智能工厂设计仿真 课件 刘怀兰 第1-3章 智能工厂设计仿真概述-智能工厂3D 组态建模与离散事件系统仿真

智能工厂设计仿真第1章智能工厂设计仿真概述第2章智能工厂知识库的构建第3章智能工厂3D组态建模与离散事件系统仿真第4章智能工厂任务的调度与优化技术第5章智能工厂的网络化技术第6章智能工厂的同步运行技术第1章智能工厂设计仿真概述1.1智能工厂发展综述1.1智能工厂发展综述1.1.1智能工厂的发展背景1.1.2智能工厂的国内外发展现状1.1.3智能工厂的发展趋势1.2智能工厂设计仿真技术介绍1.2.1智能工厂设计仿真技术的重要意义1.2.2智能工厂设计仿真技术的关键因素成熟的智能工厂设计仿真技术主要涉及以下几个关键因素：1.设施布局规划和运行优化2.车间调度3.生产线设计与抗扰动评估4.生产计划与排产验证的优化技术5.智能工厂数字孪生数据互通互联和同步运行技术6.智能工厂数字孪生的虚拟验证和闭环反馈技术1.2智能工厂设计仿真技术介绍7.三维布局可视化仿真与数字孪生实时监控1.3国内外的智能工厂设计仿真软件介绍1.3国内外的智能工厂设计仿真软件介绍1.3.1西门子的智能工厂设计仿真软件1.3.2达索的智能工厂设计仿真软件1.3.3FlexSim的智能工厂设计仿真软件1.3.4国内的智能工厂设计仿真软件第2章智能工厂知识库的构建2.1智能工厂知识库概述2.2语义建模与知识库系统2.2.1语义建模的基本概念2.2.2本体建模的基本概念及相关理论（1）本体定义本体论（Ontology）原本是一个哲学概念，源自哲学之中称力“形而上学”的分支，研究的是“什么是存在的本质？”这一哲学问题，即最能准确描述该事物的特征是什么，该事物与其他事物的最本质区别是什么。（2）本体建模语言本体建模语言是指用来描述和表达本体内涵信息的一系列建模语言的统称。（3）本体构建方法本体对于某一个领域或项目的重要性不言而喻，因此需要遵循一定的方法来构建。2.2语义建模与知识库系统2.2语义建模与知识库系统①确定本体的专业领域和范畴。②考查复用现有本体的可能性。③列出本体中的重要术语。④利用自顶向下法、自底向上法、综合法等方法定义并完善类和类的等级体系。⑤定义类的属性。⑥定义属性的分面。⑦创建实例。2.2.3知识建模与知识库系统（1）知识建模知识建模（KnowledgeModeling）与知识表示（KnowledgeRepresentation）是对知识进行管理和应用的前提和基础。（2）知识库与知识库系统知识库即“知识的仓库”，是在数据库的基础上发展而来的，是人工智能技术中知识模型与数据库的结合。2.2语义建模与知识库系统①有利于知识的有序化组织。②有利于知识的交流和共享。③有利于增强沟通与协作。④有利于实现隐性知识的管理。2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3.1基础共性标准①术语和定义标准，用于规范领域内专业术语、定义及相互之间的关联关系，为知识本体构建打下基础。②参考框架标准，作构建知识模型数据结构时的参考。③管理标准，用于指导知识模型在构建、应用、维护等方面的规范化和有效管理。④数据标准，用于限定知识库的输入和输出数据的类型和标注等。⑤测试评估标准，用于确定对构建的知识模型进行质量评估、性能测试等方面的标准，为知识模型的优化升级指明方向。2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3.2数字基础设施标准2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3.3关键技术标准2.3.4应用与服务标准2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3智能工厂知识库的构建体系与标准2.3.5运维与安全标准2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4.1资源需求分析（1）人员从管理学的角度看，人员是影响产品质量的重要因素。（2）机器设备机器设备是工厂进行生产的最基本要素，所有的生产计划、工艺方法最终都要通过机器设备来实现。（3）物料物料一般是指生产所需的原料、辅料、半成品、零部件以及成品等。（4）工艺方法工艺方法一般是指设计和生产过程中涉及的知识、方法、原理、工业机理、各类标准等，是知识库的重要组成部分。2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建（5）工作环境工作环境会直接或间接影响到人员和机器设备，甚至会影响工艺方法的执行，进而影响到产品质量。2.4.2信息需求分析（1）物料流物料流是指企业保证生产过程的进行，以物料中心进行的实物物流活动，包括供应商到工厂之间的物料流和工厂内部的物料流两个方面。1）设计物料清单（EBOM）和制造物料清单（MBOM）。＞基础信息，例如原材料编号、原材料名称、单件产品用量、适用产品型号等。＞包装信息，例如包装形式、包装容量、包装的长宽高及重量、输送形式等。＞存储信息，例如堆垛方式、堆垛层数、存储周期等。2）物流标准操作工时指导数据。3）人员及输送设备的工作负荷指导标准。4）物流操作流程。