為了提高CAPP系統(tǒng)的柔性、可擴展性、可重用性和動態(tài)適應性，基于并行工程理念，采用多代理技術，提出了一種智能CAPP系統(tǒng)體系結構，研究了智能CAPP系統(tǒng)的工作機理，并時智能CAPP系統(tǒng)中各Agent的結構、功能以及相互之間的通訊機制進行了研究。

多代理系統(tǒng)*CAPP*體系結構*通訊機制

傳統(tǒng)的計算機輔助工藝規(guī)劃(computer aided process planning , CAPP)系統(tǒng)的通用性、可重用和動態(tài)適應性差，是影響CAPP系統(tǒng)推廣應用的主要因素。究其原因，是因為CAPP系統(tǒng)受企業(yè)的制造技術、制造資源、產(chǎn)品結構等因素的影響非常大，針對不同的廠家就要開發(fā)不同的CAPP系統(tǒng)，開發(fā)出的系統(tǒng)功能和應用范圍有限，缺乏適應生產(chǎn)環(huán)境變化的靈活性和動態(tài)適應性。

為了提高CAPP系統(tǒng)的通用性和重用性，國內外研究者在CAPP系統(tǒng)的開發(fā)方法、體系結構等方面作了大量努力，提出了多元化CAPP系統(tǒng)、基于原型系統(tǒng)的漸近式CAPP系統(tǒng)以及CAPP開發(fā)平臺等，但實用系統(tǒng)少。例如對于多元化CAPP系統(tǒng)，混合設計策略的切換以及不同策略下知識庫和數(shù)據(jù)庫設計方法的研究距離實際應用還有很大差距;對于基于原型系統(tǒng)的漸近式LAPP系統(tǒng)，由于工藝設計對象的多樣性和復雜性，對工藝規(guī)程原型的修改、補充和完善的算法過于復雜，難以在實際生產(chǎn)中得到應用。本人也研究過基于組件技術和面向對象技術的可重用CAPP系統(tǒng)，由于工藝決策間題的復雜性，盡管基于組件技術的LAPP系統(tǒng)在可重用性和適用性等方面有了較大的提高，但由于組件本身缺少自主性，沒有自己的知識庫以及自適應的推理能力，基于組件的CAPP系統(tǒng)在工藝路線的動態(tài)優(yōu)化決策方面和傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)相比沒有明顯的改善。

基于上述原因，本文提出了一種基于多代理系統(tǒng)(multi-agent system,MAS)的智能CAPP系統(tǒng)體系結構，以提高CAPP系統(tǒng)的柔性、可重用性、可擴展性和動態(tài)適應性。

1基于多代理的智能CAPP系統(tǒng)體系結構

代理(Agent)是一種體現(xiàn)智力狀態(tài)的實體，如信念(Belief)、能力(Capability )、選擇( Choice)和承諾(Commitment)等，Agent具有自治性、開放性、反應性、主動性等特征。多代理系統(tǒng)(MAS)由多個Agent組成，每一個代理具有自己的知識庫和推理機，各代理按照事先約定的協(xié)議進行通信和協(xié)作，共同解決復雜的問題。這樣將充分利用整個系統(tǒng)的知識資源，可以克服單個專家系統(tǒng)知識庫的單一性、有利于求解復雜的涉及多個領域的多層次的推理問題，同時利用推理的分布性，大大提高系統(tǒng)的并行性，提高系統(tǒng)的運行效率。MAS除了具有個體Agent的特性外，還具有社會性、自主性、協(xié)作性、開放性等特征。由于MAS具有分布式并行處理、自主性、動態(tài)適應性以及易維護性等特點，非常適合用于現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)環(huán)境下的CAPP系統(tǒng)。

在現(xiàn)代集成制造模式下，要求CAPP系統(tǒng)具有:

(1)良好的柔性、可擴展性、可重用性、分布協(xié)同性、異構性和動態(tài)適應性;

(2)CAPP系統(tǒng)能夠和CAD、PPC ( production planning and control)協(xié)同工作，產(chǎn)生適應車間具體生產(chǎn)狀態(tài)的工藝計劃，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、制造、生產(chǎn)計劃的全局優(yōu)化。

為了滿足現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的需要，本文提出了基于MAS的智能CAPP系統(tǒng)體系結構，如圖1所示。該智能CAPP系統(tǒng)由若干代理構成，所有代理協(xié)同工作，產(chǎn)生一個完整的工藝計劃。根據(jù)智能CAPP系統(tǒng)在實際應用環(huán)境中的要求，每一個代理可以分布在不同的計算機上或者同一個計算機上，本文提出的智能CAPP系統(tǒng)也支持面向動態(tài)聯(lián)盟的協(xié)同工藝設計。

