本文介紹了一種集成柔性制造系統(tǒng)的模擬方法

　　柔性制造系統(tǒng)(FMS)近年來在機(jī)械制造 行業(yè)中得到推廣和應(yīng)用，很多人將FMS定義 為加工系統(tǒng)在同一時(shí)刻內(nèi)加工各種尺寸不同的 工件的能力。每個(gè)工件通常需要一系列機(jī)床的 不同操作;而每臺(tái)機(jī)床通過相應(yīng)的調(diào)整就能進(jìn) 行不同的操作，可以說這就是FMS產(chǎn)生的基 礎(chǔ)。但FMS同時(shí)又帶有高度自動(dòng)化和計(jì)算機(jī) 控制的特征，它要求系統(tǒng)能針對(duì)不同的需要作 出快速響應(yīng)，所以FMS的研究常與制造費(fèi)用、 等待時(shí)間、臨時(shí)存貨、高質(zhì)量、高設(shè)備利用率聯(lián) 系起來。 為使上述各方面達(dá)到最優(yōu)的綜合，需要一 個(gè)有效的設(shè)計(jì)和值得采納的操作環(huán)境，以便于 FMS的實(shí)施;另一方面，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和 設(shè)備的昂貴，常使得FMS的設(shè)計(jì)、實(shí)施難以達(dá) 到預(yù)期的效果。所以，在建立一條FMS生產(chǎn)線 之前通常要進(jìn)行FMS系統(tǒng)的模擬工作;同時(shí)， FMS模擬也常用于教學(xué)和科學(xué)研究，以達(dá)到加 快理論驗(yàn)證和節(jié)約費(fèi)用等目的。

　　FMS一般由幾個(gè)緊密聯(lián)系的部分組成：機(jī) 床、機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)小車(AGV)、刀具和托盤 等。怎樣用計(jì)算機(jī)將它們協(xié)調(diào)地控制起來;同時(shí) 再加上一系列的信息，如：計(jì)劃、調(diào)度指令、系統(tǒng) 設(shè)置、系統(tǒng)能力等，它們之間的關(guān)系非常復(fù)雜， 使得設(shè)計(jì)環(huán)境的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)本身。于 是，對(duì)于FMS模擬系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者提出了兩方面 的挑戰(zhàn)：

　　·怎樣處理系統(tǒng)中各部分和各種信息之間 的相互關(guān)系。

　　·怎樣根據(jù)管理者的目標(biāo)，基于上述信息， 建立一套可行的能夠優(yōu)化的操作控制指令。

　　一、傳統(tǒng)模擬方法及其不足

　　傳統(tǒng)的優(yōu)化問題用數(shù)學(xué)方法，而FMS系 統(tǒng)的復(fù)雜性使得這種方法在簡(jiǎn)捷性和真實(shí)性兩 方面產(chǎn)生了矛盾。這幾年，一些研究者將精力轉(zhuǎn) 向用計(jì)算機(jī)建模和輔助信息處理。這種方法通 過統(tǒng)計(jì)、實(shí)時(shí)跟蹤等將FMS系統(tǒng)的復(fù)雜性和 真實(shí)性統(tǒng)一在FMS模型中。

　　這樣，出現(xiàn)了FMS的各種模型。首先是各 種描述性的模型。這種模型使決策者很難進(jìn)行 決策的產(chǎn)生、測(cè)試、選擇和操作。這種模型在任 務(wù)的處理上需要大量的信息處理和解釋。使決 策者不斷地面臨某一特定問題的求解和決策， 最終使得模型不實(shí)用。

　　近年來人們將FMS建模轉(zhuǎn)向人工智能或 專家系統(tǒng)，如基于知識(shí)的、基于規(guī)則診斷的或基 于調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行輸出分析的。它們采取啟發(fā)式 方法解決問題，提供了傳統(tǒng)推理模型所具有的 描述能力，并提供輸出評(píng)價(jià)和修正管理的自動(dòng) 處理能力。

