本文作者：趙凱、戴毅茹、王堅 單位：同濟大學(xué)CIMS研究中心

整個建模軟件的設(shè)計和開發(fā)，滿足以下主要功能：①友好的用戶界面。軟件以層次性工具欄、菜單、建模窗口表現(xiàn)“四流”可視化效果；②體現(xiàn)“四流”合一建模思想。通過管道通道將對象連成模型拓撲結(jié)構(gòu)；③軟件通用性與擴展性。軟件適用包含重型裝備企業(yè)的一系列離散制造企業(yè)；④動態(tài)設(shè)定模型對象屬性。可視化參數(shù)設(shè)計設(shè)置對象屬性參數(shù)，提供仿真數(shù)據(jù)接口；⑤動態(tài)管理模型對象參數(shù)。統(tǒng)一的參數(shù)封裝對模型數(shù)據(jù)進行存儲和本地保存、讀取。

建模方法及關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)

1基于四流合一的生產(chǎn)能耗過程建模方法

高能耗離散制造企業(yè)制造過程在反映產(chǎn)品加工過程的同時，也體現(xiàn)了能生產(chǎn)過程能源消耗的情況，能源消耗過程與產(chǎn)品生產(chǎn)過程緊密關(guān)聯(lián)。企業(yè)生產(chǎn)能耗過程是能耗活動和生產(chǎn)活動相互作用、相互影響形成的復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性來源于能源流、物料流、信息流、排放流四個生產(chǎn)過程的耦合關(guān)系和交互行為，表現(xiàn)為“四流合一”的運行機制，需要從全局建立企業(yè)生產(chǎn)能耗過程模型，統(tǒng)一分析，整體優(yōu)化。企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過程建模從企業(yè)設(shè)備層出發(fā)到車間、部門進而建立整個模型，實現(xiàn)局部與整體的統(tǒng)一，通過設(shè)備、物料、能源與排放單元的參數(shù)化配置，實現(xiàn)模型單元動態(tài)聯(lián)動。

2工程化抽象工廠模式

設(shè)計模式提供了更高的分析和設(shè)計視角，降低軟件模塊間的耦合度。在建模需求分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用抽象工廠模式解耦模型任務(wù)執(zhí)行控制、任務(wù)數(shù)據(jù)生成，基于抽象工廠模式的模型構(gòu)造體系具有強大的動態(tài)擴展機制，增強了模型構(gòu)造的推廣能力。抽象工廠模式提供創(chuàng)建一系列相關(guān)或相互依賴的對象接口，它屬于對象創(chuàng)建型模式，其一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。抽象工廠是工廠方法模式的核心，為子類提供統(tǒng)一的實現(xiàn)標準。具體產(chǎn)品實現(xiàn)客戶應(yīng)用邏輯，是客戶端的最終需求。

3ILOG圖形化技術(shù)

IBMILOG技術(shù)使復(fù)雜數(shù)據(jù)更易于理解和管理，加快了開發(fā)圖形化產(chǎn)品的速度和能力。ILOGDiagrammerfor.NET是一整套樣例、圖形符號、全功能軟件開發(fā)套件的封裝集合，它完全兼容微軟.NET開發(fā)環(huán)境，補充了窗體應(yīng)用和Web應(yīng)用的組件。ILOG合成了三種圖形化編輯工具：圖表設(shè)計器、UML類圖表編輯器、商務(wù)處理建模符號編輯器。商務(wù)處理建模符號編輯器提供了用于工業(yè)制造系統(tǒng)的建模參考圖元及相關(guān)調(diào)用接口，提供了用戶通用設(shè)計類UerSymbol和容器類型基類,繼承這些類易于將自定義符號綁定到后端數(shù)據(jù)源。

建模系統(tǒng)設(shè)計及主要模塊實現(xiàn)

