先进制造技术
虚拟制造系统的体系结构研究 *
严隽琪 范秀敏 马登哲
(上海交通大学机械工程学院 C IM 研究所 )
* 该项目由国家自然科学基金资助 ,批准号: 59889505 收稿日期: 1998-11-05
摘要 介绍了虚拟制造概念 ,从通用与专 用两个角度比较现有的虚拟制造系统的体系 结构 , 在此基础上 ,结合以往对制造系 统领域研究
成果的积累 ,进行较为系统完整的、合理的虚拟制造系统体系结构设计的初探 , 并讨论该体系的实现特性。
关键词 虚拟制造系统 体系结构 体系特性
Abstract The concept of virtual manufacturing (VM ) is in troduced , and th os e k now n virtual manufacturing s ystem architectures are com- pared f rom t he general and s peci al views. O n t he base of these k now l edge and th e res ult s w e h ave obt ai ned i n this manuf act uring res earch fi el d fo r many years, w e f irs tl y expl ore th e design for a s ys t emic, i nt eg rat e and rat ional V M arch it ect ure and dis cus s i ts charact eri sti cs wh en thi s ki nd of sys t em developed u nder t he guid e of th is archi tect ure is come int o realizati on.
K ey words Virtual manufactu ring s ys tem Architecture s tructu re Architectu re characteris tics
1 虚拟制造
虚拟 制造 ( Virtual Manufacturing , 简称 V M ) 是一种新的制造技术 ,它以信息技术、仿真技术、虚 拟现实技术为支持 ,在产品设计或制造系统的物理 实现之前 ,就能使人体会或感受到未来产品的性能 或者制造系统的状态 ,从而可以作出前瞻性的决策 与优化实施方案。
虚拟制造是一个集成的、综合的可运行制造的 环境 ,用来改善各个层次的决策和控制[ 1 ]。 这儿的
“综合” ,指的是既有真实的 ,又有仿真的对象、活动 和过程 ,是一种混合的状态。 “环境” ,是指提供的各 种分析工具、仿真工具、应用工具、控制工具、信息模 型、设备以及组织方法 ,并以协同工作的方式 ,可支 持用户构造特定用途的制造仿真。“运行” ,指的是利 用上述环境进行构造和操作特定的制造仿真。 “改 善” ,指的是增加其精度和可靠性。“层次” ,指的是从 产品概念设计到回收利用的各个阶段、从车间级到 执行位置的各个等级、从物质的转换到信息的传递 等各个方面。“决策”和“控制” ,指的是进行改变而掌 握其影响 ,预测效果的真实性。
2 VM体系研究现状
虚 拟 制 造 系 统 ( Virtual Manufacturing Sys- t em , V M S)是在一定的体系上构成和运行的 ,体系 的优劣直接关系到 V M 实施技术的成败 ,现有国内 外学者在这方面的研究成果可归为两类: 通用的及 专用的体系。
2. 1 通用意义体系
这类体系在推出时并未指明是为 VM 系统设 计的 ,但是其分析思路和方法对描述 V M 的体系具 有一定的指导作用和借鉴意义。 代表性的体系有:
PER A、 CIM-O SA、 G ERAM。
