| 标题 | 物联网环境下的动态仿真系统建模研究 |
| 范文 | 高阿曼 刘屹 赵东方 张帅 [摘 要]为快速建立面向离散生产系统的仿真模型，有效应对生产过程中的不确定性事件，本文对物联网环境下的生产系统动态仿真技术展开研究，对物联网环境下的制造系统进行分析建模，并在此基础上提出了基于物联网的动态仿真系统架构，核心是实现快速建模配置和动态仿真，保证仿真结果的及时性和有效性。 [关键词]物联网；生产过程模型；动态仿真 doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.12.029 [中图分类号]TP391.9；V411.8 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2018）12-00-03 1 研究背景 经济全球化的快速发展导致市场竞争愈加激烈，使制造业处于不可预测的动态制造环境中，例如，生产过程中面临着插单、设备故障、质量事故等各类不确定的动态事件，为企业生产决策和快速响应带来了巨大的挑战。由于制造系统建模与仿真可以在虚拟制造环境中模拟物联网条件下的制造运行，因此可以通过系统建模与仿真对制造系统进行分析和评价，从而有利于提升制造业生产效率和生产决策能力。 由于制造过程涉及人机料法环测多个环节，是一个复杂的制造系统，而仿真模型构建是制造系统仿真的基础和关键，需体现复杂的制造流程和管理方式。因此，仿真建模是制造系统仿真中最复杂的阶段之一，建模时间约占整个仿真项目周期的45%，通过缩短建模时间、减小建模复杂度对快速进行仿真分析具有重要的意义。另外，传统的生产仿真研究通常都是基于理想生产条件下的离线仿真，这种仿真模式虽然对生产具有指导作用，但在实际生产过程中会产生大量的随机问题和由不确定因素产生的动态事件，导致传统的离线仿真难以实时指导生产，也使得仿真结果与实际运行情况产生差异。在物联网环境下，网络传感技术、数据采集技术和嵌入式系统技术等手段，能够实现对终端现场运行状态信息的实时感知和采集，进而实现物物相连。生产中的这些不确定事件和生产过程信息都可以实时采集并及时反馈，不确定事件无须考虑其发生类型和概率模型，可以针对具体事件做出准确反应，因此，研究物联网环境下的动态仿真技术已具备条件并有重要的应用价值。 基于此，本文首先分析了物联网环境下的制造系统及其建模方法，在此基础上对物联网环境下基于模型的动态仿真进行了分析，最后提出了物联网环境下的动态仿真系统架构，实现了基于模型的快速仿真配置和基于实时生产数据的动态仿真，从而能够有效应对生产中的突发事件，保证了仿真结果的有效性。 2 物联网环境下制造系统分析及建模 由于建模仿真是对现实制造系统的模拟，因此在建模之前首先要对制造系统资源与制造过程进行分析，然后再通过仿真建模模拟，从而达到模拟实际生产过程的目的。在物联网制造环境中，设备资源建模是制造资源建模的核心，也是提高模型通用性的关键，而制造过程分析是模型虚拟运行的关键。通过设备建模和制造过程分析，一方面可以缩短建模时间，减小建模复杂度，另一方面可以满足制造系统模型准确定义生产系统和利于仿真参数快速配置。因此，在物联网制造环境下，需要重点研究设备资源建模与制造过程分析，为此本文采用本体技术构建设备资源模型，并采用Petri网技术分析了制造过程。 2.1 设备资源建模 本体技术是对共享概念模型的明确和形式化规范说明，用于解决知识的共享和重用问题。采用本体建模技术构建制造资源的信息共享模型，能够描述资源的具体属性、接入物联网产生的信息和关键资源之间的逻辑关系。本体模型属性与仿真模型的属性相对应。本文建模的对象是生产线上的设备资源，具体包括加工设备、测量设备及运输设备，设备本体模型如图1所示。 2.2 制造过程 Petri网是一种有向图，由库所（P）、变迁（T）、有向弧、托肯4个基本元素组成，其具有便于仿真软件使用、开发等优点，基于此，本文采用Petri网技术建模分析制造过程，其主要制造过程如下。首先，根据加工工艺路线描述生产活动，具体包括装夹活动、运输活动、加工活动和测量活动等。其次，建立状态变化、变迁触发的控制规则，包括订单优先级、加工批量、设备选择零件规则和零件选择设备规则等。