基于UML的生产过程建模研究
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[摘 要]智能制造趋势下智能管控系统和仿真模拟系统是支撑企业生产过程智能管控的信息化平台，构建清晰、明确的生产过程模型是保证管控系统智能性和仿真系统准确性的关键。本文基于UML建模技术，对生产过程建模方法进行研究，采用面向对象分析设计方法，分析生产过程的静态模型和动态模型，构建生产过程模型。
[关键词]UML建模技术;生产过程建模;面向对象
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.06.033
[中图分类号]TP311.52 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2020）06-00-03
0 引 言
随着工业4.0、工业互联网、中国制造2025等先进制造战略的提出，越来越多的企业开始使用物联网、大数据、云计算以及人工智能等先进技术探索智能制造的落地实现。生产过程作为产品生命周期中的核心内容，决定着产品整个生产流程是否合理、高效、低成本。对生产过程实现智能管控和仿真模拟是智能制造的两大核心需求，而生产过程建模是智能管控和仿真模拟必不可少的一个环节。对生产过程模型进行清晰、明确地定义是保证智能管控系统精确可靠运行和仿真模拟系统准确预测的必要条件，是智能管控系统和仿真模拟系统建设的基础。虽然上述研究针对生产过程建模采用了各种技术和方法，但是对生产过程的描述不够全面、颗粒度不够细致，在生产过程实际应用中仍然存在一定的问题，不能为实际生产管控提供颗粒度更小的可调度活动来提高管控系统的智能性，不能精确模拟生产过程中最小可调度活动的控制来提高仿真预测的准确性，也没有涉及实际生产过程中物联网感知数据与实际管控系统的交互等问题，导致生产过程建模的作用体现在理论仿真层面，不能深入生产过程的实际管控调度中。为解决上述问题，本文通过研究UML建模技术，研究生产过程的建模方法，使生产过程的建模过程标准化、规范化，且基于UML建模的生产过程模型能够更加精确规范地描述生产过程，为智能管控系统和仿真模拟系统提供数据支撑，以提高管控系统的智能性和仿真模拟系统的准确性。
1 UML建模技术
UML（Unified Modeling Language，统一建模语言）是一种支持面向对象的软件建模方法，已经成为一种编制软件蓝图的标准化语言，提供了一套描述软件系统模型的概念和图形表示法以及语言的扩展机制和对象约束语言，使UML语言对复杂软件系统的建模非常合适。UML建模包括静态建模机制和动态建模机制，静态建模机制用于描述系统的静态组成，包括用例图、类图、对象图、包图、构件图和配置图;动态建模机制用于描述系统结构元素的动态行为，包括状态模型、顺序模型、合作模型和活动模型，以状态图、顺序图、合作图、活动图来表示。
2 基于UML建模的生產过程建模
基于UML建模技术的生产过程建模包括静态建模和动态建模，静态建模用于描述生产过程中的相关资源模型、工艺静态模型，动态模型用于描述生产过程中资源的状态变化、生产过程的工艺流程、生产任务的状态变化、生产活动的状态变化以及生产过程与设备状态之间的关系。
2.1 生产过程静态建模
基于UML建模技术的生产过程静态建模是对生产过程中涉及的资源、工艺过程进行全要素系统结构类建模，描述各类的属性以及类与类之间的关联关系。基于UML建模的生产过程系统类图如图1所示。
生产过程静态建模的步骤如下所示。①抽象出生产过程的全要素组成对象类，在抽象生产过程的全要素组成对象类的过程中，在生产过程基本的工艺、工步和资源的基础上将工步进一步详细为颗粒度更小的可调度活动，活动能够更加清晰明确地表达生产过程的各个作业步骤。各个活动所关联的资源信息能够更加清楚地明确生产过程中的相关资源情况，且活动与监测数据之间的关系表达了生产过程与物联网感知数据之间的关系。②根据生产过程的智能管控和仿真模拟需求，对生产过程中各个类之间的关联关系进行了定义，以保证智能管控系统和仿真模拟系统能够根据各个类之间的关联关系进行信息交互和传递。③根据生产过程中的数据关联关系和数据传递过程，将抽象出的各个类的属性进行定义，定义过程中充分考虑各属性是否能够支撑在生产过程的智能管控和仿真模拟系统中的应用。
2.2 生产过程动态建模
基于UML建模技术的生产过程动态建模能够完整地表达生产过程中的动态变化，本文在生产单元制造过程的动态建模中应用了以下两种方法：对生产过程中涉及的各个类的状态变化进行状态图建模，描述各个类的状态转换机制;对生产过程的工艺流程进行顺序图建模，描述生产工艺流程的过程顺序。
2.2.1 使用状态图描述状态变化
设备状态图用于描述设备资源在生产过程中的状态变换，设备状态在生产过程调度中是首要约束条件，调度过程中根据基于物联网感知的设备状态数据决定活动的分配结果，如图2所示。
生产任务状态是从添加任务到任务结束过程中的状态变化，对生产任务状态进行建模控制，能够在系统中及时查看任务状态并进行后续决策，系统根据任务状态判断后续的活动自动执行过程。由于下达的生产任务可以包含多个零件，因此生产任务状态包括任务状态和零件状态，生产任务和零件之间的状态相互影响，如图3所示。
活动指生产单元中最小可调度的控制活动，由于活动的颗粒度足够小，因此对活动状态进行控制可以保证生产过程中活动执行顺序逻辑的精准性、正确性和可靠性，生产单元根据下发的活动指令执行相应操作，调度根据活动状态的变换来控制活动的后续处理，活动状态图如图4所示。
2.2.2 使用顺序图描述工艺流程过程 工艺流程是对整个生产过程顺序的描述，根据工艺流程的顺序图可以直观表达生产过程中的活动顺序、活动之间的关系以及各个活动相关的控制系统、执行设备、触发条件等信息。工艺流程的顺序图示例如图5所示，将工艺流程拆分为颗粒度最小的可调度活动，由智能管控系统根据活动之间的顺序关系触发活动的开始指令，根据指令的设备属性和参数属性将指令发送到指定的设备，设备执行完成之后再将完成信息通过物联网传输给智能管控系统。
基于UML建模技术的制造单元生产过程建模能够更加清晰明确地表达生产过程，对生产过程的业务需求分析提供可视化的工具，在生产过程中可以支持管控系统的动态实时调度，并基于互联网的活动信息交互，使管控系统能够即时对生产过程进行控制，提高管控系统的智能性，同时活动的颗粒度足够小也能够保证生产过程仿真模拟的准确性，且能够根据仿真结果快速优化建模过程。
3 总结与展望
本文研究了一种基于UML建模的生产过程建模方法，通过构建生产过程静态模型和动态模型，从不同视角清晰明确地表达生产过程，为建设基于模型的智能管控系统和仿真模拟系统提供了重要技术支持。该建模方法同样適用于其他车间制造过程、装配过程等。后续本文将进一步研究基于UML建模的方法在企业信息系统中其他方面的应用，为企业的信息化提供有力支撑。
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