基于多agent的分布式制造执行系统

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      敏捷制造是使制造企业适应不断变化、不可预测的经营环境的先进制造模式,被称为“21世纪制造企业战略”。敏捷制造将柔性的先进制造技术，熟练掌握生产技能、有知识的劳动力，以及促进企业内部和企业之间的灵活管理三者集成在一起，利用信息技术对千变万化的市场机遇作出快速响应，最大限度地满足顾客的需求[1]。生产过程作为制造企业业务过程的重要环节，其管理及相应信息系统的敏捷性在很大程度上影响着整个企业的敏捷性。MES(Manufacturing Execution System)作为生产管理的有效工具，它接收上层计划系统（如ERP/MRPII）的任务信息和下层控制系统的反馈信息，保证了计划系统和控制系统的双向通信，提供了企业制造过程的实时管理，有效的弥补了企业上层计划系统在生产管理方面的限制和不足，填补了上层计划系统和下层自动化设备之间的断层，使整个企业的生产计划管理形成闭环系统，是制造企业实施敏捷制造战略的有效技术手段。

     当前MES面临着以下挑战：首先，在复杂产品的生产过程中，参与生产的各个单位在地理位置上是分布的；其次，生产中用到的数据存储在不同的地方，通过网络（internet/intranet/extranet）进行访问；另外，企业有大量的信息化孤岛的应用，新的系统要求与遗留系统较好的集成；最后企业的生产管理模式处于不断改善的过程中，是动态变化的。传统的MES是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，缺少通用性、可重构性和广泛的集成能力，在网络化制造环境中不能很好的发挥作用，因此，建立分布式的、支持网络化制造的分布式MES是必要的。

      多代理系统(Multi Agent System MAS)是从分布式人工智能发展而来的，它为解决分布式环境下的动态协同问题提供了新的思路，ＭＡＳ具有分布式并行处理、强壮性、可伸缩性、可维护性等特点[2],为了提高MES在分布式环境下的敏捷性，文章提出基于多代理技术构建支持敏捷制造的分布式制造执行系统（Distributed Manufactutring Execution System DMES ）框架。第一部分简单的介绍了分布式制造执行系统的架构、agent和多agnet系统；第二部分介绍了支持敏捷制造的基于多代理的DMES结构、agent组成和运行模式；最后给出了结论。

1、分布式制造执行系统和多代理系统介绍

1.1分布式制造执行系统
      MES是从零星级车间应用发展起来的具有一定集成功能的复杂应用系统，传统MES可以简单的分为两类：一类是自成一体的专用系统，这种专用系统只能解决生产管理中某一方面的问题；一类是针对某一个行业规范化环境设计的集成系统，这类系统具有一定的集成功能，但其缺乏通用性和可重构性。传统MES通常是针对单个生产单位的应用设计的，在传统的生产模式和管理模式下，系统可以实现生产现场的实时管理，实现上层计划系统和下层控制系统之间集成。但是，要保持在全球制造形势下企业的敏捷性，如何对异地的制造过程进行实时管理和协同、集成异地的上层计划系统和下层的控制系统以及支持生产管理模式的持续改善都是传统MES面临的挑战。

     与传统的MES系统不同，DMES是在制造企业经营和制造活动全球化形势下发展起来的，充分考虑企业制造执行过程和制造数据异地分布性, 采用分布式对象技术和网络技术构建的分布、异构、松散耦合的系统，系统具有模块化、结构开放等特点，从而保证系统的集成性和可重构性。DMES通常采用分层的浏览器/服务器（B/S）模式，系统结构如图1所示。整个系统分为四个组件，它们在地理位置上可以是分布的，通过网络进行连接，任何两个组件之间的访问都是透明的，与地理位置无关，最终用户可以在任何地方通过网络访问WEB服务器，获得相应的应用服务。MES数据服务器访问分布在不同地方的制造执行支持数据源（如工艺数据、产品结构数据、资源数据等），形成单一的生产数据源，提供给MES应用服务器；MES应用服务器负责与地理位置分散的上层计划系统和下层控制系统进行通信；MES WEB服务器负责将各种应用通过浏览器提供给用户。

1.2 agent与多agent系统
     agent通常是指在一定环境下能够持续自主的运行的实体，agent技术起源于分布式人工智能[3]。到目前为止，不同的研究者对agent提出了不同的定义，其中FIPA(Foundation for Intelligent Physical Agent)是一个致力于agent技术标准化的组织，对aengt的定义为：agent是驻留于环境中的实体，它可以解释从环境中获得的反映环境中所发生事情的数据，并执行对环境产生影响的行为。从agent的定义可以看出，它具有以下属性[6]：

