CN112668795B - 一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，包括以下步骤：步骤S1、根据生产过程中的纤维形态的变化构建纤维流；步骤S2、根据所述纤维流中与工艺、设备、环境和纤维质量相关实时数据构建数据流；步骤S3、根据所述数据流汇聚到环锭纺纱信息系统中构建环锭纺纱生产过程最优决策的控制流；步骤S4、根据所述控制流作用于纤维流改变纤形态，形成新的数据流，同时根据所述新的数据流经处理后优化控制流，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产。采用本发明的技术方案，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产，同时能有效控制产品质量和生产效率，最终达到环锭纺纱生产智能化目标。

Description

一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法

技术领域

本发明属于环锭纺纱生产技术领域，尤其涉及一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法。

背景技术

目前将信息物理系统(CPS)定义为：紧密集成计算资源和物理资源形成深度协作的系统，体现通信、计算和控制的“3C”特征，核心是其与运行和部署的任务环境中各种要素的融合。2017年提出CPS的概念模型，它是一个信息空间与物理空间融合的复杂系统，以提供状态感知、信息分析与反馈和动态控制等多种服务，如图1所示。

CPS是离散的信息世界与连续的物理世界的深度融合，其主要特征是“3C”。因此，将CPS定义为：

S＝{C¹，C²，C³}

Cⁱ＝(P，C，E，D，I，fⁱ)，i＝1，2，3

其中：

S：CPS；

C¹：CPS的通信；

C²：CPS的计算；

C³：CPS的控制；

P：CPS连续的物理世界中全部物理实体的集合；

C：CPS离散的信息世界中全部信息对象的集合；

E：物理世界中全部物理实体的关联关系集合；

D：信息世界中全部信息对象的关联关系集合；

I：信息世界对物理世界控制的指令集合；

f¹：通信节点之间的映射关系；

f²：计算数据之间的映射关系；

f³：控制指令与被控对象之间的映射关系。

CPS中虚实融合包含大量的物理对象、与之匹配的信息对象以及物理对象与信息对象的交互操作，这些信息流和操作流在时序上是对应的关系，实现信息世界与物理世界的彼此依赖、高度集成与实时交互。

工业4.0的核心是信息物理系统(CPS)，环锭纺纱信息物理生产系统(CPPS)是面向环锭纺纱生产制造的信息物理系统，是环锭纺纱物理生产系统和环锭纺纱信息系统的深度融合，但在推进环锭纺纱生产的智能化进程中存在如下问题：

在环锭纺纱生产系统中，生产设备的种类复杂且数量多(梳棉机、并条机、粗纱机、细纱机、络筒机等)、工序的连续与离散混合并重(清梳联连续、精梳到并条以及并条到粗纱离散、粗细络联连续等)、纤维流形态变化大(纤维形态从无序到有序，纤维属性定量化评价复杂，纤维形态动态变化)，同时伴随生产过程中数据流、控制流的关联关系多样，建模困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产，同时能有效控制产品质量和生产效率，最终达到环锭纺纱生产智能化目标。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据生产过程中的纤维形态构建纤维流；

步骤S2、根据所述纤维流中与工艺、设备、环境和纤维质量相关实时数据构建数据流；

步骤S3、根据所述数据流汇聚到环锭纺纱信息系统中构建环锭纺纱生产过程最优决策的控制流；

步骤S4、根据所述控制流作用于纤维流改变纤形态，形成新的数据流，同时根据所述新的数据流经处理后优化控制流，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产。

作为优选，所述纤维流为在工艺、设备和环境因素共同作用下，纤维形态不断发生变换的过程。

作为优选，所述纤维流描述为：

p′＝{p₀′，p₁′，…，p_i′，…，p_n′}，i∈[0，n-1] (1)

其中：

公式1：表示从棉包到纱包过程中纤维的全部形态，构成了整个纤维流p′，p_i′表示任意一个纤维形态。

公式2：表示纤维从一个形态转变成另一个形态，

表示纤维形态转换；

公式3：表示从一个形态转变成另一个形态的过程中，工艺、设备和环境的关联关系，其中，Pro表示工艺、Dev表示设备、Evn表示环境、

表示关联关系。

作为优选，所述数据流包含：纤维的质量数据、各工序的工艺数据、设备数据、环境数据。

作为优选，所述数据流包括：结构化数据、半结构化数据和非结构化数据；所述结构化数据包含：有工艺数据、环境数据、纤维质量数据，所述半结构化数据包含：设备的运行日志数据、传感器采集的JSON格式数据；所述非结构化数据包含：异纤检测的图像数据、生产监控的视频数据。

