殷希彥，秦希青，盛步云，周 歡，陳 鵬，姜 峰

(1.東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430058；2.湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068；3.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

智能工廠是我國(guó)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，是未來(lái)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要方向[1]。智能工廠的設(shè)計(jì)離不開(kāi)仿真軟件和建模工具的支持。仿真軟件可分為有限元分析軟件、機(jī)械/電氣等專業(yè)仿真軟件、航空/航天/汽車等行業(yè)設(shè)計(jì)仿真軟件、通用的系統(tǒng)仿真軟件等類別[2]。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)于仿真軟件的研究主要集中于專業(yè)仿真軟件和行業(yè)仿真軟件[3-5]，而智能工廠的設(shè)計(jì)主要使用的是系統(tǒng)仿真軟件。在這一領(lǐng)域，國(guó)外產(chǎn)品占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的研究大多集中于對(duì)國(guó)外系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用[6-7]。

系統(tǒng)仿真軟件通過(guò)對(duì)工廠內(nèi)部的設(shè)備、物料等資源及其相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行語(yǔ)義建模，再基于輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍、線平衡、設(shè)備布局等方面的缺陷，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，對(duì)智能工廠中的關(guān)鍵要素進(jìn)行良好的語(yǔ)義建模是對(duì)智能工廠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的首要條件。

然而，智能工廠涉及的關(guān)鍵要素多、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，這是阻礙國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展的因素之一。在智能工廠的設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中，涉及到機(jī)械、物流、管理等多方面的關(guān)鍵要素，貫穿需求分析、概念設(shè)計(jì)、設(shè)備/設(shè)施布局、物流規(guī)劃、仿真分析與優(yōu)化等階段。由于這些關(guān)鍵要素同時(shí)包含靜態(tài)內(nèi)容和動(dòng)態(tài)內(nèi)容，當(dāng)前常用的語(yǔ)義建模方法均難以獨(dú)立對(duì)其建模，所以需要探索一種可以同時(shí)完成動(dòng)靜態(tài)要素語(yǔ)義建模的方法。本體[8]與Petri網(wǎng)[9]分別是對(duì)靜態(tài)對(duì)象和動(dòng)態(tài)對(duì)象進(jìn)行語(yǔ)義建模的良好工具，可以在智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模中發(fā)揮一定作用。但當(dāng)前對(duì)本體和Petri網(wǎng)在語(yǔ)義建模領(lǐng)域的應(yīng)用大多是獨(dú)立的，少有的一些將本體與Petri網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用的研究[10]也并沒(méi)有應(yīng)用于系統(tǒng)仿真軟件中。

因此，本文針對(duì)當(dāng)前缺乏國(guó)產(chǎn)智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件及建模工具的現(xiàn)狀，為有效解決智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模及融合互通的問(wèn)題，研究基于本體和Petri網(wǎng)的智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模方法，為系統(tǒng)仿真分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。最后，基于理論研究成果開(kāi)發(fā)了一個(gè)面向智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件原型系統(tǒng)的語(yǔ)義建模模塊，為國(guó)產(chǎn)智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件的開(kāi)發(fā)提供可行思路。

1 智能工廠關(guān)鍵要素建模分析

1.1 智能工廠關(guān)鍵要素分類

文獻(xiàn)[1]從系統(tǒng)層級(jí)和生命周期兩個(gè)維度對(duì)智能制造進(jìn)行了劃分，對(duì)智能工廠進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析屬于設(shè)計(jì)階段內(nèi)容。在智能工廠生命周期的不同階段對(duì)應(yīng)有不同的關(guān)鍵要素，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。其中，由于設(shè)計(jì)階段需要圍繞著生產(chǎn)階段的各類生產(chǎn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)階段需要考慮的關(guān)鍵要素與生產(chǎn)階段相同。

圖1 智能工廠關(guān)鍵要素劃分方法

(1)靜態(tài)要素。在生產(chǎn)階段內(nèi)，人員(“人”，man)、機(jī)器設(shè)備及設(shè)施(“機(jī)”，machine)、物料(“料”，material)、各類工藝方法(“法”，method)和工作環(huán)境(“環(huán)”，environment)是影響生產(chǎn)過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，簡(jiǎn)稱“4M1E”。4M1E幾乎可以涵蓋工廠生產(chǎn)過(guò)程所需的全部資源，因此可以將其作為智能工廠生產(chǎn)階段的關(guān)鍵要素，如圖2所示。

