徐 青，李東波

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094)

工藝規(guī)劃和車間調(diào)度是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)中兩個(gè)十分重要的子系統(tǒng)。工藝規(guī)劃的作用是確定產(chǎn)品加工方法、加工順序、工藝參數(shù)以及產(chǎn)品制造所需的加工資源、加工時(shí)間等;調(diào)度的作用是對(duì)將要進(jìn)入或已經(jīng)進(jìn)入加工的零件在制造環(huán)境的約束下進(jìn)行整體優(yōu)化，是生產(chǎn)準(zhǔn)備和具體工藝實(shí)施過程的紐帶。

傳統(tǒng)工藝規(guī)劃系統(tǒng)的工作模式是靜態(tài)的［1］，工藝設(shè)計(jì)人員的決策是假定車間資源在任何時(shí)間都是無限或空閑的情況下做出的［2］。因此，工藝設(shè)計(jì)人員常常會(huì)選擇最佳的加工設(shè)備，而忽略車間的實(shí)時(shí)資源狀況。這就導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)人員眼中的“優(yōu)化”工藝路線，在車間具體執(zhí)行時(shí)效果往往并不理想［3］。因此將工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成，使信息相互溝通和協(xié)調(diào)，是解決上述問題的有效方法。

多agent系統(tǒng)具有敏捷、靈活、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，它通過在一系列分散的agent之間進(jìn)行協(xié)商解決問題，非常接近實(shí)際調(diào)度過程。本文分析了鍛造企業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)，運(yùn)用多agent系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，提出了基于多agent系統(tǒng)的工藝規(guī)劃和調(diào)度集成系統(tǒng)。

1 鍛造生產(chǎn)描述

鍛造生產(chǎn)的流程較復(fù)雜，所涉及的設(shè)備較多。圖1所示為鍛造生產(chǎn)的一般流程，具體可分為下料、裝爐—鍛造、加工及熱處理4部分。

a．下料:下料屬于綜合車間的工序，是生產(chǎn)的第一道工序，由鋸床完成，屬于典型的作業(yè)車間調(diào)度。柔性工藝包括:次序柔性、路徑柔性和設(shè)備柔性。由于下料只有一種設(shè)備，且各個(gè)車間之間工序有嚴(yán)格的順序，因此只存在設(shè)備柔性。

b．裝爐—鍛造:裝爐—鍛造屬于鍛造車間。先裝爐后鍛打，調(diào)度中最主要的問題是裝爐，即考慮如何選擇一批鍛件進(jìn)入加熱爐生產(chǎn)，屬于組批的并行機(jī)調(diào)度問題，只存在設(shè)備柔性。

c．加工:加工在加工車間完成，主要包括車、銑、刨、磨等工序。加工生產(chǎn)充分體現(xiàn)柔性工藝的次序柔性、路徑柔性、設(shè)備柔性，屬于典型的作業(yè)車間調(diào)度。

d．熱處理:熱處理在熱處理車間完成，熱處理關(guān)鍵問題與鍛造車間的裝爐類似，即如何安排一批工件進(jìn)加熱爐生產(chǎn)，只是二者配爐的原則存在很多差異，因此屬于組批的并行機(jī)調(diào)度，只存在設(shè)備柔性。

2 工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型主要有以下3類:非線性工藝規(guī)劃、閉環(huán)式工藝規(guī)劃以及分布式工藝規(guī)劃［4］，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

非線性工藝規(guī)劃是工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成問題最基本的模型，集成思想簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，所以本文采用非線性工藝規(guī)劃集成思想。鍛造生產(chǎn)周期長(zhǎng)，工藝較為復(fù)雜，非線性工藝規(guī)劃集成思想生產(chǎn)調(diào)度的復(fù)雜度高。考慮到綜合車間、鍛造車間、熱處理車間只出現(xiàn)設(shè)備柔性，各個(gè)車間的工序之間不存在次序柔性等特點(diǎn)，為減小問題規(guī)模，各車間工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成采用分布式工藝規(guī)劃，即將屬于綜合車間、鍛造車間、機(jī)加工車間、熱處理車間的工藝，分別進(jìn)入調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)狀況，選擇各車間最優(yōu)的工藝路線，確定調(diào)度方案。具體操作過程如圖2所示。

