摘要：敏捷制造環(huán)境下的制造單元是由分布的制造資源組成。本文通過敏捷制造單元組織結(jié)構(gòu)和特性研究，設(shè)計(jì)了基于智能代理技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)資源搜索和面向?qū)ο笮畔⒓傻拿艚葜圃靻卧M建流程，提出了一種新的單元控制結(jié)構(gòu)模型。
關(guān)鍵詞：敏捷制造　制造單元　智能代理　面向?qū)ο?/P>

Study on control of manufacturing cell under agile manufacturing circumstance

Peng Guan et al

Abstract:Manufacturing cell under agile manufacturing circumstance is composed ofdistribution resources. In this paper, the organization and characters of agilemanufacturing cell are studied.A module is designed for building manufacturing cellbased on intelligent and object-oriented technique. A new cell control model isdeveloped at last.
keywords:Agile manufacturing　Manufacturing cell　Intelligent agent Objet-oriented

1　引言

　　在即將到來的21世紀(jì)，擺在所有制造企業(yè)面前的將是更為激烈和變幻莫測(cè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)要能夠立于不敗之地，就必須具有把握機(jī)遇和不斷創(chuàng)新的能力，能夠以更快的響應(yīng)速度和應(yīng)變能力生產(chǎn)出市場(chǎng)需要的產(chǎn)品，敏捷制造就是能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目的的先進(jìn)制造思想。
　　敏捷制造的基本思想就是通過動(dòng)態(tài)聯(lián)盟方法，借助于信息通訊網(wǎng)絡(luò)，建立能夠?qū)κ袌?chǎng)需求作出快速響應(yīng)的開放性的制造體系。實(shí)現(xiàn)敏捷制造需要對(duì)企業(yè)組織、運(yùn)行和管理的各方面進(jìn)行變革［1］，其組織結(jié)構(gòu)變革的基本特征是建立動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制，通過組合不同企業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源，形成整體優(yōu)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。
　　敏捷制造并不追求單一企業(yè)有完備的先進(jìn)制造設(shè)備和技術(shù)，而是集中不同企業(yè)的優(yōu)勢(shì)，為特定的生產(chǎn)任務(wù)組建制造單元，任務(wù)完成，單元解體。因此，具有敏捷特性的制造單元，或稱為敏捷制造單元，也是按動(dòng)態(tài)聯(lián)盟機(jī)制組成的開放性系統(tǒng)，組成制造單元的資源和設(shè)備不受企業(yè)和地域的限制，系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，利益共享。基于這種思想所組成的制造單元，運(yùn)行和控制方式也必然發(fā)生變革。本文旨在通過研究敏捷制造單元的組成、運(yùn)行和控制特性，尋找敏捷制造單元控制的科學(xué)方法，以實(shí)現(xiàn)敏捷制造單元組合與控制的優(yōu)化。

2　敏捷制造單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　(1) 敏捷制造單元的基本組成形式
　　敏捷制造單元基本組成形式如圖1所示。它包括傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中的加工系統(tǒng)(加工設(shè)備和輔助設(shè)備等)、物流系統(tǒng)(輸送、存儲(chǔ)和裝卸設(shè)備等)和控制系統(tǒng)(計(jì)劃、調(diào)度、過程控制等)，但是和傳統(tǒng)制造系統(tǒng)不同，這些資源相對(duì)獨(dú)立地分散在不同的地域和不同的企業(yè)中，而且是由于生產(chǎn)任務(wù)出現(xiàn)而組合，隨著任務(wù)的完成而解體。分布的制造資源通過(Internet)相互聯(lián)系，資源控制器直接控制所屬資源的運(yùn)作，保證在規(guī)定的期限內(nèi)完成所承擔(dān)的生產(chǎn)任務(wù)。所有的資源控制器由敏捷制造單元的單元控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。

圖1　敏捷制造單元基本結(jié)構(gòu)

