曹長虹 姚洪斌 黃新春

（1.新疆工程學(xué)院機(jī)械工程系 新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)研究部 新疆 烏魯木齊 830091；3.西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710072）

0 引言

智能數(shù)控設(shè)備由于具有對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、依據(jù)加工狀態(tài)優(yōu)化加工參數(shù)、誤差補(bǔ)償、在線監(jiān)控等功能，在當(dāng)今制造業(yè)柔性化、敏捷化、智能化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)下越來越廣泛的應(yīng)用，隨著全球信息化技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)信息化的進(jìn)程已愈加緊迫，智能數(shù)控設(shè)備必須具備與外界（如人、其它數(shù)控設(shè)備或周圍環(huán)境等）的相互通信、交流、協(xié)調(diào)與合作的能力。 目前，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的前提下，雖然可以通過為每臺(tái)智能數(shù)控設(shè)備引入一個(gè)Agent， 由它來負(fù)責(zé)完成智能數(shù)控設(shè)備與外界的交互， 任務(wù)的具體執(zhí)行則由智能數(shù)控設(shè)備完成，從而大大提高了智能數(shù)控設(shè)備的整體性能。 但是在對(duì)于龐大制造系統(tǒng)的分布式制造資源時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)設(shè)備信息交互和分配的瓶頸。本文在對(duì)數(shù)控設(shè)備Agent 模型的研究基礎(chǔ)上，基于分布式網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，通過對(duì)數(shù)控設(shè)備網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境、智能STEP-NC 控制器的運(yùn)行模式和實(shí)現(xiàn)方法的研究，從而創(chuàng)新性的建立了基于智能STEP-NC 控制器的支持分布式網(wǎng)絡(luò)化制造的智能數(shù)控設(shè)備。

1 數(shù)控設(shè)備Agent 模型

數(shù)控設(shè)備Agent 是一個(gè)具有一定推理、 決策能力的智能實(shí)體（軟件計(jì)算程序），能夠獨(dú)立、自主地根據(jù)其周圍環(huán)境信息、當(dāng)前狀態(tài)能力，進(jìn)行規(guī)劃、推理決策并作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。它是數(shù)控設(shè)備的 “代理人”， 而數(shù)控設(shè)備則是其所代理的實(shí)體。 數(shù)控設(shè)備Agent 全權(quán)負(fù)責(zé)所代理的智能數(shù)控設(shè)備與外界的通信交流合作事宜。 通過將數(shù)控設(shè)備Agent 化，可以有效地降低構(gòu)成制造系統(tǒng)的復(fù)雜程度和各個(gè)數(shù)控設(shè)備間的耦合度，極大地提高制造系統(tǒng)的開放性、可靠性和動(dòng)態(tài)可重組性，為實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)設(shè)備級(jí)的集成奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)對(duì)數(shù)控設(shè)備Agent 的定義和功能要求而建立的數(shù)控設(shè)備Agent 的模型[1]，它主要由通信模塊、協(xié)作模塊、任務(wù)池、推理決策及控制模塊、知識(shí)與數(shù)據(jù)庫及其管理模塊、人機(jī)接口等部分組成。

2 基于多Agent 的智能STEP-NC 控制器

智能STEP-NC 控制器體系結(jié)構(gòu)[2]包括應(yīng)用服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、操作系統(tǒng)層和硬件設(shè)備層，其中，系統(tǒng)的核心功能層——應(yīng)用服務(wù)層由14 個(gè)不同功能的Agent 組成，具體是解釋Agent、XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言）處理器Agent、工藝規(guī)劃Agent、刀具路徑規(guī)劃Agent、仿真Agent、人機(jī)接口Agent、執(zhí)行Agent、NCK&PLC （數(shù)控內(nèi)核和可編程邏輯控制器）Agent、監(jiān)控Agent、故障診斷Agent、參數(shù)設(shè)置管理Agent、決策Agent、檢測(cè)Agent 和通信Agent。各功能Agent 模塊之間采用實(shí)時(shí)軟總線RTCORBA（實(shí)時(shí)公共對(duì)象請(qǐng)求代理體系結(jié)構(gòu)）進(jìn)行通信，并通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展和高速實(shí)時(shí)串行總線，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)中高實(shí)時(shí)模塊的控制。

3 基于智能STEP-NC 控制器的分布式智能數(shù)控設(shè)備

3.1 體系結(jié)構(gòu)