( 1) “# ”字型参照体系 PER A ( Purdue Ent er- prise Reference A rchi tecture)。 Tham等人通过分析 企业的工作任务 ,认为企业的任务可分为 3类: 信息 任务、制造任务 ,基于人的任务。 据此 ,他们提出了 PER A体系[2 ]。该体系从两个视图 (功能视图及实施 视图 )、两个流 (信息流和制造流 )出发 ,认为:
① 任何一个视图都是根据信息流和制造流逐 步建立起来的 ;
② 功能视图和实施视图都是由信息体系和制 造体系及其模型构成的 ;
③ 功能视图中的信息功能模型提供了实施视 图中信息体系的形成机理 ; 而实施视图中的制造体 系形成机理则来自于功能视图中的制造功能模型。
( 2) 方块 型 参照 体系 CIM-O SA ( CIM O pen Sy st em Archi tect ure)。 CIM-O SA 体系是由一个 3
× 3× 4的三维积木方块[3 ]。 这个方块定义了 3个基 本过程 ,以 3个轴表示:
① 水平轴 (具体化过程 ) 是支持获得企业需 求的过程。 它通过对中性的通用参照体系的匹配而 达到一个一致需求集合。根据通用性程度 ,该轴可分 为 3个层次 ,即通用、部分通用、专用 ;
② 垂直轴 (推导过程 ) 是对已获取的需求的 整理的过程 ,这里的需求可通过工厂应用集合以得 到实施。 推导过程分为 3个不同的层次: 需求定义、
设计说明、实施描述 ;
③ 前后轴 (生成过程 ) 是支持企业特定视图 的分析过程 ,这些视图是功能视图、信息视图、资源 视图、组织视图。
( 3) 链 式参 照 体 系 GERAM ( Genric Enter- pri se Reference Archi tect ure and Methodolog y )。
G ERA M[4 ]从分析实体 (如企业产品 )的生命周期出 发 ,试图通过通用的建模过程 ,以建立特定企业的体 系结构 ,该体系的链式环节包含 9个节点:
① GERA( Generic ERA)定义与企业有关的通 用概念 ,如: 面向人的概念 ,面向过程的概念 ,面向技 术的概念 ;
② GEEM ( Generic Enterprise Engineering Methodologi es)描述企业集成的过程机器模型 ;
③ FM L ( Enterprise Mo deling Languages)提供 用于员工职位、过程、技术等建模的构架 ;
④ GECD ( Generic Enterprise Concepts and Defi ni tion)定义企业模型及上述通用概念的内涵 ;
⑤ PEM ( Partial Enterprise Model)提供关于员 工职位、过程、技术的可重用参照模型 ;
⑥ EET( Enterprise Engineering Too ls)是支持 企业集成的过程工具 ;
⑦ EM D( Enterprise Models a nd Desig n)根据 工程周期的进展 ,描述企业集成方法的应用 ;
⑧ EMO ( Enterprise M Odules)提供可执行的、
与员工职位、过程、技术等有关的模块 ;
⑨ EOS ( Enterprise Opera tional Sy stem )是 支 持企业运作的特定系统。
上述 3个体系虽然其侧重点不一样 ,但其基本 思想都是为了描述企业对象中的各实体及各活动间 的集成 ,并试图建立一些通用参照体系 ,以提供企业 或制造系统建模的基本思想 (所以这里将它们归为 一类 )。 但是由于他们的立足点和具体目标的差异 ,
我们认为它们之间仍有着明显的区别:
· PERA支持了企业或其部门的实施和操作 , 其流程涉及到实体定义、任务定义、管理方法、操作 过程等 ;
· GIM-O SA主要注重于操作支持 ,尤其 是模 型驱动之操作和操作评价的决策支持系统 ; 其支持 范围从需求定义到实施描述 ;
· GERAM 着重定义与企业相关的通用概念 , 这些概念有: 生命周期、企业、实体类型、企业建模、
