企業(yè)軟件論文：制造業(yè)建模軟件設(shè)計(jì)探討

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本文作者：趙凱、戴毅茹、王堅(jiān) 單位：同濟(jì)大學(xué)CIMS研究中心

整個(gè)建模軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足以下主要功能：①友好的用戶(hù)界面。軟件以層次性工具欄、菜單、建模窗口表現(xiàn)“四流”可視化效果；②體現(xiàn)“四流”合一建模思想。通過(guò)管道通道將對(duì)象連成模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；③軟件通用性與擴(kuò)展性。軟件適用包含重型裝備企業(yè)的一系列離散制造企業(yè)；④動(dòng)態(tài)設(shè)定模型對(duì)象屬性。可視化參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)置對(duì)象屬性參數(shù)，提供仿真數(shù)據(jù)接口；⑤動(dòng)態(tài)管理模型對(duì)象參數(shù)。統(tǒng)一的參數(shù)封裝對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和本地保存、讀取。

建模方法及關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)

1基于四流合一的生產(chǎn)能耗過(guò)程建模方法

高能耗離散制造企業(yè)制造過(guò)程在反映產(chǎn)品加工過(guò)程的同時(shí)，也體現(xiàn)了能生產(chǎn)過(guò)程能源消耗的情況，能源消耗過(guò)程與產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程緊密關(guān)聯(lián)。企業(yè)生產(chǎn)能耗過(guò)程是能耗活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)相互作用、相互影響形成的復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性來(lái)源于能源流、物料流、信息流、排放流四個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的耦合關(guān)系和交互行為，表現(xiàn)為“四流合一”的運(yùn)行機(jī)制，需要從全局建立企業(yè)生產(chǎn)能耗過(guò)程模型，統(tǒng)一分析，整體優(yōu)化。企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過(guò)程建模從企業(yè)設(shè)備層出發(fā)到車(chē)間、部門(mén)進(jìn)而建立整個(gè)模型，實(shí)現(xiàn)局部與整體的統(tǒng)一，通過(guò)設(shè)備、物料、能源與排放單元的參數(shù)化配置，實(shí)現(xiàn)模型單元?jiǎng)討B(tài)聯(lián)動(dòng)。

2工程化抽象工廠模式

設(shè)計(jì)模式提供了更高的分析和設(shè)計(jì)視角，降低軟件模塊間的耦合度。在建模需求分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用抽象工廠模式解耦模型任務(wù)執(zhí)行控制、任務(wù)數(shù)據(jù)生成，基于抽象工廠模式的模型構(gòu)造體系具有強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展機(jī)制，增強(qiáng)了模型構(gòu)造的推廣能力。抽象工廠模式提供創(chuàng)建一系列相關(guān)或相互依賴(lài)的對(duì)象接口，它屬于對(duì)象創(chuàng)建型模式，其一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。抽象工廠是工廠方法模式的核心，為子類(lèi)提供統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。具體產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)客戶(hù)應(yīng)用邏輯，是客戶(hù)端的最終需求。

3ILOG圖形化技術(shù)

IBMILOG技術(shù)使復(fù)雜數(shù)據(jù)更易于理解和管理，加快了開(kāi)發(fā)圖形化產(chǎn)品的速度和能力。ILOGDiagrammerfor.NET是一整套樣例、圖形符號(hào)、全功能軟件開(kāi)發(fā)套件的封裝集合，它完全兼容微軟.NET開(kāi)發(fā)環(huán)境，補(bǔ)充了窗體應(yīng)用和Web應(yīng)用的組件。ILOG合成了三種圖形化編輯工具：圖表設(shè)計(jì)器、UML類(lèi)圖表編輯器、商務(wù)處理建模符號(hào)編輯器。商務(wù)處理建模符號(hào)編輯器提供了用于工業(yè)制造系統(tǒng)的建模參考圖元及相關(guān)調(diào)用接口，提供了用戶(hù)通用設(shè)計(jì)類(lèi)UerSymbol和容器類(lèi)型基類(lèi),繼承這些類(lèi)易于將自定義符號(hào)綁定到后端數(shù)據(jù)源。

建模系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要模塊實(shí)現(xiàn)

1模型關(guān)鍵類(lèi)的UML靜態(tài)設(shè)計(jì)

離散制造企業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程決定了模型的復(fù)雜性，面向?qū)ο蟮睦^承特性使在抽象層次上定義統(tǒng)一規(guī)范的接口，來(lái)解決復(fù)雜模型對(duì)象間的層次關(guān)系成為可能。基于抽象工廠模式的重型裝備企業(yè)建模系統(tǒng)模型構(gòu)造整體類(lèi)圖如圖3所示。

