文摘
在行业4.0中,很多制造商已经建立了智能工厂的ict(信息和通讯技术),和仿真是对智能制造的核心技术之一。各种各样的模拟,这取决于系统的水平,如生产线、物流、工人,和过程,利用智能制造。制造商的异构仿真;然而,他们有困难集成和互操作。本文提出了一种新颖的模拟框架对智能制造基于生活的概念,虚拟的,和建设性(LVC)模拟。LVC互操作提供了一个综合仿真环境与上述三种类型的模拟。LVC互操作,我们建议对智能制造系统和高效的架构。具体而言,异构仿真之间的接口技术和开发他们的可互操作的方法。最后,我们提供了一个实用的LVC模拟应用于制造公司和展示的协同作用可以创建使用LVC模拟。
1。介绍
智能制造是一个宽泛的类别的制造业雇佣了电脑一体机制造、高水平的适应性和快速设计变化,数字信息技术和更灵活的技术员工培训(1,2]。在第四次工业革命的时代,物联网等信息通信技术(物联网),大数据,人工智能和虚拟现实和增强现实(VR / AR)开发、制造系统正变得越来越聪明和无人3,4]。例如,通过物联网传感器,实时数据等各种设施,工人,运输设备,可以获得和工厂环境5,6]。它使实时故障检测和诊断7- - - - - -9]。此外,获得大数据可以用来分析和预测车间通过人工智能和机器学习技术10]。同时,用户可以应用虚拟现实/ AR制造系统计划和测试一个复杂的制造过程或预先装配过程11]。物流和设备管理是可能通过这个虚拟制造环境。我们可以利用这些信息通信技术来提高生产效率12]。
许多制造企业引入cyber-physical生产系统(cpp)创新生产使用信息通信技术(13- - - - - -16]。智能制造,可以使决策和执行任务之前实际工厂建设和解决问题,可以提前发生在虚拟环境中大规模生产(17]。即使工厂建设,它可以用于维护,如生产线的优化运行和故障诊断,提高生产竞争力(18]。随着智能制造的兴趣增加,模拟的重要性,一个关键技术,也是增加(19]。在制造业中,有各种各样的模拟根据系统水平或目的,如装配线仿真、物流仿真、过程模拟、仿真和工人。制造商正在使用这些方法来构建智能工厂,但是他们很难集成和互操作这些异构仿真20.]。
因此,本文提出了一种新的仿真框架的cpp应用生活的概念,虚拟,建设性(LVC)的互操作。LVC互操作是一种广泛应用在国防概念建模与仿真(M&S)域21]。它建立合成通过集成的战场进行三种异构仿真:生活、虚拟,和建设性的22]。在生产中,单个仿真技术以及智能制造发展。手术计划集成的需要,LVC在国防领域,相对发达的互操作体系结构,可以应用和实现23]。
在制造业领域,在每一层都有很多模拟,但几乎没有要求培训/分析通过仿真互操作等国防领域。但是,近期兴起的智能工厂增加了融合现有的模拟的必要性。然而,研究个案研究而不是整体互操作框架仍然是重点。因此,LVC互操作的概念可以被应用到智能制造建立一个系统的、高效的智能制造的体系结构。
已经有一些研究模拟被用来构建智能工厂和其他应用于智能制造的交互过程模拟器和线模拟器(24,25]。他们通过互操作产生了更准确的模拟结果。然而,互操作是用于分布式执行的相同级别的模拟器,而不是互操作模拟器的不同层次(26]。此外,他们只显示个人互操作的情况下,不建议整个智能工厂的总体架构。
也有研究的仿真方向CPPS-based工厂(27]。他们建立了一个数字双通过实施相应的物理组件生产过程中数字组件。然而,由于许多组件的系统水平和特点的生产过程是不同的,很难实现并将它们集成到一个环境。因此,他们只是提出一个总体的概念或实施的一些地区。因此,重要的是要利用现有模拟器在每个级别。为此,制造仿真的互操作体系结构和接口建设是必需的(28]。本文不仅为智能制造业创造协同交互现有模拟器还增加了可重用性和模块化。此外,通过这对智能制造LVC互操作,提出了作战计划和未来智能制造。
