車(chē)間管理控制系統(tǒng)分布式控制方式構(gòu)造研究
時(shí)間:2011-03-12 16:23:24 來(lái)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(jì)主導(dǎo)性的生產(chǎn)模式，它對(duì)制造系統(tǒng)有3個(gè)方面的要求：Reusable，Reconfig-urable，Scalable。實(shí)現(xiàn)了這3個(gè)方面要求的制造系統(tǒng)可稱(chēng)之為敏捷化的制造系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵則在于其生產(chǎn)過(guò)程能否實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速重組。在制造自動(dòng)化系統(tǒng)中，車(chē)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(lái)：車(chē)間控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)在制造車(chē)間環(huán)境中協(xié)調(diào)物流和信息流，它是上層生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)管理模塊與底層的接口。因而車(chē)間的敏捷化對(duì)整個(gè)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(gè)熱點(diǎn)。它們是解決分布、異構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的有力工具。且因其具有適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài)自組織功能，MAS在許多領(lǐng)域受到重視。
把車(chē)間管理控制系統(tǒng)分解為多個(gè)相互作用、交互的代理機(jī)，將其視為一個(gè)MAS系統(tǒng)，既易于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也易于系統(tǒng)重組，且可充分利用MAS系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)。因而可以借助MAS理論與方法，實(shí)現(xiàn)車(chē)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(chē)間管理控制系統(tǒng)因存在結(jié)構(gòu)剛性，修改、擴(kuò)充困難以及遞階式控制系統(tǒng)部分出現(xiàn)故障易導(dǎo)致全局失效等弱點(diǎn)，而不能夠適應(yīng)連續(xù)不斷的市場(chǎng)環(huán)境的變化（如定單的變化、供應(yīng)商的變化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化、急件、特定的市場(chǎng)機(jī)遇的出現(xiàn)等）以及車(chē)間內(nèi)部的各種變化（如設(shè)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(kāi)放系統(tǒng)，將其集中遞階式控制結(jié)構(gòu)改造為分布式協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)。
MAS系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
- 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(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其調(diào)度及控制是通過(guò)采用分布式人工智能（DAI）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。自主性。每個(gè)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(wèn)題，可以動(dòng)態(tài)地響應(yīng)外界環(huán)境的變化，并且可以實(shí)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(guān)系，系統(tǒng)的運(yùn)行是基于合同、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)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(wù)，以解決自己局部無(wú)法解決的問(wèn)題。
- 開(kāi)放性。多Agent是一個(gè)非常開(kāi)放的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)只具有相對(duì)穩(wěn)定性。它因任務(wù)而產(chǎn)生，也因任務(wù)的結(jié)束而解散，即使在任務(wù)的執(zhí)行過(guò)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(shí)現(xiàn)這些改造。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的角度看，MAS方法的應(yīng)用則可降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減小開(kāi)發(fā)的工作量與難度。
我們可以將車(chē)間內(nèi)的計(jì)劃、管理、加工等模塊看成一個(gè)個(gè)具有一定權(quán)限的，以一定協(xié)議互相協(xié)調(diào)訪問(wèn)的互相獨(dú)立的平等實(shí)體，每個(gè)實(shí)體有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)模式，它們?cè)谧约旱木植繑?shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下完成各自不同的工作，即將它們視為各個(gè)Agent，然后為它們建立一個(gè)集成管理平臺(tái)，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(gè)MAS系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，各個(gè)Agent獨(dú)立完成各自的工作，并通過(guò)它們之間的相互通信與協(xié)調(diào)達(dá)成系統(tǒng)整體的目標(biāo)。對(duì)于復(fù)雜的實(shí)體，則用類(lèi)似思想對(duì)其進(jìn)行進(jìn)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(jī)制，這也是MAS系統(tǒng)建立的關(guān)鍵之一。
