一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统

技术领域

本发明属于信息物理系统智能集成技术领域，特别提出一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统。

背景技术

信息物理系统是目前智能装配的一种实现范式，该系统集成了分布式的装配车间中若干物理设备包括工艺执行单元和多样的反馈环节，通过多层次信息壳管理实现对底层物理设备的层次化高效调度。通过实时的虚拟仿真与实际装配的映射和反馈，可以将计算过程与物理过程融合以维护虚拟模型与设备实体在装配工艺中的时空一致性，进而提高虚拟装配的仿真效率。

而信息物理系统用于装配车间涉及到多学科的原理背景。需要来自各个领域、各种建模仿真软件的异构模型进行统一互联集成。较为传统的HLA联邦仿真集成技术，定义了通用的建模仿真技术架构，然而HLA一方面没有针对具体装配仿真应用的实现，另一方面难以控制装配任务中信息物理系统存在的分布式仿真应用的复杂层次程度。Simulink集成仿真环境依赖信号流驱动，难以很好地直接处理现实中时钟驱动的仿真应用，且在处理物理设备的信号时，缺少通用的模块对多种位数的物理信号自适应地进行读取解析。

发明内容

本发明的目的是克服现有的基于HLA仿真集成架构中仿真应用实现层次低，难以控制其用于虚实装配的仿真灵活度问题，克服Simulink仿真集成框架用于物理设备及其模型在信息物理系统中统一集成通讯的问题，提出一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统。本发明可以实现智能制造中，信息物理系统中的装配物理设备、装配工位、虚拟仿真模型和智能控制中心等异构模型的统一互联集成，提高装配中心的利用率与装配效率。

本发明提出一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统，其特征在于，该系统包括：物理设备层，主题消息总线层，智能控制层以及仿真层；其中，所述物理设备层包含若干个工位单元，每个工位单元包括一台上位机和连接该上位机的若干台物理设备；每台物理设备通过所在工位单元的上位机与主题主题消息总线层连接，主题消息总线层、智能控制层和仿真层两两相互连接；

其中，所述智能控制层包括管理模块和优化模块，所述仿真层包括验证仿真模块和虚拟反馈模块；

所述物理设备层中，每个工位单元的物理设备用于从该单元上位机接收装配工艺执行消息，按照该消息中的工艺调度方案执行对应的装配任务，然后该物理设备将在装配过程中实时产生的装配任务的实际执行状态发送给该工位单元的上位机；每个工位单元的上位机用于从主题消息总线层的主题消息队列中接收对应本工位单元的装配工艺执行消息并发送给执行该消息对应装配任务的物理设备，同时该上位机将从本工位单元物理设备接收到的装配任务的实际执行状态作为装配状态消息发送给主题消息总线层的主题消息堆栈；

所述主题消息总线层用于从智能控制层中的优化模块接收包含工艺调度方案的装配工艺执行消息并形成主题消息队列，然后将该主题消息队列中的各装配工艺执行消息发送给物理设备层中执行该消息对应装配任务的的工位单元的上位机；同时主题消息总线层从各工位单元的上位机接收装配状态消息并形成主题消息堆栈，然后将主体消息堆栈中的装配状态消息发送给仿真层的虚实反馈模块；

所述仿真层的虚实反馈模块用于监测实际装配任务执行的装配状态，虚实反馈模块从主题消息总线层接收装配状态消息，当虚实反馈模块异常的装配状态消息时，虚实反馈模块将该异常的装配状态消息发送给智能控制层的优化模块；

所述仿真层的验证仿真模块用于从智能控制层的管理模块接收用于装配任务仿真的虚拟CAD模型及其动力学模型以模拟真实的装配场景，并从智能控制层优化模块接收装配任务的工艺调度方案并通过虚拟CAD模型及其动力学模型虚拟执行该方案，然后向优化模块发送在虚拟执行中的碰撞检测结果和执行时效信息；

所述管理模块用于对虚拟CAD模型及其动力学模型、主题消息总线层消息存储、所有装配任务、装配工艺以及物理设备的统筹管理，管理模块向优化模块发布装配任务对应的装配工艺调度解算指令，并向优化模块提供包含各装配任务工艺优化算法的算法模型库，管理模块向仿真层的验证仿真模块提供用于仿真的虚拟CAD模型及动力学模型，管理模块同时保存主题消息总线层存储消息的主题口令及数据结构；

所述优化模块用于调用管理模块中算法模型库内的工艺优化算法，根据装配任务的工艺规则，生成相应的物理设备执行该装配任务的工艺调度方案；优化模块同时还接收从虚实反馈模块发送的异常的装配状态消息，然后根据该消息对正在进行装配的工艺调度方案进行实时优化，更新工艺调度方案；然后优化模块将生成的工艺调度方案发送给仿真层的验证仿真模块，由验证仿真模块对该方案内的工艺指令执行验证，验证仿真模块向优化模块反馈该方案的碰撞检测和执行时效信息，若仿真验证模块反馈该工艺方案没有引起碰撞且符合执行时效要求，则由优化模块将该工艺调度方案封装为装配工艺执行消息并发送给主题消息总线层；若仿真验证模块反馈该工艺调度方案引起碰撞或者不符合执行时效要求，则由优化模块继续解算更优的工艺调度方案并发送给验证仿真模块，直到验证仿真模块对工艺调度方案的执行验证符合不碰撞原则和时效要求；优化模块还接收从虚实反馈模块发送的异常的装配状态消息，然后根据该消息对工艺调度方案进行实时优化。