2智能CAPP系統(tǒng)中代理的通用模型

在智能CAPP系統(tǒng)中，我們所采用的Agent的通用結構如圖2所示。它包括8個部分:代理控制器、應用庫、推理機、執(zhí)行器、應用程序、內部狀態(tài)集、通訊管理器和人機交互接口。

 
圖2

(1)代理控制器。代理控制器初始化并且控制代理的行為，對運行的代理進行控制，監(jiān)視各應用代理的運行狀態(tài)，當滿足某種約束條件時運行或終止等。

(2)應用庫。應用庫包括知識庫和規(guī)則庫，存儲各種推理規(guī)則及系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)，如Agent本身的工作能力、工作條件等，是推理機有效工作的基礎。

(3)推理機。推理機是代理的核心部分，根據(jù)通訊模塊接受來的消息和事實，利用數(shù)據(jù)庫中的知識和規(guī)則進行邏輯推理，并把得到的結果作為新的規(guī)則保存在規(guī)則庫中;

(4)執(zhí)行器。執(zhí)行器包括事件感知器、功能適配器和功能調用器。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，功能調用器則調用相應的應用程序執(zhí)行相應功能。功能適配器是事件感知器和功能調用器的橋梁，它包括3個重要的部分:事件觸發(fā)器、傳感器和效應器。適配器通過產(chǎn)生觸發(fā)事件促使推理機啟動規(guī)則，并且提供在應用區(qū)域Agent完成自己工作所需要的行為。適配器具有3個基本功能事件觸發(fā)、傳遞推理條件和執(zhí)行被適配器決定和要求的動作。

(5)應用程序。應用程序在推理機和執(zhí)行器的共同作用下，完成代理的相應任務。

(6)通訊管理器。通訊管理器是整個智能代理與外部環(huán)境進行信息交互的接口，主要包括接收器、發(fā)送器、群體成員表、出通信隊列與人通信隊列等幾個部分。

(7)內部狀態(tài)集合。通過定義不同類型的字段，可以表示Agent的種類、名稱、不同狀態(tài)特征(如信念、選擇、承諾等)、狀態(tài)值、推理活動等。

(8)人機交互接口。提供了一種手段，以便于用戶能夠和各Agent進行交流，也是Agent知識庫獲取知識的一種手段。

3智能CAPP系統(tǒng)各代理的模型

在智能CAPP系統(tǒng)中，由于每一個代理需要完成的任務不同，所以有不同的結構。下面將分別對工藝路線生成代理和協(xié)調代理的結構進行詳細說明。

3.1工藝路線生成代理

工藝路線生成代理包括特征提取代理、特征排序代理、加工方法選擇代理、機床選擇代理、刀具選擇代理、夾具選擇代理、加工方法排序代理等，在工藝計劃生成過程中，雖然各自的具體功能不同，但是它們的基本結構是相似的川。工藝路線生成代理的結構如圖3所示。

圖3 工藝路線生成代理的結構

從圖3中可以看到，工藝路線生成代理的主要組成部分包括代理控制器、推理機、執(zhí)行器、應用程序、通信管理器、狀態(tài)集和知識庫等，它的執(zhí)行器包括數(shù)據(jù)庫適配器、XML適配器、文件適配器、Internet /Intranet適配器等，除此之外，它還包括了計劃產(chǎn)生適配器、建議產(chǎn)生適配器、沖突消解適配器，分別用于計劃事件、產(chǎn)生建議和解決沖突。

3. 2協(xié)調代理

協(xié)調代理除了具有和工藝路線生成代理相同的適配器，如文件適配器、數(shù)據(jù)適配器等以外，它還具有數(shù)據(jù)區(qū)域適配器、存儲適配器、通知適配器和協(xié)調適配器，如圖4所示。

圖4 協(xié)調代理的結構

(1)存儲適配器。為每一個數(shù)據(jù)區(qū)域產(chǎn)生存儲信號，數(shù)據(jù)區(qū)域適配器利用這些存儲信號產(chǎn)生事件，例如存儲和取出。

(2)協(xié)調適配器。利用協(xié)調代理的知識庫所包含的控制規(guī)則和事實，對各工藝代理的行為進行控制，通過協(xié)調工藝路線生成代理之間的解決方案，以及對產(chǎn)生沖突的消解得到完整的工藝解決方案。

(3)通知適配器。通知相關信息給所有在協(xié)調代理內注冊的工藝路線生成代理，所有的信息將通過Internet適配器傳輸?shù)焦に嚶肪€生成代理。

(4)數(shù)據(jù)區(qū)域適配器。用于管理4個明確的數(shù)據(jù)區(qū)域(問題、建議、解決和沖突區(qū)域)。當一個工藝路線生成代理完成了要求的工作以后，產(chǎn)生所有相關的數(shù)據(jù)將被傳輸并存儲在協(xié)調代理的數(shù)據(jù)區(qū)域。

