車間管理控制系統(tǒng)分布式控制方式構造研究
時間:2011-03-12 16:23:24 來源:未知
1 敏捷化生產(chǎn)的要求與多Agent理論與方法
敏捷制造將是21世紀主導性的生產(chǎn)模式，它對制造系統(tǒng)有3個方面的要求：Reusable，Reconfig-urable，Scalable。實現(xiàn)了這3個方面要求的制造系統(tǒng)可稱之為敏捷化的制造系統(tǒng)，其實現(xiàn)關鍵則在于其生產(chǎn)過程能否實現(xiàn)動態(tài)快速重組。在制造自動化系統(tǒng)中，車間層具有重要的作用，企業(yè)的產(chǎn)品最終將在這里物化出來：車間控制系統(tǒng)負責在制造車間環(huán)境中協(xié)調(diào)物流和信息流，它是上層生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)管理模塊與底層的接口。因而車間的敏捷化對整個企業(yè)的敏捷化起著重要的承上啟下的作用。
Agent及Multi-Agent系統(tǒng)（MAS：Multi-A-gentSystem）理論與方法的研究已成為分布式人工智能（DAI）研究的一個熱點。它們是解決分布、異構復雜系統(tǒng)的有力工具。且因其具有適應環(huán)境的動態(tài)自組織功能，MAS在許多領域受到重視。
把車間管理控制系統(tǒng)分解為多個相互作用、交互的代理機，將其視為一個MAS系統(tǒng)，既易于系統(tǒng)設計，也易于系統(tǒng)重組，且可充分利用MAS系統(tǒng)的種種優(yōu)點。因而可以借助MAS理論與方法，實現(xiàn)車間管理控制系統(tǒng)的敏捷化。
2 引入多Agent理論與方法的必要性和可行性
傳統(tǒng)CIMS中車間管理控制系統(tǒng)因存在結構剛性，修改、擴充困難以及遞階式控制系統(tǒng)部分出現(xiàn)故障易導致全局失效等弱點，而不能夠適應連續(xù)不斷的市場環(huán)境的變化（如定單的變化、供應商的變化、產(chǎn)品設計的變化、急件、特定的市場機遇的出現(xiàn)等）以及車間內(nèi)部的各種變化（如設備發(fā)生故障、缺料等偶發(fā)事件）[4]，而這恰恰是敏捷化的基本要求。故需將其改造成具有一定柔性的開放系統(tǒng)，將其集中遞階式控制結構改造為分布式協(xié)調(diào)控制結構。
MAS系統(tǒng)具有如下特點：
- 分布性。各Agent的分布可以不受地域限制，在邏輯上都只是網(wǎng)絡上的一個節(jié)點，其調(diào)度及控制是通過采用分布式人工智能（DAI）技術來實現(xiàn)的。自主性。每個Agent都具有自己的局部智能，可以自主地解決自己局部子系統(tǒng)的問題，可以動態(tài)地響應外界環(huán)境的變化，并且可以實現(xiàn)同其它的Agent之間的協(xié)調(diào)。在多Agent系統(tǒng)中不采用遞階式集中控制方式，各Agent之間是一種平等的關系，系統(tǒng)的運行是基于合同、協(xié)議、標準等的并行操作。
- 互操作性。Agent之間可以互相通信，獲得自己所需的信息或者別的Agent的服務，以解決自己局部無法解決的問題。
- 開放性。多Agent是一個非常開放的系統(tǒng)，其結構只具有相對穩(wěn)定性。它因任務而產(chǎn)生，也因任務的結束而解散，即使在任務的執(zhí)行過程中，也可根據(jù)情況的變化而增加或刪除某些Agent。
由此可看出，可以借助MAS理論與方法，實現(xiàn)這些改造。從系統(tǒng)設計、開發(fā)的角度看，MAS方法的應用則可降低設計的復雜性，減小開發(fā)的工作量與難度。
我們可以將車間內(nèi)的計劃、管理、加工等模塊看成一個個具有一定權限的，以一定協(xié)議互相協(xié)調(diào)訪問的互相獨立的平等實體，每個實體有類似的結構模式，它們在自己的局部數(shù)據(jù)的驅動下完成各自不同的工作，即將它們視為各個Agent，然后為它們建立一個集成管理平臺，為Agent的管理及它們之間的通信、互操作提供支撐，由此而建立起一個MAS系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，各個Agent獨立完成各自的工作，并通過它們之間的相互通信與協(xié)調(diào)達成系統(tǒng)整體的目標。對于復雜的實體，則用類似思想對其進行進一步的分解。
