Ontology-based Modeling of Production Systems for Design and Performance Evaluation
Abstract— This paper presents the extension to an ontology-based data model supporting the design and performance evaluation of production systems. This extension aims to link the modeling of the spatial representation of physical objects with the characterization of their states and behavior. Furthermore, the formalization of the performance history of a production system and its components is addressed to capture both the spatial and state evolution of the objects. Such history can be provided by simulation runs or gathered from a monitoring system. A test case is described and then used to show how different software tools can be integrated to support the integrated design and evaluation of a production system.
Keywords—Data Model, Ontology, Performance Evaluation, Finite State Machine, Production Systems
- INTRODUCTION
Various and different business process are involved in the design of a production system, since it requires to take decisions having an impact on a mid-long time horizon and on the financial commitment of an industrial company [1]. The variety and complexity of these decisions asks for a more and more significant support from digital tools implementing design methodologies, as well as structured approaches to evaluate the performance of the designed systems. Usual performance indicators for a production systems include the throughput, the quality of the output, the incurred cost, and also more specific indicators such as the utilization of production resources, the average flow time of products, the average level of the work in progress. However, the larger is the set of adopted digital tools, the higher is the risk of reducing the efficiency of the information exchanges because of the lack of interoperability, thus leading to less effective solutions. The design tools can be more useful if they are based on a virtual representation of the production system that is continuously updated during both the design and operational/execution phase to guarantee an overall coherence of the obtained results. Therefore, a common framework to support the interoperability would benefit the cooperation between various actors with different competences and expertise in the design and management of a factory. ICT companies (e.g. Siemens PLM, PTC and Dassault Systegrave;mes) already offer all-comprehensive Product Lifecycle Management (PLM) suites containing software tools that have been developed or acquired in the recent years. Even if these tools deal with most of the factory planning and design phases, the current solutions still do not
fully meet the demands of the industry and are often based on proprietary data structures, thus endangering their interoperability. Moreover, Small and Medium Enterprises (SME) cannot afford the complete expensive PLM software suites and usually employ a subset of digital tools provided by different ICT companies. Semantic Web technologies and in particular the Web Ontology Language (OWL) [2] have been used to cope with such interoperability problems between systems that may be developed according to different data structures and employing heterogeneous technologies. Recent studies in the context of factories and manufacturing systems (e.g. the European projects LinkedDesign [3] and Virtual Factory Framework [4]) investigated if Semantic Web technologies can be indeed a valid solution. In particular, the Virtual Factory Framework (VFF) is an integrated collaborative virtual environment aimed at facilitating the sharing of resources, manufacturing information and knowledge, while supporting the design and management of all the factory entities along the phases of the their lifecycles. The VFF architecture is based on a Virtual Factory Data Model (VFDM), i.e. a coherent, standard, extensible, and common data model for the representation of factory objects related to production systems, resources, processes and products [5]. Starting from the preliminary results reported in previous works [6], this paper focuses on providing a more complete data model for production systems and their resources by linking the static characterization of the production resources with the results of performance evaluation activities in terms of a performance history that can be as detailed as needed, thus enhancing the set of software tools that can be integrated.
Section II gives an overview of the current state of the art on data models for production systems and present the background of this work. Section III delves into the proposed modeling of states and history of a production system. Section IV presents a prototype of the software platform for system design and performance evaluation and, finally, conclusions are drawn in Section V.
- DATA MODELS FOR PRODUCTION SYSTEMS
An effective data model for the holistic representation of a production system needs to consider several aspects ranging from tangible (e.g. machine tools, part types to be produced, etc.) to intangible (e.g. process plans, production logics, etc.), from geometric (e.g. placement of production resources in the
factory layout) to organizational (e.g. roles of the involved actors), from static (e.g. nominal power consumption of a machine tool) to dynamic (e.g. evolution of the states of a resource). As a consequence, even if several scientific contributions and technical standards have faced one or more aspects of the problem, it can be hardly said the research on this topic is completed.
