CPS环境下机械产品装配过程虚拟装配单元建模研究

王昊

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

CPS环境下机械产品装配过程虚拟装配单元建模研究

王昊

（合肥工业大学机械工程学院，合肥 230009）

为实现机械产品装配过程动态感知、协同交互的智能装配目标，在分析CPS于机械产品装配过程应用模式基础上，提出CPS环境下的虚拟装配单元（Virtual Assembly Unit，VAU）概念，然后完成单元建模和仿真交互。首先，通过分析CPS环境下机械产品装配过程特点来研究装配过程信息流动路径及信息交互需求；其次，以装配线工作站为研究对象，运用扩展Petri网将其抽象成若干具备内部自治能力的虚拟装配单元，VAU由单元动作功能模块组成，以门变迁与信息库所表示功能模块之间的信息交互；最后，以发动机装配中的凸轮轴涂胶工作站为例，依据工作站内部功能逻辑和作业标准约束，对虚拟装配单元功能逻辑交互进行仿真。

CPS；Petri网；虚拟装配单元；交互仿真

0 引言

Rfid技术及嵌入式技术为生产的实时动态过程检测与控制提供技术基础[1]，IoT（Internet of Things）对于制造业影响深刻，推进了智能制造进程[2]。为了更好地实现生产要素的互联互通，生产过程的网络化，CPS的概念、目标逐渐清晰[3]。

信息物理系统（Cyber Physical system，CPS）是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的智能系统[4]。计算系统与物理系统的融合，赋予了CPS特有的空间属性，文献[5]在时间Petri网的基础上引入了空间因素，构造了时空Petri网模型，文献[6]提出以分布式代理为模块的交互媒介的结构，理顺模块间的信息交互。文献[7]用颜色对装配资源进行分类,并将装配资源Agent内部行为进行封装,构建了单元Agent，具有对象化的思维。伯克利大学的爱德华·李提出了“信息系统物理化，物理系统信息化”的概念，来解决物理实体与信息实体的建模及二者交互的问题。文献[8]以面向对象的时间着色Petri网为工具搭建了管控一体平台，完成物联网环境下面向对象的Petri网建模。

因此，文中面向CPS环境下的机械产品装配过程，以装配工作站为研究对象，利用扩展Petri网，抽象出基本动作模块并完成建模，在基本动作模块基础上，构造出虚拟装配单元模型；根据单元内部逻辑与信息交互需求，对虚拟装配单元工作机制进行交互仿真，验证交互有效性、建模可行性。

1 CPS环境下机械产品装配单元资源分析

计算实体[9-10]（LP）层资源是由诸如可编程处理器、服务器等具有自主传输、数据存储与逻辑判断能力的实体组成的集合，是CPS环境下装配单元的核心部分，负责整个单元的控制逻辑、资源分配，处于信息流的顶端。物理实体(PE)层是数据产生的源头，包括设备动作、质量数据、资源动态等数据，涵盖感知设备、执行设备、人员、物料等底层实体。信息交互（EN）层为整条信息流提供各类接口服务，在数据安全、协议转换等方面有极重要的地位。装配单元资源架构如图1所示。

2 基于扩展Petri网的虚拟装配单元建模

2.1 Petri网建模基本定义

将现场物理实体对象与装配规则、状态等映射为库所；改变系统状态的事件、资源的消耗、信息获取使用等映射为变迁。有时间属性的变迁为延时变迁，具有着色功能的变迁完成决策，门变迁是单元内部模块之间进行交互的接口，用来表示信息交互；有向弧代表库所与变迁之间的信息流、物料流及工艺方向等。定义库所与变迁如图2所示：普通库所设备库所，物料库所，信息库所虚拟库所普通变迁，延时变迁决策变迁接口变迁（，虚拟变迁

图2 Petri网基本符号

基本动作模块。机械产品装配过程中为了完成某一最小逻辑功能而涉及到的软硬件组成的最小实体的功能性集合。

标识模块[11-12]（ID_mod）。负责标识产品，具有识别与被识别的功能，是识别与监测产品的物理实体抽象模型组合。

感知模块（SE_mod）。负责产品及环境变化的感知，主要感知产品的坐标、姿态以及产品对象的到位及离开等基本物理状态。

执行模块（EX_mod）。负责接收和完成动作指令的执行器，完成要求动作的输出并将动作产生的数据给出相应反馈。

交互模块（IN_mod）。负责获将指定信息发送至相关模块或者其它单元，完成信息的传输。

状态模块（ST_mod）。负责监控所在单元基本状态，如网络通讯状态。

2.2 虚拟装配单元定义与建模

虚拟装配单元（Virtual Assembly Unit，VAU）定义：抽象CPS环境下机械产品装配过程物理实体的动态、静态属性，结合单元逻辑并融合计算实体，构成的能够独立完成数据采集、信息交互与动作调控等功能的抽象模型。

