基于UML炼钢-连铸车间生产调度系统建模

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.011 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 基于UML炼钢-连铸车间生产调度系统建模 刘伟》李铁克”周志 1)北京科技大学管理学院，北京1000832)鄂城钢铁集团公司销售部，郭城436002 摘要为了适应炼钢-连铸生产调度系统对实时性和动态性的要求，用Unified Modeling Lan- guage(UML)对该问题建立了需求模型、静态模型和动态模型，探讨了使用UML建模的特点及 关键技术.结果表明，UML能够将系统的结构与数据良好的结合起来，精确体现系统的需求. 关键词生产调度：UML:炼钢一连铸：系统建模 分类号T℉345 由于炼钢一连铸生产环境和工艺要求的特殊 公司级计划系统 性，对调度系统的实时性和动态性有着高度的要 生产订单 生产订单 求，炼钢~连铸生产调度问题的动态性和复杂性 完成情况 也使得系统中的功能结构与数据结构之间有着 炼铁厂 计划协调 质量管理子系统 计划与调度 密不可分的联系.传统的结构化分析设计方法在 设备管理子系统 对系统的功能结构描述（例如数据流图）与数据 生产指令下达 计划协调 工艺管理子系统 结构描述（例如实体关系图）之间存在着概念和 轧钢厂 库存管理子系统 数据采集与分析 方法上的脱节，在对系统动态性的描述上存在着 原理上的局限".本文以实际工程项目为背景，建 生产指令 生产信息 立基于UML的炼钢一连铸生产调度系统模型， 过程控制计算机 探讨UML建模过程中的关键环节和技术. 图1炼钢-连铸车间生产调度环境 1生产调度问题 Fig.1 Scheduling environment 1.1相关环境 单的完成情况.与外部系统（炼铁厂和轧钢厂）进 如图1所示，本文考虑的炼钢-连铸生产调度 行计划协调， 环境包括与公司级计划管理系统的接口、与过程 (3)工艺过程计算机负责接受生产指令，控 控制计算机的接口.其中： 制设备生产，向炼钢一连铸生产调度系统提供有 (1)公司级计划管理系统管理商业任务，制定 关生产实绩的信息. 质量标准，控制订单期限，生成并跟踪销售订单 1.2问题的特点 以及平衡物料等. 从生产工艺的角度来看，本文考虑的炼钢- (2)炼钢一连铸生产调度系统根据来自公司级 连铸生产流程包括炼钢-精炼-连铸三道工序，各 计划系统的生产订单，制定生产作业计划，将其 工序又存在着多台生产设备，由于连铸工艺的限 转化为面向过程控制计算机的生产指令.对生产 制，同一台连铸机必须在一定批次范围内连续浇 过程进行动态调整，包括计划与调度、生产指令 注（一台连铸机上连续浇注的多个炉次的顺序组 下达、数据采集与分析等功能，根据来自过程计 合，称为一个“浇次”).连铸对钢水成分和温度的 算机的生产实绩向公司级计划系统报告生产订 要求非常严格，钢水在工序间不允许等待（或只 允许等待较短时间).各连铸机上浇次之间需要 收稿日期200208-20 刘伟男，27岁，顾士 一定的间隔时间，以更换结晶器、调整设备.从生

第 2 5 卷 第 6 期 2 0 03 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n vei sr yit o f S e i e n e e a o d Te e h n o of yg B e ij ni g V b】 . 2 5 N o . 6 D忱 . 2 0 0 3 基于 U M L 炼钢一连铸车间生产调度系统建模 刘 伟 ” 李铁克 ” 周 志 ” )l北京 科技 大学 管理 学 院 , 北 京 10 0 0 83 2) 鄂城 钢铁 集 团公 司 销售 部 , 鄂城 4 36 0 02 摘 要 为 了适 应 炼钢一 连铸 生 产调 度 系统 对 实时 性和动 态 性 的要求 , 用 U in ife d M o de l ing L an - gu ag e( U M )L 对该 问题 建立 了需求模 型 、 静态 模型 和动 态模 型 ,探 讨 了使用 U M L 建模 的特 点 及 关键 技术 . 结 果表 明 , L) M L 能够 将系 统 的结 构与 数据 良好 的结合 起来 ,精确 体现系统 的需 求 . 关键 词 生产 调度 ; U M L : 炼钢 一连 铸 ; 系统 建模 分类 号 T F 345 由于 炼钢 一连铸 生产环 境 和 工 艺要 求 的特 殊 性 , 对调 度 系统 的 实时 性和 动 态性 有着 高度 的要 求 . 炼 钢一连铸 生 产调 度 问题 的动 态 性 和复 杂 性 也使 得 系 统 中的 功 能 结 构 与 数据 结构 之 间有 着 密不 可分 的联 系 . 传 统 的结 构化分 析 设计 方法 在 对系 统 的 功能 结 构 描述 ( 例 如数 据 流 图 ) 与数 据 结构 描述 ( 例 如 实 体 关系 图 ) 之 间存 在 着概 念 和 方法 上 的脱节 , 在对 系 统动 态 性 的描述上 存在 着 原理 上 的局 限lt . 本 文 以实 际工 程项 目为背 景 , 建 立 基 于 U M L 的炼钢 一 连 铸 生 产调 度 系 统模型 , 探 讨 U M L 建模 过程 中 的关键环 节 和 技术 , } 质量管理子系统 { }计划 与调度 } 设备管理 } 子 系统 } 统 }生产 指令下达 { } 工艺管理子系统 { }数据采集与度分析 … } 库存管理子系统 } 设备管理子 系统 生产 指令下达 工艺管理子系统 数据采集与分析 库存管理子系统 过程控制计算机 1 生 产调 度 问 题 L l 相 关环 境 如 图 1 所示 , 本 文考 虑 的炼钢一连铸 生产 调度 环 境包 括 与 公 司级计 划 管理 系统 的接 口 、 与过 程 控 制 计 算机 的接 口 . 