翟振坤ZHAI Zhen-kun；文梓斌WEN Zi-bin

（廣東交通職業(yè)技術學院，廣州 510815）

0 引言

開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造裝備、柔性制造單元、智能生產線、智能車間、智能工廠的基礎支撐和保障[1]。智能制造時代，快速多變的市場環(huán)境與短周期、定制化的生產制造需求，對數(shù)控系統(tǒng)的開放性、可重構能力以及智能化水平都提出了更高的要求。傳統(tǒng)面向代碼的開發(fā)方法難以滿足高性能數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)需求。從系統(tǒng)層級構建先進的設計方法與策略是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)高效敏捷開發(fā)、全面提升系統(tǒng)綜合性能的有效途徑。

自上世紀數(shù)控系統(tǒng)誕生以來，其體系結構經歷了NC階段的共享總線型體系結構、CNC階段的PC+運動控制卡型體系結構、全軟件型體系結構、集中式體系結構、分布式體系結構等演化過程。智能制造階段，數(shù)控系統(tǒng)需要融合開放自動化系統(tǒng)技術[2]、新一代信息技術，在體系結構方面進一步實現(xiàn)開放化、數(shù)字化、網絡化與智能化。有關開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)體系結構的研究，近年來已成為數(shù)控領域的研究熱點。Cong G.等利用多智能體系統(tǒng)（MAS）來設計智能化數(shù)控系統(tǒng)體系結構，所提方法采用層次化設計策略，可有效滿足智能化系統(tǒng)需求[3]。李鎖等提出基于總線技術的可重構智能化數(shù)控系統(tǒng)體系結構模型，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)遠程智能化多模式實時顯示及控制[4]。Syst R等提出一種數(shù)控系統(tǒng)軟硬件模塊解耦的體系結構，通過構造數(shù)控功能矩陣，可根據控制需求定制化構建數(shù)控系統(tǒng)[5]。工業(yè)4.0時代，控制即服務的理念使得研究人員開始將SOA方法融入數(shù)控系統(tǒng)體系結構設計中，劉建康等提出將微服務架構融入到開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構中，并利用形式化方法驗證架構可行性[6]。金新娟等結合網絡數(shù)字制造新需求，提出面向服務的網絡化數(shù)控系統(tǒng)體系結構[7]。

針對開放式智能化數(shù)控領域新的發(fā)展需求，本文基于面向服務思想提出一種多維集成開放式數(shù)控系統(tǒng)設計方法，所提方法從系統(tǒng)層級角度，在設計階段將領域建模技術、形式化驗證技術與多目標優(yōu)化技術融入數(shù)控系統(tǒng)的建模、驗證與迭代優(yōu)化過程中，在實現(xiàn)階段通過構建支撐工具集，建立標準化的開發(fā)流程，便于設計開發(fā)人員高效靈活定制面向特定需求的數(shù)控系統(tǒng)。

1 面向服務的多維集成開放式數(shù)控系統(tǒng)設計框架

遵循服務建模、服務組合與服務優(yōu)化的設計流程，如圖1所示，所提開放式數(shù)控系統(tǒng)設計框架包含服務化領域建模、形式化組合語義驗證與參數(shù)多目標優(yōu)化三大組成部分，其中在建模階段依據數(shù)控功能的服務化封裝策略，建立領域建模語言，以數(shù)控服務為基本單元搭建數(shù)控系統(tǒng)組合模型；在模型功能與性能正確性驗證階段，利用形式化方法將系統(tǒng)行為語義轉化為可驗證系統(tǒng)規(guī)約，借助模型檢測工具實現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)約的自動化驗證；同時，為在設計空間中選擇最優(yōu)的模型參數(shù)組合，結合多目標優(yōu)化技術通過建立優(yōu)化模型實現(xiàn)模型參數(shù)的求解。在設計流程的各階段，分別利用元建模與領域建模平臺、模型自動檢測工具與優(yōu)化測試環(huán)境等開發(fā)工具，輔助設計開發(fā)人員實現(xiàn)服務化數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模，系統(tǒng)模型行為語義與執(zhí)行邏輯的自動化驗證以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化求解與高效部署。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)設計關鍵技術

2.1 面向服務的數(shù)控領域元模型設計

在面向服務的多維集成開放式數(shù)控系統(tǒng)設計過程中，基于面向服務思想實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)建模需要將面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）與領域建模技術相結合。如圖2所示，在建模的需求分析階段，首先需要從功能、執(zhí)行、平臺等多個視角對數(shù)控領域特征進行全面分析與總結；結合模塊化設計策略與數(shù)控領域特征，將數(shù)控系統(tǒng)所包含的各軟硬件單元解耦，不同層次的單元模塊劃分為不同粒度的功能塊（Function Block，F(xiàn)B）；在將數(shù)控系統(tǒng)映射到一系列功能模塊之后，依據SOA完成數(shù)控功能的服務化封裝，進而結合元建模技術即可實現(xiàn)面向服務的數(shù)控領域元模型設計。