表1 工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖2 工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成策略圖

3 基于多agent的工藝規(guī)劃和調(diào)度集成系統(tǒng)

本調(diào)度集成系統(tǒng)主要由設(shè)備管理agent、設(shè)備agent、任務(wù) agent、任務(wù)管理 agent、工藝管理 agent、策略agent組成，如圖3所示。

圖3 工藝規(guī)劃和調(diào)度集成系統(tǒng)架構(gòu)

3．1 工藝管理agent

工藝管理agent接收已經(jīng)下達(dá)的工藝規(guī)劃和任務(wù)agent反饋的工序狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)與控制。工藝管理agent與任務(wù)agent交互，包括兩種情況:

a．任務(wù)的下道工序在加工車間生產(chǎn)。工藝管理agent將加工車間的工序全部傳給任務(wù)agent。

b．任務(wù)的下道工序在其他車間生產(chǎn)。工藝管理agent將下道工序的信息傳給任務(wù)agent。

agent體系結(jié)構(gòu)主要分為3種:慎思型、反應(yīng)型和混合型。工藝管理agent具有一定的邏輯推理能力，因此將其設(shè)計(jì)為慎思型結(jié)構(gòu)。

3．2 任務(wù)管理agent

任務(wù)管理接受新任務(wù)并初始化任務(wù)agent;監(jiān)控任務(wù)agent的狀態(tài);當(dāng)任務(wù)agent完成時(shí)，負(fù)責(zé)銷毀任務(wù)agent。設(shè)計(jì)為慎思型結(jié)構(gòu)。

3．3 任務(wù) agent

任務(wù)agent是實(shí)際生產(chǎn)的工件的代理，每個(gè)工件對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)agent，任務(wù)agent本身不具有判斷和推理能力，其主要作用是動(dòng)態(tài)地標(biāo)定自己的狀態(tài)，并激發(fā)其他的agent的進(jìn)程，因此任務(wù)agent采用反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。

3．4 設(shè)備管理agent

設(shè)備管理agent管理車間所有機(jī)器，監(jiān)控每個(gè)機(jī)器的加工任務(wù)集和緩沖區(qū)任務(wù)集，其中機(jī)器加工任務(wù)集存放著該機(jī)器中已加工的和正在加工的任務(wù)加工順序，以及任務(wù)的工件號(hào)、工序號(hào)、批次、批量、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和包括合并工件在內(nèi)的總?cè)蝿?wù)量。

3．5 設(shè)備 agent

設(shè)備agent是車間加工設(shè)備的代理，每臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備agent，設(shè)備agent通過設(shè)備接口可獲得加工設(shè)備的技術(shù)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)等信息，再把加工任務(wù)發(fā)送到加工設(shè)備執(zhí)行。設(shè)備設(shè)計(jì)為反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。

3．6 策略 agent

策略agent是非實(shí)體agent，采用慎思型結(jié)構(gòu)。其內(nèi)部封裝了遺傳算法和啟發(fā)式調(diào)度規(guī)則，策略agent與任務(wù)agent、設(shè)備管理agent交互，在接收了任務(wù)agent和設(shè)備管理agent的信息后，選擇不同的調(diào)度方案。策略agent還提供人機(jī)接口，可調(diào)整算法參數(shù)，制定新的調(diào)度方案。

3．7 合同網(wǎng)協(xié)商策略

本文采用合同網(wǎng)協(xié)商策略，具體協(xié)商過程如圖4所示。任務(wù)管理agent根據(jù)新來的任務(wù)單初始化任務(wù)agent;任務(wù)agent向工藝管理agent獲取下一步工序信息，包括:各道工序的工序號(hào)、工序加工所需的機(jī)器集、工序?qū)?yīng)機(jī)器的加工時(shí)間、該車間對(duì)應(yīng)的交貨時(shí)間、工序的狀態(tài)，若工序?yàn)榧庸ぼ囬g，則反饋加工車間所有工序信息;若下道工序不是加工車間，則反饋一道工序信息;再向策略agent發(fā)送投標(biāo)邀請(qǐng)，發(fā)送的信息包括:任務(wù)的規(guī)格、材質(zhì)、質(zhì)量、各道工序的工序號(hào)、工序加工所需的機(jī)器集、工序?qū)?yīng)機(jī)器的加工時(shí)間、該車間對(duì)應(yīng)的交貨時(shí)間;任務(wù)agent進(jìn)入等待標(biāo)書狀態(tài)。