Among the available technical standard, ANSI/ISA-95 [7] is an international standard for the development of interfaces between enterprise and control systems. This standard has been developed for applications in all industries and enables the user to define customized properties that can be attached to most of
建造用于设计和性能评估的基于本体的模型
摘要——本文提到了一个用于支持生产系统的设计和性能评估的基于本体的数据模型的展开。这种展开旨在将物理对象的空间表现模型与它们的状态、行为联系起来。此外，还将产品系统及其组件的性能发展过程形式化，以捕获对象的空间和状态演化。这些过程记录可以通过模拟运行提供，也可以从监视系统收集。这里描述了一个测试用的例子，然后用它展示然后集合不同的软件工具来支持生产系统的集成设计和评估。
关键词——数据模型 本体 性能评估 有限状态机 生产系统
- 概论
生产系统的设计涉及到不同的业务流程，因为它需要作出对工业公司的中长期前景和财务承担额有影响的决策。决策的多样性和复杂性使得设计方法的数字工具和评估设计系统性能的结构化方法的支持越来越重要。生产系统的通常性指标包括吞吐量、产出的质量、产生的成本，以及更具体的指标，如生产资源的利用率、产品的平均流动时间、正在进行的工作的平均水平。然而，所采用的数字工具越多，由于缺乏互通性而降低信息交换效率的风险就越大，从而导致有效的解决方案也就越少。如果设计工具基于生产系统的虚拟表现，并且在设计和操作/执行阶段不断更新，以确保获得的结果的整体一致性，那么它们会更有用。因此，支持互通性的共同框架将有利于在工厂的设计和管理中具有不同能力和专业知识的不同参与者之间的合作。ICT公司(如Siemens PLM、PTC和Dassault Systemes)已经提供了全面的产品生命周期管理(PLM)套件，其中包含近年来开发或收购的软件工具。即使这些工具处理大多数工厂规划和设计阶段，当前的解决方案仍然不能完全满足行业的需求，而且常常基于专有的数据结构，从而危及它们的互通性。此外，中小型企业(SME)无法负担全套昂贵的PLM软件套件，通常使用由不同ICT公司提供的数字工具子集。语义Web技术，特别是Web本体语言(OWL)，已经被用来处理根据不同的数据结构和使用异构技术开发的系统之间的互操作性问题。最近针对工厂和制造系统的研究(例如欧洲项目LinkedDesign和虚拟工厂框架)调查了语义Web技术是否确实是一个有效的解决方案。特别是，虚拟工厂框架(VFF)是一个集成的协作虚拟环境，旨在促进资源、制造信息和知识的共享，同时支持所有工厂个体在其生命周期的各个阶段的设计和管理。VFF架构基于一个虚拟工厂数据模型(VFDM)，即一个连贯的、标准的、可扩展的、通用的数据模型，用于表示与生产系统、资源、流程和产品相关的工厂对象。从先前工作的初步结果来看,本文为生产系统及其资源提供了一个更完整的数据模型,与静态生产资源特征与和根据尽可能详细的历史记录评估产品性能的结果相联系,从而使软件工具可以更好的集成。第二节概述了生产系统数据模型的当前状态，并介绍了这项工作的背景。第三部分深入研究了生产系统的状态和生产发展模型。第四部分给出了一个用于系统设计和性能评估的软件平台原型，第五部分给出了结论。
- 生产系统的数据模型
一个有效的完整生产系统数据模型的表现需要考虑几个方面：从有形的(如机床、类型生产一部分,等等),无形的(如过程计划、生产逻辑等),从几何的生产资源(如工厂布局),组织(如涉及参与者的角色),从静态(例如机床的名义功耗)到动态(例如资源状态的演化)。因此，即使一些科学成果和技术标准考虑了一个或多个方面的问题，也很难说这方面的研究已经完成。
在现有的技术标准中，ANSI/ISA-95是一个用于开发企业和控制系统之间接口的国际标准。这个标准可以用于所有行业的应用程序，允许用户定义大多数与流程和生产资源有关的的自定义属性。然而，ANSI/ISA-95并没有提供对物理数据建模的完整支持，比如对象的位置和形状。
过程规范语言(PSL)标准为制造过程建模提供了一种不同的方法。PSL是一种本体，它提供了一种方法来形式化地描述流程及其特征。基于本体，PSL标准提供了一个坚实可靠的框架来形式化与过程相关的定义，并保证了足够的互通性。
