車間管理控制系統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世紀主導性的生產模式，它對制造系統有3個方面的要求：Reusable，Reconfig-urable，Scalable。實現了這3個方面要求的制造系統可稱之為敏捷化的制造系統，其實現關鍵則在于其生產過程能否實現動態快速重組。在制造自動化系統中，車間層具有重要的作用，企業的產品最終將在這里物化出來：車間控制系統負責在制造車間環境中協調物流和信息流，它是上層生產計劃、生產管理模塊與底層的接口。因而車間的敏捷化對整個企業的敏捷化起著重要的承上啟下的作用。
Agent及Multi-Agent系統（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、異構復雜系統的有力工具。且因其具有適應環境的動態自組織功能，MAS在許多領域受到重視。
把車間管理控制系統分解為多個相互作用、交互的代理機，將其視為一個MAS系統，既易于系統設計，也易于系統重組，且可充分利用MAS系統的種種優點。因而可以借助MAS理論與方法，實現車間管理控制系統的敏捷化。
2 引入多Agent理論與方法的必要性和可行性
傳統CIMS中車間管理控制系統因存在結構剛性，修改、擴充困難以及遞階式控制系統部分出現故障易導致全局失效等弱點，而不能夠適應連續不斷的市場環境的變化（如定單的變化、供應商的變化、產品設計的變化、急件、特定的市場機遇的出現等）以及車間內部的各種變化（如設備發生故障、缺料等偶發事件）[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，將其集中遞階式控制結構改造為分布式協調控制結構。
MAS系統具有如下特點：
- 分布性。各Agent的分布可以不受地域限制，在邏輯上都只是網絡上的一個節點，其調度及控制是通過采用分布式人工智能（DAI）技術來實現的。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的問題，可以動態地響應外界環境的變化，并且可以實現同其它的Agent之間的協調。在多Agent系統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，系統的運行是基于合同、協議、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，其結構只具有相對穩定性。它因任務而產生，也因任務的結束而解散，即使在任務的執行過程中，也可根據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，實現這些改造。從系統設計、開發的角度看，MAS方法的應用則可降低設計的復雜性，減小開發的工作量與難度。
我們可以將車間內的計劃、管理、加工等模塊看成一個個具有一定權限的，以一定協議互相協調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據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。在此系統中，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調達成系統整體的目標。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都是局部最優的，這往往同系統的整體最優發生沖突，因此MAS系統內需建立各Agent間的協調機制，這也是MAS系統建立的關鍵之一。
3 敏捷化車間管理控制系統的功能與結構
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，即能夠根據任務的不同，動態組織生產過程。#p#分頁標題#e#
- 能夠對外協作與交流。當車間內部出現某些變化，不能完成某些任務時可以向別的系統發出請求，將任務轉包出去：本車間也可接受來自外界的協作請求。
- 能夠適應車間內外環境的變化。即敏捷化的車間要具有很強的計劃與調度功能，以適應不同的車間內外環境的變化，如車間外部的變化：定單的變化、供應商的變化、產品設計的變化、急件、特定的市場機遇的出現等。車間內部的各種變化：設備發生故障、缺料等偶發事件。
車間管理控制系統的基本活動過程如圖1所示，由此圖可以看出，車間管理控制系統的基本功能主要有：任務獲取、過程組織、運行協調、組織/資源管理。要實現上述要求，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性。基于對車間管理控制系統的功能理解和車間內的資源不同，可以確定采用MAS方法后的車間管理控制系統的結構如圖2所示。各Agent的功能描述如下：
任務Agent：它是MAS系統的核心，主要負責接受上級任務或外界的定單，根據資源的能力，分解任務，而后在車間內部發標，根據一定規則，選定一些單元Agent組成生產過程。
組織Agent：管理根據任務及過程所確定的操作崗位、班組，也負責對車間內各類人員的人事管理，內容包括專長、業績評估等。
圖1 車間管理控制系統基本功能
圖2 車間管理控制系統基本結構
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，獲勝者則須協作以完成單元任務。
過程Agent：根據任務Agent對任務的分解及對投標各Agent篩選，組成車間的生產過程。這個生產過程是面向任務的、動態的，但也具有一定的相對穩定性。各參與任務的Agent相互之間的協作方式在過程Agent中也需有動態記錄。過程Agent還負責對應加工任務的成本核算，負責本生產過程中的各 Agent間的運行協調與控制。
產品管理Agent：對交給本車間加工的各種工件進行管理。管理內容包括：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容及精度、工件的狀態（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各種資源的動態管理，為任務Agent的決策提供依據。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更新，還負責監視車間內各組成部分的運行狀態、設備的使用折舊等情況，并及時向任務Agent報告。
協作管理Agent：從網上獲取信息或發布信息都需要經過協作管理代理機進行處理，它負責接受任務或發布任務信息，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提出的申請，也負責本系統同外界的協調工作。
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、執行器、數據庫、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。執行器包括三個部分：事件感知器、功能適配器、功能調用器。事件感知器根據通信模塊傳來的消息及自身狀態，來判斷所發生事件，根據所發生事件，功能適配器確定采用什么功能來處理此事件，功能調用器則從知識庫中調用執行相應功能。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#
車間管理控制系統各Agent之間的協調機制包括兩大部分：一是過程Agent之間及過程Agent與任務Agent間的協調：二是過程Agent內各單元Agent之間及他們同過程Agent間的協調。
在加工過程中，若有單元Agent對應的設備發生故障，過程Agent首先將其承擔的任務在本過程內重新分配，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內的各設備負荷過重時，可與某些負荷很輕的過程Agent協商，將其承擔的部分任務移交給他們完成。
一個生產過程內Agent間協調的一個重要內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。后續子任務的任務交付時間則根據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根據任務的優先級、交貨期約束，從整體優化的目標出發對各單元Agent的開工時間進行調整，如對于優先級較高的急件、可能誤期的子任務或瓶頸子任務，應優先安排，而將其他任務向后推延。
圖4 車間管理控制系統的軟件體系結構
圖5 基于多Agent的車間管理控制原型系統
4 軟件原型系統的體系結構
基于多Agent的車間管理控制軟件原型系統采用符合公共對象請求代理結構（CORBA）規范的中間軟件作為集成管理和開發平臺，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內部則通過WinSock接口實現其同控制和內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對設備的控制。
原型系統的邏輯配置圖如圖5所示，軟件的運行環境是由PC機構成的計算機網絡。網絡中單元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，它能借助于MAS系統的種種優點，克服傳統CIMS下車間管理控制系統的一些缺點，實現車間的敏捷化，具有自適應能力，動態重構能力，對外交流、協作能力。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，車間管理控制系統才能在車間范圍內更有效地支持敏捷制造或別的先進制造模式的實現。