企業軟件論文：制造業建模軟件設計探討

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本文作者：趙凱、戴毅茹、王堅 單位：同濟大學CIMS研究中心

整個建模軟件的設計和開發，滿足以下主要功能：①友好的用戶界面。軟件以層次性工具欄、菜單、建模窗口表現“四流”可視化效果；②體現“四流”合一建模思想。通過管道通道將對象連成模型拓撲結構；③軟件通用性與擴展性。軟件適用包含重型裝備企業的一系列離散制造企業；④動態設定模型對象屬性。可視化參數設計設置對象屬性參數，提供仿真數據接口；⑤動態管理模型對象參數。統一的參數封裝對模型數據進行存儲和本地保存、讀取。

建模方法及關鍵技術的開發

1基于四流合一的生產能耗過程建模方法

高能耗離散制造企業制造過程在反映產品加工過程的同時，也體現了能生產過程能源消耗的情況，能源消耗過程與產品生產過程緊密關聯。企業生產能耗過程是能耗活動和生產活動相互作用、相互影響形成的復雜系統，其復雜性來源于能源流、物料流、信息流、排放流四個生產過程的耦合關系和交互行為，表現為“四流合一”的運行機制，需要從全局建立企業生產能耗過程模型，統一分析，整體優化。企業生產能耗耦合過程建模從企業設備層出發到車間、部門進而建立整個模型，實現局部與整體的統一，通過設備、物料、能源與排放單元的參數化配置，實現模型單元動態聯動。

2工程化抽象工廠模式

設計模式提供了更高的分析和設計視角，降低軟件模塊間的耦合度。在建模需求分析的基礎上，應用抽象工廠模式解耦模型任務執行控制、任務數據生成，基于抽象工廠模式的模型構造體系具有強大的動態擴展機制，增強了模型構造的推廣能力。抽象工廠模式提供創建一系列相關或相互依賴的對象接口，它屬于對象創建型模式，其一般結構如圖2所示。抽象工廠是工廠方法模式的核心，為子類提供統一的實現標準。具體產品實現客戶應用邏輯，是客戶端的最終需求。

3ILOG圖形化技術

IBMILOG技術使復雜數據更易于理解和管理，加快了開發圖形化產品的速度和能力。ILOGDiagrammerfor.NET是一整套樣例、圖形符號、全功能軟件開發套件的封裝集合，它完全兼容微軟.NET開發環境，補充了窗體應用和Web應用的組件。ILOG合成了三種圖形化編輯工具：圖表設計器、UML類圖表編輯器、商務處理建模符號編輯器。商務處理建模符號編輯器提供了用于工業制造系統的建模參考圖元及相關調用接口，提供了用戶通用設計類UerSymbol和容器類型基類,繼承這些類易于將自定義符號綁定到后端數據源。

建模系統設計及主要模塊實現

1模型關鍵類的UML靜態設計

離散制造企業的復雜生產過程決定了模型的復雜性，面向對象的繼承特性使在抽象層次上定義統一規范的接口，來解決復雜模型對象間的層次關系成為可能。基于抽象工廠模式的重型裝備企業建模系統模型構造整體類圖如圖3所示。

2模型抽象工廠構造

系統建模的過程就是搭建一個虛擬工廠來模擬企業真實生產環境的過程，將能耗設備、能源、信息、排放單元以能源管道與信息通道關聯組成工廠模型。基于重型裝備企業的抽象工廠模型角色表示為：

（1）模型抽象工廠類定義一系列不同類離散制造企業生產環境所包含的返回抽象產品對象接口的方法，包括能耗設備、物料、信息控制、排放單元、管道及信息通道和子過程對象。

（2）重型裝備模型具體工廠類在建模系統調用下創建抽象產品的實例。通過覆寫抽象工廠類定義的方法實現模型的應用邏輯。

（3）模型抽象元素基類描述工廠方法模式所創建的模型對象的父類。設備基類封裝設備的唯一標識、名稱、類別、額定功率、噸位、緩沖容量、能耗物質、工作狀態、前續后續對象、以及設備動態工作參數表，設備動態工作參數描述在具體仿真環境中設備的輸入輸出與運行參數，每組工作參數均由目標工件、輸入、輸出，能耗物質、準備時間、加工時間、等待功率、準備功率、加工功率、阻塞功率、工件磨損率組成。且封裝了創建工廠設備對象的抽象方法。物料、能源等非設備對象基類與設備基類拆分降低了程序設計的耦合性，主要封裝唯一標識、名稱、類型、前續后續對象、節點類別、反饋類型等及創建模型工廠實體的抽象方法。能源管道與信息通道基類封裝了起點終點坐標、起始末端綁定對象、管道類型,通道類型及創建模型工廠實體的抽象方法，ILOGLink類創建對象數據流而不直接生成圖元。車間、部門對象基類充當容器角色，它封裝了對象唯一標識、名稱、類型、前續對象、對象及創建工廠實體的抽象方法。為使模型對象兼容ILOG圖形及矢量圖性質，設備基類和非設備基類繼承UserSymbol類，管道通道基類繼承Link類。子過程基類繼承SubDiagram容器類。