作为优选，所述控制流由纤维形态变化超越设定阈值事件触发形成，从环锭纺纱信息系统沿路径传输到被控制对象，完成对被控对象的控制。

作为优选，根据不同被控对象触发事件，分成以下情况：

当单个被控对象触发事件时：

由被控对象p_i触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i发送控制信息ControlInfo_i对被控对象p_i进行单独调节控制，描述为：

当两个相关的被控对象联合触发事件时：

由被控对象p_i和p_j联合触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i和路径path_j分别发送控制信息ControlInfo_i和ControlInfo_j对被控对象p_i和p_j进行协同调节控制，描述为：

当多个相关的被控对象联合触发事件时：

由被控对象p_i，…，p_j(j＞i+1)关联触发事件Event_i，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i，…，path_j分别发送控制信息ControlInfo_i，…，CntrolInfo_j对被控对象p_i，…，p_j进行全局调节控制，可以描述为：

控制信息在传输过程中，节点N_k向节点N_l转发控制信息ControlInfo_k的过程描述为：

N_K＞＞＞N_l＝(N_K，N_l，send，ControlInfo_k，path1，path2)

其中，＞＞＞表示发送或转发，path₁，path₂分别表示控制信息从N_k到N_l经过的路径、从信息系统

到N_k经过的路径；

节点N_l接收节点N_k发送的控制信息ControlInfo_k的过程可以描述为：

N_l＜＜＜N_k＝(N_l，N_k，receive，ControlInfo_k，path)

其中，＜＜＜表示接收转发的信息，path表示控制信息从N_k到N_l经过的路径。

作为优选，所述生产过程包含：抓包、清梳联、精梳、并条、粗细络联和打包码垛工序。

采用本发明的建模方法，纤维流带动数据流，数据流处理后形成控制流，控制流作用于纤维流后改变纤形态，形成新的数据流，新的数据流经处理后优化控制流，最终不断迭代优化，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产，同时能有效控制产品质量和生产效率，最终达到环锭纺纱生产智能化目标。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1、NIST CPS概念模型的示意图；

图2、本发明建模方法的流程示意图；

图3、环锭纺纱CPPS的纤维流的示意图；

图4(a)、结构化数据的过滤转换的示意图

图4(b)、结构化数据的合并转换的示意图

图4(c)、结构化数据的分离转换的示意图

图4(d)、半结构化数据提取转换的示意图

图4(e)、非结构化数据提取转换的示意图

图5、环锭纺纱CPPS的数据流的示意图；

图6(a)、从N_a到N_b的控制流形成过程的示意图；

图6(b)、从N_a经过N_c到N_b的控制流形成过程的示意图；

图7、纤维流-信息流-控制流融合的示意图；

图8、环锭纺纱信息物理生产系统的系统需求模型的示意图；

图9、环锭纺纱物理生产系统局部用例模型的示意图；

图10、环锭纺纱CPPS的“纤维流-数据流-控制流”融合模型的示意图；

图11、纤维从粗纱到细纱的活动模型的示意图；

图12、熟条到粗纱转换数据流的状态机模型的示意图；

图13、控制流的序列模型的示意图。

具体实施方式

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

本发明提供一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，所述环锭纺纱信息物理生产系统是用于环锭纺纱生产的信息物理系统，是环锭纺纱生产系统智能化的具体实现，它由环锭纺纱物理生产系统、信息系统、物理生产系统与信息系统交互共同构成。与典型的离散型制造或连续型制造不同，环锭纺纱生产是部分连续和部分离散的混合生产方式，即环锭纺纱生产是离散连续混合型生产。参照信息物理系统定义，环锭纺纱CPPS(s′)是CPS(s)的子集，集合元素体现了派生关系，其定义如下：

