面向制造系统的有向图仿真建模方法研究 - 王书亭

第15卷第2期2003年2月计算机辅助设计与图形学学报

JOURNALOFCOMPUTER-AIDEDDESIGN&COMPUTERGRAPHICSVol.15,No.2

Feb.,2003

面向制造系统的有向图仿真建模方法研究

王书亭 陈立平 郭 宇 钟毅芳

(华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心 武汉 430074)

摘要 通过对制造系统虚拟仿真的需求进行分析,提出将/面向对象的分析方法、三维几何模型和仿真机制0统一起来的有向图仿真建模机制,详细讨论了虚拟仿真建模中涉及到的面向对象建模、图形化建模、运动建模和层次化建模等技术.

关键词 制造系统;有向图;建模机制;面向对象建模;行为建模;状态机中图法分类号 TP391.9

StudyoftheModelingFormalismBasedonDirectedGraphforSimulatingManufacturingSystems

WangShuting ChenLiping GuoYu ZhongYifang

(NationalCADSupportSoftwareEngineeringResearchCenter,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan 430074)

Abstract Therequirementsforsimulatingmanufacturingsystemareanalyzedandthecorrespond-ingmodelingformalismispresented,whichusesjointlytheapproachesofobject-orientedanalysis,3dgeometry,andsimulationtechniques.Themodelisrepresentedbya3Ddirectedgraphwiththephys-i

calequipmentsconstitutingthenodesandtheflowofworkpiecesformingthedirectedarcsamongnodes.Fourtypesofmodelingcomponentsareconstructedtomaterializeandoperatethesimulationmodel,namelyobjectrelations,behaviorandfinite-statemachine,hierarchicalstructure,and3Dgraphics.AnintegratedvirtualsimulationplatformInteVSShasbeenimplementedtorapidlymodelingthemanufacturingsystem.

Keywords manufacturingsystem;directedgraph;modelingformalism;object-orientedmodeling;be-havioralmodeling;statemachine

解决这一问题的面向制造系统的虚拟仿真技术受到

1 引 言

随着市场竞争的加剧和产品更新换代速度的加快,制造系统的自动化程度越来越高,系统也越来越复杂.为了降低设计成本,在最短时间内以较优的方案投产或改建一个制造系统,或在分析确定一个生产规划时,事先能采用某种策略或方法对制造系统进行全面分析和测试就显得非常重要.近年来,能够

-2]

了国内外工业界的极大重视[1.

仿真时,首先要建立实际系统的仿真原型,被建立的原型应该能够比较准确地体现制造系统的结构组成、信息以及动作等方面的内容,开发/可靠、易用、易于理解、建模功能强0的仿真工具一直是仿真研究工作的目标.为实现这一目标,面向对象建模技术和图形化建模方式已成为近年仿真建模领域研究的热点.然而,调查分析表明,当前的仿真大多仍停留

[2]

原稿收到日期:2001-11-13;修改稿收到日期:2002-03-25.本课题得到国家自然科学基金重大项目(59990470-2)和国家自然科学基金(59905009)资助.王书亭,男,1968年生,博士,主要研究方向为虚拟设计、虚拟制造、虚拟仿真等.陈立平,男,1964年生,博士,教授,主要研究方向为智能CAD、参数化、虚拟设计.郭 宇,男,1971年生,博士研究生,主要研究方向为虚拟设计、虚拟制造、虚拟仿真.钟毅芳,男,1935年生,教授,博士生导师,主要研究方向为并行工程、优化设计、CAD等.

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计算机辅助设计与图形学学报2003年

在研究如何采用面向对象编程语言实现离散事件仿真模型的层次上,对面向对象的优点分析大多也得益于面向对象的编程语言所提供的特征(如类、继承、重用等),对面向对象仿真的基本机制缺乏深入理论研究,面向对象的机制还没有被充分用来解决仿真建模问题.

L表示逻辑子系统,主要指材料清单、制造计划等.

P表示物理子系统,主要指制造、加工设备和存储单元等有形实体,如机床、夹具、机器人、被加工件等.

D表示控制决策子系统,如各种控制器、控制计算机等.

三个子系统之间的关系如图1所示.物理子系统将与系统状态相关的信息传送给控制决策子系统,收到这些信息后,控制决策子系统向系统中的相关设备发出指令,控制整个制造系统的运行;当从逻辑子系统接收到与制造路线相关的信息时,控制决策子系统确定资源分配.