其 中 : ( l) 公 司级计 划 管理 系统 管 理商 业任 务 , 制 定 质 量 标准 , 控制 订单 期 限 , 生 成并 跟 踪 销售 订 单 以 及 平衡 物 料 等 . (2 )炼 钢一连 铸 生产 调度 系统 根据 来 自公 司级 计 划 系统 的生 产 订单 , 制 定 生产 作 业计 划 , 将 其 转 化 为面 向过 程 控制 计 算机 的生产 指 令 . 对 生 产 过 程进 行 动 态 调整 , 包 括 计划 与 调度 、 生产 指 令 下 达 、 数 据采 集 与 分析 等 功 能 . 根 据 来 自过 程 计 算 机 的生 产 实 绩 向 公 司级 计 划 系 统 报 告 生 产 订 收稿 日期 2 0 02 刁8刁 0 刘 伟 男 , 2 7 岁 , 硕 士 图 1 炼钢一 连 铸 车间生 产 调度环 境 F i g . 1 S c h e d u 血 9 e o vi 加n m e . t 单 的完成 情 况 . 与 外 部系 统 ( 炼 铁厂 和 轧钢 厂 ) 进 行 计 划 协 调 . (3 ) 工 艺过 程 计算 机 负 责接 受 生 产指 令 , 控 制 设备 生 产 , 向炼 钢一连铸 生 产调 度 系 统提 供 有 关 生产 实 绩 的信 息 . L Z 问题 的特 点 从生 产 工 艺 的角 度来 看 , 本文 考 虑 的炼 钢一 连 铸 生产 流程 包括 炼 钢一精炼一连铸 三道 工序 , 各 工 序 又存 在着 多 台 生产 设备 . 由于连 铸 工艺 的 限 制 , 同一 台连铸 机必 须在 一 定批 次 范 围 内连 续浇 注 ( 一 台连铸 机 上连 续浇 注 的 多个 炉次 的顺 序组 合 , 称 为一个 “ 浇 次 ’,) . 连 铸 对钢 水 成分 和温 度 的 要 求 非 常严 格 , 钢水 在 工 序 间不 允 许 等待 ( 或 只 允 许 等 待较 短 时 间 ) . 各 连铸 机上 浇次之 间 需要 一 定 的 间隔时 间 , 以更换 结 晶器 、 调 整设 备 . 从 生 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 06. 011

Vol.25 No.6 刘伟等：基于UML炼钢-连铸车间生产调度系统建模 ·533· 产组织的角度来看，随着公司产品结构战略的变 和数据采集与分析的功能.因此，生产调度系统 化，需要引进新的设备，并相应地变更组织机构 应该包括三个子用例：计划与调度、生产指令下 另外，车间内各种设备来自不同的厂家，在操作 达和数据采集分析.如图2所示. 系统、控制软件、通讯协议等方面存在着很大的 (1)计划与调度用例的功能是接受生产订 差异.针对上述情况，在炼钢-连铸生产调度系统 单，基于产品规范将其分解为任务单元，确定适 的建模过程中需要着重考虑以下几个方面： 当的设备，排出浇次计划和炉次计划. (1)在需求定义方面，应该从生产过程的特征 (2)生产指令下达用例负责保证设备和相关 和系统使用者的本质需求出发，确定系统的功能 资源符合生产的要求，并将生产指令按照指定时 和作用.在这方面，UML从用户的角度出发来考 间下发到具体设备.对于生产中的异常情况，本 忠系统能实现哪些具体目标，从而帮助建模人员 用例识别出现的问题，采取适当措施调度车间生 捕获用户的需求.因此，建立的模型能够贴近用 产，调整的情况要向计划与调度用例汇报，请求 户的真实需求， 其更新生产计划. (2)在结构设计方面，相对于人员组织、产品 (3)数据采集与分析用例的功能是监测生产 种类和设备细节，系统结构必须具有独立性，以 设备状况，以及收集和分析生产信息，为生产决 减少组织机构、产品结构和设备配置等变更对本 策提供支持 系统带来的影响，对于这种需求易变、结构复杂 的系统，非常适于采用面向对象的方法建模. 计划人员 生产调度系统 计划与调度 UML与具体的实现无关，可应用于任何语言平 台和工具平台，支持异构的系统环境，通过采用 生产指令下达 合理的封装特性，能够使组织机构、设备配置等 对系统的影响减到最小，并且具有很强的重用 计划执行 性， 员 贪 数据采集与分析 (③)在行为设计方面，重点在于强化生产作业 计划的制定、生产作业计划执行及生产作业实绩 图2炼钢-连铸生产调度系统用例图 管理间紧密衔接，以满足动态生产环境的要求. Fig.2 Scheduling use case in the steelmaking-continous casting scheduling system UML的对象结构将系统中的功能结构与数据结 构密切地联系起来，模型中对象状态的变化基于 2.2系统的静态模型设计 消息触发，适于动态的系统建模，其中交互图可 对炼钢-连铸生产调度系统的设计以及实现 清晰地描述系统的实时需求，系统的实时性和资 有关的概念建模，形成系统的静态模型，如图3 源分配的次序性能够得到充分体现 所示.模型主要由类及类间相互关系组成，这些 相互关系包括关联、泛化和各种依赖关系（如使 2UML在生产调度系统建模中的 用和实现关系)，通过类与类之间的关系反映出 应用 系统的基本框架，而类本身的属性和操作则完成 用例图中所表达的系统功能需求 2.1需求定义 计划与调度、生产指令下达和数据采集与分 在炼钢-连铸生产调度系统的主要用户统称 析是炼钢一连铸车间生产调度系统中的三个主要 为计划人员.