buildingSMART的行业基础类(IFC)标准部分基于STEP标准，主要是为建筑工程建设(AEC)行业领域设计的，因此提供了表示制造系统有形元素所需的大部分定义。此外，还提供了无形特征(例如流程、工作计划等)的通用定义，以便其数据结构可以专门用于其他工业领域，例如制造业领域。
本体提供了一种方法来生成灵活的数据模型，该模型集成了不同的知识领域，支持多个应用程序之间的知识共享，以及不同实体之间流畅的数据流。此外，它还提供了一些方法，可以将分散的数据模型集成到一个独特的模型中，而不会丢失单个模型的符号和样式。在制造领域的范围内开发了各种本体。例如，Lin等人设计了一个制造系统工程(MSE)本体，以提供对制造相关术语的共同理解，并在全球扩展制造团队中注重知识资源的语义和多次利用。Lemaignan等人提出了制造语义本体(MASON)，这是一个基于实体、操作和资源三个主要概念的上层本体。然而，当前可用的用于制造的本体对于实际应用程序来说通常过于通用(例如，上层本体)，或者专注于特定的领域，缺乏集成的方法，从而危及更广泛的适用性。
A.虚拟工厂数据模型
利用基于本体的数据建模的优点，在虚拟工厂框架的范围内开发了虚拟工厂数据模型(VFDM)，并使它更加实用。VFDM旨在形式化和集成产品生产过程，生产资源和建设的概念，同时提供足够的细节，以支持数字工具在工厂生命周期的运转。此外，VFDM旨在利用现有的技术标准，并扩展这些标准的定义，以表现制造系统的特征，包括要制造的产品、必须经历的制造过程以及有权经营不同制造业务的资源。VFDM的当前版本主要基于IFC和STEP-NC标准，这些标准被转换为一组本体模块。
IFC标准中的实体被映射到VFDM中的OWL类。派生自IFC的大多数类都是两个基本类IfcTypeObject和IfcObject的专门化，它们都是IfcObjectDefinition的子类。前一个类是任何被视为某种类型的事物或过程的泛化，后一个类被视为某种事件。IfcObject有以下子类:IfcProduct、IfcProcess、IfcResource、IfcControl、IfcActor、IfcGroup。IfcProduct表示与几何或空间物品(如制成品、机床、运输系统等)相关的通用对象的出现。IfcProcess定义了一个可用于将输入转换为输出的过程(例如组装操作、加工操作等)。IfcResource表示与执行流程所需的资源相关的信息。IfcControl是控制或约束产品、过程或资源使用的概念的泛化。IfcActor定义项目中涉及的参与者。IfcGroup是任何群的泛化。IfcTypeObject的子类(即IfcTypeProduct、IfcTypeProcess、IfcTypeResource)可以与IfcObject的相应子类配对。
前面描述的泛型类可以被用来建模广泛的制造系统，同时考虑到硬件和软件方面。IfcTypeObject的子类可用于指定制造系统的设计特征，例如要生产的部件类型(IfcTypeProduct)、过程计划(IfcTypeProcess)、所需的生产资源类型(IfcTypeResource)。另一方面，IfcObject的子类可以通过定义过程中的工件(IfcProduct)、实际执行的操作(IfcProcess)和生产资源的使用(IfcResource)来表示制定系统的执行阶段。
IFC标准的一个关键特性是提供预定义的对象化关系，这些关系能够通过分配、关联、连接和分解的详细级别来描述数据。例如，这些关系可以显式地定义以下链接:
·将工艺步骤分配给能够执行它的生产资源;
·将一个过程嵌套到它的子过程中，并将机床分解成它的部件;
·进程之间的优先约束;
·进程的输入和输出。
3.对生产系统的行为和过程进行建模
评价/监测生产系统的性能并使其有关产出正式化需要一个数据模型，该模型能够说明:
·生产系统的静态配置;
·生产管理政策;
·生产资源/系统的设计行为及其与生产管理政策的联系;
·根据特定评估/监控工具提供的详细程度，对生产资源/系统进行演化;
·生产资源/系统的演化与其静态特性之间的联系
在2.A节中简要介绍的VFDM至少可以部分满足前两项要求。然而，后三个要求是特别关键的，并要求进一步的发展，这将在下面的小节中介绍。
A.行为的模型
系统的行为可以定义为系统可以执行的事件或操作的总数、它们可以执行的顺序以及执行的其他方面，比如时间、事件和转换概率，或者连续性。例如，机器可以处于空闲状态，等待零件进行处理，然后在提供零件时立即开始工作。此外，如果发生故障，它可能会失败，因此，它需要一个维护操作才能再次运行。此外，有些机器只有在某些条件得到保证时才能运转，例如达到一定的温度。如果动作是离散的，那么过程也称为离散事件系统。已有文献提出了几种离散事件系统行为的建模方法，如状态图、Petri网、有限状态自动机、排队网络等。