　　但這些人工智能模型或?qū)＜蚁到y(tǒng)模型在模 型建立和模擬方面是分離的，同時(shí)其知識(shí)和推 理也是分離的，如圖1所示。

　　如圖 1所示，專家系統(tǒng)沒有直接介入仿真 模型，導(dǎo)致了以下缺點(diǎn)：

　　(1)數(shù)據(jù)重復(fù)、仿真模型和專家系統(tǒng)間的 數(shù)據(jù)要經(jīng)過轉(zhuǎn)換。

　　(2)模型不靈活，特定模型是用特定語言 開發(fā)的，即模型的處理控制和模型的描述被結(jié) 合在一起，使模型的修改、擴(kuò)展都不容易。

　　(3)基于模型的推理過程很難連續(xù)進(jìn)行， 因?yàn)槟Ｐ褪欠蛛A段確立的。

　　(4)維護(hù)代價(jià)高軟件維護(hù)代價(jià)隨著系統(tǒng) 中實(shí)體數(shù)目和接口數(shù)目的增加而急劇增加。

　　(5)不能自動(dòng)保證全系統(tǒng)的一致性當(dāng)由 —個(gè)模型轉(zhuǎn)換到另一個(gè)模型時(shí)，需要改變匹配 關(guān)系，而這種修改通常是很困難的。

　　(6)模型的自動(dòng)生成能力有限仿真模型 和專家系統(tǒng)之間的相互作用使得輸入和輸出文 件的參數(shù)有限，所以專家系統(tǒng)在模型構(gòu)造時(shí)只 起有限的作用。它被迫處理已存在的模型結(jié)構(gòu)， 而設(shè)計(jì)高度參數(shù)化和非常通用的模型對(duì)設(shè)計(jì)者 會(huì)增加額外負(fù)擔(dān)，會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的模型。

　　這種仿真模型和專家系統(tǒng)的分離使得系統(tǒng) 效率低，帶來建模系統(tǒng)和專家系統(tǒng)不能很好結(jié) 合的不足。模擬過程高度程序化，而描述知識(shí)是 結(jié)合各種算法的。同時(shí)專家系統(tǒng)卻要求程序和 知識(shí)高度分離，這使得FMS的建模和模擬難 以成功地將模擬方法和人工智能結(jié)合起來。

　　二、智能模擬系統(tǒng)的集成理論

　　用集成和模擬解決上面的問題。將模型建 立、模擬、模擬輸出評(píng)估和模型修正全部集成在 一個(gè)單一的環(huán)境中。這里主要是基于面向?qū)ο?的技術(shù)。實(shí)際上，它允許描述和程序同時(shí)存在， 并允許它們之間進(jìn)行交互。

　　1.對(duì)象結(jié)構(gòu)描述和FMS建模

　　基于面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對(duì)FMS進(jìn)行建模有 兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)對(duì)象與物理實(shí)體一致可以將模型中 的對(duì)象與系統(tǒng)中的實(shí)體建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 例如，賦值后的機(jī)器對(duì)應(yīng)于單個(gè)的機(jī)器。這樣對(duì) 大部分用戶來說，溉使得建模過程可行、直觀， 又使得基于模型的推理更加有效。圖2是用對(duì) 象結(jié)構(gòu)描述方法表示的一個(gè)機(jī)器對(duì)象的例子。

　　(2)系統(tǒng)的繼承和模型的繼承相一致實(shí) 際系統(tǒng)和模型間的高層映射關(guān)系可以在結(jié)構(gòu)層 實(shí)現(xiàn)。見圖3。制造系統(tǒng)可以高度繼承，解決控 制問題的具體表示也可以繼承。并且通過類的 延伸，這種繼承在對(duì)象結(jié)構(gòu)表示中也容易實(shí)現(xiàn)。

　　2.模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在面向?qū)ο蟮沫h(huán)境中，模型可以分離地進(jìn) 行構(gòu)造和操作。這里，就象實(shí)際系統(tǒng)一樣，在模 擬時(shí)兩個(gè)對(duì)象間只要傳遞消息即可。消息需要 由事件觸發(fā)并排入事件隊(duì)列。它可以及時(shí)地發(fā) 送到合適的對(duì)象，從而引起一系列活動(dòng)。當(dāng)然， 對(duì)象間的消息傳遞不僅僅局限于事件隊(duì)列，兩 事件間可直接傳遞消息。