系统中参数及其解释如表1所示。

表1

环锭纺纱CPPS的生产系统中，实体p_i和p_j关联关系的复杂性表现在：生产要素多，涉及到人、机、料、法、环等各个环节；任意两个实体之间的关联关系受到实体模型、环锭纺纱工艺机理、设备运动学机理等因素的影响，难以表达。但各实体之间通过相互配合完成了环锭纺纱生产，形成以物料形态变化为中心，关联设备、工艺、人员、环境等生产全要素的“纤维流”。所以，环锭纺纱CPPS中的

本质是纤维流，它描述了任意两个相邻纤维形态之间的单向关联关系集合。

在环锭纺纱CPPS的信息系统中，信息对象对应于环锭纺纱生产系统中物理实体。随着环锭纺纱生产的推进，纤维形态不断变化，信息对象状态随之变化，形成与纤维流对应的“数据流”。可见，环锭纺纱CPPS中的

本质是数据流，它描述了信息系统中任意两个信息对象之间转换关系的集合。

当数据流汇聚到环锭纺纱信息系统后，对其分析与处理，形成对环锭纺纱生产过程最优决策的“控制流”。因此，环锭纺纱CPPS中的

本质是控制流，它描述信息世界对物理生产系统的控制。

综上所述，本申请的环锭纺纱CPPS为采用纤维流、数据流和控制流相互融合的信息物理生产系统。

如图2所示，本发明的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据生产过程中的纤维形态变化构建纤维流。

纤维流为在工艺、设备和环境因素共同作用下，纤维形态不断发生变换的过程，环锭纺纱生产的“纤维流”，如图3所示；描述如下：

p′＝{p₀′，p₁′，…，p_i′，…，p_n′}，i∈[0，n-1] (1)

Pro＝{Qua_Req，Spe_Req，Com_Adj，Dra_Dis，Oth_Req} (4)

Dev＝{Mac_Type，Com_Ope，Ala_Inf，Sta_Inf，Ene_Con} (5)

Star_Inf∈{0，1，-1} (6)

Env＝{E_t，E_h，E_e，E_p，E_v} (7)

其中：

公式(1)：表示从棉包到纱包过程中纤维的全部形态，构成了整个纤维流p′，其中，p′_i表示任意一个纤维形态。

公式(2)：表示纤维从一个形态转变成另一个形态，这两个形态是直接关系，没有中间形态，保证纤维形态变化的连续型，其中，

表示纤维形态转换。

公式(3)：表示从一个形态转变成另一个形态的过程中，工艺、设备和环境的关联关系，其中，Pro表示工艺、Dev表示设备、Evn表示环境、

表示关联关系。

公式(4)：表示与工艺有关的因素，有定量要求Qua_Req、速度要求Spe_Req、设备部件调节Com_Adj、牵伸分配Dra_Dis以及其他工艺要求Oth_Req。

公式(5)：表示与设备相关的因素，有机器型号Mac_Type、设备部件运转情况Com_Ope、报警信息Ala_Inf、设备状态信息Sta_Inf、能耗信息Ene_Con。

公式(6)：表示设备的状态有空闲(0)，运转(1)和故障(-1)三种情况。

公式(7)：表示与环境相关的因素，有温度E_t、湿度E_h、含焓量E_e、空压E_p、气流速度E_v。

以JCF32S品种生产为例，连续的清梳联工序是低速生产，其出条速度为140m/min；离散的精梳工序和并条工序是中速生产，其速度分别为425钳次/min和500m/min；连续的粗细络联工序是高速生产，其中粗纱工序和细纱工序生产的锭速分别为1250rad/min和16000rad/min，络筒工序的卷取速度为1250m/min。