　　單元控制器屬于最早意識(shí)到市場(chǎng)機(jī)遇的企業(yè)或通過協(xié)商產(chǎn)生的掌握主要技術(shù)的企業(yè)，這個(gè)企業(yè)具有部分的制造設(shè)備，甚至可以沒有任何制造設(shè)備。單元控制器的功能包括制造單元的組合、協(xié)調(diào)控制及單元的解體，它是敏捷制造單元的核心。
　　各分布資源通過智能代理(又稱代理)建立聯(lián)接，它是企業(yè)和Internet的接口。代理是具有自治性和能動(dòng)性的具有一定智能的軟件，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊以完成用戶交給的一般任務(wù)，也能承擔(dān)人們因各種原因(如速度過慢、大量重復(fù)等)而難以完成的工作［2］。代理具有一定的智能，它能夠在一個(gè)非確定的環(huán)境中自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)，并且在考慮自身利益和一般規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行決策分析。代理技術(shù)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣闊，在此我們只強(qiáng)調(diào)代理的兩個(gè)功能：搜索代理和信息代理。搜索代理負(fù)責(zé)向其它代理發(fā)送搜索信息，信息代理則負(fù)責(zé)響應(yīng)其它代理的搜索請(qǐng)求以及進(jìn)行信息交換。
　　(2) 敏捷制造單元的特性
　　敏捷制造單元的主要特性表現(xiàn)在系統(tǒng)的開放性、柔性和健壯性。敏捷制造單元是開放而不是封閉的系統(tǒng)，構(gòu)成制造單元的制造資源沒有地域和企業(yè)的限制，制造資源的擁有者們本著共同獲利的原則，借助于Internet而結(jié)合在一起，通過有效的集成構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。然而開放性也使制造資源的分布和異構(gòu)成為最典型的特征，從而使信息集成成為敏捷制造單元能否有效運(yùn)行的關(guān)鍵。信息集成要求有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程制造資源和本地制造資源融合，使控制系統(tǒng)能夠進(jìn)行統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的控制，保證制造過程的優(yōu)化，同時(shí)也要保持信息的相對(duì)獨(dú)立性，在單元解體時(shí)，信息能夠有效分解。
　　敏捷制造能夠?qū)κ袌?chǎng)變化作出靈敏反映，快速且高質(zhì)量地生產(chǎn)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，其前提是制造單元能夠圍繞產(chǎn)品而動(dòng)態(tài)重組。通過動(dòng)態(tài)重組，使敏捷制造單元具有很高的柔性，從理論上講，它幾乎可以生產(chǎn)出任何產(chǎn)品。但由于制造單元的柔性是敏捷制造單元的重組為基礎(chǔ)，因此必須采用模塊化方法或面向?qū)ο蟮募夹g(shù)建立系統(tǒng)模型，編寫控制軟件，并注重各種模型與軟件的重用性以及它們之間的重組能力。
　　雖然組成敏捷制造單元的資源分布在不同的地域，但和常規(guī)的生產(chǎn)系統(tǒng)一樣，要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的調(diào)度和控制。健壯性體現(xiàn)在控制系統(tǒng)具有能夠支持跨地域的大規(guī)模協(xié)同工作的能力。同時(shí)，由于資源的集成并不意味著敏捷制造單元能夠占用所集成資源的全部生產(chǎn)能力，因此控制系統(tǒng)要能夠在生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)狀態(tài)和資源等變化的情況下，采取有效的協(xié)調(diào)和應(yīng)變策略，保證系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

3　敏捷制造單元控制

　　敏捷制造單元位于敏捷制造系統(tǒng)的底層，它根據(jù)上層組織所確定的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行組合，敏捷制造單元控制的主要功能包括制造單元組建、單元的優(yōu)化決策和制造單元運(yùn)行控制。

　(1) 敏捷制造單元的組建

　　敏捷制造單元組建流程如圖2所示。系統(tǒng)的單元控制器首先通過Internet搜索和尋找合作伙伴，配齊生產(chǎn)所需的制造資源。由圖1知，智能代理是企業(yè)和網(wǎng)絡(luò)的接口，通過智能代理完成資源搜索和接收。網(wǎng)絡(luò)上的任何用戶都可以作為搜索的請(qǐng)求者將需要尋找的資源內(nèi)容交給智能代理，并由其轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男畔⒉樵冋?qǐng)求格式，在網(wǎng)上發(fā)布或直接轉(zhuǎn)發(fā)到相關(guān)的企業(yè)。當(dāng)智能代理接收到信息查詢請(qǐng)求時(shí)，激活本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，并將查詢結(jié)果和相關(guān)信息返回給發(fā)送請(qǐng)求的代理。

