程 玉

安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥，231603

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應(yīng)用Agent結(jié)構(gòu)的企業(yè)工藝流程管理系統(tǒng)

程 玉

安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥，231603

在分析傳統(tǒng)管理系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出多Agent的工藝流程管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由不同的結(jié)構(gòu)功能單一的Agent組成。針對(duì)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了多Agent的通信和交互模式，凸顯了Agent的優(yōu)越性。通過(guò)實(shí)例分析，闡述了多Agent結(jié)構(gòu)在工藝流程中的可行性，為企業(yè)的生產(chǎn)管理提出了一條有效的途徑。

多Agent系統(tǒng)；工藝流程管理；多Agent通信；交互協(xié)議

當(dāng)前，很多企業(yè)仍然采用比較傳統(tǒng)的信息化管理方式，管理效率較低，企業(yè)的不同管理平臺(tái)和信息系統(tǒng)之間缺乏有效溝通，形成信息孤島，企業(yè)高層很難直接獲得一線的數(shù)據(jù)和信息，嚴(yán)重影響制度的執(zhí)行效率和管理層的決策。

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，人工成本也越來(lái)越高，受此影響，現(xiàn)代企業(yè)如何提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，已成為必須面對(duì)的重要課題。其中不斷創(chuàng)新和改進(jìn)管理工藝流程，是一個(gè)非常重要的手段。通過(guò)現(xiàn)代化的管理工藝流程，不僅可以提高企業(yè)效率，降低企業(yè)運(yùn)行成本，還能更好地為決策層提供決策數(shù)據(jù)和依據(jù)，使之能作出更好的商業(yè)決策。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能的應(yīng)用也越來(lái)越受到人們重視。由于Agent具有自主性、社會(huì)性、反應(yīng)性和能動(dòng)性等特點(diǎn)，因此，能有效地解決了傳統(tǒng)工藝流程管理過(guò)程僵化的問(wèn)題，在新型的管理系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色。

1 多Agent結(jié)構(gòu)及其通信模型

20世紀(jì)80年代以來(lái)，Agent已廣泛應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域。它代表了一種新的方式和途徑，大到一個(gè)完整的操作系統(tǒng)，小到一個(gè)工藝流程，都有Agent的運(yùn)用[1-2]。

1.1 多Agent系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多Agent系統(tǒng)由不同的結(jié)構(gòu)功能單一的Agent組成。這些Agent通過(guò)相互通信、合作、協(xié)調(diào)、調(diào)度與控制，共同完成某些特定的復(fù)雜的任務(wù)，從而表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。多Agent彌補(bǔ)了單一Agent信息不全、描述簡(jiǎn)單、分析片面、數(shù)據(jù)分散化等缺點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，為企業(yè)生產(chǎn)中的各種管理系統(tǒng)提供了一個(gè)通用的模型框架，這種由多個(gè)Agent組成的多Agent系統(tǒng)被稱為MAS(Multi-agent System)[3-4]。

多Agent的體系結(jié)構(gòu)按照內(nèi)容劃分可分為[5]：(1)慎思型體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)維持著Agent環(huán)境的顯示表示和符號(hào)模型，使用一定形式的邏輯或偽邏輯推理修正Agent的精神狀態(tài)。(2)反應(yīng)型體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是不包括任何符號(hào)表示，不使用復(fù)雜的邏輯推理，各Agent只是動(dòng)態(tài)的對(duì)外部的刺激進(jìn)行反映。(3)混合型體系結(jié)構(gòu)，它是將以上兩種體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的結(jié)構(gòu)。各Agent不僅包含用于規(guī)劃和決策的符號(hào)模型，同時(shí)也可對(duì)緊急情況作出反應(yīng)?；旌闲腕w系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了Agent的長(zhǎng)期性和實(shí)時(shí)性，是現(xiàn)今Agent研究中最為常見(jiàn)的模型。