（4）模型具體元素類主要封裝建模元素對象特有屬性，以及通過override關鍵字覆寫抽象元素所封裝的抽象方法來實現具體建模元素的應用邏輯。

3模型數據傳輸與存儲模式

建模是為仿真優化做準備，模型數據既要能直接通過拖拽建模元素構建，也應能從本地化存儲文件直接打開。可擴展的標記語言XML是一種結構化的標記語言，適合于對象模型向結構化文本映射。模型數據的臨時存儲依賴于模型對象的參數化屬性，本地保存時將模型圖元的邏輯位置、大小、工作參數寫入XML文件。打開模型時從XML讀取相應屬性值重新調用抽象工廠模型構造模型。模型數據流與對象模型到XML的數據交換如下：

（1）模型參考庫實現。基于抽象工廠設計模式的模型構造器使得軟件可以構建不拘泥于單一類企業的模型對象，而面向用戶的建模軟件要求建模元素的名稱及分類簡單、明了，模型元素庫將企業真實生產設備、能源、物料、排放物質導入模型類節點，搭建企業生產能耗建模環境。參考模型庫的構建依賴于本地元數據庫，用戶可自定義建模元素。將企業真實的生產設備、能源、物料、排放物質按類型設計數據結構，并映射到XML文檔。

（2）模型子過程實現。離散制造企業的生產工序繁雜，建模時從層與級的角度建立基于車間或部門的生產能耗過程模型，車間或部門作為子過程存在。從底層的設備層，車間、部門層或者廠區等不同粒度的角度建模，使得模型層次分明、可視性好。子過程的構造依賴于抽象產品類subDiagram。子過程充當建模容器角色，可將所有建模元素繪制到其里面去，子過程折疊時子過程里面所有模型對象隨之折疊，展開時也隨之展開，子過程的容器特性是通過將創建的模型對象加載到子過程對象SubDia-gram的SubDiagramObjects屬性里實現。

（3）模型可視化實現。模型可視化即建模圖元的層次化及模型圖元、屬性及仿真動畫參數數據的可視化。模型對象的層次化顯示依賴于子過程，鼠標事件捕捉的Windous窗口坐標經過轉換才能將對象繪制在ILOG容器適當位置，包括Windous窗口到模型窗口、模型窗口到子過程及子過程到子過程容器里子過程的坐標映射，映射方法為Point()->Point2D()，ILOGdiagramView類的GetViewToContainerTransform()方法返回Transform類得到轉換的映射矩陣，Transform類的TransformPoint()方法接收一個Point2D坐標，通過映射得到需要的邏輯坐標。模型抽象產品繼承自UserSymbol、Link或SubDiagram基類把上層圖元和模型數據綁定起來，它們提供了構造可視化圖形的模板，簡化了圖元的底層構造。仿真動畫的實現基于圖層刷新與仿真數據捕捉兩方面。圖層顯示即圖元與建模元素數據的綁定，仿真數據捕捉通過C#多線程回傳仿真推進中設備的等待、工作隊列及狀態參數。

（4）建模結果。抽象工廠模型構造器及建模對象應用邏輯設計好后軟件就基本開發完成。圖5是重型裝備企業生產能耗耦合過程模型片段圖。包括動力處，冶鑄、鍛壓和熱處理車間，車間之間由中間產品相連，鍛壓車間包含加熱爐、油壓機、水壓機等能耗設備，同時伴隨天然氣、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，藍色線為生產控制信息通道。

結束語

本文介紹了抽象工廠模式，在重型裝備制造企業生企業生產能耗耦合過程模型設計中的應用，基于ILOG圖形技術，用C#程序開發高能耗企業生產能耗過程。可視化建模軟件的基本方法和模型可視化實現的關鍵點。對模型做了一致性檢查，有較好的可擴展性，滿足面向對象開放性原則，為企業模型仿真和優化奠定了良好基礎。