由于各Agent都是基于自己的利益自主地工作的，各Agent都是局部最優(yōu)的，這往往同系統(tǒng)的整體最優(yōu)發(fā)生沖突，因此MAS系統(tǒng)內(nèi)需建立各Agent間的協(xié)調(diào)機制，這也是MAS系統(tǒng)建立的關鍵之一。
3 敏捷化車間管理控制系統(tǒng)的功能與結構
敏捷化對車間的具體要求可歸結為如下三個方面：
- 能夠面向任務組織生產(chǎn)，即能夠根據(jù)任務的不同，動態(tài)組織生產(chǎn)過程。#p#分頁標題#e#
- 能夠對外協(xié)作與交流。當車間內(nèi)部出現(xiàn)某些變化，不能完成某些任務時可以向別的系統(tǒng)發(fā)出請求，將任務轉包出去：本車間也可接受來自外界的協(xié)作請求。
- 能夠適應車間內(nèi)外環(huán)境的變化。即敏捷化的車間要具有很強的計劃與調(diào)度功能，以適應不同的車間內(nèi)外環(huán)境的變化，如車間外部的變化：定單的變化、供應商的變化、產(chǎn)品設計的變化、急件、特定的市場機遇的出現(xiàn)等。車間內(nèi)部的各種變化：設備發(fā)生故障、缺料等偶發(fā)事件。
車間管理控制系統(tǒng)的基本活動過程如圖1所示，由此圖可以看出，車間管理控制系統(tǒng)的基本功能主要有：任務獲取、過程組織、運行協(xié)調(diào)、組織/資源管理。要實現(xiàn)上述要求，必須使車間的任務獲取具有主動性，使車間的過程組織具有動態(tài)性。基于對車間管理控制系統(tǒng)的功能理解和車間內(nèi)的資源不同，可以確定采用MAS方法后的車間管理控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。各Agent的功能描述如下：
任務Agent：它是MAS系統(tǒng)的核心，主要負責接受上級任務或外界的定單，根據(jù)資源的能力，分解任務，而后在車間內(nèi)部發(fā)標，根據(jù)一定規(guī)則，選定一些單元Agent組成生產(chǎn)過程。
組織Agent：管理根據(jù)任務及過程所確定的操作崗位、班組，也負責對車間內(nèi)各類人員的人事管理，內(nèi)容包括專長、業(yè)績評估等。
圖1 車間管理控制系統(tǒng)基本功能
圖2 車間管理控制系統(tǒng)基本結構
單元Agent：各單元Agent（也即各資源Agent）自主負責各自的任務，單元內(nèi)的諸多設備也可理解為各子Agent，單元本身則為一個MAS。單元內(nèi)的各設備對于單元Agent爭取到的并予分解的任務也要競爭，獲勝者則須協(xié)作以完成單元任務。
過程Agent：根據(jù)任務Agent對任務的分解及對投標各Agent篩選，組成車間的生產(chǎn)過程。這個生產(chǎn)過程是面向任務的、動態(tài)的，但也具有一定的相對穩(wěn)定性。各參與任務的Agent相互之間的協(xié)作方式在過程Agent中也需有動態(tài)記錄。過程Agent還負責對應加工任務的成本核算，負責本生產(chǎn)過程中的各 Agent間的運行協(xié)調(diào)與控制。
產(chǎn)品管理Agent：對交給本車間加工的各種工件進行管理。管理內(nèi)容包括：各工件的編號、工件所用材料、工件的交貨期、加工該工件各工序的內(nèi)容及精度、工件的狀態(tài)（等待加工、正在被加工、加工結束、在小車上等等）等。
資源管理Agent：負責車間的能力登記及車間內(nèi)各種資源的動態(tài)管理，為任務Agent的決策提供依據(jù)。各Agent的功能、屬性、能力等級、歷史記錄等都在資源Agent中有詳細的記錄。資源器必須定時與各Agent通信，以保持資源管理表的動態(tài)更新，還負責監(jiān)視車間內(nèi)各組成部分的運行狀態(tài)、設備的使用折舊等情況，并及時向任務Agent報告。
協(xié)作管理Agent：從網(wǎng)上獲取信息或發(fā)布信息都需要經(jīng)過協(xié)作管理代理機進行處理，它負責接受任務或發(fā)布任務信息，接受任務反饋信息，另外，它記錄任務的要求，各種相應的獎懲方法以及其他企業(yè)提出的申請，也負責本系統(tǒng)同外界的協(xié)調(diào)工作。
圖3 Agent的結構