存儲在協(xié)調代理上的工藝計劃任務的公用信息被劃分為4類:問題、建議、解決方案和沖突，它們被分別存儲在4個相應的數(shù)據(jù)區(qū)域:問題區(qū)域、建議區(qū)域、問題解決區(qū)域和沖突區(qū)域。問題區(qū)域包含工藝計劃任務的初始問題定義和工藝計劃任務的全部需求;建議區(qū)域存儲各工藝計劃代理產(chǎn)生的部分或者完整建議;解決區(qū)域存儲逐步完善的工藝計劃模版，由各工藝路線生成代理產(chǎn)生的沒有沖突的工藝計劃解決方案被添加到此模版;沖突區(qū)域存儲在工藝規(guī)劃期間產(chǎn)生的沖突以及沖突解決方法，并且為產(chǎn)生沖突的有關工藝路線生成代理提供一種通訊方式。最后的解決方法被存貯在協(xié)調代理的問題解決區(qū)域。

4智能CAPP系統(tǒng)的通訊機制

在智能LAPP系統(tǒng)中，為了既保證代理間的通訊速度，又保證系統(tǒng)間的通訊負載不過于龐大，采用基于點對點方法的直接通訊方式和基于協(xié)調代理的輔助協(xié)作的混合通訊方式。當所需完成的工藝任務涉及的代理較少，且代理間的信息傳遞方向比較明確時，可以直接采取點對點的直接通訊方法，以加快系統(tǒng)反應時間，例如對于一個鉆削操作，機床選擇代理在進行工作時，可以直接向鉆床工作中心代理發(fā)送要求，而不向銑床工作中心發(fā)出要求。在一個任務需要多個代理協(xié)作完成，且信息傳遞方向不明確時，采用基于協(xié)調代理的輔助協(xié)作通訊方式。智能CAPP系統(tǒng)的傳遞的信息分為3個部分:

(1)信息類型:在基于MAS的智能CAPP系統(tǒng)中，定義了3種消息類型:握手(Handclasp )、發(fā)布(Release )、通知(Inform)、請求(Request)、取消(Delete)。

(2)信息目標:消息傳遞的目標可以是一個代理，也可以是多個代理。

(3)信息內容:表示在代理間Release, Inform、Request ,Delete的信息內容。信息的定義如下:

在輔助協(xié)作通訊方法中，智能CAPP系統(tǒng)利用協(xié)調代理作為各工藝代理的協(xié)同和通訊介質。當各工藝路線生成代理執(zhí)行工藝任務時，協(xié)調代理通過自身的控制機理，協(xié)調工藝路線生成代理之間的行為以及工藝活動，最終生成完整的工藝規(guī)劃。

5結束語

在多代理系統(tǒng)(mufti-agent system,MAS)中，每個代理具有一定的獨立解決問題的能力，每一個Agent都有自己獨立的結構、推理機、知識庫和問題求解策略，但每個Agent的資源、能力和信息都是有限的，它們通過彼此之間的協(xié)作，共同完成比較復雜的任務。基于MAS的智能CAPP系統(tǒng)，采用CDPS( cooperative distributed problem solving)方法，將復雜的工藝計劃問題分解為一系列子問題，然后把每一個子問題交給一個代理解決，各個代理之間通過一定的合作和協(xié)調完成對整個工藝計劃問題的求解。基于多代理的CAPP系統(tǒng)具有如下特點:

(1)每一個代理具有自己的推理機和知識庫，可以進行獨立地推理，在系統(tǒng)結構上具有可重構、可擴展的能力，可以根據(jù)用戶的要求改變系統(tǒng)的結構。

(2)可以有效減小CAPP系統(tǒng)集成規(guī)劃決策的規(guī)模、降低各集成功能之間的禍合性，而且有利于將鑄、鍛、焊接、熱處理、裝配等非機加工工藝規(guī)劃與機加工工藝規(guī)劃以分布方式有機地集成起來，如圖1所示。

(3)通過一系列的分散代理使得系統(tǒng)模塊化，系統(tǒng)的開發(fā)難度大大降低，并加強了系統(tǒng)的分布性以及對異構環(huán)境的適應性。

(4)采用分布式的工藝管理結構以及分布數(shù)據(jù)庫的實施，可以將數(shù)據(jù)的管理縮小到子系統(tǒng)內，而整個系統(tǒng)之間只傳送相應的接口信息。這樣可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸率并通過只對關鍵數(shù)據(jù)進行鏡像與雙工操作，提高系統(tǒng)安全性。

(5)系統(tǒng)內的各個代理，可以協(xié)同工作解決復雜問題，并具有和相關應用系統(tǒng)集成并協(xié)同運作的能力，提高整個系統(tǒng)的動態(tài)適應性。

基于多代理的合理劃分，CAPP系統(tǒng)被分解為處于不同代理級的若干個代理的組合，系統(tǒng)的功能模塊化，并加強了系統(tǒng)的柔性、可擴展性、可重構性和動態(tài)適應性。