3 敏捷化車(chē)間管理控制系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)
敏捷化對(duì)車(chē)間的具體要求可歸結(jié)為如下三個(gè)方面：
- 能夠面向任務(wù)組織生產(chǎn)，即能夠根據(jù)任務(wù)的不同，動(dòng)態(tài)組織生產(chǎn)過(guò)程。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
- 能夠?qū)ν鈪f(xié)作與交流。當(dāng)車(chē)間內(nèi)部出現(xiàn)某些變化，不能完成某些任務(wù)時(shí)可以向別的系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求，將任務(wù)轉(zhuǎn)包出去：本車(chē)間也可接受來(lái)自外界的協(xié)作請(qǐng)求。
- 能夠適應(yīng)車(chē)間內(nèi)外環(huán)境的變化。即敏捷化的車(chē)間要具有很強(qiáng)的計(jì)劃與調(diào)度功能，以適應(yīng)不同的車(chē)間內(nèi)外環(huán)境的變化，如車(chē)間外部的變化：定單的變化、供應(yīng)商的變化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的變化、急件、特定的市場(chǎng)機(jī)遇的出現(xiàn)等。車(chē)間內(nèi)部的各種變化：設(shè)備發(fā)生故障、缺料等偶發(fā)事件。
車(chē)間管理控制系統(tǒng)的基本活動(dòng)過(guò)程如圖1所示，由此圖可以看出，車(chē)間管理控制系統(tǒng)的基本功能主要有：任務(wù)獲取、過(guò)程組織、運(yùn)行協(xié)調(diào)、組織/資源管理。要實(shí)現(xiàn)上述要求，必須使車(chē)間的任務(wù)獲取具有主動(dòng)性，使車(chē)間的過(guò)程組織具有動(dòng)態(tài)性。基于對(duì)車(chē)間管理控制系統(tǒng)的功能理解和車(chē)間內(nèi)的資源不同，可以確定采用MAS方法后的車(chē)間管理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。各Agent的功能描述如下：
任務(wù)Agent：它是MAS系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)接受上級(jí)任務(wù)或外界的定單，根據(jù)資源的能力，分解任務(wù)，而后在車(chē)間內(nèi)部發(fā)標(biāo)，根據(jù)一定規(guī)則，選定一些單元Agent組成生產(chǎn)過(guò)程。
組織Agent：管理根據(jù)任務(wù)及過(guò)程所確定的操作崗位、班組，也負(fù)責(zé)對(duì)車(chē)間內(nèi)各類(lèi)人員的人事管理，內(nèi)容包括專(zhuān)長(zhǎng)、業(yè)績(jī)?cè)u(píng)估等。
圖1 車(chē)間管理控制系統(tǒng)基本功能
圖2 車(chē)間管理控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
單元Agent：各單元Agent（也即各資源Agent）自主負(fù)責(zé)各自的任務(wù)，單元內(nèi)的諸多設(shè)備也可理解為各子Agent，單元本身則為一個(gè)MAS。單元內(nèi)的各設(shè)備對(duì)于單元Agent爭(zhēng)取到的并予分解的任務(wù)也要競(jìng)爭(zhēng)，獲勝者則須協(xié)作以完成單元任務(wù)。
過(guò)程Agent：根據(jù)任務(wù)Agent對(duì)任務(wù)的分解及對(duì)投標(biāo)各Agent篩選，組成車(chē)間的生產(chǎn)過(guò)程。這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是面向任務(wù)的、動(dòng)態(tài)的，但也具有一定的相對(duì)穩(wěn)定性。各參與任務(wù)的Agent相互之間的協(xié)作方式在過(guò)程Agent中也需有動(dòng)態(tài)記錄。過(guò)程Agent還負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)加工任務(wù)的成本核算，負(fù)責(zé)本生產(chǎn)過(guò)程中的各 Agent間的運(yùn)行協(xié)調(diào)與控制。
產(chǎn)品管理Agent：對(duì)交給本車(chē)間加工的各種工件進(jìn)行管理。管理內(nèi)容包括：各工件的編號(hào)、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(jié)束、在小車(chē)上等等）等。
資源管理Agent：負(fù)責(zé)車(chē)間的能力登記及車(chē)間內(nèi)各種資源的動(dòng)態(tài)管理，為任務(wù)Agent的決策提供依據(jù)。各Agent的功能、屬性、能力等級(jí)、歷史記錄等都在資源Agent中有詳細(xì)的記錄。資源器必須定時(shí)與各Agent通信，以保持資源管理表的動(dòng)態(tài)更新，還負(fù)責(zé)監(jiān)視車(chē)間內(nèi)各組成部分的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備的使用折舊等情況，并及時(shí)向任務(wù)Agent報(bào)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(guò)協(xié)作管理代理機(jī)進(jìn)行處理，它負(fù)責(zé)接受任務(wù)或發(fā)布任務(wù)信息，接受任務(wù)反饋信息，另外，它記錄任務(wù)的要求，各種相應(yīng)的獎(jiǎng)懲方法以及其他企業(yè)提出的申請(qǐng)，也負(fù)責(zé)本系統(tǒng)同外界的協(xié)調(diào)工作。
圖3 Agent的結(jié)構(gòu)