2 制造系统的分析及其

对仿真建模的要求

将制造系统记为S,则S可抽象为互相独立、互相联系的三个子系统,分别记为L,P,D,S=LGPGD.这里,

从图1可以看出,制造系统很复杂,除了物理设备之外,还存在着物料流和信息流.

物料流主要是工件根据加工工艺的要求,按照一定的时间、空间与加工设备及运输设备相结合,完成其加工过程,从而实现物料的流动.制造系统中基本构成的功能相对独立,它们之间的逻辑联系通过被加工的工件建立起来.

信息的流动由两部分构成:一部分是由工件本身引起的,即工件被加工的工序、几何尺寸等描述物料的属性在不断地发生变化;另一部分是物料在流动过程中与加工设备、辅助工具、运输设备相结合时产生的,如加工设备的/忙0、/闲0状态的变化.要想达到对制造系统的综合认识,为设计、优化和评价系统提供操作模型和处理方法,应该从定性、定量两个方面进行考察,其中定性模型主要反映系统的逻辑结构和运行机制,定量模型主要刻画系统[3]

的数量指标.

所建立的仿真模型应包含制造系统的静态信息和动态信息,其中静态信息包括物理设备的信息及设备之间的逻辑信息,如布局、资源信息等;动态信息包括物料流、信息流、资源之间的交互、工件的随机到达模型、设备的服务模型、工件在队列中排列的规则等内容.

3 有向图建模机制

制造系统中基本构成的功能相对独立,采用面向对象技术可以很好地建立实际系统的仿真原型.建立实际系统的仿真模型时,面向对象的建模方法与传统的建模方法不同,前者是将实际系统中的实体抽象为相对独立的对象,对象之间通过关系相互连接起来,并且每个对象具有自己的属性和行为模2期王书亭等:面向制造系统的有向图仿真建模方法研究

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式,每个对象按照与其它对象之间的关系通过交互来行动.

由于不同的制造系统可以抽象出许多不同的具体对象,而不同对象的属性、行为模式可能有很大差别,在动态仿真过程中状态变迁的情况也可能差别很大,且在面向对象的仿真模型中所处的结构层次也不尽一致.因此,从刻画制造系统功能的角度考虑,为更有利于准确建立和理解仿真模型,本文将面向对象建模中的模型结构划分为4个子模型:

(1)图形显示模型.利用几何图形和纹理图描绘制造系统中各种资源设备的外形和外貌,以及设备在工作时的运动形式.图形显示模型包括几何外观模型和运动学模型两部分.

(2)对象关系模型.利用有向网络图来描述一个制造系统中物理子系统的组成,包含了对象以及对象之间的相互关系(连接、类型).对象通过设计者所期望的连接方式相互连接起来,然后按对象内部的行为和关系来相互交互.

(3)对象行为模型.定义对象在动态仿真过程中的行为.包括状态机和对象行为模型两部分.

(4)层次结构模型.按整体-部分的结构关系构建比较复杂的模型.

制造系统的仿真模型可以用三维有向网络图来表示.实际系统中,物理设备构成网络图中相应的节点,工件在设备间的流动形成了网络图中相应节点间的有向弧线,因此网络图中的节点就是建模元素类中的对象,有向弧是对象之间的相互关系.此外,每个节点上挂着该对象的图形显示模型和行为模型.所以,描述制造系统的有向图实际上是一个三维有向网络图,对象的图形显示模型和行为模型都可以用网络图进行描述.因此,可以采用面向对象的有向图来构建制造系统的仿真模型.

[4-6]

流动过程中要经过一些步骤,如被创建、排队等待、接受处理等,直至退出系统.

对象关系模型主要包括以下部分:(1)对象.主要指制造、加工设备和存储单元等有形实体,如机床、夹具、传输设备、加工件等.

(2)对象的布局位置坐标.用于连接被加工件在不同设备之间的转移.

(3)描述不同对象(设备)之间关系的有向图.表明不同设备之间的连接关系.

在对象的关系模型中,使用有向图这一数据结构来描述制造系统.有向图的每个节点就是一个对象,它代表制造系统中一个实际的资源;有向图中的弧表示不同对象之间的具体逻辑关系.使用有向图可以显式地描述工序(或工艺活动)之间的时序关系,有效地描述可选任务序列、并行任务、任务分解工艺活动的时序等内容.