各個Agent在結構上都是類似的，一般由五個部分組成（如圖3所示）：通信模塊、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)庫、知識庫、人機交互接口。通信模塊包括兩個部分：通信語言、通信接口。通信語言采用KQML，通信接口則采用CORBA的IDL來描述。執(zhí)行器包括三個部分：事件感知器、功能適配器、功能調(diào)用器。事件感知器根據(jù)通信模塊傳來的消息及自身狀態(tài)，來判斷所發(fā)生事件，根據(jù)所發(fā)生事件，功能適配器確定采用什么功能來處理此事件，功能調(diào)用器則從知識庫中調(diào)用執(zhí)行相應功能。人機交互接口則提供了一種手段，以便于用戶能修改各Agent的結構，也是Agent知識庫獲取知識的一種手段。車間管理控制系統(tǒng)的來自外界的擾動也可以通過人機接口輸入。 #p#分頁標題#e#
車間管理控制系統(tǒng)各Agent之間的協(xié)調(diào)機制包括兩大部分：一是過程Agent之間及過程Agent與任務Agent間的協(xié)調(diào)：二是過程Agent內(nèi)各單元Agent之間及他們同過程Agent間的協(xié)調(diào)。
在加工過程中，若有單元Agent對應的設備發(fā)生故障，過程Agent首先將其承擔的任務在本過程內(nèi)重新分配，若分配不下去，則將其退回任務Agent重新處理。過程Agent之間也有負載平衡問題，當某過程Agent內(nèi)的各設備負荷過重時，可與某些負荷很輕的過程Agent協(xié)商，將其承擔的部分任務移交給他們完成。
一個生產(chǎn)過程內(nèi)Agent間協(xié)調(diào)的一個重要內(nèi)容就是確定該加工路線中各單元Agent的開工時間，這由過程Agent與各單元Agent以及各單元Agent之間協(xié)商確定（如圖3所示）。具體過程描述如下：過程Agent首先將有先后順序的子任務中的第一道子任務的開工時間確定，并將結果通知承擔該子任務的單元Agent。該單元Agent計算出可能的任務交付時間（要考慮工件傳至下個單元的運輸時間），并將其通知到下個單元Agent。后續(xù)子任務的任務交付時間則根據(jù)前道子任務的任務交付時間、本道子任務的加工時間及本單元Agent的加工任務計劃相應確定，并通知后續(xù)單元Agent。如此類推。對無先后順序的各加工任務由各單元Agent自行確定。
最后，由過程Agent根據(jù)任務的優(yōu)先級、交貨期約束，從整體優(yōu)化的目標出發(fā)對各單元Agent的開工時間進行調(diào)整，如對于優(yōu)先級較高的急件、可能誤期的子任務或瓶頸子任務，應優(yōu)先安排，而將其他任務向后推延。
圖4 車間管理控制系統(tǒng)的軟件體系結構
圖5 基于多Agent的車間管理控制原型系統(tǒng)
4 軟件原型系統(tǒng)的體系結構
基于多Agent的車間管理控制軟件原型系統(tǒng)采用符合公共對象請求代理結構（CORBA）規(guī)范的中間軟件作為集成管理和開發(fā)平臺，原型軟件的體系結構如圖4 所示。各Agent都是一個個的應用程序。各Agent通過CORBA總線進行通信和互操作。通信語言采用KQML，通信接口則用IDL語言定義描述。各單元Agent內(nèi)部則通過WinSock接口實現(xiàn)其同控制和內(nèi)部各自動化設備的控制工作站通信。對應于普通設備的單元Agent則通過其人機接口向操作人員下達操作指令并接收操作人員的反饋從而實現(xiàn)對設備的控制。
原型系統(tǒng)的邏輯配置圖如圖5所示，軟件的運行環(huán)境是由PC機構成的計算機網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中單元Agent所在PC機與加工設備相連或與另外一些PC機相連，這些PC機作為工作站級控制器控制相應加工設備。
5 結論
本文提出了一種基于多Agent的車間管理控制系統(tǒng)，它能借助于MAS系統(tǒng)的種種優(yōu)點，克服傳統(tǒng)CIMS下車間管理控制系統(tǒng)的一些缺點，實現(xiàn)車間的敏捷化，具有自適應能力，動態(tài)重構能力，對外交流、協(xié)作能力。從本文的研究可以看出，隨著分布對象技術及支撐軟件的成熟，車間管理控制系統(tǒng)從遞階式控制結構轉向分布式控制結構是可行的，也是必要的。也只有采用分布式的控制結構，車間管理控制系統(tǒng)才能在車間范圍內(nèi)更有效地支持敏捷制造或別的先進制造模式的實現(xiàn)。