1模型關(guān)鍵類的UML靜態(tài)設(shè)計

離散制造企業(yè)的復(fù)雜生產(chǎn)過程決定了模型的復(fù)雜性，面向?qū)ο蟮睦^承特性使在抽象層次上定義統(tǒng)一規(guī)范的接口，來解決復(fù)雜模型對象間的層次關(guān)系成為可能。基于抽象工廠模式的重型裝備企業(yè)建模系統(tǒng)模型構(gòu)造整體類圖如圖3所示。

2模型抽象工廠構(gòu)造

系統(tǒng)建模的過程就是搭建一個虛擬工廠來模擬企業(yè)真實生產(chǎn)環(huán)境的過程，將能耗設(shè)備、能源、信息、排放單元以能源管道與信息通道關(guān)聯(lián)組成工廠模型。基于重型裝備企業(yè)的抽象工廠模型角色表示為：

（1）模型抽象工廠類定義一系列不同類離散制造企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境所包含的返回抽象產(chǎn)品對象接口的方法，包括能耗設(shè)備、物料、信息控制、排放單元、管道及信息通道和子過程對象。

（2）重型裝備模型具體工廠類在建模系統(tǒng)調(diào)用下創(chuàng)建抽象產(chǎn)品的實例。通過覆寫抽象工廠類定義的方法實現(xiàn)模型的應(yīng)用邏輯。

（3）模型抽象元素基類描述工廠方法模式所創(chuàng)建的模型對象的父類。設(shè)備基類封裝設(shè)備的唯一標識、名稱、類別、額定功率、噸位、緩沖容量、能耗物質(zhì)、工作狀態(tài)、前續(xù)后續(xù)對象、以及設(shè)備動態(tài)工作參數(shù)表，設(shè)備動態(tài)工作參數(shù)描述在具體仿真環(huán)境中設(shè)備的輸入輸出與運行參數(shù)，每組工作參數(shù)均由目標工件、輸入、輸出，能耗物質(zhì)、準備時間、加工時間、等待功率、準備功率、加工功率、阻塞功率、工件磨損率組成。且封裝了創(chuàng)建工廠設(shè)備對象的抽象方法。物料、能源等非設(shè)備對象基類與設(shè)備基類拆分降低了程序設(shè)計的耦合性，主要封裝唯一標識、名稱、類型、前續(xù)后續(xù)對象、節(jié)點類別、反饋類型等及創(chuàng)建模型工廠實體的抽象方法。能源管道與信息通道基類封裝了起點終點坐標、起始末端綁定對象、管道類型,通道類型及創(chuàng)建模型工廠實體的抽象方法，ILOGLink類創(chuàng)建對象數(shù)據(jù)流而不直接生成圖元。車間、部門對象基類充當容器角色，它封裝了對象唯一標識、名稱、類型、前續(xù)對象、對象及創(chuàng)建工廠實體的抽象方法。為使模型對象兼容ILOG圖形及矢量圖性質(zhì)，設(shè)備基類和非設(shè)備基類繼承UserSymbol類，管道通道基類繼承Link類。子過程基類繼承SubDiagram容器類。

（4）模型具體元素類主要封裝建模元素對象特有屬性，以及通過override關(guān)鍵字覆寫抽象元素所封裝的抽象方法來實現(xiàn)具體建模元素的應(yīng)用邏輯。

3模型數(shù)據(jù)傳輸與存儲模式

建模是為仿真優(yōu)化做準備，模型數(shù)據(jù)既要能直接通過拖拽建模元素構(gòu)建，也應(yīng)能從本地化存儲文件直接打開。可擴展的標記語言XML是一種結(jié)構(gòu)化的標記語言，適合于對象模型向結(jié)構(gòu)化文本映射。模型數(shù)據(jù)的臨時存儲依賴于模型對象的參數(shù)化屬性，本地保存時將模型圖元的邏輯位置、大小、工作參數(shù)寫入XML文件。打開模型時從XML讀取相應(yīng)屬性值重新調(diào)用抽象工廠模型構(gòu)造模型。模型數(shù)據(jù)流與對象模型到XML的數(shù)據(jù)交換如下：