圖2 4M1E在智能工廠體系中的位置和作用

由圖2可見(jiàn)，物理世界中4M1E客觀存在的屬性、狀態(tài)等靜態(tài)要素在虛擬世界中通過(guò)對(duì)應(yīng)實(shí)物的三維模型、附加在三維模型上的屬性及狀態(tài)信息、各類信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)。這些信息也是設(shè)計(jì)階段需要考慮的，以便基于這些信息分析設(shè)計(jì)方案的潛在缺點(diǎn)。因此，智能工廠設(shè)計(jì)階段的靜態(tài)關(guān)鍵要素也是4M1E。

(2)動(dòng)態(tài)要素。由圖2也可以看出，4M1E之間的實(shí)物和數(shù)據(jù)流動(dòng)無(wú)處不在，覆蓋了設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中的每個(gè)部分，成為智能工廠的動(dòng)態(tài)要素。因此，智能工廠設(shè)計(jì)階段的動(dòng)態(tài)關(guān)鍵要素主要是4M1E之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在物理世界中，4M1E間的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要體現(xiàn)在物料的流動(dòng)，以及由此產(chǎn)生的物流方案、生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃中；在虛擬世界中，4M1E間的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要體現(xiàn)在各信息系統(tǒng)中的信息交互過(guò)程中。此外，隨生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的設(shè)備設(shè)施所需的水、電、氣等能量流動(dòng)和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，也屬于需要考慮的動(dòng)態(tài)要素。綜上所述，智能工廠設(shè)計(jì)階段的動(dòng)態(tài)關(guān)鍵要素主要是工廠內(nèi)部的物料流、信息流、能量流等。

1.2 關(guān)鍵要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

動(dòng)態(tài)要素和靜態(tài)要素之間存在緊密的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在智能工廠的物理世界中，4M1E經(jīng)過(guò)測(cè)量后可以得到相應(yīng)的生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)參數(shù)和靜態(tài)狀態(tài)。這些參數(shù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)虛實(shí)同步映射，可以附加在人員、設(shè)備、物料的三維模型中或進(jìn)入各種信息系統(tǒng)中參與工廠運(yùn)行。工廠運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的物料流、信息流、能量流等動(dòng)態(tài)要素也通過(guò)三維模型的可視化運(yùn)行、數(shù)據(jù)處理與交互等方式體現(xiàn)在虛擬世界中。物理世界和虛擬世界可以通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和虛實(shí)同步映射實(shí)現(xiàn)互映。因此，在三維系統(tǒng)仿真軟件中，可以將4M1E對(duì)應(yīng)的三維模型作為動(dòng)靜態(tài)要素間數(shù)據(jù)交互的媒介，以三維模型的屬性、參數(shù)和連接關(guān)系作為橋梁建立起動(dòng)靜態(tài)關(guān)鍵要素間的關(guān)聯(lián)，如圖3所示。

圖3 動(dòng)靜態(tài)關(guān)鍵要素關(guān)聯(lián)關(guān)系

2 智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模

基于前文對(duì)智能工廠關(guān)鍵要素的分析，構(gòu)造智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模方法框架如圖4所示。

圖4 智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模方法框架

資源域主要反映物理世界中的實(shí)物，包括實(shí)體資源和虛擬資源兩大類。實(shí)體資源包括人、機(jī)、料三種，虛擬資源包括法、環(huán)兩種。實(shí)體資源在虛擬世界中有對(duì)應(yīng)的三維模型，虛擬資源通過(guò)依附在實(shí)體資源上的信息體現(xiàn)。

信息域是資源域在虛擬世界中的反映，包括靜態(tài)要素和動(dòng)態(tài)要素兩大類。靜態(tài)要素包括4M1E的各種靜態(tài)屬性及相互間關(guān)聯(lián)關(guān)系，客觀反映4M1E的各類信息。動(dòng)態(tài)要素包括工廠運(yùn)行過(guò)程中的原材料、半成品、成品物料流動(dòng)，設(shè)備信息交互、信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互等信息流動(dòng)，保障工廠正常運(yùn)行的水、電、氣等能量流動(dòng)等。