本发明的特点及有益效果：

本发明可以通过主题消息总线层实现各个层次之间的交互消息，为各级模型仿真通讯提供了具体的实现方式，并通过统一的消息内容解析，一定程度上实现了装配仿真的灵活度和统一集成的兼容。

本发明的信息物理异构模型集成装配系统可以对车间中的物理设备进行工艺调度优化，突破了装配设备被指定完成固定装配工艺导致的利用率低问题。另一方面，仿真层能够对工艺调度优化进行验证与反馈，提高了单一仿真的灵活度。而现有的装配设备，诸如装配机器人，装配工位大多提供PLC与网络链路通讯与外部控制模式，也为层次化信息物理异构模型集成提供了可行性。

本发明是一种实时性高，兼容性强，可交互优化装配工艺，操作友好的信息物理系统和智能控制系统，可以应用于工业领域复杂产品的装配产线及其相关设备。该系统通过主题消息总线层将智能制造中，信息物理系统的装配物理设备、装配工位、虚拟仿真模型，智能控制中心等异构模型的统一互联集成，并通过智能控制层对装配工艺进行优化计算，通过仿真层进行工艺规划结果验证与反馈，提高以往在线仿真与离线装配分离对仿真任务复杂性的限制，可以适应更多样更灵活的装配任务，提高装配中心的利用率与装配效率。本发明为信息物理系统在智能装配领域提供了可行性强、操作性强的一种实现方式，突破了HLA仿真用于协同装配作业的层次控制困难问题和物理设备及其信号统一集成的问题，可以适应更多样更灵活的装配任务。

附图说明

图1为本发明的一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出一种基于主题消息总线的信息物理异构模型集成装配系统，结构如图1所示，包括：物理设备层，主题消息总线层，智能控制层以及仿真层。其中，所述物理设备层包含n个工位单元，每个工位单元包括一台上位机和连接该上位机的多台物理设备(如图1所示，第i个工位单元中的上位机连接该单元中m

其中，所述智能控制层包括管理模块和优化模块，所述仿真层包括验证仿真模块和虚拟反馈模块；

所述物理设备层中，每个工位单元的物理设备用于从该单元上位机接收的装配工艺执行消息，按照该消息中的工艺调度方案执行特定的装配任务，然后该物理设备将在装配过程中实时产生的装配任务的实际执行状态发送给该工位单元的上位机；每个工位单元的上位机用于从主题消息总线层的主题消息队列中接收对应本工位单元的装配工艺执行消息并发送给执行该消息对应装配任务的物理设备，同时该上位机将从本工位单元物理设备接收到的装配任务的实际执行状态作为装配状态消息发送给主题消息总线层的主题消息堆栈；

所述主题消息总线层用于从智能控制层中的优化模块接收包含工艺调度方案的装配工艺执行消息并形成主题消息队列，然后将该主题消息队列中的各装配工艺执行消息发送给物理设备层中执行该消息对应装配任务的的工位单元的上位机；同时主题消息总线层从各工位单元的上位机接收装配状态消息并形成主题消息堆栈，然后将主体消息堆栈中的装配状态消息发送给仿真层的虚实反馈模块；

所述仿真层的虚实反馈模块用于监测实际装配任务执行的装配状态，虚实反馈模块从主题消息总线层接收装配状态消息，当监测到装配任务执行异常，也就是物理设备等发生碰撞或者工艺执行超出物理设备执行能力时，虚实反馈模块向智能控制层的优化模块发送该异常的装配状态消息(该消息包含装配任务执行状态的具体内容)，帮助优化模块优化工艺调度方案。

所述仿真层的验证仿真模块用于从智能控制层的管理模块接收用于装配任务仿真的虚拟CAD模型及其动力学模型用以模拟真实的装配场景，并从智能控制层优化模块接收装配任务的工艺调度方案并通过虚拟CAD模型及其动力学模型虚拟执行该方案，然后向优化模块发送在虚拟执行中的碰撞检测结果和执行时效信息。

所述管理模块用于对虚拟CAD模型及其动力学模型、主题消息总线层消息存储、所有装配任务、装配工艺以及物理设备的统筹管理，管理模块向优化模块发布装配任务对应的装配工艺调度解算指令，并向优化模块提供包含各装配任务工艺优化算法的算法模型库，管理模块向仿真层的验证仿真模块提供用于仿真的虚拟CAD模型及动力学模型，管理模块同时保存主题消息总线层存储消息的主题口令及数据结构；

