基于UML的生產過程建模研究

張菲 郭慶峰 張帥 高阿曼

[摘 要]智能制造趨勢下智能管控系統和仿真模擬系統是支撐企業生產過程智能管控的信息化平臺，構建清晰、明確的生產過程模型是保證管控系統智能性和仿真系統準確性的關鍵。本文基于UML建模技術，對生產過程建模方法進行研究，采用面向對象分析設計方法，分析生產過程的靜態模型和動態模型，構建生產過程模型。

[關鍵詞]UML建模技術;生產過程建模;面向對象

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.06.033

[中圖分類號]TP311.52[文獻標識碼]A[文章編號]1673-0194（2020）06-00-03

0? ? ?引 言

隨著工業4.0、工業互聯網、中國制造2025等先進制造戰略的提出，越來越多的企業開始使用物聯網、大數據、云計算以及人工智能等先進技術探索智能制造的落地實現。生產過程作為產品生命周期中的核心內容，決定著產品整個生產流程是否合理、高效、低成本。對生產過程實現智能管控和仿真模擬是智能制造的兩大核心需求，而生產過程建模是智能管控和仿真模擬必不可少的一個環節。對生產過程模型進行清晰、明確地定義是保證智能管控系統精確可靠運行和仿真模擬系統準確預測的必要條件，是智能管控系統和仿真模擬系統建設的基礎。雖然上述研究針對生產過程建模采用了各種技術和方法，但是對生產過程的描述不夠全面、顆粒度不夠細致，在生產過程實際應用中仍然存在一定的問題，不能為實際生產管控提供顆粒度更小的可調度活動來提高管控系統的智能性，不能精確模擬生產過程中最小可調度活動的控制來提高仿真預測的準確性，也沒有涉及實際生產過程中物聯網感知數據與實際管控系統的交互等問題，導致生產過程建模的作用體現在理論仿真層面，不能深入生產過程的實際管控調度中。為解決上述問題，本文通過研究UML建模技術，研究生產過程的建模方法，使生產過程的建模過程標準化、規范化，且基于UML建模的生產過程模型能夠更加精確規范地描述生產過程，為智能管控系統和仿真模擬系統提供數據支撐，以提高管控系統的智能性和仿真模擬系統的準確性。

1? ? ?UML建模技術

UML（Unified Modeling Language，統一建模語言）是一種支持面向對象的軟件建模方法，已經成為一種編制軟件藍圖的標準化語言，提供了一套描述軟件系統模型的概念和圖形表示法以及語言的擴展機制和對象約束語言，使UML語言對復雜軟件系統的建模非常合適。UML建模包括靜態建模機制和動態建模機制，靜態建模機制用于描述系統的靜態組成，包括用例圖、類圖、對象圖、包圖、構件圖和配置圖;動態建模機制用于描述系統結構元素的動態行為，包括狀態模型、順序模型、合作模型和活動模型，以狀態圖、順序圖、合作圖、活動圖來表示。

2? ? ?基于UML建模的生產過程建模

基于UML建模技術的生產過程建模包括靜態建模和動態建模，靜態建模用于描述生產過程中的相關資源模型、工藝靜態模型，動態模型用于描述生產過程中資源的狀態變化、生產過程的工藝流程、生產任務的狀態變化、生產活動的狀態變化以及生產過程與設備狀態之間的關系。

2.1? ?生產過程靜態建模

基于UML建模技術的生產過程靜態建模是對生產過程中涉及的資源、工藝過程進行全要素系統結構類建模，描述各類的屬性以及類與類之間的關聯關系。基于UML建模的生產過程系統類圖如圖1所示。

生產過程靜態建模的步驟如下所示。①抽象出生產過程的全要素組成對象類，在抽象生產過程的全要素組成對象類的過程中，在生產過程基本的工藝、工步和資源的基礎上將工步進一步詳細為顆粒度更小的可調度活動，活動能夠更加清晰明確地表達生產過程的各個作業步驟。各個活動所關聯的資源信息能夠更加清楚地明確生產過程中的相關資源情況，且活動與監測數據之間的關系表達了生產過程與物聯網感知數據之間的關系。②根據生產過程的智能管控和仿真模擬需求，對生產過程中各個類之間的關聯關系進行了定義，以保證智能管控系統和仿真模擬系統能夠根據各個類之間的關聯關系進行信息交互和傳遞。③根據生產過程中的數據關聯關系和數據傳遞過程，將抽象出的各個類的屬性進行定義，定義過程中充分考慮各屬性是否能夠支撐在生產過程的智能管控和仿真模擬系統中的應用。

2.2? ?生產過程動態建模

基于UML建模技術的生產過程動態建模能夠完整地表達生產過程中的動態變化，本文在生產單元制造過程的動態建模中應用了以下兩種方法：對生產過程中涉及的各個類的狀態變化進行狀態圖建模，描述各個類的狀態轉換機制;對生產過程的工藝流程進行順序圖建模，描述生產工藝流程的過程順序。

2.2.1? ?使用狀態圖描述狀態變化

設備狀態圖用于描述設備資源在生產過程中的狀態變換，設備狀態在生產過程調度中是首要約束條件，調度過程中根據基于物聯網感知的設備狀態數據決定活動的分配結果，如圖2所示。

生產任務狀態是從添加任務到任務結束過程中的狀態變化，對生產任務狀態進行建模控制，能夠在系統中及時查看任務狀態并進行后續決策，系統根據任務狀態判斷后續的活動自動執行過程。由于下達的生產任務可以包含多個零件，因此生產任務狀態包括任務狀態和零件狀態，生產任務和零件之間的狀態相互影響，如圖3所示。

活動指生產單元中最小可調度的控制活動，由于活動的顆粒度足夠小，因此對活動狀態進行控制可以保證生產過程中活動執行順序邏輯的精準性、正確性和可靠性，生產單元根據下發的活動指令執行相應操作，調度根據活動狀態的變換來控制活動的后續處理，活動狀態圖如圖4所示。

2.2.2? ?使用順序圖描述工藝流程過程

工藝流程是對整個生產過程順序的描述，根據工藝流程的順序圖可以直觀表達生產過程中的活動順序、活動之間的關系以及各個活動相關的控制系統、執行設備、觸發條件等信息。工藝流程的順序圖示例如圖5所示，將工藝流程拆分為顆粒度最小的可調度活動，由智能管控系統根據活動之間的順序關系觸發活動的開始指令，根據指令的設備屬性和參數屬性將指令發送到指定的設備，設備執行完成之后再將完成信息通過物聯網傳輸給智能管控系統。

基于UML建模技術的制造單元生產過程建模能夠更加清晰明確地表達生產過程，對生產過程的業務需求分析提供可視化的工具，在生產過程中可以支持管控系統的動態實時調度，并基于互聯網的活動信息交互，使管控系統能夠即時對生產過程進行控制，提高管控系統的智能性，同時活動的顆粒度足夠小也能夠保證生產過程仿真模擬的準確性，且能夠根據仿真結果快速優化建模過程。

3? ? ?總結與展望

本文研究了一種基于UML建模的生產過程建模方法，通過構建生產過程靜態模型和動態模型，從不同視角清晰明確地表達生產過程，為建設基于模型的智能管控系統和仿真模擬系統提供了重要技術支持。該建模方法同樣適用于其他車間制造過程、裝配過程等。后續本文將進一步研究基于UML建模的方法在企業信息系統中其他方面的應用，為企業的信息化提供有力支撐。

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