2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建5）信息流流程及能量流流程。6）相关的物流规划方案。7）车间的生产计划和工艺流程。（2）信息流物料流是物理空间中的主要仿真对象，而伴随着物料流动进行的生产过程会产生大量的数据和信息，从而会产生虚拟世界中的信息流动。1）基础支持，主要包括各类基础数据库、知识库、三维模型库等，是信息流动的载体和指引。2）信息建模，是指根据信息的收集和流动需求的规模和形式，把信息构建成信息点、2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建信息链、信息块、信息区、信息网和信息包的建模过程。3）信息处理，是指在基础设施的支持下对信息进行感知、清洗、分析、决策、执行、反馈、优化、预测等的过程。4）三维场景，是指将信息处理的过程从仿真运行时间和空间内三维模型两个维度上进行呈现，使设计仿真人员可以直观地看到仿真分析过程，从而判断是否存在物料堆积、物流路径交叉、设备开动率低、工作量分配不合理等阶段性问题，进而指导优化改进。5）信息展示，是指将信息处理的结果以恰当的形式进行可视化展示，从而使人员可以直观、迅速地了解工厂的生产状态和动态调整结果，从而对未来的生产过程进行优化。（3）能量流能量流也是智能工厂生产过程的重要组成部分。2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4.3智能工厂关键要素的本体构建2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.4智能工厂关键要素的分类方法与本体构建2.5智能工厂知识库案例（1）语义建模支持类、对象属性、数据属性和个体的编辑，同时支持查询和语义模型的可视化。（2）组件导入导出支持语义模型与几何模型组成组件的导人导出。（3）组件行属性编辑通过人机交互方式对组件的行属性进行编辑。（4）组件仿真动作编辑通过定义工步、感应器等仿真动作所需的配置条件，为生产线仿真提供基础。2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5.1本体模型构建2.5智能工厂知识库案例（1）人员在对人员建模时，不同人员个体对应的三维模型相同，区别在于模型内包含的信息不同。＞属性信息：工号、姓名、性别、年龄、入职时间、权限、学历学位等资质信息、掌握的技能、所属部门、职称、已完成工作记录、已取得成果、性格特点描述等表明人员自身固有属性的信息。＞状态信息：上班时间、下班时间、当前班次、当前岗位、当前执行的工作任务、历史工作记录等表明人员当前状态的信息。（2）机器设备智能工厂中的现场设备多种多样，以汽车总装车间为例，机器设备总体包括：生产设备，例如助力机械手、铭牌打标机、油液加注机等；输送设备，例如辊床、升降机、AGV等；检测设备，例如四轮定位仪、前照灯检测台等；各类辅助设备，例如物流托盘、货架、手持可移动工具等。＞属性信息：编号、型号、配置、功能、使用说明、所处工位、加工能力、适用人员资质、适用物料、适用环境、维护周期、报废时间、负责人等能够表明机器设备固有属性的信息。＞状态信息：服役时间、开动时间、当前位置、当前执行的工作任务、运行状态数据、生产计划、2.5智能工厂知识库案例维修记录等能够表明机器设备状态的信息。2.5智能工厂知识库案例（3）物料物料信息的采集主要包括物料的属性信息和状态信息。＞属性信息：物料类别、批次、型号、编号、适用的生产任务、出厂日期、保质期、功能、使用说明、适用的机器设备、适用环境、入库时间、存放位置、材料、规格、单件重量等能够表明物料自身属性的信息。＞状态信息：物料使用计划、使用人员、所使用的机器设备、使用环境、实时位置、数量、当前状态、计划安排、历史加工记录等能够表明物料的计划、状态等的信息。（4）工艺方法工艺方法的建模根据生产产品种类、生产计划、所选设备等的不同而不同。＞属性信息：编号、名称、摘要、主要内容、适用的机器设备、适用的物料、适用的环境、对应的工作任务编号、编辑人员编号等能够表明工艺方法基本属性的信息。＞状态信息：创建时间、修改时间、废除时间、操作人员、操作原因、历史操作信息等能够表明工艺方法的变动、状态等的信息。（5）工作环境以汽车的总装生产为例，生产环境分粉尘、温度、湿度、噪声、振动、气压、清洁2.5智能工厂知识库案例情况、光照等，主要包含所测环境的现状和历史状况，需要收集环境的属性信息和状态信息。＞属性信息：测量位置、数据类型、测量方式、负责人等能够表明工作环境的采集方式、位置、名称等的属性数据。＞状态信息：测量时间、测量数值、历史测量数据等能够表明工作环境的采集状态、当前状态等的状态数据。（6）4MIE的集成与可视化4MIE的各类模型及属性在完成定义后，可通过自主开发的知识建模软件进行关联关系的构建。2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5.2智能工厂布局2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例2.5智能工厂知识库案例第3章智能工厂3D组态建模与离散事件系统仿真3.1