1.2 多Agent通信

本質(zhì)上說(shuō)，Agent通信是一種分布式編碼形式。它符合傳統(tǒng)的分布式計(jì)算模型概念，由Agent成員和連接器構(gòu)成。Agent成員包括發(fā)起者和參與者，他們通過(guò)連接器進(jìn)行信息的交流和傳遞。如圖1所示，Agent通信模型中一個(gè)Agent作為發(fā)起者，對(duì)其他Agent發(fā)出請(qǐng)求，參與者Agent對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行反應(yīng)，并決定拒絕或者接受。

當(dāng)參與Agent同意發(fā)起Agent提出的請(qǐng)求時(shí)，可通過(guò)以下三種方式進(jìn)行回復(fù)。

(1)失?。禾幚碚?qǐng)求任務(wù)失??；

(2)成功(不含結(jié)果)：處理完畢后只將成功信息反饋給發(fā)起Agent；

(3)成功(含結(jié)果)：處理完畢后將成功信息和處理結(jié)果同時(shí)反饋給發(fā)起Agent。

圖1 Agent通信模型

2 多Agent的企業(yè)工藝流程管理系統(tǒng)

本文采用多Agent結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)企業(yè)的工藝流程管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，各個(gè)Agent履行不同的職責(zé)，不同的Agent之間相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。

2.1 多Agent工藝流程管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工藝流程管理系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)中上層三維工藝模型系統(tǒng)和下層加工生產(chǎn)系統(tǒng)的中間層[6-7]。為了保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地讀取模型信息并進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸し峙洌に嚵鞒坦芾硐到y(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

(1)管理員能夠從三維工藝模型庫(kù)中讀取生產(chǎn)信息，并將其分解為以工序?yàn)閱挝坏纳a(chǎn)任務(wù)。

(2)根據(jù)不同機(jī)器的加工信息，將工序任務(wù)分配給不同的機(jī)器，并對(duì)工序進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(3)可根據(jù)需要，對(duì)賬號(hào)進(jìn)行新建和刪除等管理操作。

結(jié)合系統(tǒng)功能的需求和Agent結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)出如圖2所示的多Agent結(jié)構(gòu)的工藝流程管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝流程的觸發(fā)和相關(guān)工序的定義、建模和分配。

管理Agent是系統(tǒng)的核心，集Agent意向和Agent技能于一身，進(jìn)行任務(wù)的規(guī)劃和執(zhí)行[8]。意向是管理Agent執(zhí)行的目的，如新建工藝流程以及對(duì)現(xiàn)有工序進(jìn)行修改和刪除等操作；技能則表明管理Agent控制的功能單元，如賬號(hào)管理、任務(wù)監(jiān)控等。作為系統(tǒng)的管理者和工藝流程的初始者，管理Agent從三維工藝模型庫(kù)中讀取新的生產(chǎn)任務(wù)，將這些任務(wù)分解成不同的工序，并分配給不同的任務(wù)Agent。任務(wù)Agent與資源Agent之間通過(guò)預(yù)設(shè)的協(xié)議確定不同的任務(wù)分配關(guān)系，接著資源Agent將信息傳遞給機(jī)器端，并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行Agent在相應(yīng)的機(jī)器上進(jìn)行任務(wù)的加工。加工過(guò)程中，執(zhí)行Agent可通過(guò)流程Agent將信息反饋給管理Agent。

圖2 多Agent結(jié)構(gòu)的工藝流程管理系統(tǒng)

應(yīng)用多Agent實(shí)現(xiàn)工藝流程的管理，使得系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)[9]：

(1)縮小了控制的規(guī)模，將系統(tǒng)的流程控制用若干個(gè)Agent來(lái)實(shí)現(xiàn)，各Agent根據(jù)自己的能力解決局部問(wèn)題，并相互協(xié)調(diào)共同實(shí)現(xiàn)全局要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕怦睿?/p>

(2)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和容錯(cuò)性，保證生產(chǎn)在出現(xiàn)異常變化和機(jī)器發(fā)生故障時(shí)仍能及時(shí)地進(jìn)行處理；