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了有关LVC互操作的基本知识。部分3提供了一个新的CPPS-based LVC互操作的智能制造和讨论应用程序计划的提出在智能制造的车间工作。应用建议的方法的一个案例研究中描述的部分4。最后,部分5总结讨论。
2。LVC互操作的概念
LVC互操作技术集成和运营三个异构仿真器如图1。防御系统中使用的一般是一个概念,建立互操作领域和有效的培训体系的三个资源(21]。
现场实际模拟是指训练部队的实际环境。虚拟仿真是指训练实际部队在同一个虚拟环境作为实际的设备。建设性的仿真手段训练操作虚拟部队在虚拟环境下。
现场模拟实际增加的现实,因为部队可以执行在实际环境中,但它需要大量的时间/资源和有限多次操作。虚拟模拟,如飞机模拟器或坦克模拟器可以模拟设备,很难操作小成本和时间使用虚拟环境,但是是有限度的理解在各种情况下的总体培训情况。等建设性的模拟战争游戏可以模拟各种场景,但它是相对与现实脱节,很难详细描述每个对象(29日]。
因此,这三个模拟有不同的优点和缺点,它们可以互操作来构建一个合成戏剧的战争。通过分布式操作相互补充的优缺点,实现低成本,高效率的培训。成功的互操作LVC需要基础设施的可积性,系统的互操作性和可组合性的模型(30.]。
在这个时候,LVC可以使用互操作通信中间件,如高级体系结构/运行时基础设施(HLA / RTI),如图1。HLA / RTI的分布式仿真中间件实现国际标准IEEE 1516中定义。它允许实时异构仿真器之间的数据交换和时间管理(31日- - - - - -33]。这些互操作技术在构建LVC系统发挥了重要的作用。特别是,建立互操作标准增加了模拟器的可重用性和可操作性。
与此同时,在生产领域,各种模拟器开发以及智能制造、和一些想法需要集成。在本文中,我们使用相对发达LVC互操作的概念在国防领域实现小说互操作体系结构在生产领域。在下一节中,我们将构建一个系统的概念和有效的互操作体系结构对智能制造。
3所示。LVC互操作应用到智能制造
在本节中,我们提出一个CPPS-based LVC互操作的智能制造。首先,我们解释LVC的每个组件。然后,我们提供整体互操作体系结构和应用程序计划在智能制造的车间。
3.1。LVC智能制造的组件
本节描述如何定义和操作的每个组件LVC模拟智能制造。首先,生活的概念模拟如图2。现场模拟智能制造在流水线上可以由实际工作者或物流实际的车间。例如,工人可以安装物联网传感器和摄像机在执行大会或物流工作,通过附加的传感器和摄像机获取实时数据。通过现场模拟可以获得的数据被用来提高工作能力和效率低下的操作/行为。
图3显示了我们目前的实际现场模拟操作。当一个真正的工人与物联网传感器执行装配工作,我们可以通过传感器和摄像机监控操作。收集到的数据使我们能够测量工作的周期时间,分析运动被浪费,给工人反馈。
接下来,虚拟仿真的概念图所示4。虚拟仿真是一种半实物(边境)模拟用户操作虚拟模拟器通过人机接口设备等硬件(藏)。例如,一个用户可以执行的仿真操作通过控制器连接到一个过程模拟器如机器或机器人。这时,实时模拟的结果返回给用户实时和用户可以执行不断反映反馈的闭环仿真。
此外,用户可以体验和复习3 d视觉使用VR / AR设备工厂。技术如虚拟现实开发/ AR和配合现有的虚拟仿真器、虚拟仿真的范围正在扩大。图5是一个3 d虚拟工厂目前生产设备的操作。三维虚拟仿真模型与实际工厂实现相同的布局。它接收实时数据通过传感器从实际的生产线。如果发现异常数据,警报出现在模型和用户可以使用检测设备如VR玻璃。这有助于监控生产线和远程支持。另一个可能的应用程序使用一个虚拟现实设备是一种组装测试的虚拟工作场所。通常实施验证可加工性等新工作的碰撞,可达性,或生产力,我们需要建立一个新的车间为试点测试。然而,使用虚拟现实/ AR技术,工人可以执行任务在一个虚拟世界没有真正的车间或工具。