各個(gè)Agent在結(jié)構(gòu)上都是類(lèi)似的，一般由五個(gè)部分組成（如圖3所示）：通信模塊、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、人機(jī)交互接口。通信模塊包括兩個(gè)部分：通信語(yǔ)言、通信接口。通信語(yǔ)言采用KQML，通信接口則采用CORBA的IDL來(lái)描述。執(zhí)行器包括三個(gè)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(lái)的消息及自身狀態(tài)，來(lái)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(lái)處理此事件，功能調(diào)用器則從知識(shí)庫(kù)中調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)功能。人機(jī)交互接口則提供了一種手段，以便于用戶(hù)能修改各Agent的結(jié)構(gòu)，也是Agent知識(shí)庫(kù)獲取知識(shí)的一種手段。車(chē)間管理控制系統(tǒng)的來(lái)自外界的擾動(dòng)也可以通過(guò)人機(jī)接口輸入。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
車(chē)間管理控制系統(tǒng)各Agent之間的協(xié)調(diào)機(jī)制包括兩大部分：一是過(guò)程Agent之間及過(guò)程Agent與任務(wù)Agent間的協(xié)調(diào)：二是過(guò)程Agent內(nèi)各單元Agent之間及他們同過(guò)程Agent間的協(xié)調(diào)。
在加工過(guò)程中，若有單元Agent對(duì)應(yīng)的設(shè)備發(fā)生故障，過(guò)程Agent首先將其承擔(dān)的任務(wù)在本過(guò)程內(nèi)重新分配，若分配不下去，則將其退回任務(wù)Agent重新處理。過(guò)程Agent之間也有負(fù)載平衡問(wèn)題，當(dāng)某過(guò)程Agent內(nèi)的各設(shè)備負(fù)荷過(guò)重時(shí)，可與某些負(fù)荷很輕的過(guò)程Agent協(xié)商，將其承擔(dān)的部分任務(wù)移交給他們完成。
一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程內(nèi)Agent間協(xié)調(diào)的一個(gè)重要內(nèi)容就是確定該加工路線中各單元Agent的開(kāi)工時(shí)間，這由過(guò)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(guò)程描述如下：過(guò)程Agent首先將有先后順序的子任務(wù)中的第一道子任務(wù)的開(kāi)工時(shí)間確定，并將結(jié)果通知承擔(dān)該子任務(wù)的單元Agent。該單元Agent計(jì)算出可能的任務(wù)交付時(shí)間（要考慮工件傳至下個(gè)單元的運(yùn)輸時(shí)間），并將其通知到下個(gè)單元Agent。后續(xù)子任務(wù)的任務(wù)交付時(shí)間則根據(jù)前道子任務(wù)的任務(wù)交付時(shí)間、本道子任務(wù)的加工時(shí)間及本單元Agent的加工任務(wù)計(jì)劃相應(yīng)確定，并通知后續(xù)單元Agent。如此類(lèi)推。對(duì)無(wú)先后順序的各加工任務(wù)由各單元Agent自行確定。
最后，由過(guò)程Agent根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、交貨期約束，從整體優(yōu)化的目標(biāo)出發(fā)對(duì)各單元Agent的開(kāi)工時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，如對(duì)于優(yōu)先級(jí)較高的急件、可能誤期的子任務(wù)或瓶頸子任務(wù)，應(yīng)優(yōu)先安排，而將其他任務(wù)向后推延。
圖4 車(chē)間管理控制系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)
圖5 基于多Agent的車(chē)間管理控制原型系統(tǒng)
4 軟件原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
基于多Agent的車(chē)間管理控制軟件原型系統(tǒng)采用符合公共對(duì)象請(qǐng)求代理結(jié)構(gòu)（CORBA）規(guī)范的中間軟件作為集成管理和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，原型軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖4 所示。各Agent都是一個(gè)個(gè)的應(yīng)用程序。各Agent通過(guò)CORBA總線進(jìn)行通信和互操作。通信語(yǔ)言采用KQML，通信接口則用IDL語(yǔ)言定義描述。各單元Agent內(nèi)部則通過(guò)WinSock接口實(shí)現(xiàn)其同控制和內(nèi)部各自動(dòng)化設(shè)備的控制工作站通信。對(duì)應(yīng)于普通設(shè)備的單元Agent則通過(guò)其人機(jī)接口向操作人員下達(dá)操作指令并接收操作人員的反饋從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。
原型系統(tǒng)的邏輯配置圖如圖5所示，軟件的運(yùn)行環(huán)境是由PC機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中單元Agent所在PC機(jī)與加工設(shè)備相連或與另外一些PC機(jī)相連，這些PC機(jī)作為工作站級(jí)控制器控制相應(yīng)加工設(shè)備。
5 結(jié)論
本文提出了一種基于多Agent的車(chē)間管理控制系統(tǒng)，它能借助于MAS系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)，克服傳統(tǒng)CIMS下車(chē)間管理控制系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間的敏捷化，具有自適應(yīng)能力，動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，對(duì)外交流、協(xié)作能力。從本文的研究可以看出，隨著分布對(duì)象技術(shù)及支撐軟件的成熟，車(chē)間管理控制系統(tǒng)從遞階式控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向分布式控制結(jié)構(gòu)是可行的，也是必要的。也只有采用分布式的控制結(jié)構(gòu)，車(chē)間管理控制系統(tǒng)才能在車(chē)間范圍內(nèi)更有效地支持敏捷制造或別的先進(jìn)制造模式的實(shí)現(xiàn)。