企业软件论文：制造业建模软件设计探讨

本文作者：赵凯、戴毅茹、王坚 单位：同济大学CIMS研究中心

整个建模软件的设计和开发，满足以下主要功能：①友好的用户界面。软件以层次性工具栏、菜单、建模窗口表现“四流”可视化效果；②体现“四流”合一建模思想。通过管道通道将对象连成模型拓扑结构；③软件通用性与扩展性。软件适用包含重型装备企业的一系列离散制造企业；④动态设定模型对象属性。可视化参数设计设置对象属性参数，提供仿真数据接口；⑤动态管理模型对象参数。统一的参数封装对模型数据进行存储和本地保存、读取。

建模方法及关键技术的开发

1基于四流合一的生产能耗过程建模方法

高能耗离散制造企业制造过程在反映产品加工过程的同时，也体现了能生产过程能源消耗的情况，能源消耗过程与产品生产过程紧密关联。企业生产能耗过程是能耗活动和生产活动相互作用、相互影响形成的复杂系统，其复杂性来源于能源流、物料流、信息流、排放流四个生产过程的耦合关系和交互行为，表现为“四流合一”的运行机制，需要从全局建立企业生产能耗过程模型，统一分析，整体优化。企业生产能耗耦合过程建模从企业设备层出发到车间、部门进而建立整个模型，实现局部与整体的统一，通过设备、物料、能源与排放单元的参数化配置，实现模型单元动态联动。

2工程化抽象工厂模式

设计模式提供了更高的分析和设计视角，降低软件模块间的耦合度。在建模需求分析的基础上，应用抽象工厂模式解耦模型任务执行控制、任务数据生成，基于抽象工厂模式的模型构造体系具有强大的动态扩展机制，增强了模型构造的推广能力。抽象工厂模式提供创建一系列相关或相互依赖的对象接口，它属于对象创建型模式，其一般结构如图2所示。抽象工厂是工厂方法模式的核心，为子类提供统一的实现标准。具体产品实现客户应用逻辑，是客户端的最终需求。

3ILOG图形化技术

IBMILOG技术使复杂数据更易于理解和管理，加快了开发图形化产品的速度和能力。ILOGDiagrammerfor.NET是一整套样例、图形符号、全功能软件开发套件的封装集合，它完全兼容微软.NET开发环境，补充了窗体应用和Web应用的组件。ILOG合成了三种图形化编辑工具：图表设计器、UML类图表编辑器、商务处理建模符号编辑器。商务处理建模符号编辑器提供了用于工业制造系统的建模参考图元及相关调用接口，提供了用户通用设计类UerSymbol和容器类型基类,继承这些类易于将自定义符号绑定到后端数据源。

建模系统设计及主要模块实现

1模型关键类的UML静态设计

离散制造企业的复杂生产过程决定了模型的复杂性，面向对象的继承特性使在抽象层次上定义统一规范的接口，来解决复杂模型对象间的层次关系成为可能。基于抽象工厂模式的重型装备企业建模系统模型构造整体类图如图3所示。

2模型抽象工厂构造

系统建模的过程就是搭建一个虚拟工厂来模拟企业真实生产环境的过程，将能耗设备、能源、信息、排放单元以能源管道与信息通道关联组成工厂模型。基于重型装备企业的抽象工厂模型角色表示为：

（1）模型抽象工厂类定义一系列不同类离散制造企业生产环境所包含的返回抽象产品对象接口的方法，包括能耗设备、物料、信息控制、排放单元、管道及信息通道和子过程对象。

（2）重型装备模型具体工厂类在建模系统调用下创建抽象产品的实例。通过覆写抽象工厂类定义的方法实现模型的应用逻辑。

（3）模型抽象元素基类描述工厂方法模式所创建的模型对象的父类。设备基类封装设备的唯一标识、名称、类别、额定功率、吨位、缓冲容量、能耗物质、工作状态、前续后续对象、以及设备动态工作参数表，设备动态工作参数描述在具体仿真环境中设备的输入输出与运行参数，每组工作参数均由目标工件、输入、输出，能耗物质、准备时间、加工时间、等待功率、准备功率、加工功率、阻塞功率、工件磨损率组成。且封装了创建工厂设备对象的抽象方法。物料、能源等非设备对象基类与设备基类拆分降低了程序设计的耦合性，主要封装唯一标识、名称、类型、前续后续对象、节点类别、反馈类型等及创建模型工厂实体的抽象方法。能源管道与信息通道基类封装了起点终点坐标、起始末端绑定对象、管道类型,通道类型及创建模型工厂实体的抽象方法，ILOGLink类创建对象数据流而不直接生成图元。车间、部门对象基类充当容器角色，它封装了对象唯一标识、名称、类型、前续对象、对象及创建工厂实体的抽象方法。为使模型对象兼容ILOG图形及矢量图性质，设备基类和非设备基类继承UserSymbol类，管道通道基类继承Link类。子过程基类继承SubDiagram容器类。