　　系統(tǒng)執(zhí)行情況可借助建立輸出報(bào)告通過統(tǒng) 計(jì)方式進(jìn)行估計(jì)。可檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的情況，如平 均物流時(shí)間、未完成工作數(shù)等。對(duì)單個(gè)實(shí)體，可 檢測(cè)它們的屬性，如機(jī)床利用率、平均隊(duì)列長(zhǎng) 度、等待時(shí)間、故障次數(shù)等。即使高層對(duì)象，如系 統(tǒng)對(duì)象、車間對(duì)象也可通過這種統(tǒng)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。

　　3.基于知識(shí)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　運(yùn)用嵌入規(guī)則式控制，不需要獨(dú)立的控制 模型，這種表示方法需要一套高級(jí)控制規(guī)則集， 可以與其它的規(guī)則集進(jìn)行通信，每個(gè)規(guī)則集由 許多相關(guān)的規(guī)則組成，這些規(guī)則可以訪問同一 個(gè)特殊的問題。每條規(guī)則都用帶屬性的實(shí)體表 示這些屬性表示規(guī)則的先決條件、規(guī)則的排序 及行為方法，按照應(yīng)用性每條規(guī)則被賦予不同 的優(yōu)先級(jí)。每條規(guī)則只能由它所屬的那個(gè)規(guī)則 集實(shí)體來訪問。如圖4所示。

　　首先由首級(jí)規(guī)則決定選擇哪個(gè)規(guī)則集，隨 后，測(cè)試該規(guī)則集的每條規(guī)則的應(yīng)用性，一條優(yōu) 先級(jí)最高的規(guī)則被選中(同一時(shí)刻只能激活一 條規(guī)則)。一個(gè)規(guī)則集可由許多子規(guī)則集組成。 這樣，規(guī)則集內(nèi)的任一層均可按這種方式構(gòu)造。 可以證明，這種樹型結(jié)構(gòu)在縮小搜索范圍，引導(dǎo) 搜索方向上非常有用。嵌入規(guī)則式控制特別適用于描述FMS設(shè) 計(jì)和控制知識(shí)，這種知識(shí)是高度結(jié)構(gòu)化的，這種 多級(jí)表示方法如下：

　　FMS的通類：生產(chǎn)率;物流時(shí)間;設(shè)備利用 率;產(chǎn)品混批;投資費(fèi)用;加工費(fèi)用。

　　與生產(chǎn)率有關(guān)的問題：能力;原材料輸入; 加工瓶頸。

　　與能力不足有關(guān)的問題：機(jī)床分配不夠;設(shè) 備故障率高;傳遞設(shè)備速度慢;機(jī)床裝夾零件時(shí) 間長(zhǎng);零件卸下時(shí)間長(zhǎng)。

　　三、系統(tǒng)組成及模擬過程

　　集成的智能模擬系統(tǒng)由3個(gè)主要模塊組 成，實(shí)際上它們是3個(gè)對(duì)象，即：建模對(duì)象、模型 模擬對(duì)象和模型評(píng)價(jià)對(duì)象。它們之間有適當(dāng)?shù)?通信，建模對(duì)象以輸入知識(shí)庫為基礎(chǔ)，模型評(píng)價(jià) 對(duì)象以輸出知識(shí)庫為基礎(chǔ)，同時(shí)這3個(gè)對(duì)象都 以模型庫為基礎(chǔ)。如圖5。

　　1.模型生成

　　首先用戶輸入一組任務(wù)和目標(biāo)，任務(wù)包括 零件類型、零件加工工藝、技術(shù)要求和與之相關(guān) 的消耗等;目標(biāo)包括生產(chǎn)率、零件加工時(shí)間、機(jī) 床利用率、總費(fèi)用等。這些信息作為建模對(duì)象的 屬性，建模對(duì)象發(fā)出消息到輸入知識(shí)庫建立原 始模型。輸入知識(shí)庫含有建立FMS模型必要 的知識(shí)，它主要由粗略但合理的估計(jì)規(guī)則組成。 這些規(guī)則可由有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的用戶改變。例如估 計(jì)需要X型機(jī)床數(shù)量的規(guī)則如下：(假設(shè)100% 的設(shè)備利用率) x型機(jī)床數(shù)量= ∑[(零件j的生產(chǎn)率)×(在該機(jī)床上加工零件j所需時(shí)間)]