3D组态建模与离散事件系统仿真技术概述3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2.1模型组态快速建模1.基于OCC的模型封装和数据库建立3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模2.基于OSG的仿真模型通用显示技术3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.模型的快速导入3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模4.面向生产线级的交互处理技术3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模5.模型导入效果3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2.2运动组态建模1.机器人的运动组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模2.机床的运动组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.AGV的运动组态建模4.输送带的运动组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2.3事件组态建模1.产生装置的事件组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模2.输送带的事件组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.机器人的事件组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模4.机床的事件组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2.4逻辑组态建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.2.5多组态弱装配关系的构建1.生产线关键要素间布局关系的建立2.事件间逻辑关系的建立3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.关键要素间逻辑关系的建立3.2生产线关键要素的3D组态物化建模4.生产线关键要素弱装配关系的快速构建技术3.2生产线关键要素的3D组态物化建模3.3离散事件系统的仿真策略3.3.1事件调度法3.3.2活动扫描法1）仿真初始化，设置仿真开始时间st和结束时间ft。2）扫描各实体的TimeCell，用最小值更新系统仿真时钟TIME，如果TIME≤ft转3），否则转4）。3）活动例程扫描。4）仿真结束。该方法还要求每个实体必须具备至少三个属性，即代表实体下一确定B类活动发生时间的仿真时间元，实体在未来某时刻的可用性，以及实体预期的下一B类活动例程。1）仿真初始化，设置仿真开始时间和结束时间。2）时间扫描A阶段。3）B阶段。4）C阶段。3.3离散事件系统的仿真策略5）C阶段扫描结束后，判断仿真结束条件是否成立，成立则转6），否则转2）。6）仿真结束。3.3.3进程交互法1）仿真初始化，在FEL中设置初始事件以及初始化系统仿真时钟。2）将当前时刻发生的事件从FEL中移入CEL。3）扫描CEL，判断各个事件记录的条件，满足的尽可能推进对应的进程。4）扫描CEL结束后，继续推进仿真时钟，判断仿真结束条件是否成立，成立转5），否则转2）。5）仿真结束。3.3离散事件系统的仿真策略3.3.4基于多仿真时钟的仿真策略3.3离散事件系统的仿真策略3.3离散事件系统的仿真策略（1）进程仿真的执行流程该仿真策略需要每一个实体建立进程，同时当该进程活动中固定时长活动的数量大于0时，就需要在仿真时对该进程增加一个仿真时钟（由于计算函数和同步运行的实时性，该时钟真实的时钟），该进程在仿真后运行于自己的线程上。①活动类型为固定时长活动时，按照活动持续时间推进真实的仿真时钟，推进结束后使该仿真时钟清零。②活动类型为可变时长活动时，执行活动的计算函数或者同步运行。3.3离散事件系统的仿真策略（2）事件分配器的执行流程事件分配器主要有两个作用：①在接收到某进程的事件时，按照进程间的交互关系将该事件发送至其他进程。②对进程所在的线程进行管理。3.4

DEVS仿真算法及其扩展3.4.1面向虚拟车间的DEVS仿真算法（1）DEVS概述虚拟数字李生车间属于离散事件系统，其虚拟实体的行模型描述需要借助离散事件系统的层次化描述方法。1）原子模型。2）耦合模型。（2）DEVS仿真算法DEVS原子模型和耦合模型设计了仿真器（Simulator）、协调器（Coordinator）以及根协调器（Root-Coordinator），如图3-36所示。3.4

DEVS仿真算法及其扩展3.4.2面向虚拟车间的DEVS仿真算法的扩展1）缺乏层次化的虚拟车间建模方法，导致建模人员无法对模型进行封装从而复用，使得建模效率低下。2）离散事件系统建模对虚拟车间的适用性不足。3）模型的描述缺乏统一的方法。（1）虚拟车间的分层模型陶飞等人提出的数字李生模型可以表示一个五元组，即MDT=（PE,VE,Ss,DD,CN）3.4

DEVS仿真算法及其扩展①单元级虚拟实体的定义。②系统级虚拟实体的定义。③复杂系统级虚拟实体的定义。3.4

DEVS仿真算法及其扩展3.4

DEVS仿真算法及其扩展（2）基于扩展离散事件系统的DEVS扩展思路DEVS扩展的目的是为了能够利用DEVS扩展对离散车间虚拟实体的分层行模型进行描述。3.4

DEVS仿真算法及其扩展1）DEVS原子模型的扩展。①时间推进函数的扩展。②原子模型扩展内部数据。③端口扩展。2）DEVS耦合模型的扩展。（3）VDEVS模型的形式化定义1）VDEVS原子模型的定义。2）状态转换图以及实例。3.4

DEVS仿真算法及其扩展3.4

DEVS仿真算法及其扩展3）VDEVS耦合模型的定义。（4）VDEVS仿真算法DEVS仿真算法规定了两个过程：原子模型状态序列的切换及对应时间推进函数、输出函数的执行；不同原子模型之间的协调调度。1）模型的扁平化处理。①判断输出端口的数量，大于0则进行端口处