不同生产速度下的不断牵伸和高速生产下的适当加捻，纤维分布从杂乱无序到沿纵向有序排列，纤维形态也从“棉包-棉块-棉条-粗纱-细纱”不断由粗变细。纤维在不同形态下，展现不同的纤维属性，即不同的质量特征。原棉形态下，主要有纤维整齐度(tidi)、条干CV值(even CV)、断裂强度(BS)、马克隆值(M)和回潮率(MR)等质量特征。在棉条(生条、精梳条、熟条)形态下，主要质量特征有重量不匀率(WU)、条干不匀率(U)、回潮率(MR)、棉结数(NS)以及短纤维率(SFR)，其中生条还有棉条伸长率(CE)特征、熟条还有混合均匀度(MU)特征。在粗纱形态下，主要的质量特征有重量不匀率(WU)、条干不匀率(U)、回潮率(MR)和粗纱伸长率(RE)。在细纱形态下的质量特征有：重量不匀率(WU)、条干不匀率(U)、回潮率(MR)、粗细节(CD)、棉结(NS)、强力(ST)、断裂强度(BS)、断裂伸长率(BE)和毛羽(H)。筒纱和纱包质量的主要质量特征有：重量不匀率(WU)、条干不匀率(U)、变异系数(CV)、粗细节(CD)、棉结(NS)、断裂伸长率(BE)、强力(ST)、10万米纱线疵点(MYD)。

步骤S2、根据所述纤维流中与工艺、设备、环境和纤维质量相关实时数据构建数据流。

根据纤维在流动过程中产生与工艺、设备和环境相关的实时数据，通过不断的过滤、提取和合并转换而形成的数据流。

环锭纺纱CPPS中纤维不同形态下的多源数据，按其结构化程度可以分为：结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。常见的结构化数据有工艺数据、环境数据、纤维质量数据；半结构化数据有设备的运行日志数据、通过传感器采集的JSON格式数据；非结构化数据有异纤检测的图像数据、生产监控的视频数据等。

一个纤维形态下的数据，其转化成另一个形态下的数据，其转化语义有以下几种情况，数据转换语义过程如图4(a)-图4(e)所示。

结构化数据的过滤转换(⊙)：结构化数据sdw经⊙操作后成为结构化数据sdv。

其中sdw_k(k∈[i-1，j])是数据sdw的一个数据元。

结构化数据的合并转换

结构化数据sdw1和sdw2经/>

操作后成为结构化数据sdv。

其中：sdw1·A＝sdw2·A表示两个结构化数据有共同的字段。

结构化数据的分离转换

结构化数据sdw经/>

操作后成为结构化数据sdv1和sdv2。

半结构化数据的提取转换(◎)：半结构化数据ssdw经◎操作后成结构化数据sdv和半结构化数据ssdt。

[◎]＝{(sdv，ssdt)＝◎(ssdw)∧((sdv∧ssdt＝null)∨(ssdt＝null)}

非结构化数据的提取转换

非结构化数据nsdw经/>

操作后成结构化数据sdu、半结构化数据ssdv和非结构化数据nsdt。

伴随着纤维的流动，产生数据流；数据流从产生到应用的，分为三个阶段，如图5所示，具体为：

第一阶段、数据产生于生产现场。在生产现场，通过部署的智能传感器，采集大量的实时数据。

第二阶段、数据流动于边缘端。在边缘端，数据的流动主要体现在对数据流的预处理。通过传感器采集实时数据，包括：结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。根据数据转换语义，半结构化数据和非结构化数据通过提取转换后的结构化数据分别映射到纤维标记信息表、设备标记信息表、工艺标记信息表和环境标记信息表中。结构化数据经过滤和分离转换后分别映射到与纤维质量相关的纤维基本表、与设备相关的设备基本信息表、与工艺相关的工艺基本信息表以及与环境相关的环境基本信息表。纤维基本信息表和纤维标记信息表经合并转换后映射到纤维特征有效信息表中；设备基本信息表和设备标记信息表经合并转换后映射到设备有效信息表中；工艺基本信息表与工艺标记信息表经合并转换后映射到工艺有效信息表中；环境基本信息表与环境标记信息表经合并转换后映射到环境有效信息表中。

第三阶段、数据应用于云中心。纤维有效信息表、设备有效信息表、工艺有效信息表和环境有效信息表经合并转换后进入云中心的信息系统后应用于各个应用程序中，如：生产看板系统、设备运行监控和运行参数调整等，成为决策控制的基础。

