黃雪梅

（哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱 150001）

基于Simevents的機(jī)電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的語義分析與本體建模

黃雪梅

（哈爾濱工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，哈爾濱 150001）

針對應(yīng)用Simevents開發(fā)機(jī)電自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，分析其中支持離散制造運(yùn)行機(jī)制的制造知識語義分析與自動化生產(chǎn)控制領(lǐng)域知識本體建模技術(shù)。從生產(chǎn)系統(tǒng)自動化控制領(lǐng)域知識角度，歸納出其中蘊(yùn)含的核心概念及知識語義，并重點歸納驅(qū)動離散制造過程的生產(chǎn)事件及各制造核心概念之間作用關(guān)系的屬性定義。應(yīng)用Protégé軟件建立了符合OWL機(jī)制并支持Simevents生產(chǎn)系統(tǒng)控制開發(fā)的離散制造控制本體模型。結(jié)合Simevents生產(chǎn)控制軟件系統(tǒng)，提出了所開發(fā)的本體模型與軟件系統(tǒng)的集成方法。以固高柔性生產(chǎn)系統(tǒng)實驗平臺為實例系統(tǒng)對提出的語義本體技術(shù)進(jìn)行驗證。

自動化生產(chǎn)系統(tǒng)；制造本體模型；制造過程語義；Simevents

0　引言

機(jī)電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)在生產(chǎn)實際中廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)發(fā)展，要求系統(tǒng)對外界條件變化具有快速反應(yīng)能力，如生產(chǎn)單元結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的生產(chǎn)能力變化、新產(chǎn)品的引入帶來工藝規(guī)程的改變與調(diào)整、加急生產(chǎn)訂單的插入、設(shè)備的故障等等因素，都要求生產(chǎn)系統(tǒng)具有高度的柔性與重構(gòu)能力。而系統(tǒng)的柔性、重構(gòu)能力成為體現(xiàn)其快速反應(yīng)能力的重要指標(biāo)，具有在線實時決策能力等智能行為機(jī)制的柔性、可重構(gòu)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)已成為必然的發(fā)展趨勢。智能制造機(jī)理的實現(xiàn)需要大量制造知識的支持，面向生產(chǎn)系統(tǒng)控制過程的語義本體能夠提供系統(tǒng)生產(chǎn)過程中涵蓋大量生產(chǎn)制造知識規(guī)范無二義性的形式化語義描述，提供機(jī)器可理解與處理的知識內(nèi)容，供生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行與控制過程中各制造組件之間知識共享、相互交互與通訊、決策推理邏輯，共同完成生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)與制造任務(wù)目標(biāo)。以語義分析與本體建模技術(shù)為核心的基于知識的智能制造技術(shù)成為提高制造系統(tǒng)柔性與重構(gòu)能力的關(guān)鍵［1］。

目前比較著名的制造領(lǐng)域知識本體模型包括MASON（Manufacturing Semantic ontology）［2］，工藝規(guī)范語言PSL（Process Specification Language）［3］。ONEIDA組織建立的智能機(jī)電一體化設(shè)備本體和語義Web為核心的IEC61499本體［4-5］，基于多智能體的分布式智能制造系統(tǒng)語義網(wǎng)與本體知識模型［6-7］，分布式制造系統(tǒng)的自適應(yīng)控制本體ADACOR，同時還有針對具體生產(chǎn)領(lǐng)域的裝配線本體、物料運(yùn)輸系統(tǒng)本體等。本文針對由Matlab的離散事件仿真工具箱Simevents開發(fā)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，建立面向生產(chǎn)線離散制造過程的語義本體模型及制造知識描述，同時將所建立的本體模型與Simevents生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，形成基于語義本體知識支持的生產(chǎn)系統(tǒng)控制平臺，為進(jìn)一步的基于語義本體支持的智能制造系統(tǒng)研究提供基礎(chǔ)。

1　Simevents環(huán)境中的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)及其運(yùn)行機(jī)制語義分析

機(jī)電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制過程體現(xiàn)出明顯的由事件驅(qū)動的離散制造運(yùn)行特征，圍繞生產(chǎn)訂單生成生產(chǎn)計劃，生產(chǎn)計劃產(chǎn)生相應(yīng)任務(wù)來驅(qū)動生產(chǎn)系統(tǒng)各層次的運(yùn)行過程。因此所開發(fā)的軟件控制系統(tǒng)必須能夠充分描述與分析這種以離散事件為驅(qū)動特征的動態(tài)行為過程，本文采用了Simevents來開發(fā)相應(yīng)的底層支持與軟件實施系統(tǒng)。