(3)任務(wù)執(zhí)行的高效性，不同的Agent不停地掃描生產(chǎn)信息，并根據(jù)自身資源和能力約束動(dòng)態(tài)，選擇和放棄任務(wù)，提高了系統(tǒng)任務(wù)分配的效率。

2.2 系統(tǒng)中Agent間的通信

傳統(tǒng)的管理系統(tǒng)對(duì)規(guī)模問(wèn)題的控制不敏感，機(jī)器分離導(dǎo)致管理復(fù)雜，難以控制。而采用多Agent結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流程控制，將管理流程用若干Agent來(lái)實(shí)現(xiàn)，局部問(wèn)題容易解決，各Agent能夠通過(guò)與周圍Agent的合作，共同進(jìn)行任務(wù)的加工和控制。要實(shí)現(xiàn)多Agent間的協(xié)作和交流，Agent通信(ACL)在管理流程中正扮演著越來(lái)越重要的角色。

圖3為該工藝流程管理系統(tǒng)中管理Agent和機(jī)器Agent間的通信，從圖中可以看出，該通信過(guò)程是一個(gè)“U”型系統(tǒng)，管理Agent發(fā)出縱向請(qǐng)求指令，經(jīng)由輸入過(guò)濾器和輸出過(guò)濾器到達(dá)信息源；而橫向通信則通過(guò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的傳遞，實(shí)現(xiàn)信息源庫(kù)與信息源之間的交流，處理后的信息再通過(guò)縱向通信到達(dá)機(jī)器Agent，管理任務(wù)的下達(dá)指令得以完成。

圖3 系統(tǒng)中Agent通信模型

當(dāng)服務(wù)器接收到管理Agent發(fā)出的縱向請(qǐng)求并向機(jī)器Agent發(fā)出實(shí)際操作請(qǐng)求時(shí)，會(huì)在傳輸過(guò)程中擴(kuò)散指令，其他機(jī)器Agent在攔截到該指令后就終止當(dāng)前任務(wù)請(qǐng)求，并繼續(xù)尋找其他的任務(wù)。

多Agent系統(tǒng)中，管理Agent通過(guò)與機(jī)器Agent之間的通信，可以協(xié)商新的規(guī)則和分配方法，也可就加工狀態(tài)和機(jī)器信息進(jìn)行交流。通過(guò)Agent間的通信，多Agent系統(tǒng)不僅可以提高每個(gè)Agent的工作能力，而且降低了任務(wù)下達(dá)的容錯(cuò)率，進(jìn)一步了解系統(tǒng)的全局狀態(tài)，提高了工藝流程管理的效率。

2.3 Agent之間的交互協(xié)議

為了保證各Agent之間通信的連貫性和準(zhǔn)確性，F(xiàn)IFA預(yù)定義了一種消息交換模式[10]。本文借用該模式提出如圖4所示的交互協(xié)議，該協(xié)議中管理Agent向機(jī)器Agent提出任務(wù)要求并擇優(yōu)選擇任務(wù)處理的方式。這種交互協(xié)議是合同網(wǎng)模式的延伸[10-11]，但相比較而言，它更能體現(xiàn)Agent交互的及時(shí)性和分配的合理性。

多Agent之間的交互過(guò)程為：管理Agent發(fā)出m個(gè)任務(wù)分配請(qǐng)求，消息中包含需要完成的工序任務(wù)、工藝模型參數(shù)以及計(jì)劃加工的時(shí)間等信息。所有等待加工的機(jī)器Agent都可接收到該消息并作出回應(yīng)，若消息的回復(fù)時(shí)間超過(guò)了等待回應(yīng)的時(shí)限，則被自動(dòng)拒絕。假設(shè)該時(shí)限內(nèi)管理Agent收到n個(gè)回應(yīng)信息，其中i(顯示i2n)個(gè)通信動(dòng)作為“拒絕”，另外j(j=n-i)個(gè)通信動(dòng)作為“接受”，通訊信息中給出了任務(wù)加工的具體條件。超過(guò)等待時(shí)限之后，管理Agent對(duì)這j個(gè)接受加工的機(jī)器Agent進(jìn)行綜合分析和評(píng)估，從中選出一個(gè)或多個(gè)機(jī)器Agent進(jìn)行任務(wù)的分配。假設(shè)這j個(gè)機(jī)器Agent中有k(顯示k2j)個(gè)收到“建議拒絕”的消息表示拒絕分配，而另外l(l=j-k)個(gè)，則表示任務(wù)分配成功。