2模型抽象工廠構(gòu)造

系統(tǒng)建模的過(guò)程就是搭建一個(gè)虛擬工廠來(lái)模擬企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境的過(guò)程，將能耗設(shè)備、能源、信息、排放單元以能源管道與信息通道關(guān)聯(lián)組成工廠模型。基于重型裝備企業(yè)的抽象工廠模型角色表示為：

（1）模型抽象工廠類(lèi)定義一系列不同類(lèi)離散制造企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境所包含的返回抽象產(chǎn)品對(duì)象接口的方法，包括能耗設(shè)備、物料、信息控制、排放單元、管道及信息通道和子過(guò)程對(duì)象。

（2）重型裝備模型具體工廠類(lèi)在建模系統(tǒng)調(diào)用下創(chuàng)建抽象產(chǎn)品的實(shí)例。通過(guò)覆寫(xiě)抽象工廠類(lèi)定義的方法實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用邏輯。

（3）模型抽象元素基類(lèi)描述工廠方法模式所創(chuàng)建的模型對(duì)象的父類(lèi)。設(shè)備基類(lèi)封裝設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)、名稱(chēng)、類(lèi)別、額定功率、噸位、緩沖容量、能耗物質(zhì)、工作狀態(tài)、前續(xù)后續(xù)對(duì)象、以及設(shè)備動(dòng)態(tài)工作參數(shù)表，設(shè)備動(dòng)態(tài)工作參數(shù)描述在具體仿真環(huán)境中設(shè)備的輸入輸出與運(yùn)行參數(shù)，每組工作參數(shù)均由目標(biāo)工件、輸入、輸出，能耗物質(zhì)、準(zhǔn)備時(shí)間、加工時(shí)間、等待功率、準(zhǔn)備功率、加工功率、阻塞功率、工件磨損率組成。且封裝了創(chuàng)建工廠設(shè)備對(duì)象的抽象方法。物料、能源等非設(shè)備對(duì)象基類(lèi)與設(shè)備基類(lèi)拆分降低了程序設(shè)計(jì)的耦合性，主要封裝唯一標(biāo)識(shí)、名稱(chēng)、類(lèi)型、前續(xù)后續(xù)對(duì)象、節(jié)點(diǎn)類(lèi)別、反饋類(lèi)型等及創(chuàng)建模型工廠實(shí)體的抽象方法。能源管道與信息通道基類(lèi)封裝了起點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)、起始末端綁定對(duì)象、管道類(lèi)型,通道類(lèi)型及創(chuàng)建模型工廠實(shí)體的抽象方法，ILOGLink類(lèi)創(chuàng)建對(duì)象數(shù)據(jù)流而不直接生成圖元。車(chē)間、部門(mén)對(duì)象基類(lèi)充當(dāng)容器角色，它封裝了對(duì)象唯一標(biāo)識(shí)、名稱(chēng)、類(lèi)型、前續(xù)對(duì)象、對(duì)象及創(chuàng)建工廠實(shí)體的抽象方法。為使模型對(duì)象兼容ILOG圖形及矢量圖性質(zhì)，設(shè)備基類(lèi)和非設(shè)備基類(lèi)繼承UserSymbol類(lèi)，管道通道基類(lèi)繼承Link類(lèi)。子過(guò)程基類(lèi)繼承SubDiagram容器類(lèi)。

（4）模型具體元素類(lèi)主要封裝建模元素對(duì)象特有屬性，以及通過(guò)override關(guān)鍵字覆寫(xiě)抽象元素所封裝的抽象方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具體建模元素的應(yīng)用邏輯。

3模型數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)模式

建模是為仿真優(yōu)化做準(zhǔn)備，模型數(shù)據(jù)既要能直接通過(guò)拖拽建模元素構(gòu)建，也應(yīng)能從本地化存儲(chǔ)文件直接打開(kāi)。可擴(kuò)展的標(biāo)記語(yǔ)言XML是一種結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語(yǔ)言，適合于對(duì)象模型向結(jié)構(gòu)化文本映射。模型數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)依賴(lài)于模型對(duì)象的參數(shù)化屬性，本地保存時(shí)將模型圖元的邏輯位置、大小、工作參數(shù)寫(xiě)入XML文件。打開(kāi)模型時(shí)從XML讀取相應(yīng)屬性值重新調(diào)用抽象工廠模型構(gòu)造模型。模型數(shù)據(jù)流與對(duì)象模型到XML的數(shù)據(jù)交換如下：