集成模型描述、面向不同用户的建模语言。
2. 2 专门意义体系
这类体系在发表时就是针对虚拟制造系统的。
代表性的有: M edia to r体 系、 Iw ata 体系、分布式体 系、工具集体系。
( 1) Media to r体系[5 ] Mediator 体系[ 8]希望通 过建立一个开放式的信息和知识体系 ,以提供一套 支持复杂制造环境的柔性管理技术。 由于系统的地 域分布性、及其不同的应用软件、多类型 的操作平 台、协议和用户界面 , Mediato r着重处理 上述前提 下的知识支持技术 ,以更快地进行通讯。 M edia to r 体系中有 4个扇面和 4个轮圈。 4个扇面是: 用户、
设计应用、体系内核、通用软件包 ; 4个轮圈自内向 外分别是: 界面层、应用层、活动层、通讯层。 其中界 面层使用文本、图形或超媒体方式 ; 应用层提供特定 服务的功能软件包 ; 活动层支持 Agent的活动 ; 通 讯层支持 O-O 协议 ,并将其用于知识数据的交换。
这个体系的轴心是一个支持合作、分布式的用户环 境。
( 2) Iw ata 体系[6 ] Iw ata与 Onosato 认为现实 制造系统有真实物理系统 ( RPS, Rea l Phy sical Sys-
t em )、 真 实 信 息 系 统 ( RIS, Real Info rmati on System ) 组成 , 而 虚拟 制 造系 统 有虚 拟 物理 系 统 ( V PS, V ir tual Phy sical System ) 和虚 拟 信息 系 统 ( V IS, Virt ual Info rmati on Sy st em )组成 ,他们认为 V M S的体系应具有如下的特性:
①应用的独立性 V PS、 V IS /RIS的相互独立 , 使得 V PS可应用于不同的 V IS或 RIS。 Iwa ta认为 O -O 方法可解决应用的独立性问题 , V M S中的模 型可通过 V PS的约束和 V IS /RIS的控制命令进行 操作。
②结构相似性 V M S的结构应与其所映射的 真实制造系统 ( RM S, Real Manufacturing Sy stem ) 相似 ,使得人 /RM S及人 /V M S的协同尽量一致。 I-
wa ta 认为 ,可引用 O -O 的建模方法达到 结构相似
性 , VM S映射的任何对象和活动都能在 V M S中表 达出来 ,他们的相互作用也可用 O-O的编程中信息 传递机制获得。
( 3)分布式体系[7 ] Mellra th 提出基于 socket 的体系结构 ,该体系认为用户使用计算机系统中界 面的目的是为了获取信息或执行某项活动 ,其操作
“对象”是“服务” ; “服务”又与激发它的实体 (通常为 用户客户体 )进行通讯。“服务”的实施可以是一个进 程或多个分布 (或不分布 )的进程 ,以实现制造系统 中的活动。
( 4)工具集体系[ 8] 该体系认为企业建模 (系统 建模 )有 5个领域: 即活动、组织、方法、业务、时间 )。
该体系支持不同的雇员工作 ,如知识管理员、方法建 模员 (定义通过企业建模过程的人 )、工具管理员 (选 择特定阶段中可选工具者 )、业务分析员。 该体系的 基本框架包括:
①浏览器 用户界面 ,即模型的可视化和描述 浏览器 ;
②任务及选择管理 包括使用合适的过程及信 息库以支持用户任务 ; 帮助用户管理在模型内进行 选择。
③模型管理 协调能力库以进行描述、存贮、查 询、转换、比较、修正、分析、综合、变更等。
④中继器 是模型特征与活动元件 (如过程库、
约束管理器、信息库 )的接口转换器。这里 ,过程库是 功能元件 (模型的分析综合变更 ) ; 约束管理器是模 型一致性的维护体 ; 信息库是信息存贮查询的工具。
我们认为上述几个专门 V M 体系都从 V M 的 某一个或几个方面出发 ,解决了 V M 体系中的一些 关键技术。 分析如下:
· M edia to r 是一 个 侧重 于知 识信 息 (或 称数 据 )的管理体系 ,它考虑了多软件、多地域的集成方 法 ; 但是该体系未涉及到产品开发周期 ,且未体现模 型技术和数据管理技术在其中的地位。
· Iw ata 体系较全面地分析了一个企业或车间 内的制造活动和数据 /模型 ,其集成性较强 ; 但是忽 略了 VM 的活动 /数据 /控制行为的分布性。
· 分布式体系注重了对活动 /数据的网络分布 性研究 ,并提出了解决思路 ,初步解决了 V M 的分 布性要求 ; 但是缺乏对 V M 下的项目管理、设计和 制造等事务的支持。
· 工具集体系从体系运行的通用性要求 ,认为 可以用工具思想表达产品开发过程的各类活动 ; 其 缺陷在于不支持产品开发活动中产品和制造数据间
的反馈和交互。
3 建立合理 V M 体系的初探
通过上述分析 ,本文认为: 系统的、合理的 V M 体系结构 ,不仅应把虚拟产品开发过程中的设计、制 造及装配、生产调度、质量管理等环节有机地集成起 来 ,实现产品开发全过程的信息、功能和过程集成 , 实施产品开发活动的并行运作 ,还要充分体现人在 生产活动中的能动性 ,达到人、组织、管理、技术的协 同工作 ,同时也要支持生产经营活动和生产资源的 分布式特性 ,它应能提供一个开放性强的技术框架 , 并能理顺其单元技术的关联机理。 该体系应具有层 次化的控制方法和“即插即用”的开放式结构 ,同时 支持异地分布的制造环境下产品开发活动的动态并 行运作。
3. 1 体系结构
作为建立合理 V M S体系的初步研究 , 在此采 用 5层协议的 VM S总控体系 ,这 5层协议分别是:
界面层、控制层、应用层、活动层、数据层 ,如图 1所 示。
( 1)界面层 产品开发小组成员可以用文本、图 形、超文本、超媒体等方式 ,通过统一的图形人机交 互界面 ,向虚拟制造系统请求服务以便进行开发活 动 ,或从系统获取信息以进行多目标决策或群组决 策。人机交互界面是本层的主要组成部分 ,另外还有 实现操作者能沉浸虚拟环境所需的数据输入输出的 人机和谐接口。
( 2)控制层 基于网络 ,将通过界面层传送来的 服务请求等工作指令 ,转化为一定的控制数据 ,以激 发本地或远程应用系统的服务 ; 该层同时对分布式 的系统内多用户进程的并发控制等进行管理 ; 该层 也记录 VM 系统中现场的状态信息。
( 3)应 用 层 由 虚 拟 产品 设 计 (包 括 CAD、
D FX、 F EA 设计仿真等 )、虚拟产品制造 (包括制造 系统建模、布局定义、制造仿真等 )组成 ,也对产品开 发过程中应用功能模块进行管理。
( 4)活动层 实现应用层中的各种应用过程的 逐步分解 ,使其由标准的活动组成 ,并以类似进程的 思 想 执 行 这 些 活 动。 活 动 可 以 用 统 一 的 W4 H
( When、 What、 Who、 Where、 How )形式描述。
( 5)数据层 数据层对产品开发过程中所有的 活动所需处理的静态和动态设计、制造知识和模型 等进行公共管理。这些知识、模型以分布的数据库形 式存放。
图 1 V M S体系结构
( 6)虚拟总线 基于网络协同控制的虚拟总线 是构成虚拟制造系统有机整体并确保其有效运行的 支持平台 ,以进行控制指令、状态和公共数据的正确 数据采集、传输与调度。
3. 2 体系特性
在上述体系结构指导下 ,为开发相应的虚拟制 造系统 ,应采取相关技术来理顺 V M 单元间的关联 机理、规划系统的运行模式及实现机制 ,使体系具有 如下特性:
( 1)开放性 虚拟制造系统首先是一个工具集 , 对已有 CIM S和并行工程的哲理与虚拟制造技术综 合考虑 ,建立基于“即插即用”技术和异种软件间标 准数据接口的体系 ,以实现体系的开放性。具体表现 为系统功能的易扩展性、系统硬件的开放性、系统软 件的开放性。
( 2)分布性 通过 Internet / Int ranet 连接的、位 于不同的网址上的工程人员共享产品设计、制造和 管理所需的数据、知识、资源信息 ,使用分布性的应 用工具 ,进行虚拟产品开发。