由于信息域可以真實(shí)反映資源域的真實(shí)情況，所以對(duì)智能工廠關(guān)鍵要素的語(yǔ)義建模主要是對(duì)信息域中各類信息的建模。其中，對(duì)于靜態(tài)要素基于本體技術(shù)建模，對(duì)于動(dòng)態(tài)要素基于Petri網(wǎng)技術(shù)建模。

2.1 基于本體的靜態(tài)要素語(yǔ)義建模

本體是通過(guò)定義類、類間關(guān)系、類的屬性、類的實(shí)例等來(lái)反映對(duì)象的。以4M1E中的人員為例，可構(gòu)造其本體模型包含的類、屬性、類間關(guān)系等如圖5所示。

圖5 人員類本體示例

在該模型中，人員是一個(gè)類，有基本信息、狀態(tài)信息、組織信息3個(gè)子類，父類和子類間是繼承關(guān)系；在每個(gè)子類中，有可以反映該子類信息的屬性；關(guān)聯(lián)關(guān)系包括屬性和類的關(guān)系、父類和子類的繼承關(guān)系、部分和整體的關(guān)系三種。

可將圖5所示人員本體簡(jiǎn)記為D，定義為：

D={BasicInfo_D,OrgInfo_D,StateInfo_D}

(1)

(1)BasicInfo_D是人員的基本信息，定義為：

(2)

式中，ID_D、Name_D、Age_D、Edu_D、Major_D分別表示人員的工號(hào)、姓名、年齡、學(xué)歷、專業(yè)。

(2)OrgInfo_D是人員的組織信息，定義為：

OrgInfo_D={Dpt_D,Post_D,Title_D}

(3)

式中，Dpt_D、Post_D、Title_D分別表示人員所屬部門、職務(wù)和職稱，職稱包括初級(jí)工程師(JE)、中級(jí)工程師(IE)和高級(jí)工程師(SE)等類別，記為Title_D∈{JE,IE,SE}。

(3)StateInfo_D是人員的狀態(tài)信息，定義為：

StateInfo_D={Shift_ID,Pos_ID,Job_ID}

(4)

式中，Shift_ID、Pos_ID、Job_ID分別表示人員當(dāng)前班次、當(dāng)前崗位、當(dāng)前任務(wù)信息。

經(jīng)本體定義后的人員類，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，可基于人員三維模型中包含的本體屬性及參數(shù)進(jìn)行仿真分析運(yùn)算。

2.2 基于Petri網(wǎng)的動(dòng)態(tài)要素語(yǔ)義建模

Petri網(wǎng)(petri net，PN)是用變遷、庫(kù)所、令牌(或稱“托肯”)和有向弧來(lái)表示離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為反映智能工廠中多種類的物料、設(shè)備運(yùn)行速度等，還有必要引入顏色和時(shí)間特性來(lái)對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行層次化分析。

本文采用著色時(shí)延Petri網(wǎng)(colored & timed petri net，CTPN)來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)要素進(jìn)行建模，其由一個(gè)六元組構(gòu)成，定義為CTPN=(P,T,F,C,I,O)，其中：

(1)P={p1,p2,…,pm}為有限庫(kù)所集合，反映動(dòng)態(tài)過(guò)程中的狀態(tài)；

(2)T={t1,t2,…,tn}為有限變遷集合，反映動(dòng)態(tài)過(guò)程中的事件，且滿足F?(P×T)∪(T×P)；

(3)C是庫(kù)所、變遷和令牌的色彩集合，反映同一動(dòng)態(tài)要素的不同種類或不同個(gè)體，包括庫(kù)所pi的色彩集合C(pi)={ai,1,…,ai,ui}，ui=|C(pi)|，i=1,2,…；變遷tj的色彩集合C(tj)={bj,1,…,bj,vj}，vj=|C(tj)|，j=1,2,…；令牌token的色彩集合C(tokenk)=k；k=1,2,…；

