UML与派翠网路於现场控制系统分析与设计.ppt

結合UML與派翠網路於現場控 制系統分析與設計 研究生：江琬瑜 指導教授：呂明山 博士 1 大綱 緒論 研究動機與背景 研究目的 研究流程架構 文獻探討 現場控制系統 物件導向方法論 派翠網路理論 相關研究 研究方法 現場控制系統分析 UML與彩色派翠網路的轉換 物件內部行為描述與屬性操作決定 實例驗證 2 緒論 研究動機與背景 現場控制是在加工現場進行複雜活動的管控，可大略 分為現場排程、現場派工及現場監控三種功能，其中 排程與派工功能都需要監控模組提供資訊進行內部的 流程，並且期望能夠透過現場控制系統來監控現場活 動與計畫相符合，而要建構活動複雜的系統需透過系 統設計與分析來幫助建立。 系統分析方法可以分為結構化與物件導向系統設計， 而物件導向方法可以讓系統模組化且易維護，但卻缺 乏行為驗證及模擬且在物件屬性及操作上定義困難。 3 緒論 研究目的 使用UML (Unified Modeling Language;統一 塑模語言)建構一套現場控制系統架構能夠與 監控現場活動，使用派翠網路來表達出系統 的活動與現場活動一致性，及驗證流程的邏 輯正確性，並且幫助定義物件類別操作及屬 性。 4 緒論-研究流程架構 5 文獻探討 現場控制系統 資料來源：系統化運籌與供應鏈管理(p215)， 王立志，1999，台北市：滄海書局。 6 文獻探討-物件導向方法論 物件導向主要有四大特性 封裝性(Encapsulation) 多型(Ploymorphism) 繼承性(Inheritance) 抽象化(abstraction) 物件導向塑模工具包括OMT、OOSA、 OOSE及OOA/OOD等，但是UML提供了 一套完整標準讓開發者更容易使用。 7 文獻探討-物件導向方法論 UML (Unified Modeling Language;統一塑模語言)： 綜合三位學者Booch、Jacobson和Rumbaugh所提出的塑模方法 ，主要用來架構藍圖的標準模型語言，利用視覺化的物件導向模 型分析方式來分析系統架構，其優點為容易讓使用者理解。 資料來源：UML使用手冊(p42)，張裕益， 1999，台北縣：博碩文化。 8 文獻探討-物件導向方法論 靜態觀點圖型表 類別圖 ( Class diagram )： 塑造系統顯示系統的類別、介面、合作之間的關 係。 物件圖 ( Object diagram )： 以靜態的方式來顯示出物件之間的關係。 元件圖 ( Component diagram )： 顯示一組元件和各組元件之間的關係，可兩類別 圖互相對應到一至多個類別、介面與合作等。 部署圖 ( Deployment diagram )： 呈現節點之間的關係，而節點中可包含一至多個 元件，相呼應至元件圖中。 9 文獻探討-物件導向方法論 動態觀點圖型表 使用者案例圖 ( Use case diagram )： 組織系統的行為及表示使用者與使用案例之間關係 。 循序圖 ( Sequence diagram )： 顯示出訊息傳遞的時間順序，表現出系統動態觀點 。 合作圖 ( Collaboration diagram )： 主要表示傳送訊息組織結構，可連結物件之間訊息 傳送情形。 狀態圖 ( Statechart diagram )： 表現出物件事件順序行為，可表達出狀態、事件以 及活動等。 活動圖 ( Activity diagram )： 顯示在系統裡活動至另一個活動的循序流程。 10 文獻探討-派翠網路理論 派翠網路理論 派翠網路為一個種圖形化和數學化的模型工具應用於不同 的系統上，可表現出同步的、非同期的、分散式、平行式 等性質，主要目的是用來進行動態模擬及分析系統特性。 11 文獻探討-派翠網路理論 派翠網路數學定義： P：P1,P2,Pn有限穩態(Place)集合 T ：T1,T2,Ts有限激態(Transition)集合 I ：PTN，穩態至激態的方向弧數集合(Inx) O ： TPN，激態至穩態的方向弧數集合(Ons) m ： PN，每個穩態裡所被標記數； 初始狀態為m0(mn1) 12 文獻探討-派翠網路理論 13 文獻探討-派翠網路理論 彩色派翠網路(Colored Petri nets, CPN) ： 主要是將顏色導入派翠網路，來簡化在龐大 系統中所呈現的傳統派翠網路模型，因此透 過不同顏色的標記，來減少系統的複雜性及 縮小網路模型。 14 文獻探討-派翠網路理論 彩色派翠網路數學定義： 其中，C可分為C(pi)與C(tj)為彩色標記(token) 的集合； C(pi)=(ai1, ai2,aiui)：代表在穩態pi裡的顏色數 C(tj)=(tj1, tj2,tjvi)：代表在激態tj裡的顏色數 其他P,T,I,O,m與傳統派翠網路定義相同。 15 文獻探討-相關研究 現場控制系統塑模之相關研究 學者(年代)研究內容 CHO,H.(1998) 提出現場控制系統需能夠即時回應現場資料，因 此建立各個工作站的執行器派翠網路，透過派翠 網路清楚描述控制器的接收與傳送控制訊息等活 動，而使整個控制系統的工作績效增加。 