生产过程模型与仿真模型的加工过程建模和决策设置相对应，图2为Petri网构建的某简单加工系统。 3 物联网环境下基于模型的动态仿真 在物联网环境中，制造车间可以进行实时数据采集，不确定的动态事件能得到及时反馈，因此，对生产过程仿真无须考虑不确定事件发生的类型和概率模型，可以针对具体事件做出准确反应。同时，还可以将仿真运行的结果与实时生产数据进行偏离分析，并采取自适应决策，从而使仿真优化方案更符合实际生产需求，避免出现传统仿真与实际生产结果差异较大的问题。这就是物联网环境下基于生产系统模型和实时生产数据的动态仿真机制，其原理如图3所示。 首先，构建制造资源本体共享模型，让所有的接入设备都能够用该模型清晰地描述自身信息以及由该设备接入网络后所产生的信息，从而实现对设备的统一接入、控制和管理。其次，构建生产运行模型。充分分析生产制造系统各成员的组织层次、活动、交互作用、控制规则和物联网环境下产生的信息，通过描述这些活动及其控制规则得到制造系统的生产运行模型。最后，基于上述生产系统模型快速进行仿真设置，并对物联网环境下获取的动态事件进行仿真，获得仿真优化结果。动态事件包括订单取消、紧急插单、设备故障和质量事故等。将仿真运行结果与实时获取的生产数据进行动态偏离分析和自适应决策，决策结果可以是以下三类：继续执行基准仿真运行结果、在线调整、再仿真。仿真结果为车间平衡设备负荷、生产动态调度等提供决策依据。 4 物联网环境下动态仿真系统架构 基于上述研究，本文提出物联网环境下基于模型和实时数据的动态仿真系统架构，如图4所示。 该系统架构采用了多层结构，包括数据层、交互层和仿真层。其中，数据层提供仿真所需的各种模型、实时数据，包括基于制造资源本体模型、生产过程模型、工艺模型和生产布局模型等，并接收数据采集系统提供的生产系统实时数据，提供快速建模仿真基础。交互层构建仿真交互平台，该平台是基于物联网的动态仿真软件的核心，负责接收并处理来自数据层的各种模型信息、车间生产任务信息等，并将结果提供给仿真软件进行快速仿真配置，同时接收并处理仿真软件输出的仿真结果，依據动态仿真机制，与实时获取的生产数据进行偏离分析并自适应决策，形成解决方案，提供给车间执行系统执行。仿真交互平台支持多集成能力的开放系统结构，具备与各类管理软件、数据库、模型数据文件等进行数据交互和集成应用能力。基于该交互平台，打通仿真软件与外部的数据库、信息系统之间的信息通道。仿真层利用仿真软件进行仿真，获取交互平台提供的产品模型、布局模型、工艺约束等生产系统模型和实时数据、动态事件，将生产系统模型的属性信息赋予仿真软件中相应的模型模板，快速配置仿真模型，并基于实时数据对动态事件进行仿真计算、仿真分析和过程评价，将结果输出给交互平台，用于指导实时生产。 5 结 语 本文研究了物联网环境下的生产系统动态仿真技术，提出了基于物联网的动态仿真系统架构，核心是实现基于模型的快速仿真配置和基于实时生产数据的动态仿真，从而能够准确、快速地应对生产现场的各种突发事件，保证了仿真的有效性。后续本文将进一步研究动态仿真软件系统的实现和功能完善。 主要参考文献 [1]王国新.数据驱动与模块化控制模型相结合的生产系统快速建模方法[J].系统仿真学报，2009（14）. [2]高会林.基于Petri网的型号产品制造过程建模与仿真技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007. [3]马俊，孙晓明.基于Petri网的生产系统仿真研究[J].起重运输机械，2004（12）. [4]王美林.制造物联网环境下混流制造过程自适应调度方法研究[D].广州：广东工业大学，2013. [5]赵欣.物联网发展现状及未来发展的思考[J].计算机与网络，2012（3）. [6]刘佩云.基于本体的物联网设备共享信息模型的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2013. [7]赵亮.基于本体的型号产品制造资源建模[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009. |
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