从计划人员的角度讲，系统应该完 的类. 成来自公司级计划系统的生产订单，制定生产作 (1)计划与调度类的功能是接受生产订单并 业计划，保证生产按照计划进行，对生产中的突 将其分解为任务单元，确定适当的设备及排出浇 发事件进行处理，向公司级计划系统报告生产订 次计划和炉次计划.与其相关联的类有工艺路 单的完成情况的功能.计划人员可以细分为计划 线、匹配规则、工具、原料、设备类等 制定人员和计划执行人员.从计划制定人员的角 (2)生产指令下达类的主要功能就是保证设 度讲，系统需要完成计划与调度的功能.从计划 备和相关原料符合浇次计划和炉次计划对生产 执行人员的角度讲，系统需要完成生产指令下达 的要求，并根据情况及时更新设备、原料、工具的

、 勺1.2 5N O.6 刘 伟等 : 基于 U M L 炼钢一 连铸 车 间生产 调度 系统建 模 产组 织 的角度 来看 , 随着公司产 品 结构 战略 的变 化 , 需 要 引进 新的设 备 , 并相 应地 变更 组织机 构 . 另 外 , 车 间 内各 种 设备 来 自不 同 的厂 家 , 在 操作 系 统 、 控 制 软件 、 通 讯 协 议等 方面 存 在着 很 大 的 差异 . 针 对上 述情 况 , 在炼钢 一连铸 生产 调度 系统 的 建模 过程 中需要 着 重考 虑 以下 几个 方 面 : ( l) 在 需求 定义 方面 , 应 该从 生产 过程 的特 征 和系 统使用 者 的本质 需 求 出发 , 确定 系统 的功 能 和作 用 . 在 这方 面 , U M L 从用 户 的角 度 出发 来考 虑 系统 能实现哪 些具 体 目标 , 从 而帮助 建模人 员 捕 获用 户 的需 求 . 因此 , 建立 的模 型 能够 贴 近用 户 的真 实 需求 . (2 ) 在结 构设 计 方面 , 相对 于人 员 组织 、 产 品 种类 和 设备 细 节 , 系 统 结构 必须 具 有独 立性 , 以 减少 组织机 构 、 产 品结 构和 设备 配置 等变 更对 本 系统 带来 的影 响 . 对 于这 种 需求 易变 、 结构 复 杂 的 系 统 , 非 常适 于 采 用 面 向对 象 的 方法 建 模 . U M L 与具 体 的实 现 无关 , 可 应用 于 任 何语 言平 台和 工具平 台 , 支 持异 构 的系 统环 境 , 通 过 采用 合 理 的封装 特性 , 能够 使组 织 机构 、 设 备配 置等 对 系 统 的影 响 减 到最 小 , 并 且 具有 很 强 的重 用 性 . (3 )在 行 为设 计方面 , 重 点在 于 强化 生产 作业 计划 的制 定 、 生产 作业 计划 执行 及生 产作 业 实绩 管理 间 紧密 衔接 , 以满足 动 态 生产 环境 的要求 . UM L 的对 象 结构 将 系统 中的功 能 结构 与数 据 结 构密切 地联 系起 来 , 模 型 中对象状 态 的变 化基 于 消息触 发 , 适 于动 态 的系 统建 模 . 其 中交互 图可 清 晰地 描述 系统 的 实时 需求 , 系统 的 实时 性和 资 源 分配 的次序 性 能够 得 到充 分 体现 . 2 U M L 在生 产 调 度 系统建模 中的 应 用 .2 1 需 求定 义 在炼 钢一连铸 生 产调 度系 统 的主 要用 户 统称 为 计划 人 员 . 从 计划 人 员 的角度 讲 , 系统 应该 完 成来 自公司级 计划 系 统的 生产 订单 , 制 定生产 作 业 计划 , 保 证 生 产按 照计 划 进行 , 对 生产 中 的突 发事 件进 行处 理 , 向公司 级计划系 统报 告生产 订 单 的完成 情况 的功 能 . 计划 人 员可 以细 分为计 划 制定 人 员和计 划执 行人 员 . 从计 划制 定人 员 的角 度 讲 , 系统 需 要完 成 计划 与 调度 的 功能 , 从 计 划 执行 人 员的角 度讲 , 系 统 需要完 成 生产指 令下 达 和 数据 采集 与 分 析 的功 能 . 因 此 , 生产 调度 系统 应 该包 括三 个 子用 例 : 计划 与调 度 、 生产 指 令下 达和 数据 采 集分 析 . 如 图 2 所 示 . ( l) 计 划 与 调 度 用 例 的功 能 是 接 受 生 产 订 单 , 基 于产 品规 范 将其 分 解 为任 务 单元 , 确 定 适 当 的设备 , 排 出浇 次计 划和 炉 次 计划 . (2 ) 生 产 指令 下达 用 例 负责 保证 设 备和 相 关 资源 符合 生产 的要求 , 并 将 生产 指令 按照 指定 时 间 下发 到具 体 设 备 . 对 于生 产 中 的异 常情 况 , 本 用例 识别 出现 的 问题 , 采取 适 当措施 调 度车 间生 产 , 调 整 的情 况 要 向计划 与 调度 用 例汇 报 , 请 求 其 更 新生 产 计划 . (3 ) 数据 采集 与 分 析用 例 的功 能是 监 测 生产 设 备状 况 , 以及 收 集和 分 析生 产 信 息 , 为 生产 决 策 提供 支 持 , 图 2 炼 钢一连 铸生 产调 度系 统用 例 图 F ig · 2 S e h e d u 如g u s e e a s e in t h e s et e l m a k in g￾e o n U n o u s e a s it n g s e h e d u 如9 s y s et m .2 2 系统 的静 态模 型 设计 对 炼钢 一连铸 生 产调 度 系统 的 设计 以及 实现 有关 的 概念 建模 , 形成 系 统 的静 态模 型 , 如 图 3 所示 . 