圖2　敏捷制造單元組建流程

　　通過網(wǎng)絡(luò)搜索將獲得許多符合要求的資源信息，需要進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)的合作者。制造資源的篩選通過專家系統(tǒng)來完成。專家系統(tǒng)將根據(jù)合作者所提供的生產(chǎn)能力、加工費(fèi)用、生產(chǎn)周期以及運(yùn)輸費(fèi)用等進(jìn)行歸納整理和對(duì)合作者排序。專家系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面，能夠根據(jù)需要方便地修改不同項(xiàng)目、不同資源和不同企業(yè)的權(quán)值，使具有良好合作記錄的企業(yè)具有較高的得分。
　　動(dòng)態(tài)聯(lián)盟確認(rèn)屬于敏捷制造中管理層的職能，管理層位于制造單元的上層。單元控制器將排好序的擁有所需資源的預(yù)選合作者名單報(bào)送給管理層，由管理層同預(yù)選者進(jìn)行動(dòng)態(tài)聯(lián)盟確認(rèn)，簽定諸如合作方式、資源使用限制、利潤(rùn)分配等協(xié)議。
　　合作者一旦確定，單元控制器通過智能代理下載相關(guān)的資源信息，并轉(zhuǎn)換成與本地資源信息相一致的格式，同時(shí)把遠(yuǎn)程資源信息中相應(yīng)的語義、分布映射信息等存入知識(shí)庫(kù)。
　　敏捷制造單元?jiǎng)討B(tài)重構(gòu)特性，使系統(tǒng)的信息集成任務(wù)十分艱巨。采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)能夠提高信息和軟件的重用性，簡(jiǎn)化單元控制，并使單元重構(gòu)更為容易。對(duì)象劃分將資源信息轉(zhuǎn)化為對(duì)象模式，按資源對(duì)象、加工對(duì)象和進(jìn)程驅(qū)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行分類。資源對(duì)象包括加工設(shè)備、輔助設(shè)備如機(jī)床、刀具、夾具等以及相關(guān)屬性如加工能力、使用條件、使用費(fèi)用等，加工對(duì)象則是對(duì)加工任務(wù)的抽象描述，包括車削、銑削等以及加工零件尺寸、材料和工時(shí)等；進(jìn)程驅(qū)動(dòng)對(duì)象反映系統(tǒng)狀態(tài)變化而引起的操作變化規(guī)律，如加工任務(wù)完成、加工任務(wù)取消、機(jī)床故障等，體現(xiàn)系統(tǒng)從一個(gè)事件變化到另一個(gè)事件需要滿足的條件和控制規(guī)律。對(duì)象分析是為了找出不同對(duì)象之間的共性和相互關(guān)系，進(jìn)行對(duì)象一致性的分析和定義，消除沖突和冗余，提高對(duì)象封裝凝聚度［3］。系統(tǒng)對(duì)制造資源進(jìn)行封裝，使對(duì)象之間相互依存性達(dá)到最小，保證對(duì)象的獨(dú)立性。對(duì)象封裝既能夠?yàn)橄到y(tǒng)控制提供更為簡(jiǎn)明的信息，又使制造資源改變而對(duì)對(duì)象結(jié)構(gòu)和操作實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行修改時(shí)，不必對(duì)控制軟件進(jìn)行太大的修改。
　　在前述各項(xiàng)任務(wù)完成后，即可建立分布資源的連接，編制單元的控制軟件，組建敏捷制造單元。

　　(2) 敏捷制造單元的控制結(jié)構(gòu)

　　敏捷制造單元的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，這里弱化了分布資源控制器之間的橫向聯(lián)系(對(duì)敏捷制造單元的正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程而言，該假定是正確的)，把敏捷制造單元?jiǎng)澐譃橐粋€(gè)三層遞階控制結(jié)構(gòu)。單元控制器主要功能包括：

圖3　敏捷制造單元控制結(jié)構(gòu)

　　①　確定單元的生產(chǎn)能力，識(shí)別分布資源互補(bǔ)性和可替換性。互補(bǔ)資源各自完成一定的任務(wù)，和其它資源間不能互相取代，從系統(tǒng)輸入和輸出的角度看，它是串聯(lián)環(huán)節(jié)，機(jī)床利用率高，但可靠性和柔性降低；可替換資源表示可由其它資源替代，屬于并聯(lián)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)柔性增加，但生產(chǎn)率較低。通常這兩種類型資源同時(shí)存在于系統(tǒng)中［4］。
　　②　制定生產(chǎn)計(jì)劃，為各分布資源合理地分配生產(chǎn)任務(wù)。設(shè)產(chǎn)品的交貨時(shí)間為TL，任務(wù)要求完成時(shí)間的上限為TS，松弛時(shí)間為TF，有：

TL=max(Tpi＋Tti)

其中i=1，…，n代表各分布資源，Tpi為生產(chǎn)時(shí)間，包括從接受任務(wù)到開始生產(chǎn)的準(zhǔn)備時(shí)間和生產(chǎn)所需的時(shí)間；Tti為分布資源將生產(chǎn)好的零件輸送到交貨地點(diǎn)所需要的時(shí)間。若TF=TS－TL為負(fù)值，則表示任務(wù)不能按時(shí)完成，需要進(jìn)行調(diào)整。
　　資源控制器是控制結(jié)構(gòu)的第二層，主要控制功能包括：a.為所管轄的資源作出優(yōu)化調(diào)度，調(diào)度方法可以采用在柔性制造系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的諸如優(yōu)化算法、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等；b.生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制；c.將生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)及時(shí)采集，定時(shí)報(bào)告給單元控制器。
　　控制結(jié)構(gòu)的第三層由各制造和物流設(shè)備的控制器組成，用于控制設(shè)備正確完成各種操作，并將設(shè)備狀態(tài)信息及時(shí)反饋到資源控制器。