1、自主性　Agent是一独立自主的计算实体，可以在没有与环境的相互作用或来自环境的命令情况下自主执行任务。
2、响应性 Agent可以对来自环境的影响和信息做出适当的反映。
3、主动性 根据用户的需求或当前的环境状态以主动方式提供服务。
4、交互性 在有多个Agent组成的系统中，各个Agent具有标准的外部接口,采用统一的通信语言进行信息交流,则多个Agent可以通过相互协商和协作来共同完成复杂的任务

     另外，agent还具有时间连续性（Temporal Continurity）、自适应性（Adaptivity）、可移动性(Mobility)等属性，根据应用的不同，agent设计时侧重于不同的属性，形成不同类型的agent，如合作agent、界面agent、移动agent、信息agent、响应agent和混合agent等。

     为了弥补单个代理在解决问题时的功能不足，使用多个agent组成的松散耦合系统，称为多agent系统。在多agent系统中，为保证多个agent之间进行有效的合作，在agent设计中要考虑下面一些问题：
* 使用的网络通讯协议和agent间的通讯方式
* 使用的通信语言
* 使用的组织结构和协调技术

     基于多agent进行DMES设计，可以使系统具有分散自制性、网络协作性和结构开放性的特点，满足在全球制造环境下对MES敏捷性的要求。

2、基于多agent支持敏捷制造的DMES架构

     系统结构如图2所示，由六个模块组成，分别是：MES核心模块、协同工作模块、任务管理模块、在线控制和监视模块、库房管理模块和基础数据管理模块。每一个模块包含有多个agent，将在下面对这些模块和组成这些模块的agent进行详细的描述。

2.1 MES核心模块
     在MES运行过程中，在系统的不同agent之间共享信息和知识是很重要的。黑板机制可使知识源或信息源之间通过共享数据库进行协同[4],因此使用黑板作为代理之间的通信方式，代理可以访问黑板获得需要的各种不同类型的信息或是知识。MES核心模块结构如图3所示。

     任务管理agent 负责从上层计划系统接收任务定单,将部件任务分解成零件制造任务和物料需求，再将零件制造任务分解为工序任务，同时产生工具需求。物料需求和工具需求通过通信agent发送给库房管理模块，工序任务则产生任务agent,对于在本地不能执行的任务，通过通信agent发送给任务管理模块，由任务管理模块对外寻求合作。

     任务agent 负责单个工序任务的执行管理,向黑板发放制造请求,对工序任务的执行情况进行跟踪。

     资源agent 是对制造系统中的机床、运输设备、人员等实体的抽象，它查找黑板上的任务信息，选取加工任务，并发布选取结果，同时负责监视单个资源的运行状况。

     资源管理agent 对系统中的资源agent状态及分配信息进行管理, 也为满足生产计划的要求而对资源预留和调度等。

     任务调度agent 负责执行资源分配的优化过程，特别是在资源冲突严重的情况下，进行资源的重新分配，它需要经常与资源管理agent协调,以获得资源的实时信息。任务调度agent的优化过程是实时的,它不断接收从下层控制系统的反馈,根据反馈对调度结果进行改进，以便获得最大的资源利用率。它可以周期性工作或者基于事件工作。另外,任务调度agent也负责对制造系统的行为进行预测,预测结果可以向客户提供对订单完成时间的估计。

系统管理agent 监视和控制整个制造系统的运行状态。

     质量管理agent对制造现场收集到的数据进行实时分析以控制产品质量,并确定生产中需要注意的问题

     性能分析agent 分析实际制造过程的结果报告。并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的目标进行比较,以便用户对当前系统进行优化。

2.2 协同工作模块
      制造过程中有大量的协同过程，如计划人员与生产人员协同安排生产过程、工艺人员与生产人员协同解决生产过程中出现的工艺问题、工艺人员与质检人员协同解决生产过程中的质量问题等。因此DMES需要建立协同工作环境，支持制造过程中的协同工作。因此在系统中建立计算机支持协同工作（Computer Support Collaborative Work CSCW）环境，它可以在分布式环境下，利用计算机支持用户之间的交互[5]。CSCW环境包括管理agent、知识agent、协作agent和若干个用户agent,其结构如图4所示。

管理agent 负责协同过程的管理,它采用事件驱动机制工作。当管理agent监测到有协同事件发生时，就初始化协同工作环境，同时将协同请求发送给相关的用户agent;

知识agent负责与制造领域有关的各种信息的管理与传递,如设计图、工艺规则要求、质量要求等;