步骤S3、根据所述数据流汇聚到环锭纺纱信息系统中构建环锭纺纱生产过程最优决策的控制流。

环锭纺纱生产过程中，纤维形态的变化较大，引发纤维形态变化的因素多样。如：从棉条向生条转换中，异纤的识别与剔除；从生条到精梳条转换中，牵伸分配的调节；从精梳条到熟条的转换中，出条速度的控制；从熟条到粗纱、粗纱到细纱转换中的捻度与锭速的调节；络纱的张力控制等等。为了使纤维形态朝着优质纤维属性(或质量特征)的方向变化，应对引发纤维形态变化的各因素进行实时检测与控制，即随着环锭纺纱生产的实时推进，调控也应实时进行，不断形成了从信息系统到生产系统的“控制流”。

所述控制流是由纤维形态变化超越设定阈值事件触发形成，从环锭纺纱信息系统

沿路径传输到被控制对象，完成对被控对象的控制。

根据不同被控对象触发事件Event，可以分成以下三种情况：

(1)单个被控对象触发事件，即对单个被控对象单独控制。

如空气温度引起生条回潮率偏高，需要调节空气温度。此时，由被控对象p_i触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i发送控制信息ControlInfo_i对被控对象p_i进行单独调节控制，可以描述为：

其中，被控对象p_i单独触发了事件Event_i。

(2)两个相关的被控对象联合触发事件，即对两个相关被控对象的协同控制。

粗纱的捻度和牵伸会联合触发粗纱的条干不匀率，需要对捻度和牵伸协同控制。这种情况下，由被控对象p_i和p_j联合触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i和路径path_j分别发送控制信息ControlInfo_i和ControlInfo_j对被控对象p_i和p_j进行协同调节控制，可以描述为：

其中，关联的被控对象p_i和p_j一起触发事件Event_i，ControlInfo_i和ControlInfo_j具有相关性。

(3)多个相关的被控对象联合触发事件，即对多个相关被控对象的全局控制。

由于原棉纤维的长度、清梳联工序中刺辊速度和针布平整锋利度、精梳工序中牵伸倍数、粗纱工序中捻系数以及细纱工序中的锭速等均对成纱中的毛羽有影响，要对各影响因素进行综合考虑并进行全局调节控制。这种情况下，由被控对象p_i，…，p_j(j＞i+1)关联触发事件Event_i，考虑到各被控对象的权重及全局协同，从环锭纺纱信息系统

沿路径path_i，…，path_j分别发送控制信息ControlInfo_i，…，ControlInfo_j对被控对象p_i，…，p_j进行全局调节控制，可以描述为：

其中，关联的被控对象p_i，…，p_j一起触发事件Event_i。

控制信息在传输过程中，某节点N_k向节点N_l转发控制信息ControlInfo_k的过程可以描述为：

N_K＞＞＞N_l＝(N_k，N_l，send，ControlInfo_k，path1，path2)

其中，＞＞＞表示发送或转发，path₁，path₂分别表示控制信息从N_k到N_l经过的路径、从信息系统

到N_k经过的路径。

节点N_l接收节点N_k发送的控制信息ControlInfo_k的过程可以描述为：

N_l＜＜＜N_k＝(N_l，N_k，receive，ControlInfo_k，path)

其中，＜＜＜表示接收转发的信息，path表示控制信息从N_k到N_l经过的路径。N_k可以为空值，表示未知节点发送的广播信息。

当且仅当接收和发送路径都是正确的，才能执行控制指令的发送、转发或接收，即必须遵循以下规则：

N_b∈N，当且仅当以下两个条件同时成立时，才能形成从N_a到N_b的流，其中N表示所有节点的集合，如图6(a)所示：

(1)允许N_a向N_b发送信息；

(2)允许N_b接收被N_a发送的信息。

N_b∈N，N_c∈N，当且仅当以下六个条件同时成立，才能形成从N_a经过N_c到N_b的流，如图6b所示。

(1)允许N_a向N_c转发信息；

(2)允许N_c接收被N_a转发的信息；

(3)允许N_c向N_b转发信息；

(4)允许N_c接收被N_b转发的信息；

(5)允许N_a向N_b发送信息；

(6)允许N_b接收被N_a发送的信息。

按照以上规则，从环锭纺纱信息系统

到环锭纺纱生产系统/>

的控制流可以描述为：(Event，/>

send，ControlInfo，N)，其中Event表示所有触发事件集合；ControlInfo表示所有控制指令集合；N表示所有传输节点集合。

步骤S4、根据所述控制流作用于纤维流改变纤形态，形成新的数据流，同时根据所述新的数据流经处理后优化控制流，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产。