图2所示为一个制造环境中的关系模型,图中有3个对象,每个对象下面标出了对象所属类的类名;对象之间的关系则用有向弧线标出,上面列出了关系的类型.这个简单对象关系模型表示机器从输送带1接收工件,机器加工后的工件直接传送给输送带2.

4.2 行为模型和状态机

对象不仅要与环境交互作用,更主要的是要解释和处理接收到的其它对象发送来的消息,实现自身的功能.一旦对象接收到外部的消息,消息处理就成为对象的核心,因为它反映了对象的真实功能.我们用行为模型对制造系统的动态方面进行建模,它包含于每个对象之中,定义对象收到消息之后如何反应,或对象随时间推进而产生的行动.

对象接收到消息之后的反应既与消息的种类有关,同时又依赖于对象当前所处的状态.因此,为了更好地描述对象的复杂行为,在对象的行为模型中使用了状态机.

状态机说明对象在它的生命周期中响应事件所经历的状态序列以及它们对相应事件的响应,它涉及一个对象生命周期内离散状态和状态的迁移.一个对象的状态机可表示为G=(Q,2,D,q0,Qm),其中,2为对象相关事件集合{Ri};Q为对象的内部状态集{qi},q0IQ为初始状态;D为一种变换[9-10]

4 制造系统仿真建模

4.1 对象关系模型

对象关系模型用来描述制造系统的组成,并准确地构建其原型.对象之间的关系描述定义了一个对象有可能与其它对象进行交互的消息传递协议.该协议是一个对象对外界所能提供服务的说明,当一个对象与其它对象建立连接之后,对象之间则根

-8]

据定义的消息传递协议进行通信[7.因此,通过描述制造系统的对象、对象之间的关系、蕴含于仿真模型中所规定的规则,以及基于消息的通信就可以描述制造系统的整体功能.被加工的工件流入网络,在

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2XQyQ,称为状态转换函数,也可写成qi=D(R,qj),表示状态变迁中事件与状态的关系;QmAQ,称为标志状态集.

G可以用有向图表示,其中状态用节点表示,状态转换qi=D(R,qj)可表示为一有向边,图3所示为一条简单的工厂生产线上某台机器的状态机.

对象的非空行为集合{bi},b0IB为初始行为,b0主要用于描述主动对象的初始行为.

A表示对象的行为机构,即对各种消息事件作出相应的反应,产生自行状态的迁移,并向系统发出相应的消息.对象的行为机构可以用一个树状的有向行为网络图来表示,如图4 a所示.

一个对象的行为模型可以采用一个树状的行为有向图来描述,它包含对象的数据、行为处理和消息解释规范,同时也包含向其它对象发送消息和其它特殊的系统功能.行为网络就挂在所属对象上,因此属主对象描述了行为模型所属对象的物理部分,而行为模型则是其逻辑部分.

如图4 a所示,行为模型由有限个预定义的逻

其中,2={A,B,C,L}表示机器的事件集合:装工件,卸工件,故障,修复.

Q={I,W,D}表示机器的状态集合:准备,工作,停机.

使用状态机对具有复杂行为的对象建立行为模型时,可以按照对象状态的不同对其行为模式进行组织,这样就能更好地构建复杂的行为,使行为模型更清楚、更益于理解和维护.进一步,结合对象的状态机概念,我们可以用一个五元组来表示对象(G,Y,B,A,b0).其中,G表示对象的状态机;Y表示对象产生的消息集合;B表示

辑构成,一个行为模型的主要成分包括:物理对象、消息解释器、消息响应、属性数据和行为逻辑.

物理对象.物理对象是树根,这个部分将展示行为网络中定义的行为.它接收其它对象发送来的消息并作出相应的反应.

消息解释器.当一个物理对象接收到一个消息时在这里被识别、解释.如果它发觉发送消息的对象与自己相关,就会激活一个自己的行为模型.

消息响应.与消息解释器相连,它拥有所有反应的消息的类型.当一个消息解释器被激活时,这一部分就会启动相应的反应.

对象属性数据.描述对象的特征的数据.

行为逻辑.与消息响应相连,并构成一个树状链.行为逻辑被连接起来构成描述行为处理的流图,它们共同实现网络结构定义的行为.一个行为模型定义了对象的行为,当一个消息传来时,相应的行

为网被激活,接着搜索相应的消息类型.如果匹配,就执行相应的操作和改变对象的状态,直至中止,其工作过程如图4 b所示.例如,一台机器在仿真过程中其行为将会涉及决定处理何种工件、怎样加装

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工件、如何加工处理工件、处理之后输出何种工件、出现故障时怎么处理等一系列行为反应.

