[发明专利]一种基于时间自动机的数字孪生制造单元行为建模方法

说明书

本发明公开了一种基于时间自动机的数字孪生制造单元行为建模方法，对制造单元的物理实体组成与加工需求进行考察，获取行为特征与对应的时间参数，针对具体加工任务，基于启发式智能算法生成包含在制品唯一标识号，工序号，加工设备标识号和加工时间的制造单元加工设备运行序列；构建加工设备、转运设备以及缓冲区与仓储的时间自动机模型；以在制品流转为核心构建时间自动机网络，生成制造单元的行为模型；根据加工设备的运行序列，生成包括设备运行序列与在制品状态追踪序列的制造单元整体行为序列，用于制造单元孪生体的执行分析。本发明有效准确描述制造单元行为逻辑，提升制造单元的自组织、自适应、自决策能力。

技术领域

本发明属于制造系统自动化技术领域，具体涉及一种基于时间自动机的基于时间自动机的数字孪生制造单元行为建模方法。

背景技术

制造是国民经济的支柱产业。以云计算、物联网就、边缘计算、大数据分析和人工智能为代表的新一代的信息技术与制造业的集成与发展成为信息化时代制造业的主要特征与发展方向。数字孪生能够建立物理世界与虚拟世界的双向动态连接，是实现制造信息物理融合、推进智能制造落地应用的关键使能技术。数字孪生需要实现多学科、多领域需求下的模型构建，从而完成物理系统全生命周期的系统级仿真，进而实现自组织、自适应、自决策的智能制造功能要求。同时，数字孪生可以精准地反映物理系统的功能、实时状态以及演变趋势。

制造单元是离散型制造车间的基本实现单元，是多种软硬件结合，包括加工设备、转运设备、物料等多种制造要素。其运行过程需要科学决策和精细化管理，从而实现生产过程的自组织、自适应和智能化。制造单元的数字孪生模型是一个集成了多物理、多尺度性、概率性的复杂产品仿真模型，在制造单元的不同领域与不同方面均有不同的表现。

数字孪生行为建模是对制造单元内部的组成部分之间的交互与运行逻辑的模型化表征。这些行为逻辑是实际运行生产的基础，是生产运行实施的必要条件。同样对于数字孪生体而言，合理的行为描述表征是虚拟模型运行与同步映射反馈的必要条件。以叶轮加工为例，其间涉及的多道工序，在智能车间体系下，工序之间的交互由机器人与搬运仓储系统完成，信号流、控制流、工件流之间的交互高度耦合复杂。各类交互行为的存在对于车间总控系统PLC或程序的编写与以及整体运行控制而言，变得十分复杂。另一方面，现有制造单元数字孪生系统的建模，多数研究集中于单体设备、加工具体环节或生产管理阶段，对于车间设备级别的行为逻辑运行建模缺乏一种较为可靠准确建模方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于时间自动机的基于时间自动机的数字孪生制造单元行为建模方法，在制造单元的设计阶段满足制造系统生产运行的基本功能，实现生产系统设计的正确性与实时性；在运行阶段，用于物理实体与虚拟模型相结合的制造单元数字孪生体执行分析。

本发明采用以下技术方案：

一种基于时间自动机的数字孪生制造单元行为建模方法，包括以下步骤：

S1、对制造单元的物理实体组成与加工需求进行考察，获取行为特征与对应的时间参数，针对具体加工任务，基于启发式智能算法生成包含在制品唯一标识号wp_id，工序号proc，加工设备标识号mech_id和加工时间time的制造单元加工设备运行序列；

S2、根据制造单元的实际组成对制造单元内部的系统进行划分，构建加工设备、转运设备以及缓冲区与仓储的时间自动机模型；

S3、以生产过程中物料的流转过程为核心，构建制造单元的时间自动机网络，生成制造单元的行为模型；

S4、使用UPPAAL对模型进行正确性与可达性验证，如果不符合，返回步骤S3进行修改；

S5、基于UPPAAL推理引擎，根据加工设备的运行序列，生成包括设备运行序列equ_type,equ_id,transfer,time与在制品状态追踪序列wp_id,wp_transfer,time的制造单元整体行为序列，用于制造单元孪生体的执行分析。