( 3)动态性 虚拟制造系统可以动态地运行操 作 ,以支持产品开发过程中的所有活动。企业的不同 资源可以分别属于开发不同产品的不同虚拟制造系 统 , VM 系统应能灵活地根据产品实施方案 ,进行企 业对象和生产活动的映射。
( 4)并行性 在虚拟制造环境的分布式特性的 控制下 ,由于制造资源共享和开发过程的并发运行 , 产品开发活动不再是一个单步式的、严格串行的顺 序过程。可以“虚拟并行运作”描述这个过程 ,其核心 要素是: 基于进程思想的活动。
( 5)集成性 虚拟制造体系下的数据管理是一 项综合性的技术 ,“模型和数据管理”就是要以有效 手段管理产品开发过程中的相关模型、数据和知识 , 并提供宏观信息管理和控制的机制。 也包括模型的 标准化和可重用性技术、模型间的信息交互和共享。
( 6)人机和谐性 虚拟现实技术的应用极大地 增强人与计算机的交互方式 ,使人可以沉浸到制造 系统的虚拟环境中 ,强调人在虚拟制造系统运行中 的作用。
4 结束语
本文论述了有关虚拟制造的概念、虚拟制造体系 结构的研究现状及我们对虚拟体系研究的初探 ,并分 析该体系的层次性的框架结构及体系特性。虚拟制造 是一项处于发展中的新技术 ,由于全球大市场的竞争 需求 ,使得虚拟制造技术的研究与实施越来越为迫 切; 特别是研究和开发在具有特色的 V M 体系指导 下的虚拟制造系统 ,并使之推动我国机械制造业的复 兴 ,是这个世纪之交的时代带给我们的挑战。
参 考 资 料
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西门子股份公司
在德国举办了首次国际工业新闻论坛会
西门子股份公司于 1999年 3月 8日～ 9日在德国法兰克福举办了首次题为“工业领域的信息技术革 命”的国际工业新闻论坛会 ,来自世界各地 22个国家的 187位新闻工作者和西门子股份公司的高级管理及 专业技术人员共同参加了这次会议。应西门子 (中国 )有限公司的邀请 ,《机械工业自动化》杂志派人参加了这 次论坛会。
电子电器领域的跨国公司—— 西门子股份公司是全球最大的工业产品和服务供应商之一。 无论何时何 地 ,只要人们有赖于电子和电子技术 ,人们就可以依赖于西门子。 西门子股份公司的业务遍及工业、交通、通 讯、能源、医疗等诸多领域 ,其中工业这一领域 ,在西门子股份公司起着非常重要的作用。 1998年 ,西门子公 司在世界各地从事工业领域业务的员工总数超过 11万人 ,其销售额达到 330亿马克 ,占当年西门子股份公 司总销售额的 1 /4。
信息技术是当今推动世界经济、技术发展的先锋 ,正迅速扩展到各个生产、服务系统。为了进一步推进信 息技术在工业领域中的应用 ,西门子公司工业领域有关的 4个集团公司: 自动化与驱动集团 ( A& D) ,工业设 计与技术服务集团 ( A TD) ,产品与后勤系统集团 ( PL)以及建筑技术集团 ( SBT)共同组织了这次国际工业新 闻论坛会。
在这次国际新闻论坛会上 ,西门子高级专业人员做了题为
· 工业中的信息技术革命
· 轧钢过程的远距离控制技术
· 下一世纪的信息、技术和知识
· 信息技术在商业银行大楼的应用
· 信息技术革命之后 ,下一步是什么?
· 集成化的解决办法—— 西门子开创工业的未来 的报告 ,并就以下论题和与会者进行了讨论 ,它们是:
· 用于过程工业的 Sim atic: PCS7
· 工业中的信息技术集成
· 多媒体和信息系统
· 适于工业应用的远距离支持技术
· 分布式处理的趋势
· 全集成自动化
· 火灾检测系统及应用
· 建筑大楼自动化趋势
会后 ,组织与会者参观了德国商业银行 62层的办公大楼 ,其空调及照明系统使用了西门子工业集团的 控制系统及解决方案。
由西门子公司举办的首次国际工业新闻论坛会的成功召开 ,必将进一步引发工业领域的信息技术革命 , 使信息技术在工业生产、服务系统的应用进一步扩大、发展。