模 型主 要 由类 及类 间相 互关 系 组成 , 这些 相 互 关 系包 括 关联 、 泛 化 和 各种 依 赖关 系 ( 如 使 用 和 实 现关 系 ) . 通 过类 与 类 之 间 的关系 反 映 出 系统 的基本 框架 , 而类 本身的属 性和 操 作则完 成 用 例 图 中所 表达 的系统 功 能 需求 . 计 划与 调度 、 生产 指 令下 达和 数 据采 集与 分 析 是炼 钢一连铸 车 间生产 调度 系 统 中的三 个主 要 的类 . ( )I 计 划 与调 度 类 的功 能 是接 受生 产 订单 并 将 其分 解 为任 务单 元 , 确 定 适 当的 设备及 排 出浇 次 计 划 和 炉次 计 划 . 与其 相 关 联 的类 有 工 艺 路 线 、 匹配 规 则 、 工 具 、 原 料 、 设 备类 等 . (2 ) 生 产 指令 下达 类 的 主要 功 能就 是保 证 设 备 和相 关原 料 符 合浇 次 计 划 和 炉 次计 划 对 生产 的要 求 , 并根 据情 况及 时更 新 设备 、 原料 、 工具 的

·534· 北京科技大学学报 2003年第6期 生产订单 设备 反馈 +板坯型号 +钢种 输 +设备编号 设备控制器 十重量 +设备能力 输出 +交货日期 +设备状态 更新 +优先级别 生产指令下达 数据采集与分析 下达 原料 +工作单编号 反愤+工作单编号 计划与调度 接收 +生产代码 +工作单执行状况 输入 +原料代码 +开始时间 +设备状况 +数量 十工作单编号 +结束时间 +完成数量 +开始时间 +产品质量 十结束时间 浇次计划 获取浇次计划() 接收 获取炉次计划() 工艺路线选择() 输出 +浇次编号 更新浇次() 数据采集() 检查资源() 更新 连铸机号 更新炉次() 设备状况校验() 组浇() +开始时间 设备准备() 产品数据分析() 能力不足处理() +结束时间 协调能力() 产生生产报表() 输出 选择匹配原则() +钢种 确定设备() 数据采集设备 发布浇次计划() 发布炉次计划() 炉次计划 输入 输入 资源协调 设备匹配 问题识别 工艺路线 匹配规则 +转炉号 +钢种 +设备编号 +设备编号 十设备编号 +冶炼时间 +路线编号 +生产费用最小 +工具编号 +问题时间 +4444 +设备1编号 +交货准时 十原料编号 获取任务() +问题代码 +设备2编号 +数量 获取设备() +解决方案代码 工具 +设备3编号 +需要时间 获得资源() +设备4编号 发送生产指令() 调节生产() +工具编号 识别间题() +工具数量 +工具状态 图3炼钢-连铸生产调度系统类图 Fig.3 Class diagram of the steelmaking-continuous casting scheduling system 信息，它包括三个子类一一资源协调、设备匹配 图4用UML的时序图描述了实现计划与调 和问题识别，它们分别实现生产指令下达类的功 度功能时对象之间的交互情景，主要包括公司计 能的三个方面. 划管理、计划与调度、工艺数据库、匹配规则和生 (3)数据采集与分析模块收集设备控制器、 产任务下达五个对象，其交互关系如下： 数据采集设备类上发出的信息并将异常信息向 (1)计划与调度对象接受公司计划管理模块 生产指令下达模块报告. 发布的生产订单信息. (4)钢铁企业属于具有离散和连续性质的混 (2)计划与调度对象向工艺数据库查询工艺 合型制造业，其产品通常是由在建厂时确定的生 路线数据和资源数据. 产工艺过程和设备决定的，在运行过程中，工艺 (3)在工艺路线和资源数据能够满足的情况 规程、质量标准、工艺路线等作为相对稳定的工 下，计划与调度对象向匹配规则对象查询生产订 艺参数存储在数据库中， 单分解和组浇时的规则及各种约束，例如不同产 2.3系统的动态模型设计 品要与特定连铸机相对应、标准浇次包含的钢水 由于系统的实时性特征，对系统动态特征的 量、标准钢包的钢水量、钢水到钢坯的损耗及相 建模要在满足时间严格性、可靠性的前提下进 同客户、交货期相同的生产订单尽量在一起等. 行.因此，在得到系统的静态模型后，从执行系统 (4)在得到匹配规则返回的信息后，由计划 功能的各个对象间相互传递消息的时序关系方 与调度类内置的组浇功能将生产订单分解为各 面来研究系统的动态特征， 个连铸机上的浇次任务，并且将浇次内的各个炉

一 5 3 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6 期 生产 订 单 设备 +板坯型号 +钢种 +设备编 号 +重量 平设备 能力 阵备 控制 器 +交货 日期 +设备状态 +优先级别 } 一 } 一 生 产指 令 下达 数据 采集 与分 析 原料 十 工作单编号 王 〔 作单编 号 计划 与调 度 十+生开产始代时码间 +工设作备单状执况行状况 +原料代码 +结束时间 +完成数量 +工 作单编号 十数量 十产品质量 十 开始时间 十 结束时间 浇 次计 划 获获取浇炉次计计划 0O 十 更新浇次 0 数据采集 0 浇次编号 更新炉次 0 设备状况校验 0 斗连铸机号 设 备准备 0 产 品数据分析 0 +开始 时间 协调能力 0 产 生生产报表 ( ) +结束 时间 J 一 乙州 t三戈 几匹 伴 、 夕 +钢种 检 查资源 O p d 组浇 0 能力不足处理 0 选择 匹配原则 ( ) 确 定设备 0 睡据采集 设 备 发布浇次计划 ( ) 发布炉次计划 0 炉 次计 划 资源 协调 设 备 匹 配 问题 识 别 +转炉号 工 艺路线 匹 配规 则 +钢种 十冶炼时 间 +设备编号 +设备编 号 +设备编号 十路线编号 十 生产 费用最小 +工具编号 +问题时间 十设备 1编号 +交货准时 十 原料编号 获取任务 0 十 问题代码 +设备 2 编号 +数量 获取设备 0 +解决方案代码 十设备 3编号 +需要时间 获得资源 0 +设备 4 编 号 发送生产指令 0 调节 生产 0 十工具编号 识别 问题 0 十工具数量 +工具状态 一 } 图 3 炼 钢一 连铸 生产 调度 系 统类 图 F gi . 