（机械制造及其自动化专业论文）基于多代理技术的敏捷车间无线调度系统研究.pdf

重庆大学硕十学位论文中文摘要 摘要 本论文总结了国内外多代理技术的发展及研究现状，阐述了建立分布自治的 制造系统控制结构对制造企业具有的重要作用。由于移动计算具有显而易见的优 点，因此我们在车间通信平台采用了蓝牙无线通信技术，提出了建立“基于多代理 技术的敏捷车间无线调度系统”。 研究了系统的运行原理、各功能模块的含义。建立基于蓝牙技术的无线数据 通信智能平台，实现代理间的无线交互。 采用先进的x m l 技术来表示和封装智能代理问的通信内容，建立了智能制造 协议模型。分析了以往的智能车间调度系统智能决策系统的不足，提出了全面考 虑t 、o 、c 、s 等多个目标优化参数的基于多代理系统的模糊智能决策模型，详 细论述了模糊决策技术的基本原理，隶属函数模型，模糊规则库的建立，模糊综 合评价等关键技术，简单介绍了多代理系统的学习机制，提出了基于知识的学习 系统原理。 关键词：代理，多代理系统，敏捷制造，蓝牙技术，模糊决策 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t st or e s e a r c hc o n d i t i o no nt h em u l t i a g e n tt e c h n o l o g y a n dt h e nd i s c u s s e st h ei m p o r t a n c et ob u i l dd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e mi nm a n u f a c t u r i n g f i e l d b e c a u s eo ft h eo b v i o u sb e n e f i to fm o b i l ec o m p u t a t i o n ，t h ec o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m o fo u r w o r k s h o p c o n t r o l s y s t e m w i l l i m p l e m e n tt h e b l u e t o o t h p r o t o c o l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a d d i t i o n a l l ya l l e n t e r p r i s e b a s e dm a n u f a c t u r i n g m o d e l ，a g i l ew o r k s h o p w i r e l e s ss c h e d u l es y s t e mb a s e do nm u l t i a g e n t ，i sr e f e r r e da t i a s t t h i sp a p e ri sf o c u so nt h es y s t e mr u n n i n gp r i n c i p l e ，a n dd e s c r i p t i o no fe a c h f u n c t i o nm o d e l t h e nt h e d e v e l o p e dc o m m u n i c m i o np l a t f o r m b a s e do nb l u e t o o t h t e c h n o l o g yi sb r i e f l yi n t r o d u c e d s i n c ei t ss i g n i f i c a n tp o w e r f u lf e a t u r e ，i tc a nr e c e i v e a n dt r a n s m i tv a r i o u sk i n 出i n f o r m a t i o ne a s i l y , a n dc o n c u r r e n t l yr e a i z ew i r e l e s sd a t a c o m i n g f r o me a c hn o d i nt h i sp a p e r , t h ea d v a n c e dx m l t e c h n o l o g yi sa p p l i e dt op r e s e n ta n dw r a pt h e c o m m u n i c a t i o nc o n t e x ti na g e n t ，a n dt h e nt h em o d e lo fi n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g p r o t o c o l i si n t r o d u c e d a f t e ra n a l y z i n gt h ed e f i c i e n c yo fs o m ef o r m e rr e s e a r c ho n d e c i s i o n m a k i n go fi n t e l l i g e n tw o r k s h o ps c h e d u l es y s t e m ，am o d e lc o n s i d e r e df o u r o p t i m i f i n gt a r g e t ，i n c l u d i n gt i m e ，q u a l i t y , c o s t ，a n ds e r v i c e ，i sr e f e r r e ds e q u e n t i a l l y t h ep r i n c i p l eo ff u z z yd e c i s i o n - m a k i n g ，f u z z i f a c a t i o nm o d u l ，f u z z yr u l