圖1 基于STEP-CN 的智能數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)智能數(shù)控系統(tǒng)的功能特點(diǎn)， 支持分布式網(wǎng)絡(luò)化制造的智能數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)采用多微處理器、多主總線的體系結(jié)構(gòu)[3]。其體系結(jié)構(gòu)見圖1。 該系統(tǒng)由CNC 核心模塊、智能STEP-NC控制器、主存儲(chǔ)器模塊和傳統(tǒng)功能模塊等組成。 其中，智能STEP-NC 控制器則主要是為提高原有數(shù)控系統(tǒng)的智能水平和對(duì)外協(xié)作能力而新增加的功能模塊，如加工過程智能自適應(yīng)控制、加工過程監(jiān)控、誤差補(bǔ)償、加工過程動(dòng)態(tài)仿真以及數(shù)控設(shè)備Agent 等模塊，智能STEP-NC 控制器采用上文設(shè)計(jì)的基于多Agent 的智能STEP-NC 控制器。該體系結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是：各功能模塊具有獨(dú)立的微處理器，獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各自特定的功能，通過系統(tǒng)總線完成相互間的信息交換。 各功能模塊通過智能STEP-NC 控制器可以有效地以并行、 分布的方式處理各自的任務(wù)。

3.2 智能數(shù)控設(shè)備原型系統(tǒng)

通過在原有數(shù)控系統(tǒng)中加入智能STEP-NC 控制器、以此增強(qiáng)原數(shù)控系統(tǒng)的功能和提高其智能水平， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)與其他數(shù)控設(shè)備的通信、協(xié)作及資源共享，在此基礎(chǔ)上建立了支持分布式網(wǎng)絡(luò)化制造的智能數(shù)控原型系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 智能數(shù)控原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

智能STEP-NC 控制器主要負(fù)責(zé)與數(shù)控設(shè)備Agent 進(jìn)行交互，從數(shù)控設(shè)備Agent 接受NC 程序、控制命令等，將有關(guān)機(jī)床的狀態(tài)信息反饋給數(shù)控設(shè)備Agent。 在實(shí)現(xiàn)中，主要利用數(shù)控單元在每l6ms 中斷周期內(nèi)增加讀寫雙端口RAM （作為內(nèi)置模塊）或共享內(nèi)存（作為外置模塊）的程序模塊，或者利用通過通信口（如RS-232 串口）實(shí)現(xiàn)與數(shù)控設(shè)備Agent（作為外置模塊）間信息交互的程序模塊。

以上各功能模塊都采用硬件和軟件相互結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。 該原型系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，從原理上實(shí)現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡(luò)化制造模式的這一構(gòu)想；它是一個(gè)具有層次性的、開放體系結(jié)構(gòu)的分布式系統(tǒng)， 在用于構(gòu)造大型復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展和重組，使制造系統(tǒng)具有更大的系統(tǒng)，非常適用于制造環(huán)境的各個(gè)層次上。

3.3 智能式數(shù)控系統(tǒng)分配招標(biāo)函數(shù)的建立

在接收到生產(chǎn)任務(wù)后， 任務(wù)Agent 首先將任務(wù)分解為各個(gè)子任務(wù)，并就這些子任務(wù)向一些或全部單元Agent 招標(biāo)。收到招標(biāo)請(qǐng)求的各單元Agent 依據(jù)各自當(dāng)前的加工能力決定是否對(duì)這些子任務(wù)中的一個(gè)或多個(gè)投標(biāo)，若決定投標(biāo)，則向任務(wù)Agent 報(bào)出相應(yīng)價(jià)格和加工時(shí)間， 任務(wù)Agent 收到所有標(biāo)書后，根據(jù)加工成本盡可能小，總通過時(shí)間盡可能短的要求，按如下目標(biāo)函數(shù)確定中標(biāo)者[4]：

其中，k1，k2為常數(shù)， m 為子任務(wù)總數(shù)，MCir是加工單元ri為子任務(wù)i 所報(bào)出的加工成本；αiri是任務(wù)Agent 指定的加權(quán)系數(shù)；MTiri是加工單元ri為子任務(wù)i 所報(bào)出的加工時(shí)間；βiri是任務(wù)Agent 指定的加權(quán)系數(shù)；TCriri+1是將工件從單元運(yùn)到的運(yùn)輸成本；TTriri+1是相應(yīng)的運(yùn)輸時(shí)間。 C、D 分別為總?cè)蝿?wù)預(yù)估成本及交貨期。

備選加工路線為：Mr1→Mr1→…→Mrm（不考慮各種約束條件，僅從排列組合的角度來看有mn 條加工路線，n 為參與招標(biāo)的加工單元總數(shù)）。

通過遺傳算法對(duì)于智能數(shù)控設(shè)備的任務(wù)分配進(jìn)行優(yōu)化算法， 我們可以得到基于Agent 數(shù)控設(shè)備智能分配的方法和機(jī)制，在這里，假設(shè)車間共有10 臺(tái)數(shù)控加工設(shè)備，分別編號(hào)為M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，M10。 其參數(shù)加工將在仿真過程中進(jìn)行說明，通過對(duì)其加工速度、加工成本、負(fù)載率等參數(shù)的假設(shè)得出下面的仿真過程。