3 C l a s s d认 g r a m o f t h e s t e e l m a拓 n g 一 e o n ti n u o u s e a s t ni g s c h e d u l in g sy s te m 信 息 , 它包 括 三 个 子类 — 资 源协 调 、 设备 匹 配 和 问题 识 别 , 它们 分 别 实现 生产 指令 下 达类 的功 能 的 三个 方 面 . (3 ) 数 据 采 集 与分 析 模块 收 集 设 备控 制 器 、 数 据 采 集 设 备类上 发 出 的信 息 并 将 异 常信 息 向 生产 指令 下 达模 块 报 告 . (4 ) 钢 铁 企 业属 于 具 有离 散 和 连续 性 质 的混 合型 制造 业 , 其 产 品通 常 是 由在建 厂 时确 定 的生 产 工 艺 过程 和 设 备 决 定 的 , 在运 行 过 程 中 , 工 艺 规 程 、 质 量标 准 、 工 艺路 线 等作 为相 对稳 定 的工 艺参 数存 储 在 数据 库 中 . .2 3 系 统 的动 态 模 型设 计 由于系 统 的 实 时性特 征 , 对 系统 动态 特 征 的 建 模 要 在 满足 时 间严 格 性 、 可 靠 性 的 前提 下进 行 . 因此 , 在得 到 系统 的静 态模 型 后 , 从执 行 系统 功 能 的 各个 对 象 间相 互 传 递 消 息 的 时序 关 系方 面 来研 究 系统 的动 态特 征 . 图 4 用 U M L 的 时序 图描述 了实 现计 划 与调 度 功 能时对 象 之 间 的交互 情 景 , 主要 包 括公 司计 划 管理 、 计划 与 调度 、 工 艺数 据库 、 匹 配 规 则和 生 产 任 务下 达 五 个对 象 , 其 交互 关 系 如下 : ( l) 计划 与 调度 对 象 接 受公 司 计划 管 理模 块 发 布 的生 产 订 单信 息 . (2 ) 计划 与 调度 对 象 向工 艺 数据 库 查 询工 艺 路 线数 据 和 资源 数 据 , (3 ) 在 工 艺路 线 和 资源 数 据 能够 满足 的情 况 下 , 计划 与 调度 对象 向匹配 规 则对象 查 询 生产 订 单 分解 和 组浇 时的规 则及 各 种约 束 , 例 如不 同产 品要 与特定连 铸机 相对 应 、 标准 浇 次包 含 的钢水 量 、 标 准钢 包 的钢水 量 、 钢水 到 钢 坯 的损 耗及 相 同客 户 、 交 货 期相 同的 生产 订 单尽 量 在 一起 等 . (4 ) 在 得 到 匹配 规则 返 回 的信 息 后 , 由计 划 与 调度 类 内置 的组 浇 功 能 将 生 产 订单 分 解 为 各 个连 铸 机上 的浇 次 任务 , 并且 将浇 次 内 的各个 炉

Vol.25 No.6 刘伟等：基于UML炼钢-连铸车间生产调度系统建模 ·535· 公司计划管理计划与调度止艺数据库匹配规则生产任务下达计划与调度生产指令下达工艺数据库设备控制器数据采集与分橱 路线请求 生产订单 浇次计划资源确认请求 工艺路线 炉次计划， 资源请求 确认 资源不足 资源数据 匹配规侧请求 原料、工惟备指令 一完成 匹配规则 生产指令 组浇() 数据采集要求 浇次计划 炉次计划 返回信息 短期调整汇搬 生产信息 无法调整的问题 资源不足 异常生产状况信息 更新浇次(》 生产信息 调整指令 更新炉次( 图4计划与调度时序图 图5生产指令下达时序图 Fig.4 Production plan Sequence Diagram Fig.5 Production directive sequence diagram 次的生产任务编制为相应的转炉的作业计划. 在进行生产时，系统对生产实绩数据进行采 (5)生产任务下达对象从计划与调度对象获 集和分析，为生产决策提供支持.图6描述了实 取浇次计划和炉次计划. 现数据采集与分析功能时模型中对象间交互的 (6)在生产的过程中，生产任务下达类向计 情景. 划与调度类反馈对作业计划（浇次计划、炉次计 在以上讨论的动态模型中，有两点需要注 划)进行短期调整的情况，对其无法调整的问题 意：首先是数据传输的时限严格性问题，例如，在 也会向计划与调度类汇报，以便让其更新作业计 数据采集与分析模块中，设备的异常状态信息必 划（浇次、炉次）， 须立刻送到生产指令下达模块中，以便对生产过 (7)生产完成时，计划与调度类向公司计划 程进行有效的动态调度，而从产品数据分析发往 管理模块报告生产订单的完成情况， 生成产品报告的数据就不如前者要求的时限性 按照业务流程的顺序，计划与调度对象创建 强，第二，数据传输的模式问题.数据采集设备反 完浇次计划与炉次计划后，生产调度系统需要完 馈的生产信息的特征是长度非常短但频率非常 成生产准备工作和下达生产指令.