Simevents是Matlab以離散事件仿真建模與分析為核心功能的工具箱，以基于事件（Event）驅(qū)動的系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制為主要特征［10］。事件驅(qū)動系統(tǒng)核心元素實體（Entity），實體則根據(jù)各種規(guī)則生成（Entity Generation），實體生成同時根據(jù)具體情況賦予各種屬性（Attributes），屬性中包含了實體具有的相應(yīng)各類型信息。通過實體在整個離散系統(tǒng)中事件驅(qū)動機(jī)制的流動與運(yùn)行過程，其中經(jīng)過服務(wù)器（Server）對實體完成不同功能的處理，運(yùn)用相應(yīng)決策策略，控制實體行為，更新實體屬性，最終完成整個運(yùn)行過程。系統(tǒng)各功能塊（block）通過各自的信號輸出端口（signal output port）和信號示波器（signal scope）提供各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)性能分析與優(yōu)化。

在基于Simevents的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中，訂單中包含的加工零件即可視為Simevents系統(tǒng)中的實體，通過對零件生產(chǎn)工藝規(guī)程的制定與生產(chǎn)單元級別的任務(wù)分解，控制零件在整個生產(chǎn)系統(tǒng)中的流動過程。隸屬于具體訂單中的零件的相關(guān)加工制造信息，包括完工時間、工序內(nèi)容、加工參數(shù)、具體工序的加工設(shè)備分配等，皆作為屬性信息跟隨相應(yīng)實體在離散系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)流動，屬性信息根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的動態(tài)行為及驅(qū)動事件進(jìn)行更新并提供數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析結(jié)果，如零件的實時加工狀態(tài)等。生產(chǎn)單元中的加工設(shè)備作為Server對零件進(jìn)行處理，Queue、Route等功能塊對零件的加工路徑進(jìn)行規(guī)劃，零件的排隊、設(shè)備的利用率等信息可隨時提供。同時系統(tǒng)的統(tǒng)計功能可進(jìn)行生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸分析、產(chǎn)量評估、物流運(yùn)輸系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等。目前已初步建立基于Simevents的自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)［12］，系統(tǒng)中蘊(yùn)含的制造知識定義與應(yīng)用則由下文的語義分析與本體建模等技術(shù)來完成。

對于自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的離散制造過程，核心概念可歸納為訂單、生產(chǎn)計劃、零件族及具體加工零件、零件族工藝規(guī)程、以自動化生產(chǎn)設(shè)備為核心的生產(chǎn)單元等，各概念之間的語義由生產(chǎn)系統(tǒng)離散制造運(yùn)行規(guī)律來決定。在生產(chǎn)系統(tǒng)層次，生產(chǎn)訂單驅(qū)動生產(chǎn)計劃的制定與任務(wù)排序，生產(chǎn)任務(wù)中包含的零件族及生產(chǎn)工藝規(guī)程信息作為核心，驅(qū)動加工任務(wù)至各生產(chǎn)單元的分解、生產(chǎn)單元之間的協(xié)調(diào)等決策過程。同時在生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行時驅(qū)動生產(chǎn)任務(wù)的實時監(jiān)控、故障診斷與處理的監(jiān)控過程，并且驅(qū)動生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集及生產(chǎn)線性能分析等優(yōu)化過程。而在生產(chǎn)單元層次，生產(chǎn)單元作為生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成單位，在規(guī)劃完成自身生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)設(shè)備工作過程控制的同時，必須完成與生產(chǎn)系統(tǒng)的通訊與協(xié)同，共享相關(guān)制造信息，包括單元的工藝能力、實時工作狀態(tài)、承擔(dān)加工任務(wù)的在線規(guī)劃狀態(tài)等，接受生產(chǎn)任務(wù)并按規(guī)定要求完成。以上過程形成生產(chǎn)系統(tǒng)本體模型的語義，形成了生產(chǎn)過程語義本體建模的基礎(chǔ)。

2　自動化生產(chǎn)系統(tǒng)離散制造本體建模

自動化生產(chǎn)過程本體屬于領(lǐng)域本體范疇，領(lǐng)域本體定義是針對具體應(yīng)用領(lǐng)域，憑借對具體事物進(jìn)行分類，對所包含的核心概念（concept）進(jìn)行形式化描述，明確定義與說明各具體事物所屬類（class）的劃分及其具有的屬性，同時也明確說明各概念之間的關(guān)系與約束定義。