环锭纺纱信息物理生产系统是由环锭纺纱物理生产系统、信息系统以及它们的交互组成。包括：环锭纺纱物理生产系统中的“纤维流”、生产系统到信息系统的“数据流”以及信息系统到生产系统的“控制流”。环锭纺纱信息物理生产系统中的纤维流、数据流和控制流不是相互独立而是深度融合的，如图7所示，具体融合过程如下：

环锭纺纱物理生产系统在满足基本生产条件下组织生产，并对各个生产工序的产品进行质量检测以及数据采集；纤维在抓包、清梳联、精梳、并条、粗细络联(粗纱、细纱和络筒)和打包码垛等工序之间流动，形成纤维流。伴随着纤维的流动，通过现场总线、传感器和智能感知设备，大量的制造数据被采集，并且通过通信系统形成从物理生产系统到信息系统的数据流，数据在流动中进过提取、过滤、合并和分离操作后汇聚到信息系统。信息系统中对数据进行进一步处理，包括：数据集成、数据分析、知识融合和迭代优化，使纤维形态朝着具有更好质量特征的方向变化，各个管控系统发送指令对引起纤维形态变化的各因素进行实时监测与控制，形成从信息系统到生产系统的“控制流”，得到对物理生产系统各要素实时控制策略，如发送配棉信息、剔除异纤、粗调整纱锭速、调节细纱张力、规划AGV路径。

纤维流带动数据流，数据流处理后形成控制流，控制流作用于纤维流后改变纤形态的质量特征，形成新的数据流，新的数据流经处理后优化控制流，最终不断迭代优化，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产，同时能有效控制产品质量和生产效率，最终达到环锭纺纱生产智能化目标。

采用本发明的环锭纺纱CPPS建模方法，可实现环锭纺纱CPPS的物理生产系统内、物理生产系统与信息系统之间的实时交互，同时可以实现环锭纺纱信息系统对物理生产系统的优化控制，最终达到环锭纺纱生产智能化目标。

实施例1：基于SysML的环锭纺纱CPPS建模

本申请采用MBSE的方法，结合SysML建模语言从系统的角度构建环锭纺纱信息物理生产系统的模型；具体过为：

1、系统需求与用例建模

(1)系统需求建模

系统需求模型要明确系统的组成部分以及每部分的功能属性。环锭纺纱物理生产系统的建模就是明确对物理生产系统、通信系统和信息系统的功能性需求、非功能性需求以及约束关系。环锭纺纱信息物理生产系统的系统需求模型如图8所示，其中包括：

环锭纺纱物理生产系统。环锭纺纱物理生产系统是指为了满足环锭纺纱生产而必须具备的包括人员、设备、物料、工艺和环境等基本要素的系统。同时对纱线质量、生产成本等因素有特定的要求。

通信系统。通信系统是指借助于现场总线、无线通信和工业互联网等技术组件的通信系统，具备一定的可靠性和安全性。

环锭纺纱信息系统。环锭纺纱信息系统是与物理生产系统对应的信息化的生产系统，是通过对数据的分析与处理，构建物理生产系统的信息化模型，具有迭代优化与自主决策等能力。

交互系统。物理生产系统与信息系统的交互体现在物理生产过程中产生的大量实时数据流通过通信系统传输到信息系统，对数据的分析与处理后，建立物理生产系统的各种信息模型并形成对物理生产系统的控制流，实现对物理生产系统各要素的闭环控制与迭代交互。

(2)用例模型

用例是一种黑盒视图，通过用例和参与者构建系统对外提供的服务模型或者系统本身具有的行为模型。

环锭纺纱CPPS的物理生产系统的局部用例模型，如图9所示。环锭纺纱物理生产系统主要有清梳联、精梳、并条、粗纱、细纱和络筒等主要生产工序，并且每个生产工序都涉及上料、工艺设计、设备维护与保养、质量检测和环境调节等辅助环节。每个生产工序都会有相应的人员参与，如挡车工都要完成上料的基本操作；工艺员负责整个生产的工艺设计和质量检测；机修工负责生产设备的维护与保养；空调工负责生产环境的调控与环境设备维护。

