基于UML的生產(chǎn)過(guò)程建模研究

張菲 郭慶峰 張帥 高阿曼

[摘 要]智能制造趨勢(shì)下智能管控系統(tǒng)和仿真模擬系統(tǒng)是支撐企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能管控的信息化平臺(tái)，構(gòu)建清晰、明確的生產(chǎn)過(guò)程模型是保證管控系統(tǒng)智能性和仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文基于UML建模技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程建模方法進(jìn)行研究，采用面向?qū)ο蠓治鲈O(shè)計(jì)方法，分析生產(chǎn)過(guò)程的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，構(gòu)建生產(chǎn)過(guò)程模型。

[關(guān)鍵詞]UML建模技術(shù);生產(chǎn)過(guò)程建模;面向?qū)ο?/p>

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.06.033

[中圖分類號(hào)]TP311.52[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2020）06-00-03

0? ? ?引 言

隨著工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國(guó)制造2025等先進(jìn)制造戰(zhàn)略的提出，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始使用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及人工智能等先進(jìn)技術(shù)探索智能制造的落地實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)過(guò)程作為產(chǎn)品生命周期中的核心內(nèi)容，決定著產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)流程是否合理、高效、低成本。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能管控和仿真模擬是智能制造的兩大核心需求，而生產(chǎn)過(guò)程建模是智能管控和仿真模擬必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)生產(chǎn)過(guò)程模型進(jìn)行清晰、明確地定義是保證智能管控系統(tǒng)精確可靠運(yùn)行和仿真模擬系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的必要條件，是智能管控系統(tǒng)和仿真模擬系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)。雖然上述研究針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程建模采用了各種技術(shù)和方法，但是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的描述不夠全面、顆粒度不夠細(xì)致，在生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的問(wèn)題，不能為實(shí)際生產(chǎn)管控提供顆粒度更小的可調(diào)度活動(dòng)來(lái)提高管控系統(tǒng)的智能性，不能精確模擬生產(chǎn)過(guò)程中最小可調(diào)度活動(dòng)的控制來(lái)提高仿真預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，也沒(méi)有涉及實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)與實(shí)際管控系統(tǒng)的交互等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程建模的作用體現(xiàn)在理論仿真層面，不能深入生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際管控調(diào)度中。為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)研究UML建模技術(shù)，研究生產(chǎn)過(guò)程的建模方法，使生產(chǎn)過(guò)程的建模過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，且基于UML建模的生產(chǎn)過(guò)程模型能夠更加精確規(guī)范地描述生產(chǎn)過(guò)程，為智能管控系統(tǒng)和仿真模擬系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，以提高管控系統(tǒng)的智能性和仿真模擬系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1? ? ?UML建模技術(shù)

UML（Unified Modeling Language，統(tǒng)一建模語(yǔ)言）是一種支持面向?qū)ο蟮能浖７椒ǎ呀?jīng)成為一種編制軟件藍(lán)圖的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言，提供了一套描述軟件系統(tǒng)模型的概念和圖形表示法以及語(yǔ)言的擴(kuò)展機(jī)制和對(duì)象約束語(yǔ)言，使UML語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜軟件系統(tǒng)的建模非常合適。UML建模包括靜態(tài)建模機(jī)制和動(dòng)態(tài)建模機(jī)制，靜態(tài)建模機(jī)制用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)組成，包括用例圖、類圖、對(duì)象圖、包圖、構(gòu)件圖和配置圖;動(dòng)態(tài)建模機(jī)制用于描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元素的動(dòng)態(tài)行為，包括狀態(tài)模型、順序模型、合作模型和活動(dòng)模型，以狀態(tài)圖、順序圖、合作圖、活動(dòng)圖來(lái)表示。

2? ? ?基于UML建模的生產(chǎn)過(guò)程建模

基于UML建模技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程建模包括靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模，靜態(tài)建模用于描述生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)資源模型、工藝靜態(tài)模型，動(dòng)態(tài)模型用于描述生產(chǎn)過(guò)程中資源的狀態(tài)變化、生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程、生產(chǎn)任務(wù)的狀態(tài)變化、生產(chǎn)活動(dòng)的狀態(tài)變化以及生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)備狀態(tài)之間的關(guān)系。

2.1? ?生產(chǎn)過(guò)程靜態(tài)建模

基于UML建模技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程靜態(tài)建模是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中涉及的資源、工藝過(guò)程進(jìn)行全要素系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類建模，描述各類的屬性以及類與類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系?；赨ML建模的生產(chǎn)過(guò)程系統(tǒng)類圖如圖1所示。