　　同樣用類似的規(guī)則來估計(jì)需要AGV、托 盤、夾具等的數(shù)量和材料發(fā)放間隔時(shí)間等。同時(shí) 這些規(guī)則也負(fù)責(zé)生成系統(tǒng)中的每個(gè)實(shí)體，這是 通過已存在的類實(shí)現(xiàn)的，如經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)需要4 臺(tái)機(jī)床，那么通過已定義的“MACHINE”類來 創(chuàng)建4個(gè)機(jī)床對(duì)象，它們的屬性被設(shè)置成期望 值。通過這種方法可以自動(dòng)創(chuàng)建很復(fù)雜的模型。

　　零件加工路線是由兩個(gè)隊(duì)列來控制的，一 個(gè)是操作隊(duì)列，它是由對(duì)某一機(jī)床按事先設(shè)定 好的該機(jī)床較經(jīng)濟(jì)的加工序列而產(chǎn)生的，它存 在于機(jī)床對(duì)象屬性中;另一個(gè)是機(jī)床隊(duì)列，是對(duì) 工件所需要機(jī)床加工的順序而產(chǎn)生的，它存在 于工件對(duì)象屬性中(為使系統(tǒng)中的各機(jī)床負(fù)載 相對(duì)平衡，各工件對(duì)象中可存入不止一個(gè)機(jī)床 隊(duì)列，系統(tǒng)運(yùn)行過程中選擇最優(yōu)的一個(gè)隊(duì)列)。 如機(jī)床l可進(jìn)行A、B、C3種操作，在機(jī)床1對(duì) 象的屬性中，存在B、A、C操作隊(duì)列(假設(shè)B、 A、C的順序?qū)C(jī)床l來說是最經(jīng)濟(jì)的)。零件j 需要機(jī)床l、機(jī)床2、機(jī)床4的加工(假設(shè)順序?yàn)?1、4、2)，那么在零件j對(duì)象的屬性中，存在1、4、 2機(jī)床隊(duì)列。這樣在模擬過程中，首先根據(jù)機(jī)床 隊(duì)列零件j被分配到機(jī)床 l的零件加工隊(duì)列 中，機(jī)床l根據(jù)B、A、C的操作順序，從零件隊(duì) 列中選擇零件進(jìn)行加工。這樣做可使模擬系統(tǒng) 更富于柔性。

　　2.模擬

　　模型建立完成后，由建模對(duì)象向模型模擬 對(duì)象發(fā)出信息進(jìn)入模擬階段，這時(shí)，系統(tǒng)開始統(tǒng) 計(jì)生產(chǎn)率、零件流動(dòng)時(shí)間、機(jī)床利用率、隊(duì)列長(zhǎng) 度、總費(fèi)用等。模擬完成后，模型模擬對(duì)象向模 型評(píng)價(jià)對(duì)象發(fā)出開始評(píng)價(jià)信息，進(jìn)入評(píng)價(jià)階段。

　　3.評(píng)價(jià)

　　將統(tǒng)計(jì)得到的生產(chǎn)率、零件加工時(shí)間、機(jī)床 利用率、費(fèi)用等與期望值比較，如達(dá)到目標(biāo)則停 止，否則修改模型，重新模擬、評(píng)價(jià)。修改模型是 通過搜索輸出知識(shí)庫中的規(guī)則集進(jìn)行的，尋求 最經(jīng)濟(jì)的一種方法。如提高生產(chǎn)率有4個(gè)規(guī)則：

　　增加原材料;減少原材料發(fā)放時(shí)間間隔;改 變操作隊(duì)列;改變機(jī)床隊(duì)列。

　　每個(gè)規(guī)則有一優(yōu)先級(jí)與之對(duì)應(yīng)，在這里，改 變操作隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)最高，因?yàn)橘M(fèi)用最低。

　　如果搜索所有的規(guī)則都不能使模型達(dá)到用 戶目標(biāo)，則停止模擬過程，提示用戶放寬某些限 制。圖6是集成智能模擬系統(tǒng)的控制流程。

　　四、結(jié)論

　　討論了一種新的集成智能型FMS模型結(jié) 構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是效率高，將建模、模擬、評(píng)價(jià)過程 集成起來，并使這些過程能自動(dòng)進(jìn)行。希望通過 研究使之具體化，從而，能在實(shí)際的FMS系統(tǒng) 中得到應(yīng)用。