所述优化模块用于调用管理模块中算法模型库内的工艺优化算法，根据特定的装配任务的工艺规则，生成相应的物理设备执行该装配任务的工艺调度方案；优化模块同时还接收从虚实反馈模块发送的异常的装配状态消息，然后根据该消息对正在进行装配的工艺调度方案进行实时优化，更新工艺调度方案；然后优化模块将生成的工艺调度方案发送给仿真层的验证仿真模块，由验证仿真模块对该方案内的工艺指令执行验证，验证仿真模块向优化模块反馈该方案的碰撞检测和执行时效信息，若仿真验证模块反馈该工艺方案没有引起碰撞且符合执行时效要求，则由优化模块将该工艺调度方案封装为装配工艺执行消息，然后将该装配工艺执行消息发送到主题消息总线层形成主体消息队列；若仿真验证模块反馈该工艺调度方案引起碰撞或者不符合执行时效要求，则由优化模块继续解算更优的工艺调度方案并发送给验证仿真模块，直到验证仿真模块对工艺调度方案的执行验证符合不碰撞原则和时效要求。

进一步地，所述主题消息总线层，通常设置于中央服务器上，用于接收或发送智能控制层，仿真层和物理设备的主题消息，该主题消息包括装配工艺执行消息和装配状态消息。主题消息总线层的寄存结构包含消息队列和消息堆栈两种形式，统一存储格式为message{"token":""{"num":"","objNum":"库卡机器人A","disc":"A移到位置1","verb":"MOVE_ROB","parameters":"{(),…()}","timeout":""},……，{"num":"","objNum":"库卡机器人A","disc":"A归位","verb":"MOVE_ROB","parameters":"{(),…()}","timeout":""}}，其中"token"表示主题消息口令，与约定的物理工位一一对应，num、objNum，parameters分别表示工艺指令动作的代码，与代码对应的物理设备，及具体的动作参数。主题消息总线层接收智能控制层优化模块的装配工艺执行消息，存储为带有相应物理设备层工位单元编号主题口令的主题消息队列(图1中n1表示主题消息队列这种共有n1个)，当相应的工位单元的上位机刷新到该装配工艺执行消息时，该上位机取用该消息并解析其内部的具体工艺指令；同时主题消息总线层接收物理层各工位单元通过该单元的上位机反馈的实际装配任务执行具体工艺的状态，并封装为装配状态消息以主题消息堆栈的结构寄存(图1中n2表示主题消息堆栈这种共有n2个，tn2表示第n2个消息堆栈内最新消息到来的时间戳信息)，仿真层的虚实反馈模块订阅到该装配状态消息后，实时地解析并可视化消息内对应物理设备的具体装配状态。

进一步地，所述物理设备层，用于实际执行具体的装配任务，包含多个工位单元，每个工位单元由一台上位机和多个诸如机械臂或滑轨等物理设备通过PLC或者Socket网络连接；在每个工位单元中，该工位单元的上位机从主题消息总线层接收装配工艺执行消息并解析消息内的装配工艺指令，该工艺指令指定代码的物理设备执行具体的工艺动作，在装配的过程中生成将实际执行工艺指令的各物理设备的位姿和动力学状态等装配状态信息按照工艺指令指定的顺序和数据结构通过其PLC或者Socket通讯连接发送给所在单元的上位机，然后上位机将物理设备的装配状态信息封装为装配状态消息发送给主题消息总线层以堆栈的结构寄存。

本发明系统工作原理如下：

首先由装配操作人员在总控机上部署的智能控制层中的管理模块发起装配任务，该装配任务的描述包括待装配的产品及其装配工艺规则。

然后是装配工艺计算和仿真验证阶段。管理模块向优化模块发布装配任务对应的装配工艺调度解算指令，优化模块根据装配工艺规则要求调度选择可执行该工艺的物理设备，通过物理设备本身的约束计算该设备具体的执行路径。随后优化模块将初步计算的装配工艺调度方案发送到仿真层的仿真验证模块，仿真验证模块根据工艺调度方案，调用管理模块提供的虚拟的物理设备CAD模型及其动力学模拟模型，对实际的装配场景进行模拟验证。仿真验证模块根据虚拟模型的位姿信息计算反馈该方案的碰撞检测和执行时效信息，若仿真验证模块反馈该工艺调度方案没有引起碰撞且符合执行时效要求，则由优化模块将该工艺方案的工艺指令封装为主题消息发送到主题消息总线，若仿真验证模块反馈该工艺调度方案引起碰撞或者不符合执行时效要求，由优化模块继续解算更优的工艺调度方案，循环直到仿真模块对工艺方案的执行验证符合不碰撞原则和时效要求。

智能控制层的优化模块将满足仿真验证的装配工艺调度方案的工艺指令封装为主题消息发送到主题消息总线。工位上位机在主题消息总线层取用与本工位主题口令对应的装配工艺执行消息并解析该消息，将其中的工艺指令解析为本工位物理设备可直接执行的装配指令进而具体执行，同时该工位以固定的频率向主题消息总线层发送装配任务的实际执行状态，并由虚实反馈模块查看该装配状态消息。装配状态消息反馈实际装配出现实际碰撞等问题时，虚实反馈模块将该异常的装配状态消息反馈给优化模块，由优化模块继续调用工艺优化调度算法对相应的工艺调度方案进行优化解算，实时更新工艺调度方案。