因此，决定采用基于有限状态机的方法，从而对对象的可能状态以及到另一状态转换时可能导致的状态进行显性建模。此外，还考虑了UML状态机(statechart)中包含的扩展。所利用的最相关的定义包括状态分解、层次嵌套(OR-decomposition)和正交区域(AND-decomposition)的定义。在处理实际案例时，该特性能够缓解处理大量状态和转换的问题。
在FiniteStateMachine本体模块中定义了新的类FsmState，来表示机器层次状态建模的范围内一般对象的状态。通过将抽象类fsmreldecom作为子类FsmDecomposesExclusive和FsmDecomposesParallel的对象化关系，可以将状态分解为一个或多个子状态。前者可用于形式化层次嵌套，而后者用于形式化正交区域。在层次嵌套的情况下，可以指定要输入的初始状态。此外，必须强调，状态可以通过层次嵌套或正交区域直接分解。这种建模允许根据需要定义具有多个分解级别的状态机，从而支持开发多尺度方法。图1显示了本体的摘录，其中框表示类，虚线表示根据Manchester OWL语法的属性限制。
可以定义进一步的OWL类来表示事件和事务的概念，如[20]和[21]中所讨论的。此外，可以专门化类FsmState来更好地描述不同对象的状态，例如产品(例如类IfcProductState)或机床(例如类VffMachineryElementState)。对于机床，可以定义VffMachineryElementState的进一步子类来描述不同的行为(例如空闲、工作和故障状态)。图2显示了定义泛型产品的类IfcProduct如何与类IfcProductState联系，以描述其状态机。在图2中，新类用灰色背景突出显示，而虚线弧表示属性限制。因为产品之间的联系和它的形状(参见类IfcShapeRepresentation图2)已经在IFC和VFDM标准下定义,所以联系产品状态和可能的形状可以彻底的描述一个物理对象的行为,因此也为动态可视化软件工具所支持(见Sect.IV.D)。
B.进程的建模
性能评估或监视的输出系统可以用明显不同的细节级别和信息类型来描述，范围从几何(例如对象的位置)到行为数据(例如状态转换)。当使用类似于仿真的性能评估方法时，我们构建一个表示系统行为的模型，因此，我们模拟系统在给定条件下如何工作，并注册结果。这些结果可以以日志的形式记录系统在模拟期间的顺序事件/状态，即模拟期间发生的事情的历史。此外，综合指标(例如业绩指标的均值和方差)可以用来代替更详细的历史记录。并不是所有的性能评估方法都提供完整的历史记录，但是聚合估计也可以被认为是一种简单的历史类型。
标准IFC建议使用类IfcPerformanceHistory来描述可以与时间间隔关联的对象历史。类IfcPerformanceHistory通过具体的类IfcRelAssignsToControl链接到它的引用对象。一段历史可以按时间顺序(即定义子区间)分解，也可以按层次结构(即定义对象组件的历史)分解。这种灵活性允许形式化来自真实监视系统的详细和特定的历史数据，也可以聚合来自性能评估方法的模拟数据，这些方法可能引用也可能不引用特定的时间间隔。但是，必须指出，国际金融公司标准中与目标历史有关的部分尚未完全制定出来。
PSL本体原则上可以方便地捕获性能历史，因为它可以形式化表示用于表示复杂时空场景的三元关系。但是，必须注意，在基于常见逻辑的PSL和基于描述逻辑SROIQ的本体之间进行对齐不是一项简单的任务(例如OWL仅限于一元和二元关系)。因此,为了捕捉OWL的复杂的进程,也可以集成在VFDM的范围,它是通过专业类IfcPerformanceHistory来实现IFC和OWL的延长,目的是连接进程的概念和行为的生产资源,而补偿OWL表现性上的缺点。IfcPerformanceHistory类因IfcProduct、IfcProcess和VffMachineryElement类这些相关的子类(如IfcProductHistory、IfcProcessHistory、vffmachineryelementhory)专门化。图2展示了IfcProductHistory和IfcProduct的例子，突出了产品、产品状态和产品历史的概念是如何相互关联的，并演示了所提出的数据模型如何为生产系统建模问题提供统一的表现。产品历史及其子组件可以通过对应时间间隔的开始和结束时间来描述。此外，由于产品行为是由一组可能的状态描述的，所以引入了FsmStateFrequency类来定义在特定状态下的时间间隔百分比以及其他统计信息。最后，产品的历史可以与空间中的位置相关联，这样就可以用所需的详细级别来表示轨迹。
4.系统设计与性能评估平台
为了证明所
资料编号：[5188]
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