（1）模型參考庫實現(xiàn)。基于抽象工廠設(shè)計模式的模型構(gòu)造器使得軟件可以構(gòu)建不拘泥于單一類企業(yè)的模型對象，而面向用戶的建模軟件要求建模元素的名稱及分類簡單、明了，模型元素庫將企業(yè)真實生產(chǎn)設(shè)備、能源、物料、排放物質(zhì)導(dǎo)入模型類節(jié)點，搭建企業(yè)生產(chǎn)能耗建模環(huán)境。參考模型庫的構(gòu)建依賴于本地元數(shù)據(jù)庫，用戶可自定義建模元素。將企業(yè)真實的生產(chǎn)設(shè)備、能源、物料、排放物質(zhì)按類型設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并映射到XML文檔。

（2）模型子過程實現(xiàn)。離散制造企業(yè)的生產(chǎn)工序繁雜，建模時從層與級的角度建立基于車間或部門的生產(chǎn)能耗過程模型，車間或部門作為子過程存在。從底層的設(shè)備層，車間、部門層或者廠區(qū)等不同粒度的角度建模，使得模型層次分明、可視性好。子過程的構(gòu)造依賴于抽象產(chǎn)品類subDiagram。子過程充當建模容器角色，可將所有建模元素繪制到其里面去，子過程折疊時子過程里面所有模型對象隨之折疊，展開時也隨之展開，子過程的容器特性是通過將創(chuàng)建的模型對象加載到子過程對象SubDia-gram的SubDiagramObjects屬性里實現(xiàn)。

（3）模型可視化實現(xiàn)。模型可視化即建模圖元的層次化及模型圖元、屬性及仿真動畫參數(shù)數(shù)據(jù)的可視化。模型對象的層次化顯示依賴于子過程，鼠標事件捕捉的Windous窗口坐標經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能將對象繪制在ILOG容器適當位置，包括Windous窗口到模型窗口、模型窗口到子過程及子過程到子過程容器里子過程的坐標映射，映射方法為Point()->Point2D()，ILOGdiagramView類的GetViewToContainerTransform()方法返回Transform類得到轉(zhuǎn)換的映射矩陣，Transform類的TransformPoint()方法接收一個Point2D坐標，通過映射得到需要的邏輯坐標。模型抽象產(chǎn)品繼承自UserSymbol、Link或SubDiagram基類把上層圖元和模型數(shù)據(jù)綁定起來，它們提供了構(gòu)造可視化圖形的模板，簡化了圖元的底層構(gòu)造。仿真動畫的實現(xiàn)基于圖層刷新與仿真數(shù)據(jù)捕捉兩方面。圖層顯示即圖元與建模元素數(shù)據(jù)的綁定，仿真數(shù)據(jù)捕捉通過C#多線程回傳仿真推進中設(shè)備的等待、工作隊列及狀態(tài)參數(shù)。

（4）建模結(jié)果。抽象工廠模型構(gòu)造器及建模對象應(yīng)用邏輯設(shè)計好后軟件就基本開發(fā)完成。圖5是重型裝備企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過程模型片段圖。包括動力處，冶鑄、鍛壓和熱處理車間，車間之間由中間產(chǎn)品相連，鍛壓車間包含加熱爐、油壓機、水壓機等能耗設(shè)備，同時伴隨天然氣、高壓電等能源消耗，紅色線條為能源管道，綠色線條為物料通道，藍色線為生產(chǎn)控制信息通道。

結(jié)束語

本文介紹了抽象工廠模式，在重型裝備制造企業(yè)生企業(yè)生產(chǎn)能耗耦合過程模型設(shè)計中的應(yīng)用，基于ILOG圖形技術(shù)，用C#程序開發(fā)高能耗企業(yè)生產(chǎn)能耗過程。可視化建模軟件的基本方法和模型可視化實現(xiàn)的關(guān)鍵點。對模型做了一致性檢查，有較好的可擴展性，滿足面向?qū)ο箝_放性原則，為企業(yè)模型仿真和優(yōu)化奠定了良好基礎(chǔ)。