針對自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，圍繞生產(chǎn)計劃、加工零件、工作單元等離散制造過程核心概念與術(shù)語，由本體模型中屬性（property）定義來描述概念之間關(guān)系與約束。屬性定義包括數(shù)據(jù)屬性（data property）和對象屬性（object property）兩類。以生產(chǎn)計劃概念（類）Product-Plan為例，數(shù)據(jù)屬性包括完工時間DueTime、計劃中包含的產(chǎn)品族種類VarID、需要加工的零件數(shù)量PartNum等數(shù)據(jù)信息。而對象屬性的定義則根據(jù)離散制造特點劃分為兩類，一類為與驅(qū)動離散制造事件相關(guān)的屬性定義，并具體定義格式E_gen_＜classname＞。如加工工序概念Operation會驅(qū)動加工單元WorkStation產(chǎn)生加工事件，則加工工序Operation作為原域（domain），加工單元WorkStation作為作用域（range），由事件屬性E_gen_WorkStation建立概念之間的聯(lián)系。另一類屬性與驅(qū)動事件無關(guān)，如規(guī)定變異零件族概念Product-Variant的工藝規(guī)程概念ProcessPlan，兩個概念之間的聯(lián)系屬性NE_require_ProcessPlan則與事件驅(qū)動無關(guān)。同時屬性定義采用了層次結(jié)構(gòu)，如描述具體工序規(guī)程中各具體工序概念之間關(guān)系的屬性，屬性當(dāng)中需要規(guī)定首道工序FirstStep、尾道工序LastStep及工序之間相互順序PreviousStep約束關(guān)系的定義，這些具體內(nèi)容都定義為工序約束屬性NE_require_Constraints的子屬性。另外事件相關(guān)屬性也采用了層次定義。如E_gen _Operation屬性包含子屬性E_gen_TransOperation和E _gen_ProOperation，說明加工事件的驅(qū)動需要驅(qū)動加工操作與物料運(yùn)輸操作的同時工作來完成。應(yīng)用以上本體定義方法，可以將屬性定義與事件驅(qū)動機(jī)制（離散制造行為）相互聯(lián)系，從而將本體模型與離散制造行為更緊密結(jié)合，所建立本體模型表達(dá)的制造知識更加貼近描述生產(chǎn)系統(tǒng)的離散運(yùn)行機(jī)制。根據(jù)以上原則定義的屬性概念與對象概念根據(jù)制造語義信息建立關(guān)聯(lián)，則可完成相應(yīng)的離散制造本體建模。具體建模過程由本體開發(fā)環(huán)境Protégé軟件［11］完成，本體模型的具體內(nèi)容見圖1。

圖1　機(jī)電自動化生產(chǎn)系統(tǒng)離散制造過程本體模型

3　語義本體與Simevents生產(chǎn)系統(tǒng)的集成

由Simevents開發(fā)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為三部分子系統(tǒng)，包括生產(chǎn)計劃制定與加工零件生成子系統(tǒng)、生產(chǎn)決策與生產(chǎn)過程實施子系統(tǒng)、及生產(chǎn)系統(tǒng)分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計子系統(tǒng)［12］。生產(chǎn)計劃子系統(tǒng)產(chǎn)生貫穿整個系統(tǒng)離散仿真運(yùn)行機(jī)制的核心即加工零件實體。在產(chǎn)生零件實體的同時根據(jù)零件所屬零件族，進(jìn)行其工藝規(guī)程的定義。生產(chǎn)過程實施部分完成對生產(chǎn)系統(tǒng)物理組成結(jié)構(gòu)的描述，主要描述各工作單元設(shè)備組成，以及由各工作單元組成的生產(chǎn)系統(tǒng)的定義。生產(chǎn)過程實施部分同時還要規(guī)定工作單元生產(chǎn)能力，規(guī)劃零件加工路徑，驅(qū)動物流運(yùn)輸單元與加工單元完成加工任務(wù)的具體實施。

根據(jù)Simevents生產(chǎn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，所建立的本體模型與Simevents工具箱及生產(chǎn)控制系統(tǒng)相應(yīng)的功能塊（block）之間建立了如下的映射關(guān)系：

（1）所建立離散制造本體模型中的核心概念即類（class）對應(yīng)Simevents控制系統(tǒng)最上層的功能塊結(jié)構(gòu)。該功能塊類型根據(jù)具體類的知識內(nèi)容，可以為Simulink中的子系統(tǒng)、或是Simevents工具箱中的實體生成（Entity Generation）功能塊、服務(wù)器（Server）等。已生產(chǎn)計劃子系統(tǒng)為例（見圖2），生產(chǎn)計劃ProductPlan、工藝規(guī)劃ProcessPlan等概念構(gòu)成系統(tǒng)中的最上層功能塊結(jié)構(gòu)；

（2）概念功能塊之間的連線代表概念之間的相互作用關(guān)系，由本體模型之中的對象屬性定義來描述；

（3）各核心概念所具有的數(shù)據(jù)屬性由Simevents工具箱中的Set Attributes功能塊來定義具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容；

（4）事件驅(qū)動相關(guān)對象屬性的作用域在軟件系統(tǒng)中對應(yīng)實體生成（Entity Generation）功能塊；

（5）生產(chǎn)設(shè)備概念，即ProcessedMachine與TransportationMachine概念直接對應(yīng)Simevents工具箱中的Server功能塊。該功能塊包含于工作單元概念Workcell代表的simulink子系統(tǒng)中，同時單元級的復(fù)雜的生產(chǎn)過程決策均在該子系統(tǒng)中完成。

