摘要：FMS是一种高度自动化和柔性化的制造系统，对企业提高制造环节的效率和柔性，适应持续多变的市场竞争环境具有重要意义。但由于其投资较大，周期较长，规划和控制调度问题相当复杂，系统在正式建立与运行之前，难以对系统的效益和风险进行确实而有效的评估。文章在对虚拟制造技术探讨的基础上建立的FMS集成设计规划系统，可有效地协调FMS从设计到实际运行各个阶段的关系，在实施方案前就达到系统最优化的目的。

FMS是由加工系统、物流系统和信息流系统组成的一种高度自动化和柔性化的制造系统，可实现几种、几十种甚至上百种零件的自动混流加工。然而，这种系统的投资较大，设计规划和控制调度问题相当复杂，系统在正式建立与运行之前，难以对系统的效益和风险进行确实而有效的评估。而虚拟制造VM(Virtual Manufacturing)技术建立的FMS集成规划系统，可有效地协调FMS从设计到实际各个阶段的关系，在实施方案前就达到系统最优化的目的。

1 虚拟制造

虚拟制造是指在计算机上实现与产品全生命周期相关的所有过程与活动，其本质是采用计算机仿真CS(Computer Simulation)与虚拟现实VR(Virtual Reality)技术，通过虚拟环境中的三维数字化模型，实现产品设计、工艺规划、制造装配和质量检验等产品生命周期的全部过程。虚拟制造系统VMS(Virtual ManufacturingSystem)是现实制造系统在虚拟环境下的映射，因此在产品设计阶段就可以预测产品的性能、成本和可制造性，并有助于作出前瞻性的决策和优化实施方案，从而更有效、更经济灵活地组织生产，提高决策与控制水平，使工厂和车间的资源得到合理配置，以达到产品开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化、生产效率的最大化。

按照与生产各个阶段的关系，虚拟制造可分成三种类型：①面向设计的虚拟制造DVM(Design-Centered VM)，为设计人员提供制造相关信息，以支持产品与过程设计优化：②面向生产的虚拟制造PVM(Production-Centered VM)，实现制造过程仿真，以支持生产方案评价：③面向控制的虚拟制造CVM(Control-Centered VM)，对生产过程控制模型进行仿真，以实现实际生产过程优化。

图1 面向FMS规划的VMS体系结构

2 虚拟制造中FMS集成规划技术

面向FMS规划的VMS体系结构
由于VMS 要处理大量不同类型的产品信息、制造过程的建模以及设备行为的仿真，其体系结构必须设计成开放的形式。本文在对VMS 中各类建模与仿真任务的信息独立性分析的基础上，提出了面向FMS规划的VMS 体系结构，如图1所示。
该结构将VMS 建模与仿真环境划分为7类基本活动模块：①产品模型定义：根据实际产品信息并利用仿真服务模块来定义开发产品模型：②设备模型定义：根据实际设备信息并利用仿真服务模块来定义开发设备模型：③服务系统：处理各种模型的交互和仿真过程中的基本功能调用：④虚拟FMS定义：通过利用设备模型库和仿真服务模块来定义虚拟FMS：⑤控制系统：决定FMS中资源的控制调度，产生控制机床和操作机床的程序和指令：⑥虚拟FMS仿真：将FMS中涉及的模型集成，包括上述产品和设备模型、控制系统、仿真服务，并执行FMS仿真：⑦仿真接口：负责结果输出及其与应用系统、真实设备之间的接口。
以上各模块均具有细分的功能，模块间具有柔性的接口，通过模块的集成构造成VMS。利用这种开放式结构化建模与仿真模块相结合的模式，能够达到开发人员共享的目的。下面以该体系结构为基础，通过面向对象技术实现系统中各种模型的定义，并在此基础上构建FMS集成规划系统。