(4)I(p,t)是從庫(kù)所p到變遷t的輸入映射(函數(shù))集合，反映事件發(fā)生的前提條件，且C(p)×C(t)為非負(fù)整數(shù)，對(duì)應(yīng)著從p到t的有向?。?/p>

(5)O(p,t,d)是從變遷t到庫(kù)所p的輸出映射(函數(shù))集合，反映事件發(fā)生的結(jié)果，且C(t)×C(p)為非負(fù)整數(shù)，對(duì)應(yīng)著從t到p的有向??；d為與該輸出弧關(guān)聯(lián)的時(shí)延，表示該輸出弧經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)d后才能到達(dá)庫(kù)所p。

CTPN比PN的表達(dá)能力更強(qiáng)，可以對(duì)更加復(fù)雜的工藝過(guò)程進(jìn)行建模，且模型更加簡(jiǎn)單，易于處理與分析。以圖6a所示的一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)器人搬運(yùn)物料過(guò)程為例：物料1和物料2存儲(chǔ)于緩存區(qū)中，分別由機(jī)器人1搬運(yùn)到傳送帶1和傳送帶2上，再由機(jī)器人2搬運(yùn)到拖車1和拖車2上。其中，機(jī)器人搬運(yùn)物料及傳送帶運(yùn)送物料均需要一定的時(shí)間。對(duì)該示例構(gòu)建PN和CTPN，分別如圖6b和圖6c所示，其中CTPN所含符號(hào)及含義如表1所示。通過(guò)對(duì)比可以直觀看出CTPN比PN和原工藝過(guò)程模型更加簡(jiǎn)單直接。

(a) 機(jī)器人搬運(yùn)物料過(guò)程

(b) 機(jī)器人搬運(yùn)物料過(guò)程示例PN

(c) 機(jī)器人搬運(yùn)物料過(guò)程示例CTPN圖6 著色時(shí)延Petri網(wǎng)示例

表1 示例中CTPN所含符號(hào)及含義

經(jīng)過(guò)構(gòu)建機(jī)器人搬運(yùn)物料的CTPN模型，準(zhǔn)確建立起了不同緩存區(qū)、機(jī)器人、傳送帶、拖車個(gè)體間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。所構(gòu)建的CTPN模型可以反映機(jī)器人搬運(yùn)物料的工藝過(guò)程，體現(xiàn)該過(guò)程中的物料流向和速度，為仿真分析過(guò)程奠定基礎(chǔ)。上文所構(gòu)建的CTPN同樣適用于動(dòng)態(tài)要素中的能量流和信息流，只需根據(jù)實(shí)際情況將能量流的“運(yùn)送”對(duì)象(例如電量單位“度”)和信息流的“運(yùn)送”對(duì)象(例如“byte”)定義為令牌，并構(gòu)建能量流和信息流過(guò)程CTPN即可。

在完成靜態(tài)要素本體模型構(gòu)建和動(dòng)態(tài)要素CTPN模型構(gòu)建后，在進(jìn)行分析時(shí)需要將本體中的屬性和CTPN中的工藝過(guò)程進(jìn)行關(guān)聯(lián)，二者共同反映實(shí)際運(yùn)行參數(shù)或狀態(tài)，為仿真分析過(guò)程提供正確數(shù)據(jù)。例如，由某設(shè)備本體模型可知其額定功率為100 kW，再根據(jù)某工藝過(guò)程對(duì)應(yīng)的CTPN模型得知其需工作8 h且開(kāi)動(dòng)率為92%，則可知在此工藝過(guò)程中共有100 kW×8 h×92% = 736°電能流向該設(shè)備。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提智能工廠關(guān)鍵要素語(yǔ)義建模方法的有效性，基于本體和Petri網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套系統(tǒng)仿真軟件及其語(yǔ)義建模模塊的原型系統(tǒng)，并使用該模塊對(duì)一個(gè)案例進(jìn)行了語(yǔ)義建模。

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)采用模型-視圖-視圖模型(model-view-view model，MVVM)的分層架構(gòu)，其應(yīng)用系統(tǒng)模型如圖7所示。其中，View主要用于呈現(xiàn)用戶界面，Model主要用于呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，View Model主要用于調(diào)節(jié)View和Model間的交互，從Model中取數(shù)據(jù)并顯示在View中。