以工作站为单位，结合工作站的物理实体、计算实体和单元颜色集合来构建虚拟装配单元OCPN(Objectoriented Colored Petri Net,OCPN)Petri网模型[13-14]。OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj）Petri网模型由4个元素组元，下标j以区别不同的VAU；MPj={MPi,1,2,··,n,n∈N}，MPi是VAU中对象化的单元基本动作模块集合，VAU根据工作站功能的不同来配置单元动作功能模块，在VAU中主要负责交互接口与功能实现，是VAU的主体部分。PEj={PEi,1,2,··,n,n∈N}，为上文定义的环境范围内物理实体抽象而成的四元组模型PEj=（EID,EPRO,EINT,ESTATE），包含了工作站物理实体的实时静态、动态属性信息，以实现VAU的动态可解析化、可视化等功能。LPj={LPi,1,2,··,n,n∈N},表示VAU中物理实体与模块间的关联关系，资源调用协议与执行方案、上层数据配置信息、队列处理逻辑等，是VAU的计算中枢。CPj={CPi,1,2,··,n,n∈N}，是单元中令牌颜色集合，代表逻辑条件的满足与否，能够表征装配过程中产品基本信息、合格信息、队列信息及产品在不同单元间流动及所需处理模式的差异等。虚拟装配单元运行逻辑如图3所示。

图3 虚拟装配单元运行逻辑图

3 基于VAU的装配单元自治交互仿真分析

基于VAU的资源集合方式、运行逻辑，以发动机装配过程中涂胶工作站为例构建VAU单元并完成自治实例解析。由单元模型OCPNj=（MPj，PEj，LPj，CPj），和涂胶工作站硬件配置可得5个模块组成虚拟涂胶单元。各个模块的物理实体有={Rfid读写器，电子标签}={停止器，金属传感器，红外线传感器，视觉图像传感器，电磁阀}={OPC中间软件，PLC，交换机等}={视觉相机，涂胶设备，电磁阀，停止器等}，{网络及电力状态监控}。VAU物理实体集合：PEb2={视觉相机，涂胶设备，停止器，电磁阀，Rfid读写器···}，而且PEb2是静态属性与动态属性的解析与追溯数据源。LPb2={PLC控制器，服务器数据配置，服务器执行逻辑配置}。基于VAU的涂胶工作站交互仿真如图4所示。

图4 基于VAU的涂胶工作站交互仿真

4 结语

文中从对象化建模的角度，结合CPS思想，构建了VAU的OCPN模型，在VAU模型的基础上完成了单元自治仿真，此模型具有如下特点：1）该虚拟装配单元模型具有较高的可解析性，通过索引可以实现现场状态的实时监控。2）单元内信息交互畅通，实现互联互通、消除信息孤岛，涉及的思想可以为智能工厂建模提供参考。

[1] 刘卫宁,黄文雷,孙棣华,等.基于射频识别的离散制造业制造执行系统设计与实现[J].计算机集成制造系统,2007,13(10):1886-1890.

[2] GUBBI J,BUYYA R,MARUSIC S,et al.Internet of Things(IoT):A vision,architectural elements,and future directions[J].Future Generation Computer Systems,2013,29(7):1645-1660.

[3] 陈丽娜,王小乐,邓苏.CPS体系结构设计[J].计算机科学,2011,38(5):295-300.

[4] LEE E A.Cyber physical systems:Design challenges[C]//Object Oriented Real-Time Distributed Computing (ISORC),2008 11th IEEE International Symposium on.IEEE,2008:363-369.

[5] 张茗泰,张广泉,张侃,等.描述CPS物理实体的时空Petri网模型[J].计算机科学与探索,2013,7(4):377-384.

[6] MULLER R,VETTE M,HORAUF L,et al.Concept and implementation of an agent-based control architecture for a cyber-physical assembly system [C]//MATEC Web of Conferences.EDP Sciences,2016,42:04003.

[7] 苑明海,白颖,李东波.基于面向Agent的赋时着色Petri网的可重构装配线建模[J].计算机集成制造系统,2008,14(11):2142-2149.

[8] 刘明周,马靖,赵志彪,等.物联网环境下的机械产品管控一体智能装配系统建模[J].计算机集成制造系统,2015,21(3):669-679.

[9] 苏春.制造系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2014.

[10] 王小乐,黄宏斌,邓苏,等.信息物理系统资源能力建模[J].计算机科学,2012,39(2):227-231.

[11]刘子微.CPS系统的时空UML模型建模方法研究[D].上海:华东师范大学,2012.

[12]宋翠叶.基于事件的CPS系统行为仿真建模方法研究[D].西安:西北工业大学,2015.

[13] 杨刚,沈沛意,郑春红.物联网理论与技术[M].北京:科学出版社,2010.

[14] 黄东军.物联网技术导论[M].北京:电子工业出版社,2012.

Research on Virtual Assembly Unit Modeling of Mechanical Assembly Process under the Environment of CPS

WANG Hao
(School ofMechanical Engineering,Hefei UniversityofTechnology,Hefei 230009,China)

In order to realize the intelligent assembly target of dynamic sensing and collaborative interaction of mechanical product assembly process,this paper analyzes CPS and application model of mechanical product assembly process,and proposes the concept of virtual assembly unit(VAU)under CPS environment.Unit modeling and simulation interaction are achieved.Firstly,the flow path and information interaction of the assembly process information are analyzed based on the characteristics of the mechanical product assembly process in the CPS environment.Secondly,the assembly line workstation is used as the research object,and the extended Petri net is used to abstract it into several virtual assembly units with internal self-control capability.The VAU consists of the unit action function module,gate transition andfunction module are used to represent information interaction.Taking the camshaft gluing workstation in the engine assembly as an example,the functional logic interaction of the virtual assembly unit is simulated according to the functional logic and the operation standard of the workstation.

CPS;Petri net;virtual assembly unit;interactive simulation

TH 166

A

1002－2333（2018）01－0086－03

（编辑昊 天）

王昊（1990—），男，硕士研究生，研究方向为制造过程监测与控制。

2017-03-30