eb a s e ，a n d f u z z yg e n e r a la p p r a i s i n gm o d e l ，i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rd e t a i l e d l y i nt h ee n do f t h e t h e s i s ，t h ep r i n c i p l eo f t h em a c h i n el e a n i n gs y s t e mi sb d e f l yd i s c u s s e d k e y w o r d s ：a g e n t ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ，a g i l e m a n u f a c t u r i n g ，b l u e t o o t h , f u z z yc o m p u t a t i o n i j 重庆大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 引言 在新世纪里，世界的政治、经济和技术将继续发生前所未有的巨大变化，经 济全球化逐渐发展成熟。信息技术对制造业继续产生极其深刻和全面的影响，使 制造业的发展打上了明显的信息化烙印。经济全球化和信息化使制造业的竞争环 境、发展模式及运行效率与活动空间等发生了深刻变化，这些变化对我国制造业 提出了严峻的挑战，同时也为实现我国制造业的跨越式发展提供了有利条件和机 遇1 1 】 2 1 3 11 4 1 5 【6 】川8 1 。 全球化的洪流正推动着世界经济稳健、快速、持续地增长。这使得制造产业、 制造技术和产品逐步走向国际化，导致制造业在全球范围内重新分布和组合。竞 争的加剧将促使竞争对手利用一切可以利用的制造资源，主动积极地寻求市场机 遇，敏捷地响应和适应客户多样化的消费需求，高质量地为全球顾客服务，从而 获得规模经济，促进企业的发展与壮大。 信息化提高了生产要素的信息属性，促使企业竞争模式从自然资源和人力的 竞争转向创新能力和刨造高附加值产品的竞争；信息化使得知识的重要性凸显， 人才成为竞争优势的重要因素；信息化促使企业管理由金字塔型结构向扁平型结 构转变、经营思想由粗放型向集约型转变，出现了各种先进制造模式，如并行工 程、敏捷制造、网络化制造和虚拟制造等，为我国企业向先进制造模式转变、提 升我国制造企业的水平和能力提供了可以借鉴的模式。企业未来的持续竞争力取 决于企业的敏捷性，即对环境、新挑战的快速反应能力。敏捷制造将成为2 l 世纪 的主要制造模式【9 l 【1 0 1 1 1 1 【1 2 1 。 1 1 1 制造业信息化发展历程 半个世纪以来，特别是近三十年来，信息革命已经渗透至各个经济部门，迅 速改变着传统产业和整个经济的面貌。计算机和通信技术的迅猛发展极大地拓展 了制造业的广度和深度，产生了一批新的制造哲理和制造技术，使制造业正发生 着质的飞跃。纵观制造业信息化进程，可将其分为以下几个阶段：功能自动化 阶段。七十年代电子技术和计算机技术的发展为生产领域的自动控制提供了可能， 使得以计算机为辅助工具的制造自动化技术成为可行，由此出现了计算机辅助设 计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工艺规划( c a p p ) 、物料管理计划 ( m i 冲) 等自动化系统。信息集成阶段。八十年代针对设计、加工和管理中存在 的自动化孤岛问题，实现制造信息的共享和交换，采用计算机采集、传递、加工 处理信息，形成了一系列信息集成系统，如c a d c a p p c a m 、c a d m r p i i 、 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 c a p wm r p i i 、c i m s 。过程优化阶段。九十年代信息和通信技术在知识经济 发展过程中处于中心地位，企业意识到除了信息集成这一技术外，还需要对生产 过程进行优化。如用并行工程( c e ) 方法，在产品设计时考虑下游工作中的可制 造性、可装配性等，重组设计过程，提高产品开发能力；用企业经营过程重构 ( b p r ) ，将企业结构调整成适应全球制造的新模式。敏捷化阶段。国际互联网 改变信息传递方式的同时也改变着企业组织管理方式，使以满足全球化市场用户 需求为核心的快速响应制造活动成为可能，敏捷制造( a m ) 、虚拟制造w m ) 等新的 制造模式应运而生。相应地，敏捷供应链技术，网络化制造技术，多智能主体制 造系统技术成为当前研究热点【i j 。 从制造业信息化进程可看出，随着信息技术、计算机技术的迅速发展，从知 识到应用之间的间隔越来越短，未来的制造业在某种意义上将成为种信息产业， 信息将成为制造业的决定因素，用信息技术促进未来制造的改造已成为时代潮流。 2 l 世纪，世界制造业发展的总趋势是：信息技术在促进制造业发展过程中的作用 仍然是第一位；独占性技术决定了产品的价值和价格；联合和竞争两位一体，并 超出国界，敏捷性成为制造业追求的目标；管理创新对制造业发展的作用日益突 出。当前，制造系统发展的主要特点是集成化、网络化、敏捷化、数字化、虚拟 化与智能化【1 3 1 1 4 1 。 1 1 2 可重组制造系统( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 可重组制造系统( 脚h s ) 是一种具有快速响应能力的制造系统。它能够在现 有系统的基础上通过系统构件的重构改变系统的结构( c o n f i g u r a t i o n ) ，从而调整 系统的功能或改变生产能力以适应产品品种的变化或市场需求量的变化。系统结 构可在系统层上予以调整，如增加机器、改变机器之间的逻辑关系( 串、并或混 合连接、先后关系) ；或者在机器层进行调整，如改变机器硬件( 增加主轴、改变 刀库) 或改变机器控制软件。可重构生产系统着重强调产品的生产制造过程，而 不是开发新产品。其目的是增强企业的快速响应能力。