圖7 應(yīng)用系統(tǒng)模型圖

軟件系統(tǒng)以可視化組件作為三維虛擬可視化仿真模型，定義為在三維場(chǎng)景中具有某些屬性和行為的物體?？梢暬M件可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括模型、幾何、屬性、行為、特征等接口。組件的結(jié)構(gòu)是一棵由不同節(jié)點(diǎn)組成的樹(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一組屬性和行為，分別與該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的本體模型和CTPN模型存在映射關(guān)系。每一個(gè)組件都至少有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)中的行為可基于CTPN中定義的關(guān)聯(lián)關(guān)系和邏輯進(jìn)行互相連接和參考。

軟件系統(tǒng)包括語(yǔ)義建模、組件導(dǎo)入導(dǎo)出、組件行為屬性編輯、組件仿真動(dòng)作編輯等功能。本體建模模塊基于Jena框架開(kāi)發(fā)，具備類定義、屬性定義、連接關(guān)系定義等功能。CTPN模型的構(gòu)建通過(guò)在設(shè)備本體模型屬性的基礎(chǔ)上，配置傳感器信號(hào)、定義信號(hào)間關(guān)系等仿真動(dòng)作所需的條件，再結(jié)合工藝過(guò)程中的工步信息來(lái)完成?；谏鲜霾襟E構(gòu)建的關(guān)鍵要素語(yǔ)義模型可為生產(chǎn)線仿真提供基礎(chǔ)。圖8所示為定義一個(gè)機(jī)器人設(shè)備本體所含屬性的界面，其內(nèi)部屬性項(xiàng)及值通過(guò)右側(cè)窗口詳細(xì)定義，其與其他本體類的關(guān)系通過(guò)左側(cè)窗口樹(shù)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)。

圖8 機(jī)器人設(shè)備所含屬性本體建模界面

圖9所示為生產(chǎn)線仿真界面，通過(guò)從左側(cè)樹(shù)結(jié)構(gòu)中將已經(jīng)定義好的本體模型所對(duì)應(yīng)的可視化組件拖拽到中間的可視化模型界面中，并設(shè)置不同模型間的連接關(guān)系，以定義工藝過(guò)程的CTPN模型。建立好可視化模型后，系統(tǒng)會(huì)分析其對(duì)應(yīng)的CTPN模型，并從本體屬性及工藝設(shè)計(jì)要求中提取相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將常用統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示在右側(cè)狀態(tài)欄中，例如設(shè)備能耗、開(kāi)動(dòng)率、使用率、產(chǎn)量等。統(tǒng)計(jì)結(jié)果是對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析的重要依據(jù)，可衡量生產(chǎn)線設(shè)計(jì)結(jié)果是否合理，并為設(shè)計(jì)人員提供優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。

圖9 生產(chǎn)線實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真分析界面

3.2 語(yǔ)義建模模塊案例

以一個(gè)包含一個(gè)物料發(fā)生器(用于在仿真模型中連續(xù)產(chǎn)生物料)、兩臺(tái)機(jī)器人、兩臺(tái)傳送帶、一個(gè)料架的輸送線為案例來(lái)展示基于上述系統(tǒng)的語(yǔ)義建模過(guò)程，案例中設(shè)備三維模型布局如圖10所示。該輸送線的運(yùn)行流程為：發(fā)生器發(fā)送物料給傳送帶1→傳送帶1將物料輸送到末端機(jī)器人1處→機(jī)器人1將物料由傳送帶1搬運(yùn)到傳送帶2上→傳送帶2將物料輸送到末端機(jī)器人2處→機(jī)器人2將物料碼垛到托盤上。