圖4 多Agent交互協(xié)議

接受到任務(wù)分配命令的機(jī)器Agent在完成加工任務(wù)之后，還需要將加工信息反饋給管理Agent并結(jié)束該任務(wù)過(guò)程。如果機(jī)器Agent由于機(jī)器故障、資源故障等原因加工失敗后，也需要發(fā)出失敗信息。

該交互模式的優(yōu)點(diǎn)在于，整個(gè)工藝流程中有一個(gè)發(fā)起者管理Agent，管理Agent可通過(guò)對(duì)資源的消耗、時(shí)間的分配等信息綜合評(píng)估進(jìn)行任務(wù)分配，機(jī)器Agent也可根據(jù)自身機(jī)器的特點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)選擇加工與否。管理Agent和機(jī)器Agent的這種交互協(xié)作，使得任務(wù)分配更加合理和高效。

3 系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

在上述研究的基礎(chǔ)上，筆者用JADE平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)工具，采用SSH框架和Oracle數(shù)據(jù)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了如圖5所示的基于Agent的工藝流程管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有三方面的功能：任務(wù)分配、任務(wù)執(zhí)行和任務(wù)監(jiān)控。

隨著企業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜化與精細(xì)化，任務(wù)管理已由傳統(tǒng)的兩端通信上升到三端通信，即管理Agent、機(jī)組Agent與機(jī)器Agent。為了滿足現(xiàn)在工藝流程管理的基本要求，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將管理端、機(jī)組端與機(jī)器端進(jìn)行了分離。管理Agent只需要將工序分配給具有相同加工功能的一組機(jī)器(稱之為機(jī)組Agent)，而無(wú)需具體到單個(gè)機(jī)器；此后機(jī)組則進(jìn)一步對(duì)加工信息進(jìn)行閱讀和細(xì)化，從而分配給最合適的機(jī)器。這樣，減少了每個(gè)Agent的工作壓力，任務(wù)的分配也更加準(zhǔn)確和有針對(duì)性。

圖5 多Agent工藝流程管理實(shí)例

為了方便企業(yè)生產(chǎn)中工作人員、工作機(jī)器和工序流程的管理，該系統(tǒng)還提供了賬號(hào)管理、登陸信息、工序信息監(jiān)控、設(shè)備列表等輔助信息(圖6)。不僅方便了使用人員的閱讀，也增加了工藝流程管理的直觀性和合理性。

圖6 管理系統(tǒng)的部分頁(yè)面

4 結(jié)束語(yǔ)

利用多Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)的工藝流程管理具有獨(dú)立性、自主性、智能性的特點(diǎn)，可以使企業(yè)管理具有自主能動(dòng)性，且能協(xié)同工作。集分布性和協(xié)調(diào)性于一體，比一般性分布式系統(tǒng)具有資源共享、可靠性高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠適應(yīng)企業(yè)工作流程的快速重構(gòu)，可以快速地對(duì)企業(yè)工作流程變化作出響應(yīng)，為企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得寶貴的時(shí)間。

本文在研究多Agent結(jié)構(gòu)和Agent通信的基礎(chǔ)上，建立了多Agent結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并提出了多Agent在系統(tǒng)中的通信模式和交互協(xié)議。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了企業(yè)生產(chǎn)中基于多Agent的工藝流程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效地提高了組織人員的協(xié)作能力，大大提高了任務(wù)分配的效率，并減少了任務(wù)成本，能有效提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.06.023

2015-02-10

程玉(1980-)，女，山東煙臺(tái)人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

N945.22

A

1673-2006(2015)06-0086-04