2.2 形式化組合語義驗證

基于前述數(shù)控領域元模型可實現(xiàn)不同數(shù)控功能（如邏輯控制、運動控制、人機交互等）的服務化封裝，數(shù)控系統(tǒng)設計轉化為不同數(shù)控服務的組合與編排。如圖3所示，考慮到各類數(shù)控服務對實時性、并發(fā)性的要求不同，在組合、編排過程中為精確描述各服務組件間的執(zhí)行邏輯與交互時序，采用計算模型（Models of Computation，MOC）來對服務組合語義進行形式化描述，通過構建層次化異構的服務組合模型，可精確定義組合服務內部的動態(tài)特性。在數(shù)控服務組合模型的驗證階段，從定性和定量兩個角度出發(fā)，基于混合計算書邏輯（Mixed Compute Tree Logic，MCTL）來構造安全性、活性、可調度性等需驗證的系統(tǒng)規(guī)約，利用NuSMV模型檢測工具可對各類系統(tǒng)規(guī)約進行自動化測試，進而驗證數(shù)控服務組合模型的正確性。

2.3 多目標協(xié)同的服務組合優(yōu)化設計

在數(shù)控系統(tǒng)設計過程中，通過模型正確性驗證的數(shù)控服務組合方案可能不止一個，如圖4所示，為了確定既滿足目標用戶的功能與性能需求又具備最優(yōu)服務質量的服務組合參數(shù)配置方案，需要將不同質量屬性（如數(shù)控服務的執(zhí)行周期、優(yōu)先級等）及約束條件（如軌跡誤差、加工時間、CPU利用率等）最為決策與目標向量構建數(shù)控服務組合多目標優(yōu)化模型，進而將最優(yōu)數(shù)控服務組合參數(shù)配置方案的選擇問題轉化為在設計空間中最優(yōu)解的搜索問題。在實現(xiàn)過程中，對于多目標優(yōu)化模型的求解應用了NSGA-II算法，在求解過程中通過總結歸納不同Pareto最優(yōu)解對應不同參數(shù)組合方案，可根據現(xiàn)實的應用需求確定數(shù)控服務組合參數(shù)最佳的配置方案。

3 支撐工具集與實例開發(fā)

3.1 數(shù)控系統(tǒng)設計支撐工具集

從工程實踐角度出發(fā)，前述面向服務的開放式數(shù)控系統(tǒng)設計流程的實現(xiàn)需要借助各類軟件工具。本文所提方法主要用到軟件工具包括用于數(shù)控應用需求表達的需求描述工具StarUML軟件，用于設計模型開發(fā)的建模工具GME軟件，用于支持實現(xiàn)服務組合模型正確性驗證的形式化驗證工具NuSMV軟件以及用于實現(xiàn)多目標協(xié)同優(yōu)化的Matlab軟件。

3.2 數(shù)控系統(tǒng)實例開發(fā)

本文以一個數(shù)控鉆頭開槽機控制系統(tǒng)設計為例，來驗證所提方法的有效性。數(shù)控鉆頭開槽機是一類面向PCB行業(yè)微型鉆頭生產制造的自動化專機，根據本文所提的設計方法，在數(shù)控系統(tǒng)設計過程中首先根據微鉆開槽的工藝要求，利用StarUML工具完成控制需求描述，例如在譯碼模塊根據需求可由初始化子模塊、編譯器子模塊、G/M代碼解釋器子模塊以及機床數(shù)據庫子模塊組成。在數(shù)控服務建模階段，前述子模塊在GME環(huán)境中被封裝成4個組件服務，根據DE（離散事件）計算模型，組合成為譯碼（指令解析）服務。為了驗證譯碼服務執(zhí)行過程的邏輯正確性，利用NuSMV軟件可對組件服務的執(zhí)行序列的可調度行進行驗證。在參數(shù)優(yōu)化階段，利用Matlab平臺搭建多目標優(yōu)化模型，求解前述各個組件服務的執(zhí)行周期與優(yōu)先級等參數(shù)的最優(yōu)解。經過驗證與優(yōu)化的控制系統(tǒng)設計方案可基于代碼生成技術轉化為上下位控制程序，最后將控制程序部署到數(shù)控鉆頭開槽機物理實體中即可完成控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

4 結論

針對開放式智能化數(shù)控系統(tǒng)的設計需求，本文基于“控制功能即服務”的理念，提出一種面向服務的多維集成開放式數(shù)控系統(tǒng)設計方法。所提方法以服務建模、服務組合、服務驗證與優(yōu)化為設計主線，通過集成領域建模、形式化驗證與多目標優(yōu)化等多個維度的實施策略，借助跨平臺的支撐工具集，建立面向服務的設計開發(fā)流程，便于針對個性化定制的市場需求快速設計開發(fā)具有良好開放性與柔性的數(shù)控系統(tǒng)，有效提升數(shù)控系統(tǒng)的設計效率。