2、纤维流-数据流-控制流融合建模

环锭纺纱信息物理生产系统的“纤维流-数据流-控制流”融合模型包括：环锭纺纱物理生产系统、通信系统和环锭纺纱信息系统，如图9所示。同时，环锭纺纱CPPS包含了三条流：物理生产系统的纤维流，从物理生产系统到信息系统的数据流，从信息系统到物理生产系统的控制流；还体现CPS和CPPS通信、计算与控制的“3C”特征。

环锭纺纱物理生产系统在满足基本生产条件下组织生产，并对各个生产工序的产品进行质量检测以及数据采集。纤维在抓包、清梳联、精梳、并条、粗细络联(粗纱、细纱和络筒)和打包码垛等工序之间流动，形成纤维流。

伴随着纤维的流动，通过现场总线、传感器和智能感知设备，大量的制造数据被采集，并且通过通信系统形成从物理生产系统到信息系统的数据流，数据在流动中进过提取、过滤、合并和分离等操作后汇聚到信息系统。信息系统具有一定的稳定性和和可维护性，在信息系统中对数据进行进一步处理，包括：数据集成、数据分析、知识融合和迭代优化，建立与物理生产系统对应的各种模型，形成对物理生产系统各要素实时控制策略。

(1)纤维流的活动模型

活动图是一种动态的行为图，通过行为表示对象(事件、能量或者数据)的流动,关注行为执行过程中对象的变化，可以描述复杂的控制逻辑。虽然描述对象变化略显模糊，但它是唯一说明系统连续行为的图。

纤维的流动中，从粗纱变换成细纱这一过程非常重要，它直接决定了纱线的产量和品质。纤维从粗纱变换成细纱的活动图如图11所示。从输送粗纱开始，判断细纱工艺是否变换，如不变换工艺，则再判断环境是否适合生产需求，如果环境不合适，则调节至适合的生产环境；如果变换工艺，则进一步判断钢丝圈和皮圈、细纱机轮盘、细纱罗拉等是否要更换或调节，如果要更换或调节，则在落纱后停机更换或调节，再开机后将细纱接头；如果不要更换也不要调节或生产环境适合生产，则要不断监测是否有细纱断头，如有断头，则接头，直到细纱生产结束。

综上所述，纤维从粗纱状态变换到细纱状态过程中，涉及到细纱环境、细纱工艺和细纱机的关联。从生产全生命周期来看，在环境、工艺和设备等因素共同作用下，纤维形态不断连续变化，形成了纤维流。

(2)数据的状态机模型

状态机图是一种精确描述实体对象时间序列内发生的行为或事件的图，它能更好地表达实体与其他实体或场景之间的交互过程。

环锭纺纱信息物理生产系统中数据流的状态转换是伴随着纤维形态的变化而发生的，图12所示为纤维从熟条状态变成粗纱状态过程中，数据流的状态机模型。

首先，纤维从熟条到粗纱的状态变换的触发事件是粗纱工艺、粗纱机设备以及粗纱生产环境。

其次，纤维在熟条和粗纱两种形态下的数据主要与纤维生产速度、纤维形态、纤维分布以及纤维质量相关，如：重量不匀率、条干CV值等。

最后，纤维从熟条到粗纱的状态变换中，部分数据其名称和类型都未变化，但其值已经改变，如纤维形态的值从条状变成了纱状、纤维分布的值从有序变成了沿纵向有序等；部分数据其类型未变但其名称已经改变，如出条速度变成单锭速度，两者都是描述纤维生产速度；部分数据其名称和类型都发生改变，如因在粗纱工艺中增加捻度，使得粗纱纤维除了和熟条纤维具有形同的重量不匀率和条干CV值外，还具有捻度和粗纱伸长率等。