协同agent 负责解决协同过程中的冲突；

用户agent 是协同过程中用户的抽象，包括工艺人员agent、生产人员agent、计划人员agent等，负责管理不同用户对问题求解的独特观点。

2.3 任务管理模块
      任务管理模块主要有两方面的功能：一方面负责DMES与上层计划系统交互，另一方面负责协作任务的管理，包括协作单位的寻找、协作信息的反馈等。该功能模块主要包括定单管理agent和外协任务管理agent。

定单管理agent 负责从上层计划接收定单信息，同时按照一定规则反馈定单的执行情况，另外，当定单不能按进度要求完成时，负责向上层计划系统提出拖期请求。

外协任务管理agent 负责外协任务协作单位的寻找和协作过程的跟踪。

2.4 在线控制和监视模块
     在线控制和监视模块主要完成DMES与下层控制系统的交互，它一方面从MES核心模块接受控制指令，将控制指令传递给控制系统，同时接受控制系统反馈的现场数据，传递给MES核心模块，为下一步的生产计划制定提供依据。模块主要包括在线控制agent、过程监控agent、现场数据采集agent。

在线控制agent 在正确的时间，将控制指令传递给生产设备。

     过程监控agent 监控生产过程,自动修正生产中的错误,提高加工效率和质量,或者向用户提供纠正错误并提高在制行为的决策支持。

      现场数据采集agent 负责采集生产现场中的各种必要的数据信息，以获得工件在任意时刻的位置及其状态信息，这些数据可以手工输入或由各种自动方式获得。

2.5 库房管理模块
     库房管理模块主要是完成对生产用物料（包括原材料、毛坯件、标准件和生产自用件等）、完工的交付零件、刀、量具等的管理，提供生产用物料和刀、量具的可用状态查询以及完工交付零件的交付状态管理。该模块主要包括物料agent和工具agent。

物料agent 负责管理生产用物料的可用性，包括物料的库存状况、领用状况等，同时管理完工零件的交付状态；

工具agent 负责管理刀、量具的可用性，包括借用状况、库存状况等。

2．6 基础数据管理模块
该模块主要为系统提供制造过程中要用的产品信息，如工艺信息、产品结构信息等。模块包括多个产品agent。

     产品agent 包含确保产品的正确制造和满意质量的工艺及产品信息，充当系统中其它代理的信息服务器，提供有关产品周期、用户需求、设计和工艺规划以及物料清单的一致的和最新的信息。

2.7 系统的运行过程
     首先任务管理模块从上层计划系统获得制造定单，通过通信agent将订单信息交给MES核心模块，MES核心模块依据基础数据管理模块提供的产品数据，将订单任务进行分解，产生工序任务、外协任务、物料需求和工具需求，其中物料需求和工具需求通过通信agent传递给库房管理模块，确认它们的可用性，可用性信息将被反馈给MES核心模块，基于这些可用性信息和当前系统资源状态，MES核心模块对工序任务进行安排，安排过程中，计划人员可以通过协同工作模块和加工人员进行协商，以确保安排的合理性，对于不能按要求完成的任务，通过任务管理模块提出拖期请求；外协任务通过任务管理模块寻求外协。安排好的计划通过任务管理模块反馈给上层计划系统，同时生成相应的控制指令，通过通信agent传递给在线控制和监视模块，加工生产，生产现场信息也通过在线控制和监视模块反馈给MES核心模块，经过核心模块分析后，将定单进度通过任务管理模块反馈到上层计划系统，形成整个生产系统的闭环管理，对于生产过程中产生的质量、工艺等问题，相关部门可以通过协同工作模块进行协商解决，解决结果提交MES核心模块。

3、结论

     文章给出了支持敏捷制造的基于多agent技术的分布式制造执行系统框架。将整个框架分为MES核心模块、协同工作模块、任务管理模块、在线控制和监视模块、库房管理模块和基础数据管理模块六个功能模块，每个功能模块都包含多个agent，降低了模块之间的耦合性，增加了系统的集成性和适应性，同时具有分布性，可以满足网络化制造的要求。


参考文献
1、 张署 迈向知识经济的制造业 机电一体化，1998年06期
2、 段广洪,钱　立,王君英,等 多智能体系统:一种新型的生产运行模式 中国机械工程,1998,9(2):23-27
3、 刘弘、曾广周、林宗楷.软件Agent的构筑计算机科学.〔J〕1998.25(2)24～28
4、 Gray Kontts ,Moshe Dror,and Bruce C.Hartman, “Agent-based project scheduling” ,IIE Transactions,32,p387-401,2000
5、 王宏典. 张友良. 曹健. 面向先进制造的CSCW研究与实践 中国机械工程 1998年10期 27～29
6、 张云勇编著 移动agent及其应用 清华大学出版社 p3

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