　　(3) 敏捷制造單元運(yùn)行控制

　　敏捷制造單元的分布式結(jié)構(gòu)，使單元控制系統(tǒng)也是一種分散控制結(jié)構(gòu)。為更好實(shí)現(xiàn)敏捷制造單元的優(yōu)化決策和控制，建立敏捷制造單元的虛擬模型。虛擬制造單元是現(xiàn)實(shí)制造單元在虛擬環(huán)境中的映射，它由虛擬信息系統(tǒng)和虛擬物理系統(tǒng)組成，分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)信息系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)，其抽象模型與真實(shí)實(shí)體一一對(duì)應(yīng)，并具有與真實(shí)實(shí)體相同的性能、行為和功能。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)組建敏捷制造單元時(shí)所用的對(duì)象信息模型能夠直接應(yīng)用于建立虛擬制造單元。虛擬制造單元的地域概念消失，可以采用現(xiàn)有的各種先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化決策和控制。同時(shí)可以利用虛擬制造單元進(jìn)行仿真運(yùn)行，檢驗(yàn)計(jì)劃和調(diào)度策略是否最優(yōu)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

圖4　敏捷制造單元生產(chǎn)過程控制結(jié)構(gòu)

　　在單元的實(shí)際運(yùn)行過程中，分布資源控制器對(duì)所屬資源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并將有關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和進(jìn)展匯總到單元控制器。由于分布資源控制器管轄的資源可能還屬于另外一個(gè)敏捷制造單元，資源控制器需要統(tǒng)一調(diào)度和控制，但必須將屬于不同制造單元的加工信息分類匯總。單元控制器通過所有返回信息的組合來了解系統(tǒng)運(yùn)行全貌。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某分布資源未能按照進(jìn)度進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)商，并確定是否需要調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃或重新分配生產(chǎn)任務(wù)。
　　敏捷制造單元控制器的生產(chǎn)控制功能結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要部分是知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和智能決策系統(tǒng)。
　　知識(shí)庫(kù)存放單元決策的知識(shí)，如推理規(guī)則、評(píng)判準(zhǔn)則等。知識(shí)庫(kù)中知識(shí)層次包括概念、事實(shí)、狀態(tài)之間聯(lián)系等領(lǐng)域?qū)又R(shí)、決策觸發(fā)控制、動(dòng)態(tài)調(diào)度控制等控制層知識(shí)和系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)、入選資源判別、運(yùn)行結(jié)果評(píng)判等規(guī)劃層知識(shí)。數(shù)據(jù)庫(kù)包括基本生產(chǎn)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)和現(xiàn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及組成系統(tǒng)的分布資源信息和生產(chǎn)計(jì)劃和任務(wù)分配情況。其中系統(tǒng)狀態(tài)和現(xiàn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)程，來源于生產(chǎn)過程中的反饋信息。智能決策是單元控制核心，其最終目的是在按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)的前提下，使制造單元控制達(dá)到全局最優(yōu)。智能決策模塊包括狀態(tài)識(shí)別和優(yōu)化控制兩部分，前者是根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)信息推導(dǎo)現(xiàn)行系統(tǒng)狀態(tài)，并和預(yù)定的生產(chǎn)進(jìn)行相比較，如果生產(chǎn)出現(xiàn)延誤，則激活優(yōu)化控制模塊。
　　在制造過程中出現(xiàn)生產(chǎn)延誤時(shí)，智能決策系統(tǒng)首先檢查是否有可替代資源集中選出適當(dāng)?shù)奶娲Y源，將被延誤的生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)給替代資源處理。若沒有替代資源，則啟動(dòng)資源搜索功能，尋找新的合作伙伴來完成被延誤的工作。

4　結(jié)束語

　　敏捷制造單元控制是實(shí)現(xiàn)敏捷制造的重要技術(shù)之一。如何對(duì)跨地域的、由分布制造資源組成的敏捷制造單元進(jìn)行有效和優(yōu)化控制，是我們面臨的新課題。本文通過對(duì)敏捷制造單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、單元特性進(jìn)行分析，提出敏捷制造單元組建和控制結(jié)構(gòu)和方法，為敏捷制造單元控制提供了新的途徑。敏捷制造單元控制是前景廣闊、富有挑戰(zhàn)性的研究工作，我們已經(jīng)邁出了重要的一步，但還有許多難題需要進(jìn)一步研究解決，才能實(shí)現(xiàn)我們所提出的控制方法和技術(shù)。