設(shè)備管理agent根據(jù)設(shè)備使用情況，向策略agent發(fā)送投標(biāo)申請(qǐng)，發(fā)送的信息包括:設(shè)備號(hào)、類型、名稱、加工能力、狀態(tài)、維護(hù)信息;策略agent根據(jù)不同車間運(yùn)行不同的啟發(fā)式算法，計(jì)算各個(gè)設(shè)備agent的標(biāo)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)選擇一個(gè)最好的，然后向設(shè)備agent和任務(wù)agent發(fā)送確認(rèn)消息。

圖4 合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制

多agent系統(tǒng)中agent之間的通信方式主要有兩種:黑板和消息/對(duì)話系統(tǒng)。任務(wù)管理agent與任務(wù)agent、任務(wù)agent與工藝管理agent、設(shè)備管理agent與設(shè)備agent之間采用黑板模型;策略agent與任務(wù)agent、策略agent與設(shè)備管理agent之間采用消息/對(duì)話系統(tǒng)。

4 原型系統(tǒng)開發(fā)

原型系統(tǒng)以Java為系統(tǒng)開發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft SQL Server 2005;Web服務(wù)器選用Tomcat;操作系統(tǒng)為Microsoft Windows 7;程序設(shè)計(jì)環(huán)境為My Eclipse。它實(shí)現(xiàn)了基本agent的構(gòu)建、通信和工藝規(guī)劃與車間調(diào)度的有機(jī)集成，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基于合同網(wǎng)的協(xié)商。

圖5是以南京某鍛造企業(yè)綜合車間生產(chǎn)為例，4臺(tái)設(shè)備和6個(gè)鍛件任務(wù)進(jìn)行協(xié)商后，按照一定的調(diào)度規(guī)則所制定的調(diào)度安排。其中制定的調(diào)度規(guī)則:(1)沒有考慮機(jī)床故障，每一零件在每個(gè)車間有一確定的交貨期;(2)各個(gè)零件之間相互獨(dú)立，相互之間沒有優(yōu)先級(jí)差別;(3)每臺(tái)設(shè)備在同一時(shí)刻只能處理一道工序;(4)每個(gè)零件的每道工序一旦開始加工則不能中斷;(5)調(diào)度目標(biāo)是在滿足交貨期前提下，加工時(shí)間最短。調(diào)度甘特圖如圖6所示。其中“saw1，9:00之前”、“saw2，11:30之前”、“saw4，11:00之前”為非空閑狀態(tài)。目前原型系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)基于規(guī)則的調(diào)度，還需要對(duì)其調(diào)度算法庫(kù)進(jìn)行完善。

圖5 綜合車間調(diào)度管理圖

調(diào)度結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的基于多agent的鍛造生產(chǎn)工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成模型的可行性。本方法還充分考慮工藝規(guī)劃的柔性，有利于實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)工藝和調(diào)度的信息共享，提高企業(yè)資源利用率。

圖6 綜合車間調(diào)度甘特圖

5 結(jié)束語

本文提出了基于多agent的鍛造生產(chǎn)的工藝規(guī)劃和調(diào)度集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝規(guī)劃和車間調(diào)度的有機(jī)集成，為調(diào)度系統(tǒng)提供多工藝方案，增加調(diào)度的柔性，提高車間資源利用率和生產(chǎn)效率。該模型具有較高的適應(yīng)性和自治性，提高了信息共享程度，可以有效保證車間生產(chǎn)持續(xù)優(yōu)化進(jìn)行，應(yīng)用前景廣泛。

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