（4）模型具体元素类主要封装建模元素对象特有属性，以及通过override关键字覆写抽象元素所封装的抽象方法来实现具体建模元素的应用逻辑。

3模型数据传输与存储模式

建模是为仿真优化做准备，模型数据既要能直接通过拖拽建模元素构建，也应能从本地化存储文件直接打开。可扩展的标记语言XML是一种结构化的标记语言，适合于对象模型向结构化文本映射。模型数据的临时存储依赖于模型对象的参数化属性，本地保存时将模型图元的逻辑位置、大小、工作参数写入XML文件。打开模型时从XML读取相应属性值重新调用抽象工厂模型构造模型。模型数据流与对象模型到XML的数据交换如下：

（1）模型参考库实现。基于抽象工厂设计模式的模型构造器使得软件可以构建不拘泥于单一类企业的模型对象，而面向用户的建模软件要求建模元素的名称及分类简单、明了，模型元素库将企业真实生产设备、能源、物料、排放物质导入模型类节点，搭建企业生产能耗建模环境。参考模型库的构建依赖于本地元数据库，用户可自定义建模元素。将企业真实的生产设备、能源、物料、排放物质按类型设计数据结构，并映射到XML文档。

（2）模型子过程实现。离散制造企业的生产工序繁杂，建模时从层与级的角度建立基于车间或部门的生产能耗过程模型，车间或部门作为子过程存在。从底层的设备层，车间、部门层或者厂区等不同粒度的角度建模，使得模型层次分明、可视性好。子过程的构造依赖于抽象产品类subDiagram。子过程充当建模容器角色，可将所有建模元素绘制到其里面去，子过程折叠时子过程里面所有模型对象随之折叠，展开时也随之展开，子过程的容器特性是通过将创建的模型对象加载到子过程对象SubDia-gram的SubDiagramObjects属性里实现。

（3）模型可视化实现。模型可视化即建模图元的层次化及模型图元、属性及仿真动画参数数据的可视化。模型对象的层次化显示依赖于子过程，鼠标事件捕捉的Windous窗口坐标经过转换才能将对象绘制在ILOG容器适当位置，包括Windous窗口到模型窗口、模型窗口到子过程及子过程到子过程容器里子过程的坐标映射，映射方法为Point()->Point2D()，ILOGdiagramView类的GetViewToContainerTransform()方法返回Transform类得到转换的映射矩阵，Transform类的TransformPoint()方法接收一个Point2D坐标，通过映射得到需要的逻辑坐标。模型抽象产品继承自UserSymbol、Link或SubDiagram基类把上层图元和模型数据绑定起来，它们提供了构造可视化图形的模板，简化了图元的底层构造。仿真动画的实现基于图层刷新与仿真数据捕捉两方面。图层显示即图元与建模元素数据的绑定，仿真数据捕捉通过C#多线程回传仿真推进中设备的等待、工作队列及状态参数。

（4）建模结果。抽象工厂模型构造器及建模对象应用逻辑设计好后软件就基本开发完成。图5是重型装备企业生产能耗耦合过程模型片段图。包括动力处，冶铸、锻压和热处理车间，车间之间由中间产品相连，锻压车间包含加热炉、油压机、水压机等能耗设备，同时伴随天然气、高压电等能源消耗，红色线条为能源管道，绿色线条为物料通道，蓝色线为生产控制信息通道。

结束语

本文介绍了抽象工厂模式，在重型装备制造企业生企业生产能耗耦合过程模型设计中的应用，基于ILOG图形技术，用C#程序开发高能耗企业生产能耗过程。可视化建模软件的基本方法和模型可视化实现的关键点。对模型做了一致性检查，有较好的可扩展性，满足面向对象开放性原则，为企业模型仿真和优化奠定了良好基础。