生產(chǎn)過(guò)程靜態(tài)建模的步驟如下所示。①抽象出生產(chǎn)過(guò)程的全要素組成對(duì)象類，在抽象生產(chǎn)過(guò)程的全要素組成對(duì)象類的過(guò)程中，在生產(chǎn)過(guò)程基本的工藝、工步和資源的基礎(chǔ)上將工步進(jìn)一步詳細(xì)為顆粒度更小的可調(diào)度活動(dòng)，活動(dòng)能夠更加清晰明確地表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)作業(yè)步驟。各個(gè)活動(dòng)所關(guān)聯(lián)的資源信息能夠更加清楚地明確生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)資源情況，且活動(dòng)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系表達(dá)了生產(chǎn)過(guò)程與物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。②根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的智能管控和仿真模擬需求，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了定義，以保證智能管控系統(tǒng)和仿真模擬系統(tǒng)能夠根據(jù)各個(gè)類之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行信息交互和傳遞。③根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程，將抽象出的各個(gè)類的屬性進(jìn)行定義，定義過(guò)程中充分考慮各屬性是否能夠支撐在生產(chǎn)過(guò)程的智能管控和仿真模擬系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.2? ?生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)建模

基于UML建模技術(shù)的生產(chǎn)過(guò)程動(dòng)態(tài)建模能夠完整地表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，本文在生產(chǎn)單元制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)建模中應(yīng)用了以下兩種方法：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中涉及的各個(gè)類的狀態(tài)變化進(jìn)行狀態(tài)圖建模，描述各個(gè)類的狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制;對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程進(jìn)行順序圖建模，描述生產(chǎn)工藝流程的過(guò)程順序。

2.2.1? ?使用狀態(tài)圖描述狀態(tài)變化

設(shè)備狀態(tài)圖用于描述設(shè)備資源在生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)變換，設(shè)備狀態(tài)在生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度中是首要約束條件，調(diào)度過(guò)程中根據(jù)基于物聯(lián)網(wǎng)感知的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)決定活動(dòng)的分配結(jié)果，如圖2所示。

生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)是從添加任務(wù)到任務(wù)結(jié)束過(guò)程中的狀態(tài)變化，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行建?？刂?，能夠在系統(tǒng)中及時(shí)查看任務(wù)狀態(tài)并進(jìn)行后續(xù)決策，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)狀態(tài)判斷后續(xù)的活動(dòng)自動(dòng)執(zhí)行過(guò)程。由于下達(dá)的生產(chǎn)任務(wù)可以包含多個(gè)零件，因此生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)包括任務(wù)狀態(tài)和零件狀態(tài)，生產(chǎn)任務(wù)和零件之間的狀態(tài)相互影響，如圖3所示。

活動(dòng)指生產(chǎn)單元中最小可調(diào)度的控制活動(dòng)，由于活動(dòng)的顆粒度足夠小，因此對(duì)活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制可以保證生產(chǎn)過(guò)程中活動(dòng)執(zhí)行順序邏輯的精準(zhǔn)性、正確性和可靠性，生產(chǎn)單元根據(jù)下發(fā)的活動(dòng)指令執(zhí)行相應(yīng)操作，調(diào)度根據(jù)活動(dòng)狀態(tài)的變換來(lái)控制活動(dòng)的后續(xù)處理，活動(dòng)狀態(tài)圖如圖4所示。

2.2.2? ?使用順序圖描述工藝流程過(guò)程

工藝流程是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程順序的描述，根據(jù)工藝流程的順序圖可以直觀表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程中的活動(dòng)順序、活動(dòng)之間的關(guān)系以及各個(gè)活動(dòng)相關(guān)的控制系統(tǒng)、執(zhí)行設(shè)備、觸發(fā)條件等信息。工藝流程的順序圖示例如圖5所示，將工藝流程拆分為顆粒度最小的可調(diào)度活動(dòng)，由智能管控系統(tǒng)根據(jù)活動(dòng)之間的順序關(guān)系觸發(fā)活動(dòng)的開(kāi)始指令，根據(jù)指令的設(shè)備屬性和參數(shù)屬性將指令發(fā)送到指定的設(shè)備，設(shè)備執(zhí)行完成之后再將完成信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸給智能管控系統(tǒng)。

基于UML建模技術(shù)的制造單元生產(chǎn)過(guò)程建模能夠更加清晰明確地表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的業(yè)務(wù)需求分析提供可視化的工具，在生產(chǎn)過(guò)程中可以支持管控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)度，并基于互聯(lián)網(wǎng)的活動(dòng)信息交互，使管控系統(tǒng)能夠即時(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，提高管控系統(tǒng)的智能性，同時(shí)活動(dòng)的顆粒度足夠小也能夠保證生產(chǎn)過(guò)程仿真模擬的準(zhǔn)確性，且能夠根據(jù)仿真結(jié)果快速優(yōu)化建模過(guò)程。

3? ? ?總結(jié)與展望

本文研究了一種基于UML建模的生產(chǎn)過(guò)程建模方法，通過(guò)構(gòu)建生產(chǎn)過(guò)程靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，從不同視角清晰明確地表達(dá)生產(chǎn)過(guò)程，為建設(shè)基于模型的智能管控系統(tǒng)和仿真模擬系統(tǒng)提供了重要技術(shù)支持。該建模方法同樣適用于其他車(chē)間制造過(guò)程、裝配過(guò)程等。后續(xù)本文將進(jìn)一步研究基于UML建模的方法在企業(yè)信息系統(tǒng)中其他方面的應(yīng)用，為企業(yè)的信息化提供有力支撐。

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