图2 FMS基本对象类
FMS建模
面向对象OO(Object-Oriented)技术是一种围绕真实世界的概念来组织模型的设计方法，它采用对象来描述问题空间的实体。类是具有相同操作功能和相同数据格式(属性)的对象的集合，并拥有抽象机制，如封装、多态、继承等，对象的动作通过响应输入的消息来执行。采用OO技术对VMS模型中涉及的各类模型，如产品、设备、FMS、控制和接口等进行分析建模，不仅能为描述、设计与实现系统建立统一的框架，还能够较好地反映各实体之间的层次关系，建立反映生产实际的仿真模型。基于FMS，可以抽象出6种基本对象类：单元对象类、设备类、工件类、控制决策类、事件类和服务类，如图2所示。
1. FMS单元对象类描述了FMS这一基类，将派生出包括设备类在内的其它子类。其属性包括系统名称、编号、所在空间尺寸、生产效率等，它相当于VMS模型中提到的虚拟FMS。
2. 设备类描述了FMS中使用的各种设备。通过对每类设备的功能、工艺特性及状态的分析，可以抽象出描述设备的两大属性：静态属性和动态属性。静态属性在系统运行过程中是不变的，包括设备的管理特征(如设备名、设备类型、标识、轮廓尺寸)、加工特征(如装载时间、卸载时间、维修时间、故障发生频率)：动态属性则根据对象的条件发生变化，包括设备的状态特征(如运行、等待、实时负荷)。
3. 产品类描述了FMS上各种待加工工件，其属性包括静态属性(如工件编号、名称、数量、轮廓尺寸、工艺信息)和动态属性(如提取、放置、等待等状态)。工件类提供的信息，可辅助系统混流加工方案的选择、设备的选取、布局的优化以及确定零件加工的批量和加工顺序。
4. 控制类为逻辑对象类，在FMS中没有有形实体与之对应，其主要功能是设计控制策略和选择决策规则，从而对系统进行动态调度。
5. 事件类提供仿真运行和实验必要的功能和机制，如定义各种可能出现的系统信息或接受外界信息，它相当于VMS 模型中提到的仿真接口。
6. 服务类通过处理前述FMS中各对象类的属性信息构建其二维和三维模型，进而模拟FMS的真实生产环境。
上述各种基本对象类，在FMS的生命周期中并非孤立存在，它们之间紧密联系，并形成一个不可分割的整体。例如，在FMS布局设计中，FMS单元对象一方面向产品对象发送消息，获取有关工艺规程的信息，确定工件工序在各机床间的分配以及工件在各机床间的移动费用。另一方面，FMS单元对象向物流设备对象发送消息，获取有关机床布局型式的信息以及车间对象的空间数据。通过各有关对象之间的相互作用，FMS单元最终获得机床布局设计的所有必要信息，再通过封装在FMS单元对象中的布局设计算法完成机床布局的初步设计，然后将设计结果信息如机床坐标位置及方位传递给机床对象，使机床对象的有关属性值得到更新和修改，完成FMS布局的初步设计。此外，在虚拟FMS的实际生产过程时，系统的运作也是依靠各对象彼此之间的消息传递来实现的。
FMS集成规划系统
为了避免以往孤立地解决FMS设计规划和控制调度中存在的问题，使FMS生命周期内各子问题能以一种相互关联、集成和动态的方式得以解决。本文基于VMS 体系结构，为FMS规划问题提出了一种具有连贯性集成框架的FMS集成规划系统，其结构如图3所示。

图3 FMS集成规划系统
1. 系统设计该阶段针对预完成的生产大纲任务，以所选设备成本、加工时间、物流运输成本为主要约束条件，确定FMS系统的规模、构成和布局，包括机床设备类型和数量选择及布局，物流系统的选择或设计、系统布局设计、有关辅助设备的确定等并行设计过程。选择各种设备和确定系统布局方案以及参数时，可参考已有的设备模型和布局模型。
2. 作业计划该阶段针对具体生产任务，以现有加工资源为主要约束条件，进行生产任务分批、系统资源静态分配等，它属于静态调度，是实施动态调度的基础，并涉及到工件和设备资源的具体分配。任务分配时，可参考已有的产品任务分配模型或调用分配算法进行计算。
3. 控制调度该阶段以物流的通畅为主要约束条件，进行调度策略设计、调度规划选择、故障情况下的调度等。进行调度策略设计和规划选择时，可参考调度规划库和调度知识库。
4. IO接口该阶段主要完成设计结果的输出(包括系统设计方案、产品作业计划、动态调度方案等)、驱动其他应用系统或实际设备的运行。
5. 服务系统服务系统通过信息处理生成可视化实体和生产环境，辅助产品、设备、FMS等各类对象的定义和建模以及选择过程，并通过仿真实际的加工过程，动态显示各种设备的瞬时性能指标，为设计提供了更为直观的规划手段。
6. 评估优化对各阶段的工作进行相应评估计算，同时与其它阶段的工作进行信息交换，提出优化方案，使系统在满足优化目标和评价指标的情况下实现快速规划。
利用该系统不但能及时发现FMS规划中的系统配置、布局等方面的静态问题，还能够发现系统调度策略的缺陷，检测出是否存在“瓶颈”环节等，并分析研究系统的动态特性以及多种因素交互产生的问题，避免了因设备采购、布局设计不当或调度控制策略欠佳而影响系统建成后的实际运行效率，从而使系统的设计和运行更加可靠、有效。

3 实例分析

通过对已知三类零件的加工数量、工艺路线以及各候选加工设备完成相应工序的时间和成本分析，来设计规划FMS。首先，依据加工费用最少原则，通过遗传算法从候选加工设备中选择出5台设备：然后，依据运输成本最少原则，利用基于图论的最小生成树算法求得这些设备在FMS布局中的配置次序：最后，依据物流通畅原则，利用虚拟的FMS场景，辅助确定其它各种设备如物料运储设备和各种辅助设备的配置，并考虑它们之间在空间位置上的协调性以及车间的实际利用情况，通过比较各种方案来最终确定FMS的布局。该FMS模型可用二维和三维可视化方式建立。其中，二维模型除了可以显示各设备的逻辑位置，还能够通过控制程序操作包括三维模型在内的整个系统的运行：三维可视化交互模型通过VRML(Virtual Reali-ty Modeling Language)格式导入，能够实现四维(x、y、z、t)可视化的仿真模式，不但可以通过变换视觉角度，全面考察车间的实际空间利用情况，对初步布局结果进行评估，还可以在该环境中反映制造系统的虚拟运作，使系统更加接近真实的生产环境。通过虚拟实际的加工制造过程，可针对具体的生产任务，进一步设定各种参数，如工人数量、物流设备的运动参数、缓冲站容量以及控制调度策略，必要时还可以适当地调整原系统布局。

通过上述分析可以看出，利用VM 技术构建的FMS集成规划系统将有助于提高FMS的规划速度和成功率，而且二维和三维可视化交互模型对于FMS的实际实施具有很高的参考价值。