由以上方法，離散制造本體模型所描述的生產(chǎn)系統(tǒng)制造知識與Simevents控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)建立了明確的對應(yīng)關(guān)系，對軟件控制系統(tǒng)在語義層次上進(jìn)行了明確定義與說明，為控制系統(tǒng)的設(shè)計與驗證提供方便。圖2以生產(chǎn)計劃制定與加工零件生成子系統(tǒng)為例，說明所建立的離散制造過程本體模型與Simevents控制系統(tǒng)的集成及軟件系統(tǒng)內(nèi)部各元素之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2　離散制造過程本體模型與Simevents控制系統(tǒng)的集成

4　應(yīng)用實例

應(yīng)用實例采用固高公司生產(chǎn)的柔性制造系統(tǒng)FMS，并根據(jù)需要將原系統(tǒng)的生產(chǎn)單元進(jìn)行了擴(kuò)充。原有由內(nèi)雕機(jī)及二自由度機(jī)械臂組成的內(nèi)雕工作單元保留，同時新增兩個工作單元，即三自由度外雕機(jī)組成的外雕單元和XY工作平臺組成的數(shù)控加工單元。三個單元之間通過混合連接運(yùn)送線用于物料運(yùn)送，整條生產(chǎn)線由Profibus-DP連接，實行基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)化控制。三個工作單元所包含的自動化加工設(shè)備具有三維內(nèi)、外雕刻及二維的數(shù)控加工能力。針對本實例系統(tǒng)，建立OWL格式的本體模型，根據(jù)實例系統(tǒng)的具體物理組成，在離散制造過程本體模型基礎(chǔ)上建立各相應(yīng)實例（Instance）來描述實際生產(chǎn)系統(tǒng)。包括生產(chǎn)計劃、加工零件、工藝規(guī)程、生產(chǎn)設(shè)備等具體概念所對應(yīng)的實例。圖3說明了由Protégé軟件建立的固高生產(chǎn)系實例。

圖3　固高柔性制造生產(chǎn)系統(tǒng)實例

5　結(jié)束語

基于Simevents開發(fā)的機(jī)電自動化生產(chǎn)控制系統(tǒng)蘊(yùn)含大量的離散制造運(yùn)行機(jī)理，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要以生產(chǎn)計劃、零件及其工藝規(guī)程、生產(chǎn)單元與設(shè)備生產(chǎn)能為核心概念的大量制造知識的支持，同時還需要基于復(fù)雜制造知識實現(xiàn)生產(chǎn)過程決策與推理過程。本文針對以離散制造過程為核心的制造知識進(jìn)行語義分析及本體建模，并將所建立的知識本體模型與Simevents生產(chǎn)線軟控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，以支持軟件系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行過程。所建立的制造知識本體模型與軟件系統(tǒng)的代碼相分離，在生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)整與重構(gòu)需求時，相關(guān)的制造知識如可通過逐步更新與拓展本體模型來實現(xiàn)，此方法可很好地增強(qiáng)軟件系統(tǒng)的柔性與重構(gòu)能力。同時基于離散制造特征的軟件生產(chǎn)控制系統(tǒng)是進(jìn)一步開發(fā)分布式體系智能可重構(gòu)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這也是本文進(jìn)一步的研究方向。另外所建立的本體知識模型與所開發(fā)的Simevents控制系統(tǒng)的集成目前以手工方式為主，還沒有實現(xiàn)軟件之間的自動集成，是當(dāng)前存在的缺欠，本文也將在下一步的研究工作中進(jìn)一步完善。

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（編輯 趙蓉）

Semantic Analysis and Ontology Modeling for Automatic Production System Based on Simevents

HUANG Xue-mei
（Engineering Training Center，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Automatic production control system was developed by Matlab toolbox Simevents.Focusing on discrete manufacturing procedure of production control system，manufacturing know ledge semantics and ontology model involved are fully investigated.Kernel concepts of manufacturing procedure are summarized and semantics of discrete manufacturing procedure are analyzed.Production control ontology supporting discrete manufacturing control system in Simevents software environment is proposed，semantics of production events driving discrete manufacturing procedure are especially described in the ontology model.The proposed ontology model is developed by Protégé and integration method of proposed ontology model with Simevents production control software environment is provided.Flexible Manufacturing System from Googol Corporation is selected as case study to validate the proposed ontology model.

automatic production system；production control ontology modeling；semantics of manufacturing procedure；simevents

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）02-0082-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.023

2014-04-23；

2014-05-15

黃雪梅（1971—），女，山東威海人，哈爾濱工程大學(xué)副教授，博士，研究方向為制造系統(tǒng)自動化，（E-mail）xmhuang.edu.cn。