圖10 輸送線布局界面及語(yǔ)義建模案例布局圖

此處以輸送線中的信息流為例進(jìn)行建模。為實(shí)現(xiàn)上述工藝過(guò)程的仿真，必須先對(duì)各設(shè)備進(jìn)行本體建模。由于整個(gè)工藝過(guò)程需要各設(shè)備的邏輯信號(hào)配合完成，以免出錯(cuò)，因此對(duì)信息流建模首先需對(duì)各設(shè)備進(jìn)行邏輯信號(hào)本體建模。以機(jī)器人為例，其邏輯信號(hào)本體建模如圖11所示。在該邏輯信號(hào)本體中，包含接收信號(hào)對(duì)象，如“傳送帶下料”用于接受傳送帶設(shè)備發(fā)送來(lái)的下料信號(hào)；包含發(fā)送信號(hào)對(duì)象，如“下料輸出”用于發(fā)送下料信號(hào)給下一臺(tái)設(shè)備；還包含執(zhí)行信號(hào)對(duì)象，如“前往上料位置”用于反映當(dāng)前機(jī)器人所處的工藝過(guò)程狀態(tài)。構(gòu)建完成的邏輯信號(hào)作為CTPN模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。

圖11 機(jī)器人設(shè)備邏輯信號(hào)本體模型顯示界面

對(duì)構(gòu)建完成的設(shè)備邏輯信號(hào)本體模型，需要建立起信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，以反映工藝過(guò)程。將上述輸送線的工藝過(guò)程以邏輯信號(hào)的時(shí)序關(guān)系形式進(jìn)行表達(dá)，如圖12所示。

圖12 輸送線工藝仿真邏輯

確定設(shè)備邏輯信號(hào)的時(shí)序關(guān)系后，需要基于此時(shí)序關(guān)系構(gòu)建輸送線的CTPN模型，以完成輸送線信息流的語(yǔ)義建模。輸送線對(duì)應(yīng)的CTPN模型如圖13所示，各符號(hào)的定義如表2所示。

圖13 輸送線工藝過(guò)程CTPN模型

表2 輸送線CTPN符號(hào)含義

按上述方法依次構(gòu)建完成輸送線各設(shè)備的邏輯信號(hào)本體模型，并利用信號(hào)匹配功能建立起邏輯信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系，則完成了輸送線的信息流模型建模。同理，可對(duì)輸送線系統(tǒng)的物料流、能量流等關(guān)鍵要素進(jìn)行建模。

由于靜態(tài)要素本體模型和動(dòng)態(tài)要素CTPN模型均基于設(shè)備三維模型構(gòu)建，本體模型中的屬性和CTPN模型中的連接順序之間已建立起聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)互通。其后，可以利用系統(tǒng)的仿真分析模塊功能，從輸送線的語(yǔ)義模型中提取所需的參數(shù)，并基于工藝過(guò)程對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)工藝瓶頸等欠優(yōu)部分，最終輔助優(yōu)化輸送線設(shè)計(jì)，達(dá)到對(duì)輸送線進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)我國(guó)缺乏國(guó)產(chǎn)智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件工具的問(wèn)題，在分析了智能工廠設(shè)計(jì)仿真需求的基礎(chǔ)上，將仿真過(guò)程涉及到的關(guān)鍵要素分為靜態(tài)要素和動(dòng)態(tài)要素兩類，提出了一種融合本體技術(shù)和著色時(shí)延Petri網(wǎng)技術(shù)對(duì)智能工廠關(guān)鍵要素進(jìn)行語(yǔ)義建模的方法。該方法將本體和Petri網(wǎng)兩種語(yǔ)義建模工具的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，分別對(duì)智能工廠靜態(tài)關(guān)鍵要素和動(dòng)態(tài)關(guān)鍵要素進(jìn)行建模，再將所構(gòu)建的模型進(jìn)行結(jié)合，增強(qiáng)了系統(tǒng)仿真功能的邏輯性和魯棒性。通過(guò)所構(gòu)建的本體模型和CTPN模型之間的關(guān)聯(lián)和映射，最終可完成工藝過(guò)程的仿真分析和優(yōu)化，達(dá)到對(duì)智能工廠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的目的?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，開(kāi)發(fā)了一套具有MVVM架構(gòu)的智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件原型系統(tǒng)及其語(yǔ)義建模模塊，可以完成智能工廠中的人、機(jī)、料、法、環(huán)等靜態(tài)要素和物料流、能量流、信息流的語(yǔ)義建模，進(jìn)而作為數(shù)據(jù)來(lái)源構(gòu)建用于仿真分析與優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，為我國(guó)開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能工廠設(shè)計(jì)仿真軟件提供了可行思路。