4.3 层次结构模型

现代制造系统大都是按模块化和层次化结构来组织的,不同层次的结构具有相对独立的功能.我们用层次结构模型表示制造系统中这种/整体)部分0

的结构关系,它是一个以类为节点,以整体-部分结构关系为边的连通有向图[11-12].图5所示为制造系统中常见的自动导引小车(AGV)运输网的层次结构模型,它由AGV,装、卸站点,以及小车路径等子对象聚合而成.

4.4 几何模型和运动学模型

在系统仿真中,采用图形技术能描述许多用语言难以表达的信息、便于信息交流、加快建模速度、提高仿真精度和仿真效率、降低对用户操作水平的要求.同时,三维图形化辅助建模是三维动画仿真的基础,这里主要涉及对象的三维几何模型和对象的三维运动学模型.

制造系统中的每个实体对象既有自身的物理属性,同时又有自己的几何属性,几何模型描述了制造系统中实体的外形、外观(纹理、表面颜色)及几何装配关系等.在构造对象类时,将实体的物理属性与几何模型封装在一起,再将对象类存储于对象类库中.当用户建模时,可直接从对象类库中调出对象模块,并按需要通过非编程方式交互地更改类对象的相关属性和几何模型,快捷地构建所需仿真对象.

对对象进行几何建模后,对象就具备了静态的三维几何性质,但这对于描述对象的动态行为和产生动画效果是不够的.为了建立对象的运动学模型,要求在建立对象的几何模型时必须采用几何模型的分解结构,即采用相对层次装配结构来描述对象的几何组成.几何对象的装配层次至少有两层,每一层又可以有多个模块,这些模块既可以作为整体共同运动,又可以在一定约束下单独运动.

对象的分解几何模型也可以用树状的有向图加以描述,其中节点是对象几何模型的各级组成模块,有向边表示了这些模块之间的相对装配层次关系.一个简单机床的几何模型及其几何组成的相对层次结构如图6所示.这个机床有一个固定的基座,直接装配在基座上的是一个可上下移动的机床头和一个可前后移动的导轨,在机床头上直接装有一个可旋转的刀具,在导轨上面装有一个可左右移动的工作台.图6 b中的有向边表示两个模块之间具有相对

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运动的装配关系,同时有向边的方向还表示了运动的/传递0关系,即对/父0节点实施的几何变换自动

地/传递0给它的所有/子0节点.

因此,在建立一个对象的完整三维模型时,用户首先将其分解为不同的模块,然后按装配层次将这些模块装配起来.这样,就可在几何模型的基础上进一步构建对象的运动学模型,描述制造系统中的相关实体的诸如加工过程等复杂几何运动,更加真实地刻画、显示仿真过程中实体的活动,显示模型的行为和制造系统的实际状态.

观地定义仿真模型;采用动画显示方式,能够动态地显示系统仿真运行的状态和行为数据,便于用多种分析方法进行评估.(4)可以消除概念模型和仿真计算模型之间的不一致,实现了模型描述过程的统一化和规范化.参 考 文 献

[1]

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5 结 论

本文提出了将/面向对象的分析方法、三维几何模型和仿真机制0统一起来的有向图建模机制,将仿真模型划分为图形显示模型、对象关系模型、对象行为模型和层次结构模型等4种模型,使各种模型能够作为相对独立单位被单独定义,使对象的创建更加灵活、容易,方便了各种模型的重用.行为模型封装在对象内部,对象行为自主,不需要系统的干涉.采用面向对象的建模方法,既符合人们的思维方式,同时又具有数据抽象、信息隐蔽、继承、动态连接等特点,因而使得仿真建模更为直观、自然,也是当前在虚拟实现技术与仿真结合中被广泛采用的建模技术之一.该方法在一体化虚拟仿真平台InteVSS中得到了初步应用,实现了对实际制造系统进行快速建模的目的.从实际应用情况来看,采用面向对象的三维图形化建模方法优点主要有:(1)采用3D有向图的建模机制建立制造系统的仿真模型,可以使概念更清晰,使模型更易组织和构建.(2)采用面向对象建模技术,在模型的抽象建立方面提高了建模能力;通过提供对象类库,大大缩短了建模的难度和时间,使仿真模型易于建立,便于检验.(3)系统平台采用三维图形化形式的建模技术,使用户易于形象、直

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