(3)控制流的序列模型

序列图是一种行为图，是对行为的精确说明，说明随着时间推移而发生的行为和事件序列，它能精确地指定实体之间的交互或某场景内交互。

环锭纺纱信息物理生产系统控制流的序列模型如图13所示，其中，控制指令从环锭纺纱的信息系统中发出，经过通信系统传输后到环锭纺纱物理生产系统中的被控对象。被控对象经过相关操作后，纤维流的状态也相应地发生了变化，一旦纤维状态变化，则会产生新的数据。被采集的新数据传输到信息系统，与历史数据集成，再经过分析、知识融合和迭代优化后形成优化的控制指令。优化的控制指令再次传输并作用到物理生产。随着时间推移，控制流不断被优化，生产过程也不断优化，生产的效率和产品的质量也会相应提高。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据生产过程中的纤维形态的变化构建纤维流；

步骤S2、根据所述纤维流中与工艺、设备、环境和纤维质量相关实时数据构建数据流；

步骤S3、根据所述数据流汇聚到环锭纺纱信息系统中构建环锭纺纱生产过程最优决策的控制流；

步骤S4、根据所述控制流作用于纤维流改变纤形态，形成新的数据流，同时根据所述新的数据流经处理后优化控制流，实现在最佳状态下进行环锭纺纱生产；

其中，所述控制流由纤维形态变化超越设定阈值事件触发形成，从环锭纺纱信息系统沿路径传输到被控制对象，完成对被控对象的控制；

根据不同被控对象触发事件，分成以下情况：

当单个被控对象触发事件时：

由被控对象p_i触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统C_c沿路径path_i发送控制信息Contro]Info_i对被控对象p_i进行单独调节控制，描述为：

当两个相关的被控对象联合触发事件时：

由被控对象p_i和p_j联合触发事件Event_i后，从环锭纺纱信息系统C_c沿路径path_i和路径path_j分别发送控制信息ControlInro_i和ControlInfo_j对被控对象p_i和p_j进行协同调节控制，描述为：

当多个相关的被控对象联合触发事件时：

由被控对象p_i，…，p_j(j＞i+1)关联触发事件Event_i，从环锭纺纱信息系统C_c沿路径path_i，…，path_j分别发送控制信息ControlInfo_i，…，ControlInfo_j对被控对象p_i，…，p_j进行全局调节控制，可以描述为：

控制信息在传输过程中，节点N_k向节点N₁转发控制信息ControlInfo_k的过程描述为：

N_k＞＞＞N_l＝(N_k，N_l，send，ControlInfo_k，path1，path2)

其中，＞＞＞表示发送或转发，path₁；path₂分别表示控制信息从N_k到N₁经过的路径、从信息系统C_c到N_k经过的路径；

节点N₁接收节点N_k发送的控制信息ControlInfo_k的过程可以描述为：

N_l＜＜＜N_k＝(N_l，N_k，receive，ControlInfo_k，path)

其中，＜＜＜表示接收转发的信息，path表示控制信息从N_k到N₁经过的路径。

2.如权利要求1所述的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，所述纤维流为在工艺、设备和环境因素共同作用下，纤维形态不断发生变换的过程。

3.如权利要求2所述的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，所述纤维流描述为：

p′＝{p₀′，p₁′，…，p_i′，…，p_n′}，i∈[0，n-1] (1)

其中：

公式1：表示从棉包到纱包过程中纤维的全部形态，构成了整个纤维流p′，p′_i表示任意一个纤维形态；

公式2：表示纤维从一个形态转变成另一个形态，

表示纤维形态转换；

公式3：表示从一个形态转变成另一个形态的过程中，工艺、设备和环境的关联关系，其中，Pr0表示工艺、Dev表示设备、Evn表示环境、

表示关联关系。

4.如权利要求3所述的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，所述数据流包含：纤维的质量数据、各工序的工艺数据、设备数据、环境数据。

5.如权利要求4所述的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，所述数据流包括：结构化数据、半结构化数据和非结构化数据；所述结构化数据包含：有工艺数据、环境数据、纤维质量数据，所述半结构化数据包含：设备的运行日志数据、传感器采集的JS0N格式数据；所述非结构化数据包含：异纤检测的图像数据、生产监控的视频数据。

6.如权利要求1所述的环锭纺纱信息物理生产系统建模方法，其特征在于，所述生产过程包含：抓包、清梳联、精梳、并条、粗细络联和打包码垛工序。

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