图5描述了完 高，而数据采集与分析发向计划与调度模块的数 成生产指令下达功能时模型中对象之间的交互 据可能就会非常长但频率很低，并且不同的设备 情景： 的通讯协议也有所不同.以上两个问题提醒我们 (1)计划与调度对象将浇次计划和炉次计划 对数据采集与分析模块进行进一步的探讨.解决 信息发送给生产指令下达对象， 的方法之一是为生产指令下达和数据采集与分 (2)生产指令下达对象向工艺数据库请求确 析类这些系统接缝建立接口对象来屏蔽差异， 认所需资源，获得资源确认· 由分析过程可以看出，顺序图适于表达一个 (3)发送原料、工具准备命令到设备控制器 用例中几个对象的交互行为，若想表达跨越多个 并得到准备工作完成的确认， 用例的单个对象的行为，可以使用状态图.这里 (4)生产指令下达模块将生产指令下发到设 给出“浇次计划”的状态图见图7. 备控制器，同时，要求数据采集模块进行数据采 综上所述，利用UML中的时序图和状态图 集和分析，图中用半个箭头来表示这两个消息是 直观表达了炼钢-连铸车间生产调度系统的运作 同时发生的异步消息。 过程以及复杂对象在其生命周期内状态的变化 (5)对于设备控制器返回的异常生产状况信 过程和触发条件，体现了系统对实时性和动态环 息，进行问题识别和动态调度，调度的结果以及 境适应的要求.通过研究对象间的消息传递，可 依靠动态调度无法解决的问题，要向计划与调度 以进一步修订、精化类图，为类添加操作.进行系 模块申请更新浇次计划和炉次计划， 统建模时，必须综合考虑这些工作步骤，以体系

、 b l . 5 2 N o . 刘伟 等 6 : 基 于 炼 钢一 连铸车 间 生产 调度 系统建 模 L · 3 5 5 . M U 公司计划管理 设备控制别 路线请水 { 工艺路巍药 声 夕 炉次计划 资源不足 ` 资源请求 J 资源不足 资源数据 人 、 仁 原料 、 工具 生产信息 k 匹配敖 碑 兰, , 7 石咏 匹配规汉lJ 生 产指令 立 组浇 0 数据采 ;集要求 返回信息 声 炉次计划 : ` 短期调整汇报 异常生产眯况信息 : 无法调整的问题 ,生 调整指令 产信息 气 ` 更新浇次 ( ) - , 盯- - - - - 一 - - - 一 - 里研丫 认 一- - -」卜 欠 图 4 计 划与调 度 时序 图 F i g . 4 P or d u e 找o o lP a n s e q u . e e D aj g ar 功 图 5 生产 指 令下 达时序 图 F i .g 5 P or d u e it o n d i er e ivt e s e q u e n e e d i a g r a m 次 的生产 任 务编 制 为相 应 的转 炉 的作 业计 划 . ( 5) 生产 任 务下 达对 象 从计 划 与调 度对 象 获 取 浇 次计 划和 炉 次计 划 . (6 ) 在 生产 的 过程 中 , 生产任 务 下 达类 向计 划 与 调度类 反 馈对 作 业 计划 ( 浇次 计划 、 炉 次计 划 ) 进 行 短 期调 整 的情 况 , 对 其无 法 调整 的问题 也会 向计 划 与调度 类汇 报 , 以便 让其 更 新作 业计 划 ( 浇 次 、 炉 次 ) . (7 ) 生产 完成 时 , 计划 与 调度 类 向公 司计 划 管 理模块报 告 生产 订 单 的完 成情 况 . 按 照业 务 流程 的顺 序 , 计 划与 调度 对 象创 建 完浇 次计划 与 炉次 计划 后 , 生产 调度 系统 需要 完 成 生产准 备 工 作和 下达 生产 指 令 . 图 5 描述 了完 成 生产 指 令 下达 功 能 时模 型 中对 象 之 间 的交 互 情景 : ( l) 计划 与调 度 对象 将 浇次 计划 和 炉 次计 划 信息发送 给 生产 指 令下 达 对象 . (2 ) 生产 指令 下 达对 象 向工 艺 数据 库请 求 确 认所 需 资源 , 获得 资源 确 认 . (3 ) 发 送 原料 、 工具 准 备命 令 到设 备控 制 器 并得 到准 备 工作 完成 的确认 . ( 4) 生产 指令 下 达模 块将 生 产指 令 下发 到 设 备控 制器 , 同时 , 要 求数 据采 集 模块 进 行数 据 采 集 和分 析 , 图中用 半个 箭头 来表示 这 两个 消息 是 同 时发 生 的异步消 息 . (5 ) 对于 设 备控 制器 返 回 的异 常生 产状 况 信 息 , 进行 问题识 别 和动 态 调度 , 调度 的结果 以及 依 靠动 态调 度无 法解 决 的问题 , 要 向计 划 与调度 模块 申请 更 新浇 次计 划 和 炉次 计划 . 在 进 行 生产 时 , 系 统对 生产 实 绩数 据进 行 采 集 和分 析 , 为生 产 决策 提供 支 持 . 图 6 描述 了实 现 数据 采 集 与 分 析功 能 时 模 型 中对 象 间交 互 的 情 景 . 在 以上 讨 论 的 动 态 模 型 中 , 有 两 点 需要 注 意 : 首先是 数据 传输 的 时 限严 格性 问题 , 例如 , 在 数 据采 集 与分析 模块 中 , 设 备 的异 常状 态信 息必 须立刻 送 到生产 指令 下 达模 块 中 , 以便对 生产 过 程 进行 有效 的动 态调 度 , 而从产 品 数据 分析发 往 生成 产 品报 告 的数 据 就 不如 前 者 要 求 的 时 限性 强 . 第 二 , 数据 传输 的模 式 问题 . 数 据 采集 设备 反 馈 的生产 信 息 的特 征 是长 度 非 常 短但 频 率 非 常 高 , 而 数据 采集 与分 析 发 向计划 与调度 模 块 的数 据 可能 就会 非常 长但 频率 很低 , 并且 不 同的设 备 的通 讯 协议 也有所 不 同 , 以上 两 个 问题 提 醒我 们 对数 据采 集 与分析 模 块进 行进 一 步 的探 讨 . 