一种面向物料节点的离散制造车间七元素描述方法

本发明属于离散制造车间建模仿真，尤其涉及一种面向物料节点的离散制造车间七元素描述方法。

背景技术：

1、激烈的市场竞争要求制造系统及时响应不断变化的生产需求。这就要求制造系统更加灵活和可重构，从而产生更加复杂的生产组织，而这反过来又要求智能制造管理系统及时应对这种复杂的变化。为了应对这一挑战，已经提出了先进的制造运行模式，如信息物理系统和数字孪生车间。在空间维度上，他们强调虚拟-物理双向映射、控制和融合，以构建多维数字孪生模型。在时间维度上，他们侧重于在执行阶段之前、期间和之后等时间尺度上构建车间的虚拟模型。

2、然而，离散制造系统通常具有复杂的控制结构、广泛的设备类型以及需要管理的多种设备关系。因此，在构建车间信息物理系统和数字孪生车间时，需要一个全面的描述模型。具体来说，该模型可以表达/表示各种复杂的生产组织，尽可能精细、及时地实现数字层与物理层的融合。关于描述车间，存在一些模型。例如，plantsimulation、flexsim等中使用的离散事件模拟模型提供了设备级的描述模型。petri网模型用于描述车间生产逻辑。七元素模型用于表达具有处理器(p)、执行器、缓冲区、控制器、流程实体、虚拟服务节点和路径七个关键元素的离散制造系统的生产组织。这些模型在一定程度上可以描述制造设备/设备之间的设备间关系。然而，它们无法描述设备与其所处理的材料之间的设备内部关系。例如，在典型的制造工艺(如装配、喷涂、加工等)中，如何与生产设备处理/交互/加工材料。因此，仍然需要开发一种新的描述模型，能够描述/表达制造设备/设备之间的关系，以及设备与其处理的材料之间的设备内关系。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种面向物料节点的离散制造车间七元素描述方法。

2、本发明的一种面向物料节点的离散制造车间七元素描述方法，包括以下步骤：

3、步骤1：对象功能映射：将离散制造系统组成按照各对象在系统中所充当的具体角色，将其映射为改进的七元组，在原有七元组定义的控制器、处理器、执行器、缓存器、流动实体、物流路径、虚拟服务节点的基础上，识别设备内部的生产活动，新增物料服务节点和服务节点对，用于映射为物料提供生产活动的设备组件以及响应的生产活动。

4、识别设备内部的生产活动，从三方面信息识别不同的生产活动及其特征，分别是设备的类型和物料类型、设备的运行规则以及设备内物料间的直接服务关系。

5、设备的类型和物料类型：在离散制造车间中，将设备类型划分为物流设备、缓存设备和生产设备，将物料的类型划分为工件和工具。

6、设备的运行规则：设备在运行过程中物料进入和离开设备的规则和能同时服务的物料的数量和批次，物料进入和离开设备的规则包括先进先出、同进同出。

7、设备内物料间的直接服务关系：若设备内部物料之间有直接的物理接触，则二者具有直接服务关系，否则无直接服务关系。

8、步骤2：服务节点生成：识别设备内的生产或物流活动并将其定义为一个设备内服务，将设备内服务的提供者映射为服务节点，并将物料服务节点通过路径连接，以描述这些设备内服务在生产过程中如何组合实现各种生产组织形式下的生产服务。

9、物料服务节点的代数定义为：msn＝<f_set,t,msn_state,pr,color>，其中f_set为当前物料服务节点所服务的流动实体的集合，t为服务时间，msn_state为物料服务节点的状态，pr为物料服务节点的优先级参数，color为物料服务节点的颜色，用于识别物料服务节点的类型。

10、服务节点msn可通过下标i来唯一识别，即msni，在同一个建模场景中，msni的下标值i从自然数1开始递增。

11、物料服务节点的颜色，根据设备类型的不同，将其分为用蓝色圆圈表示的物流设备的物料服务节点和用白色圆圈表示的加工/缓冲设备中的物料服务节点。

12、服务节点的优先级参数pr为非负整数，用于判断通过路径连接的不同msn之间的生产活动关系，当msn中物料服务的优先级越低时，pr值越大，将pr值较大的msn作为pr值较小的msn的辅助服务点(例如，工具用pr＝1的msn，工件用pr＝0的msn)，当两个msn具有相同的pr并通过l连接时，表示它们之间的物质流动类型相同，例如，喷涂设备的入口和出口用两个具有相同pr值的msn来抽象描述，并通过l连接。根据材料类型，可通过把服务提供者赋给更高的优先级参数将其分为工件的物料服务节点和工具的物料服务节点。

13、步骤3：服务节点对生成：根据服务节点在路径下的连接关系将设备内部和设备之间发生的生产活动映射为服务节点对，通过服务节点对的参数来描述生产活动执行中所涉及的物料、相应的控制信号以及物料流动方向或相互作用关系。

14、物料服务节点对的代数定义为：snp＝{fsnp,l,dij}，其中fsnp是两个物料服务节点之间当前相互作用过程中涉及的一组物料，不限于工件或工具；l是连接两个物料服务节点的初始无向路径边；dij是物料服务节点对的方向参数。

15、在描述模型实例中服务节点对snp被唯一地识别为snpi-j，其中i和j为snp所连接的两个msn的下标。

16、物料服务节点对的方向参数dij表示两个物料服务节点之间的流向关系，映射与服务节点对相对应的生产活动程序的触发信号和输入参数，其参数值定义如下：

17、

18、步骤4：生成离散制造系统生产组织形式描述模型，将所建模的整个场景的元素通过基于物料服务节点的七元组进行描述。

19、基于物料服务节点的七元组，改进了原有七元组中处理器、执行器和缓存器的定义。

20、处理器：被改进后的代数规范为p＝<ie,oe,t,sn_set,pr_set>，其中ie为输入实体集，oe为输出实体集，t为处理器的服务时间，sn_set为服务节点集合，pr_set为加工服务有限条件集。

21、执行器：被改进后的代数规范为e＝<it,om,lr,sn_set,er_set>，其中it为输入任务集，om为输出消息集，lr为物流任务执行规则集，sn_set为服务节点集合，er_set为物流服务有限条件集。

22、缓存器：被改进后的代数规范为b＝<ie,oe,sn_set,br_set>，其中ie为输入实体集，oe为输出实体集，sn_set为服务节点集合，br_set为缓存服务有限条件集。

23、服务节点集合：其代数定义为snp_set＝{msni|m＜i≤n}，其中m为上一个元素的最后一个服务节点的编号n为该元素内最后一个服务节点的编号。

24、处理器有限条件集pr_set，执行器有限条件集er_set和缓冲区有限条件集br_set，其代数规范可以统一表示为：<pr_set,er_set,br_set>＝{ri|0＜i≤x}，其中ri是元素执行其服务需要判断的第i个必要条件。x是元素执行服务需要满足的需求数量。

25、本发明和现有技术相比的有益技术效果为：

26、1、本发明对七元组建模方法进行了进一步的拓展，通过服务节点和服务节点对实现了设备内生产活动和设备间生产活动的描述，并给出了明确的图形和代数规范，形成基于物料服务节点的七元素描述模型，可以适应于不同类型的复杂离散制造系统的生产组织形式的描述。

27、2、本发明提出的服务节点和服务节点对识别出将离散制造系统中各种生产活动，并给出了明确的图形和代数规范，既能描述设备内的生产活动，又能描述设备间的生产活动，有利于实现各种生产组织形式的更精确的描述，并通过模块化配置实现快速建模。