最后,建设性的仿真如图的概念6。建设性的模拟器由建设性的仿真模型和建设性的模拟引擎。本文中使用的仿真模型包括三个层次的模型:基于参数模型的基于图标的模型和源代码模型以便生产系统中的所有用户可以使用模拟器(34]。用户可以建立一个模型在三种方式模拟训练水平取决于他们的目标。模型是通过生产线自动创建的模型生成器和合成器模拟引擎内如图6。创建为一个离散事件仿真模型,可以模拟使用离散事件仿真引擎。尽管保真度相对较低,建设性的仿真模拟生产设施的优势迅速和多次与虚拟代理在虚拟环境中。
建设性的模拟器的一个例子,我们正在操作如图7。图的上半部分7显示了用户建模的结果基于图标的装配线和物流通过建模。图的下方7显示了使用自动生成的模型仿真结果从用户建模的结果。表1显示的结果比较三个模拟智能制造的特点。
3.2。总体架构和应用计划
由于建模是目标,可以以各种方式模型根据制造系统的客观的分析。尽管每个仿真前一节中描述的可以单独操作根据其目的,重要的是创建协同整合他们建立一个更高效的智能制造系统。图8显示了LVC互操作的智能制造的总体架构。三个模拟使用一个互操作接口进行通信,他们交换的事件被定义为图中所示。消息通信接口由一个代理,一个中立的数据格式,管理工具来管理数据/时间。接下来的部分描述应用程序的计划对于每个LC, VC, LV在总体互操作体系结构的细节。
首先,LC互操作将被描述。现场模拟感官的操作工人通过物联网传感器和传输实时模拟器的建设性的结果。建设性的模拟器需要他们和执行布局仿真预测的生产力。最优配置或参数来源于基于仿真的优化(建设性的优化器)返回到工人或车间帮助提高生产力。例如,通过推导最优周期所需的吞吐量或平衡线(LOB),它可以提供改善点操作符的废物操作和设备的性能。它还可以提供一种方法来提高等车间装配线布局和物流交通。换句话说,我们可以推出高效的生产条件通过基于仿真的优化使用遥感数据的互操作和仿真模型35,36]。同样,我们可以优化的仿真的结果通过运动分析(优化)住在现场模拟。这个过程的细节将会在案例研究。
接下来,一个VC实现网格模拟器是一个操作布局模拟器和过程使用藏。通过替换虚拟布局模型与过程的一部分模拟器,可以做虚拟调试,用户通过控制器实时控制。虚拟调试可以显著减少系统安装成本和操作时间通过模拟和验证自动化设备在虚拟环境中,以确保该设备工作正常(37,38]。布局模拟器可以互操作的虚拟模拟器以及实际的机器。这使得之间的可行性和互操作性测试设备和生产线,并允许更详细的制造系统的仿真通过不同级别的模拟器之间的互操作。此外,有一个虚拟现实/ AR设备之间的互操作和布局模拟器作为另一个VC互操作的方法。使用布局建模环境,我们可以模型制造厂作为一个3 d的虚拟工厂使用VR /基于“增大化现实”技术的设备和经验它。此外,直观的故障检测与诊断是通过传输的实时预测结果布局仿真虚拟环境。它使监测与远程支持生产线。
接下来,LV实现网格之一是虚拟设备的分析结合实际设施。换句话说,一个虚拟模拟器之间的数据可以通过比较来验证虚拟和实际设施。的参数应用到虚拟模拟器可以通过实际的结果来调整设备,和协同作用可以通过执行high-scalable创建仿真使用这些模拟器进行验证。此外,它可以监控操作状态通过3 d虚拟工厂共享实际运行状态和实时仿真的结果。另一方面,可以测试和验证新的车间或者改进的任务在一个虚拟环境。新设计的车间可以构造一个虚拟仿真模型,和一个工人可以使用虚拟现实没有实际的车间执行任务。与此同时,物联网传感器连接到工人收集运动数据和传输数据分析。
最后,我们可以互操作智能制造的所有三个LVC模拟。图9LVC互操作的显示了一个简单的例子。LVC互操作的概念应用于混合模拟的先进制造系统的分析。五个组件组成的工厂中,高级组件,比如植物,地板,线可以使用建设性表达模拟。他们有很高的可伸缩性,但较低的忠诚。另一方面,过程和资源等低级组件可以表达的实时仿真和虚拟仿真根据类型。他们可伸缩性较低但高保真相反。通过各级交互模拟,可以预测更精确的制造系统。在案例研究中,我们将演示一个简单的例子LVC互操作使用这些操作计划。