解 决 的方法 之 一 是 为 生产 指 令 下 达 和 数据 采 集 与 分 析类 这 些 系统 接缝 建 立接 口 对象 来 屏 蔽差 异 . 由分 析 过程 可 以看 出 , 顺序 图适于 表达 一 个 用例 中 几个对 象 的交 互行 为 , 若想 表达 跨越 多个 用 例 的单 个对 象 的行 为 , 可 以 使 用状 态 图 . 这 里 给 出 “ 浇次 计 划 ” 的状 态 图见 图 7 . 综上 所述 , 利用 U M L 中的 时序 图和 状 态 图 直观 表达 了炼 钢一 连铸 车 间生 产调 度 系统 的运作 过 程 以及 复 杂 对 象在 其 生 命 周 期 内状 态 的变 化 过程 和触 发条 件 , 体现 了系统 对 实时性 和动 态环 境适 应 的要 求 . 通 过 研 究对 象 间 的消 息传 递 , 可 以进一 步 修订 、 精 化类 图 , 为类添 加 操作 . 进行 系 统建 模 时 , 必 须综 合 考虑 这 些 工作 步骤 , 以体系

·536 北京科技大学学报 2003年第6期 计划与调度生产指令下达数据采集分析设备控制器数据采集设备 初始状态 具备炉次信息 数据采集要求 保集数据 采集数据 完成排序 设备信息 生产信息 锁定长 调整状态 解锁状态 数据分析 异常状况信息 执行中 执行异常 生产报告 执行完毕 终止 图6数据采集与分析时序图 图7浇次计划状态图 Fig.6 Data monitoring analysis sequence diagram Fig.7 Cast plan state diagram of the steelmaking-continous casting scheduling system 结构为中心处理全局问题，经过多次迭代，逐步 利用UML的扩展和专有化机制，能够提高对架 细化，构建成最终的系统. 构、框架、模式和组件的重用，当经营环境变化或 当然，UML还有多种元素在建模时可供使 业务规则发生变化时，可以比较容易地实现系统 用，但并非都是必须的，建模人员应该选择适合 的重组和升级. 自己领域的元素来使用， 参考文献 3结论 1 Cord P,Yourdon E.Object-Oriented Design [M].New Jer- sey:Prentice-Hall Inc,1991 作为钢铁企业制造执行系统的核心部分，炼 2 Ou-Yang C,Guan TY,Lin JS.Developing a computer 钢一连铸生产调度系统在起着重要作用的同时， shop floor control model for a CIM system-using model- 对实时性和动态性有很高的要求.在对问题业务 ing technique [J].Comput Ind,2000,41:213 特点进行分析的基础上，运用UML建立了系统 3李未，陈禹六，李清基于统一建模语言的虚拟企业 模型.该模型克服了传统的建模方法的缺点，很 信息系统设计方法，计算机集成制造系统一 好地反映了问题的静态结构和动态特征.而且， CMS,2000,6(6):46 Modeling of a UML-Based Scheduling System for Steelmaking-Continuous Cas- ting Production LIU Wei",LI Tieke",ZHOU Zhi 1)Management School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Sales Department,Echeng Iron Steel Co,Echeng 436002,China ABSTRACT In order to meet the requirement ofreal time and dynamic reaction in a steelmaking-continuous cas- ting(SCC)scheduling system,the requirement model,static model and dynamic model of the system were built by UML,the characters and key technologies in the modeling process were discussed.It can be concluded that UML- based model can band structure and data together and describe system requirements precisely. KEY WORDS production scheduling;UML;steel making-continuous casting;system modeling;

