支持飞机装配过程离散事件仿真的语义建模

# 支持飞机装配过程离散事件仿真的语义建模 ## 1. 引言 飞机装配过程的设计、操作和管理是一项复杂的系统工程。尽管现代铣削和车削等新型设备能高精度组装飞机制造部件，且坐标测量机可确保成品部件的测量，但整个装配过程仍高度依赖人力，需要众多利益相关者手动或自动操作不同机器和工具来支持。装配过程中的不同工作任务以同步和异步序列进行，不同操作员对这些工作任务的配置至关重要，因为手动或自动等实施方式会影响装配的研发成本。因此，需要一种基于模型的方法来支持装配过程的设计和仿真，以降低预算和项目控制的风险。 基于模型的系统工程（MBSE）自1993年提出以来，正成为系统工程领域的一种有价值的新趋势。它是一种形式化的建模方法，支持系统在整个生命周期内的需求、设计、分析、验证和确认活动。目前，MBSE广泛用于支持飞机设计和生产，架构模型能提供一套标准化的图形符号来表示飞机系统和装配过程，仿真模型则提供了一种验证方法来分析系统和装配过程的性能。 本文提出了一种语义建模方法来支持MBSE进行装配过程的设计和验证。首先使用KARMA语言开发装配过程的元模型并构建模型，以图形符号表示装配操作；然后从KARMA模型生成GOPPRRE（Graph - Object - Relationship - Role - Point - Property - Extension）本体模型，以支持离散事件仿真（DES）模型的自动生成；最后，由仿真引擎执行生成的仿真模型，并对装配过程进行动态分析。 ## 2. 相关工作 ### 2.1 装配过程建模 - **简单表示**：可以在Microsoft Excel/Project等工作表中使用甘特图对装配过程进行简单表示，适用于非工程人员。 - **数学模型**：常用Petri网（PN）来开发装配系统的数学模型，如用定时Petri网对装配过程系统进行建模，以及用带权弧的PN模型进行柔性装配系统的设计和性能评估。 - **语义Web技术**：语义Web技术建模语言，如本体Web语言（OWL），可基于开放装配模型及其先前的统一建模语言（UML）来表示装配系统，实现不同级别的互操作性。 - **业务流程建模**：业务流程模型和符号（BPMN）的扩展被用于包括装配过程在内的制造领域，但标准BPMN不能对装配过程的所有细节进行建模。 - **系统建模语言**：系统建模语言（SysML）可定制为特定领域的语言，用于对离散事件系统进行建模。 - **其他方法**：还探索了其他方法，如价值流映射用于对包括装配过程在内的复杂生产系统进行建模，面向对象的飞机装配建模方法，以及基于图的装配系统建模。在航空航天工业中，还提出了一种航空结构飞机装配线模型并映射到CATIA V5。 ### 2.2 离散事件仿真及其应用 离散事件仿真（DES）通常处理典型的排队模型，关注未来事件列表，常用于评估排队系统的性能。它作为一种运筹学技术，具有在个体层面建模复杂系统的优势，因此在医疗保健领域有众多应用。此外，DES在计算机和通信网络、供应链和物流、工程和制造等领域也有广泛应用，如产品 - 服务系统开发、汽车装配布局规划、过程工业中的化工厂开发、半导体制造中的维护调度、飞机备件管理等。 ### 2.3 装配过程建模与仿真的集成 早期研究使用SysML来集成系统建模和仿真建模，以解决使用不同工程工具的问题。例如，将电子装配系统模型作为定制的SysML应用于Arena。在航空航天工业中，Delmia中的产品、过程和资源模型被用于集成相关数据，包括CAD数据，实现产品性能的仿真，并对装配操作进行关于周期时间和关键路径的网络分析。此外，使用本体来集成建模和仿真也存在，如采用形式化系统建模语言创建具有形式化系统描述的本体，然后将其转换为用于仿真的概念模型，但目前尚无标准化的仿真元模型。最近，一种使用包括Graph、Object、Point、Property、Role和Relationship with Extensions（GOPPRRE）的元 - 元模型的语义集成方法被用于支持基于模型的系统工程，本文采用了这种GOPPRRE方法进行语义建模。 ## 3. 支持离散事件仿真模型的语义建模 ### 3.1 KARMA语言支持装配过程建模 KARMA（Kombination of ARchitecture Model specificAtion）语言是由EPFL、KTH、北京理工大学等提出的一种语义建模语言，它能形式化多种系统架构语言，如SysML、BPMN等。KARMA模型可转换为GOPPRRE本体模型。KARMA语法基于M0 - M3元对象设施（MOF）框架设计，元 - 元模型包括图、对象、关系、角色、点和属性等，这些被认为是支持特定领域建模语言构建的最强大的元 - 元模型。元 - 元模型用于开发元模型，这些元模型被视为装配过程的元素，如任务、资源等。元模型基于离散事件仿真模型的元模型定义，以通过本体模型实现仿真模型的自动生成。基于元模型，开发装配过程模型。 以下是开发KARMA模型时的关键概念： | 元 - 元模型 | 描述 | | --- | --- | | 连接器 | 定义每个连接一端的一个角色、关系和对象之间的连接规则 | | 图 | 定义一个表示飞机装配过程的元模型 | | 对象 | 定义一个表示飞机装配过程元素（如任务）的元模型 | | 关系 | 定义一个表示飞机装配过程连接的元模型 | | 角色 | 表示模型组成部分之间连接的一端 | | 点 | 指表示每个模型组成