3.4 分布式智能數(shù)控設(shè)備的仿真

為實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證所提出的基于智能STEP-NC 控制器的智能數(shù)控原型系統(tǒng)， 對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的數(shù)控設(shè)備Agent 間動(dòng)態(tài)任務(wù)分配進(jìn)行了仿真研究，并定義了兩種不同類型的Agent：①制造單元Agent，負(fù)責(zé)數(shù)控設(shè)備Agent 的注冊(cè)、信息管理與通信協(xié)調(diào)。 它本身沒有任何加工能力，僅作為數(shù)控設(shè)備Agent與上層信息系統(tǒng)聯(lián)系的中介，如從客戶接受制造任務(wù)，并將該制造任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配。 ②數(shù)控設(shè)備Agent，它對(duì)自身的制造資源具有控制力，能被其他數(shù)控設(shè)備Agent 調(diào)用，但它本身不直接與客戶進(jìn)行交互。 在試驗(yàn)中有十臺(tái)數(shù)控設(shè)備Agent（見表1）， 并在試驗(yàn)剛開始時(shí)每臺(tái)數(shù)控設(shè)備Agent 的負(fù)載率均為零。

表1 數(shù)控設(shè)備Agent 參數(shù)列表

制造任務(wù)（見表2）隨機(jī)到達(dá)仿真系統(tǒng)，其中20%是緊急的加工任務(wù)。

訂單任務(wù)通過對(duì)于基于智能STEP-NC 控制器的智能數(shù)控設(shè)備中的Agent 單元仿真技術(shù)研究， 同時(shí)對(duì)于分布式智能數(shù)控設(shè)備體系功能結(jié)構(gòu)分配招標(biāo)機(jī)制的運(yùn)算和和任務(wù)規(guī)劃，從而對(duì)于基于智能STEP-NC 控制器的智能數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)按上述的任務(wù)分配進(jìn)行仿真研究。 每個(gè)數(shù)控設(shè)備Agent 能根據(jù)私有信息對(duì)自身任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃與調(diào)度，基于公有信息對(duì)環(huán)境的變化作出響應(yīng)，如將不能按時(shí)完成的加工任務(wù)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作轉(zhuǎn)移給能完成該任務(wù)的數(shù)控設(shè)備Agent。

表2 動(dòng)態(tài)任務(wù)參數(shù)列表

采用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的多Agent 技術(shù)進(jìn)行制造任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配有如下特點(diǎn)：①制造環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化很難采用數(shù)學(xué)建模的方法，分布、自治的Agent 之間的協(xié)作有助于降低動(dòng)態(tài)任務(wù)分配的復(fù)雜度，使得采用優(yōu)化的調(diào)度算法成為可能；②由于每個(gè)Agent 對(duì)應(yīng)于制造系統(tǒng)中的制造資源調(diào)度過程中發(fā)生的沖突可用Agent 之間的協(xié)作來解決，在局部優(yōu)化過程中實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化目標(biāo)；③利用制造過程信息，基于協(xié)作可以解決制造系統(tǒng)內(nèi)的制造資源的匹配問題，實(shí)現(xiàn)制造資源的集成。

4 結(jié)論

本文針對(duì)數(shù)控設(shè)備Agent 模型和基于Agent 智能的STEP－NC 控制器功能和特點(diǎn)分析， 構(gòu)建了基于智能STEPNC 控制器的分布式智能數(shù)控設(shè)備體系結(jié)構(gòu)及其原型系統(tǒng)，對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的數(shù)控設(shè)備Agent 間動(dòng)態(tài)任務(wù)分配進(jìn)行了仿真研究分析了其功能分配機(jī)制從而驗(yàn)證了所提出的基于智能STEP－NC 控制器的智能數(shù)控原型系統(tǒng)。

［1］程濤,胡春華,等.分布式網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)構(gòu)想[J].中國機(jī)械工程,1999,10:1234－1238.

［2］張潔,高亮,李培根.多Agent 技術(shù)在現(xiàn)今制造中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2004:300－310.

［3］程濤,吳波,楊叔子,等.支持分布式網(wǎng)絡(luò)化制造的智能數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].中國機(jī)械工程,2004,15（8）:688－692.

［4］蘭紅波,劉日良,張承瑞.一種智能STEP－NC 控制器系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法:中國,200610068498.0,2006－09－10[P].

［5］Lavery P. Demand management: where supply and demand chains converge. Special Supplement to KMWord, 2001, 9:10－14.