（1）模型參考庫(kù)實(shí)現(xiàn)。基于抽象工廠設(shè)計(jì)模式的模型構(gòu)造器使得軟件可以構(gòu)建不拘泥于單一類(lèi)企業(yè)的模型對(duì)象，而面向用戶(hù)的建模軟件要求建模元素的名稱(chēng)及分類(lèi)簡(jiǎn)單、明了，模型元素庫(kù)將企業(yè)真實(shí)生產(chǎn)設(shè)備、能源、物料、排放物質(zhì)導(dǎo)入模型類(lèi)節(jié)點(diǎn)，搭建企業(yè)生產(chǎn)能耗建模環(huán)境。參考模型庫(kù)的構(gòu)建依賴(lài)于本地元數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶(hù)可自定義建模元素。將企業(yè)真實(shí)的生產(chǎn)設(shè)備、能源、物料、排放物質(zhì)按類(lèi)型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并映射到XML文檔。

（2）模型子過(guò)程實(shí)現(xiàn)。離散制造企業(yè)的生產(chǎn)工序繁雜，建模時(shí)從層與級(jí)的角度建立基于車(chē)間或部門(mén)的生產(chǎn)能耗過(guò)程模型，車(chē)間或部門(mén)作為子過(guò)程存在。從底層的設(shè)備層，車(chē)間、部門(mén)層或者廠區(qū)等不同粒度的角度建模，使得模型層次分明、可視性好。子過(guò)程的構(gòu)造依賴(lài)于抽象產(chǎn)品類(lèi)subDiagram。子過(guò)程充當(dāng)建模容器角色，可將所有建模元素繪制到其里面去，子過(guò)程折疊時(shí)子過(guò)程里面所有模型對(duì)象隨之折疊，展開(kāi)時(shí)也隨之展開(kāi)，子過(guò)程的容器特性是通過(guò)將創(chuàng)建的模型對(duì)象加載到子過(guò)程對(duì)象SubDia-gram的SubDiagramObjects屬性里實(shí)現(xiàn)。

（3）模型可視化實(shí)現(xiàn)。模型可視化即建模圖元的層次化及模型圖元、屬性及仿真動(dòng)畫(huà)參數(shù)數(shù)據(jù)的可視化。模型對(duì)象的層次化顯示依賴(lài)于子過(guò)程，鼠標(biāo)事件捕捉的Windous窗口坐標(biāo)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能將對(duì)象繪制在ILOG容器適當(dāng)位置，包括Windous窗口到模型窗口、模型窗口到子過(guò)程及子過(guò)程到子過(guò)程容器里子過(guò)程的坐標(biāo)映射，映射方法為Point()->Point2D()，ILOGdiagramView類(lèi)的GetViewToContainerTransform()方法返回Transform類(lèi)得到轉(zhuǎn)換的映射矩陣，Transform類(lèi)的TransformPoint()方法接收一個(gè)Point2D坐標(biāo)，通過(guò)映射得到需要的邏輯坐標(biāo)。模型抽象產(chǎn)品繼承自UserSymbol、Link或SubDiagram基類(lèi)把上層圖元和模型數(shù)據(jù)綁定起來(lái)，它們提供了構(gòu)造可視化圖形的模板，簡(jiǎn)化了圖元的底層構(gòu)造。仿真動(dòng)畫(huà)的實(shí)現(xiàn)基于圖層刷新與仿真數(shù)據(jù)捕捉兩方面。圖層顯示即圖元與建模元素?cái)?shù)據(jù)的綁定，仿真數(shù)據(jù)捕捉通過(guò)C#多線程回傳仿真推進(jìn)中設(shè)備的等待、工作隊(duì)列及狀態(tài)參數(shù)。

（4）建模結(jié)果。抽象工廠模型構(gòu)造器及建模對(duì)象應(yīng)用邏輯設(shè)計(jì)好后軟件就基本開(kāi)發(fā)完成。圖5是重型裝備企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過(guò)程模型片段圖。包括動(dòng)力處，冶鑄、鍛壓和熱處理車(chē)間，車(chē)間之間由中間產(chǎn)品相連，鍛壓車(chē)間包含加熱爐、油壓機(jī)、水壓機(jī)等能耗設(shè)備，同時(shí)伴隨天然氣、高壓電等能源消耗，紅色線條為能源管道，綠色線條為物料通道，藍(lán)色線為生產(chǎn)控制信息通道。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了抽象工廠模式，在重型裝備制造企業(yè)生企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過(guò)程模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，基于ILOG圖形技術(shù)，用C#程序開(kāi)發(fā)高能耗企業(yè)生產(chǎn)能耗過(guò)程。可視化建模軟件的基本方法和模型可視化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)模型做了一致性檢查，有較好的可擴(kuò)展性，滿(mǎn)足面向?qū)ο箝_(kāi)放性原則，為企業(yè)模型仿真和優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。