同样,随着智能制造LVC互操作框架,各种应用程序计划可根据车间的需求如上所述。通过框架,三个异构仿真器可以实现有机合作,提高互操作性/连接。因此,现实和网络世界之间的差距可以桥接,最后CPPS-based智能制造系统可以建立。在案例研究中,我们将演示一个简单的例子LVC互操作使用这些操作计划。
4所示。案例研究
一般来说,制造商使用模拟建立新的生产线或改进现有的生产线。模拟预测提前生产的线,发现优化线的方法。每个资源,在这个时候,这个过程时间仿真模型的输入数据,实际运用中测量的数据。本节描述了一个情况LVC互操作是由应用。
图10显示了线性生产线的布局用于案例研究。这是我们公司的一个简单的测试行。五个工人和一个自动化机器执行从左边六个独立的进程,和每个进程之间放置输送机将成品从前面的过程。建设性的用户创建一个模型模拟基于布局和执行仿真。在这个时候,每个资源是来自生活的过程时间仿真和使用。表2的时间过程和每个资源的过程中使用的案例研究。这里,这个过程时间得到不同根据资源类型。工人的价值是通过附加一个物联网传感器测量。在机器的情况下,通过分析日志数据通过OPC UA对机器的操作。
图11显示了建设性的仿真建模的结果通过将图书馆代表资源的生产线和图的过程12显示了实际过程(工作、阻塞和等待)加载的结果为每个过程进行仿真时460分钟。传说是表示图的右侧。通过这个,可以确认组装1型过程生成一个阻挡在前面的过程并生成中等待下一个过程是一个瓶颈的过程。每个进程的吞吐量、周期时间和工作时间如表所示3。直线的总产量是1453,这是最后的吞吐量的过程。
优化线结果的基础上,本研究重组的过程时间组装细胞1,这是分析通过建设性的模拟的结果作为一个瓶颈。组装电池1包含两个单位的任务。每个单元内进行运动分析任务,删除不必要的操作和工具的位置和部分搬迁。预测新流程改进的任务建议新的车间布局,详细构造虚拟车间,所以工人执行新任务在虚拟环境中使用虚拟现实设备。
作为一个结果,过程组装细胞1是缩短时间提高工作行为和新的车间布局。示例数据(数据13和14的正态分布曲线)现有的单位工作时间和改变单位工作时间。建设性的模拟进行了再次反映了这个结果。所有线的交货时间也减少了,而且生产增加(表4)。在这个案例研究中执行的程序由图如图15。本案例研究表明,有机互操作三种异构仿真有助于提高生产力,创造协同效应。
5。结论
在第四次工业革命,许多制造企业构建智能制造平台上使用不同的信息通信技术。随着智能制造的兴趣增加,各种模拟器正在开发模拟生产基地根据客观的分析。制造商继续利用各种模拟器构建智能制造系统。然而,他们有困难现有异构集成和互操作模拟器对智能制造。换句话说,我们需要一个整体框架他们进行互操作。因此,本文提出了一个互操作框架制造模拟运用现有LVC互操作的概念在军事领域。这个框架提供了一个互操作每个模拟之间的接口和可互操作的方法。最后,我们展示了我们可以使用它通过实际案例研究生活和建设性的模拟之间的互操作。它提出了一个方法来链接的建设性模拟一个生产线,现场模拟的资源。这是表演的一个例子验证了增加生产生产线通过实际数据的吞吐量。 In addition, it has been able to improve the reusability and interoperability of existing simulations.
通过使用LVC,可行的集成是开始从制造阶段,包括其他遗留系统和综合智能工厂,如制造执行系统和供应链管理,可以逐步建立。最后,我们将构建和扩大生产生命周期管理系统,涵盖了从开发到制造。此外,应提出智能工厂的方向穿过LVC互操作。
数据可用性
数据在这个工作不是免费由于病人隐私和商业机密。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作是由三星电子有限公司有限公司