一 5 3 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 3 年 第 6期 计划与调阂 生} 产指令下达 }数{ 据采集分圳 股备控制 数据采集要李 } 数据采集设阁 1 采集数 采集数据 备信 { 画斗 l 薰 囱 生 产 悍 报告 弊遍 初始状态 具备炉次信息 完成排序 执行完毕 图 6 数 据采 集 与分 析时 序 图 F ig . 6 D a t a m o n i t o r i n g 改 a n a yl s i s s e q u e n e e d i a g r a m 结构 为 中心 处理 全 局 问题 , 经 过 多 次迭 代 , 逐步 细化 , 构 建 成最 终 的 系统 . 当然 , U M L 还 有 多种 元 素 在建 模 时可供 使 用 , 但 并 非 都 是 必须 的 , 建模 人 员应 该选 择 适合 自己 领 域 的 元素 来 使 用 . 图 , 浇次 计划 状 态图 F i g . 7 C a s t Pl a n s t a t e d i a g r a m o f t h e s t e l m a址 n g 一 c o n t i n o u s e a s it n g s e h e d u如 9 s y s t e m 利 用 U M L 的扩 展 和 专有 化 机 制 , 能够 提 高对 架 构 、 框 架 、 模 式和 组件 的重 用 , 当经营 环境 变 化或 业 务规 则 发生 变化 时 , 可 以比 较 容 易地 实现 系统 的重 组和 升 级 . 参 考 文 献 3 结 论 作 为钢 铁 企业 制 造执 行 系 统 的核 心 部分 , 炼 钢一 连铸 生产 调 度 系 统 在起 着 重 要 作 用 的 同时 , 对 实时 性和 动 态性 有 很 高 的要 求 . 在 对 问题 业 务 特 点进 行 分 析 的基 础 上 , 运用 U M L 建立 了系 统 模 型 . 该模 型 克 服 了传 统 的建 模 方 法 的缺 点 , 很 好 地 反映 了 问题 的静 态 结 构和 动 态特征 . 而 且 , C o dr P, oY u rd o n E . o bj e e t 一 Or i e in e d D e s ign [M ] . N e w Jer - s叮: P r e n tl e e 一 H al l I n e , 1 9 9 1 o u 一 物n g C , uG an T Y, L i n J 5 . D e v e loP i n g a e o m P u t e r s h oP fl o o r e o n t r o l m o d e l of r a C IM s y s et m 一 u s x n g m o d e l - i n g t e e h n iqu e [JI , C o m Put I n d , 2 0 0 0 , 4 1 : 2 1 3 李未 , 陈 禹六 , 李清 . 基 于统 一建模 语 言 的虚拟 企 业 信 息 系 统 设 计 方 法 [J . 计 算机 集 成 制 造 系 统 一 C IM S , 2 0 0 0 , 6 ( 6 ) : 4 6 M o d e li n g o f a U M L 一 B a s e d S e h e du l i n g S y s t e m fo r S t e e lm ak i n g 一 C o n t i n u o u s C a s - ti n g P r o du e it o n LI U 肠i’), IL iT e k e ,) IZ 了O U hZ :i) l ) M an 昭 e m e nt S e h o o l , U n i v ers ity o f s e i e n e e an d eT c hn o l o g y B e ij i n g , B e ij ign l 0 0 0 8 3 , C h in a 2) S a l e s D eP a rt n l e n仁Ehc e ng I ro n & S t e e l C o , E 比 e gn 4 3 6 0 0 2 , C h咖 A B S T R A C T nI o r d e r t o m e e t ht e re iqu r e m e in o f r e al tim e an d d y n am i e r e a e ti o n i n a s te e lm ak ign 一 e on t in ou u s e a s - t i n g ( S C C ) s e he d u lin g sy st em , het r e q u 兀 em ent m o d e l , st iat c m o d e l an d d y n am i e m o d e l o f ht e sy s t e m w er b ul lt by UM L , ht e e h ar ac t e r s an d ke y t e e hn o l o g i e s i n t h e m o d e l ign Por e e s s w e er d i s e us s e d . tI e an b e c on e lud e d ht at U M L - b as e d m o d e l e an b a n d s t r u c trU e an d d at a t o g e ht er an d d e s e ir b e s y s t e m er iqu r e m e in s P r e c i s e l.y K E Y WO R D S P r o d u e t i o n s c h e du l ign ; U M L ; set el m ak i n g 一 c o n ti n u o u s c as t i n ;g sy s t e m m od el ign ;