用于提供不同行业生产线设备的模型，并配置设备属性，所述设备属性包括混线生产属性；

仿真工具，用于提供各种生产仿真工具；

生产日历，用于根据生产线实际生产日历配置仿真；

仿真图表，用于为用户提供要查看的数据种类自定义图表；

仿真试验工具，用于实现设计仿真试验。

4.根据权利要求2所述的生产线仿真平台，其特征在于，所述生产线设备包括加工设备、质量设备、装配设备、物流设备、机器人设备。

5.一种应用于权利要求1-4任一项所述的生产仿真平台的生产仿真方法，其特征在于，包括：

拖拽设备模型和生产辅助设备到场景内；

配置系统输入接口；

配置模型属性；

添加仿真工具并配置属性；

配置系统输出接口；

开始仿真；

查看仿真结果；

找出现存问题；

设计仿真试验；

运行仿真试验；

仿真试验结果数据分析；

得出最优配置数据；

输出至对应物理系统和设备；

物理系统和设备数据参数调整；

计划/方案投入生产/使用；

实时监控生产线生产；

及时响应问题。