Ou-Yang,C. & Lee,J.C. (2000) 由於控制系統大都使用等級式控制架構，對於高 階層控制器與低階層控制器的電腦使用績效，提 出利用顏色隨機派翠網路來描述及模擬資訊流在 各層級的控制器流量，來幫助在建構等級式的控 制系統。 16 文獻探討-相關研究 物件導向理論應用於製造系統塑模之相關研究 學者(年代)研究內容 Jackson,R.B. et al.(1996) 針對電腦整合製造所帶來的複雜的資訊流，提出 一個物件導向系統設計方法，來減輕資訊流轉換 至另一種圖形表示的問題，而且還可以延伸至不 同的資訊類別環境。 Ou-Yang, C. et al., (2000) 使用物件導向方法來發展現場控制系統的控制器 ，主要目的是連接在CIM系統裡生產排程階層與 製造階層的缺口，而透過物件導向技術可以完整 的定義物件的屬性與操作，且也使用了UML來在 實行觀點作輔助，因此增加了控制器的應用性。 17 文獻探討-相關研究 派翠網路應用於製造系統之相關研究 學者(年代)研究內容 Koh,I. et al.( 1991) 使用IDEF0來表示CIM系統的靜態結構，再轉換 IDEF0至彩色派翠網路發展一個CIM系統資訊流模 組，利用彩色派翠網路可以表現複雜的資訊交換 。 18 研究方法 現場控制系統架構 19 研究方法-物件導向架構圖 20 研究方法-系統塑模觀點 21 研究方法-使用者案例圖 系統功能定義： 透過使用者案圖清楚列出系統的 功能組成及系統動作者與各個使 用案例的關係。 22 研究方法-活動圖 系統功能描述： 使用活動圖來表示系統的流程圖，因為活動圖可以表示運作的流程。 23 研究方法-活動圖 24 研究方法-類別圖 實體架構描述： 透過使用者案例圖尋找出所使用到的實體，再將實體依照物件導向 關係建構出靜態實體架構結構，我們使用UML裡類別圖作為描述物 件資料結構。 25 研究方法-活動圖 26 研究方法-循序圖 循序圖可以展現物件生命線之間事件發生的先後順序，可以清楚 表達在同一個時間點下，物件與物件之間的交互作用。 27 研究方法- UML與派翠網路的轉換 活動圖初始狀態轉換至派翠網路 活動狀態轉換至派翠網路 28 研究方法- UML與派翠網路的轉換 分歧活動圖轉換至派翠網路 29 研究方法- UML與派翠網路的轉換 分岔活動圖轉換至派翠網路 結合活動圖轉換至派翠網路 30 研究方法- UML與派翠網路的轉換 31 研究方法-系統特性分析 派翠網路系統特性 限制性(Boundedness) 活性(Liveness) 保守性(Conservativeness) 可重複性(Reversibility) 守恆性(Consistency) 分析方法 可達樹分析(Reachability Tree)：可達樹分析列舉出所有可能在 派翠網路的狀態來分析他們的特性 。 不變量分析方法(Invariant Analysis Method)：利用方程式或矩 陣來幫助分析。 32 研究方法-系統特性分析 不變量分析方法(Invariant Analysis Method) C代表關聯矩陣 mk為第k次所標記的狀態 uk則為一個的firing vector，其中只有一個元 素為1其餘都為0 State equation: For K = 1,2, 33 研究方法-系統特性分析 P-invariant 定義為CTx = 0的正整數解 x 代入xTC=0 可得xTmk = xTm0 = constant 驗證特性 限制性(Bounded)x0, xT C0, xT C=0 34 P-invariant P-invariant 令X1=1 P-invariant(1 1 1 1 1 1 1 1)T X1=X2=X3=X4=X5=X6=X7=X8=X9 36 研究方法-系統特性分析 T-invariant 被定義為 Cy=0的整數解 設系統從m0擊發後最後會回至m0，一向量u為firing vector，其中第i個元素表示Ti所擊發的次數 m0 = m0 + Cu Cu = 0 則 u 為T-invariant 驗證特性 重複性(Repetitive) y0, Cy 0 守恆性(Consistent) y0, Cy= 0 37 T-invariant 令Y1=1,Y3=1,Y4=1 T-invariant= 1 1 1 1 1 1 1 1 1T 令Y1=1,Y3=0,Y4=0 T-invariant=1 1 0 0 0 0 0 0 0T 令Y1=0,Y3=1,Y4=0 T-invariant=0 0 1 0 1 0 0 0 0T 令Y1=0,Y3=0,Y4=1 T-invariant=0 0 0 1 0 1 1 1 1T 令Y1=1,Y3=1,Y4=0 T-invariant=1 1 1 0 1 0 0 0 0T 令Y1=0,Y3=1,Y4=1 T-invariant=0 0 1 1 1 1 1 1 1T 令Y1