开放式控制体系和模块化 机床使可重组制造系统发展成为可能。r m s 的特点是模块化、可集成性、可变换 性、客户化柔性。r m s 的另一个特点是在整个生命周期内都保持高的成本效率， 因为它只是在需要时才增加功能或生产能力，而不象柔性制造系统那样所有的功 能与能力在构件系统时就一次到位，尽管有些功能将来很少使用【】5 】d 6 1 。 1 1 3 全能制造系统( h o l o n i cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) “全能制造系统( h m s ) ”，是一种基于多智能代理系统的制造系统。“子整体 ( h o l o n ) ”一词由k o e s t l e r 提出，用于描述生物体与社会组织中的予体( 部分) 与 整体之间交织的现象( 子整体的层化结构) 。子整体是自治的与自转的单元，具有 一定的独立性并不必征求上层的意见就能够处理突发事件，使它们能够承受干扰 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 而正常运转。同时，子整体也可以接收上层的控制，使它们呈稳定的中间形态， 向更大的整体提高功能。予整体的概念经工业界和学术界的拓展与应用，形成了 后来的h m s 。h m s 由一系列子整体构成，子整体可以是机器、制造单元、工厂、 零件、产品、操作者、生产团队、生产任务等。h m s 采用准异构，即若干处于同 一层次的局部子整体彼此之间可以直接交换信息、相互协调，并能够与中心子整 体通信。中心子整体只是与局部子整体合作，协同为后者做出决策。局部子整体 不仅能够自主地做出决策，而且可以向中心以及同层的其他子整体请求信息或提 供信息。中心子整体通过与局部子整体的双向合作，协调与影响整个系统的行为， 实现全局优化 1 8 】 1 9 】【2 0 】。 1 1 4 多智能代理制造系统( m u l t i a g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 制造系统正经历着深刻的变化。一个重要的方面是逐步走向集成化和智能化。 智能制造系统( i m s ) 可以看成是由各种智能子系统有机结合而组成的复杂系统。 传统的制造业系统建模方法如i d e f 系列等对处理智能制造系统时实用性不强，而 分布式人工智能的研究取得了很大进展，在制造系统中逐步得到应用。 分布式人工智能( d a i ) 中的a g e n t ，它定义为由解决问题者所构成的网络， 它们协调工作以解决靠它们各自的能力所不能解决的问题，这些问题解决者为自 治的智能的代理。多智能代理制造系统( m a s ) 是基于代理( a g e n t ) 的分布式网 络制造系统，可以看成是各种智能子系统有机结合而组成的复杂大系统，各子系 统问在进行大量物料、能量和信息交流的基础上完成分布式求解。智能代理控制 并管理着设备、制造单元、车间或工厂，具有独立的控制与决策能力以及相关的 知识，并具有相互之间协调一致的通信机制。通过“合同网协议”，将各加工任务在 制造网络上“招标”，各智能代理竞标并互相协调，最终落实订单产品的生产任务。 该理论为智能制造系统的建模和实现提供了可行性技术支持，并成为制造领域中 的当前活跃的研究热点，把制造过程抽象为一种典型的多a g e n t 问题求解过程， 制造系统中的每一部门( 或环节) 相当于该过程中的一个a g e n t 。制造系统中的每 一子任务或单元设备等都可由单个a g e n t 或组织良好的a g e n t 群来代理或实现，并 通过它们的交互和相互协调与合作，共同完成制造任务。将制造系统模拟成多 a g e n t 系统可以使系统易于设计、实现与维护，降低系统的复杂性，增强系统的可 重组性、可扩展性和可靠性，以及提高系统的柔性、适应性和敏捷性等。多智能 代理制造系统的特点是资源的动态自组织、分散的资源与知识利用、分布式决策 以及智能化1 2 l j 2 2 】 2 4 1 。 h m s 与m a s 两者都具有自治与协调控制结构、分布决策机制、资源动态组 合等特点。二者不同之处是；h m s 在多智能代理制造系统的基础上增加了集中协 调，有利于实现全局优化；子整体的层化结构，更便于构建结构复杂的系统；从 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 应用的角度看，多智能代理制造系统更适用于区域分散、局部之间相对松散的制 造系统，而h m s 则更适用于区域相对集中、局部之间联系相对紧密的系统结构。 本论文认为两者区别不大因此统称为多智能代理制造系统( m a s ) 。 1 2m a s 国内外研究现状 多代理系统( m u l t ia g e n t s y s t e m ) 的特点主要有：在物理、逻辑空间 上是分布的；各单元具有智能性、自学习、自适应能力；各单元协同工作完 成任务。同时它还具有以下优点：提高了问题求解能力，这是因为在分布式系 统中，各节点可以并行地求解问题，效率明显要高 分布式系统容易扩充和重 构，适合动态多变的环境，系统可以随时加入新的处理单元来提高系统的求解能 力；可靠性、鲁棒性好。 敏捷制造系统要求相应的控制体系结构满足以下需求1 2 5 j ： 开放性。能适应多种软件系统和硬件设备，实现“即插即用”，系统功能易 扩展，硬件和软件都具有开放性。 分布性。整个系统能共享生产制造过程管理和控制所需的数据、知识等。 动态性。能适应制造系统结构的频繁变动，改变控制模式等。 并行性。在分布式控制系统中，实现制造过程资源共享和运行控制过程的 并行运行。 集成性。敏捷制造体系能够有效地管理生产制造过程中的相关模型、数据 和知识，灵活地实现信息交互，知识共享。 人机和谐性。强调人在控制系统中的重要性。 因此，由于多代理系统的上述优点，以及敏捷制造系统对控制系统的变革的 要求，使多代理技术在敏捷制造领域的应用研究受到重视。目前，多代理技术在 机械制造领域的研究应用十分活跃。人们把代理技术应用于制造企业的集成、供 应链的管理、制造业的调度和控制等方面，取得了一大批科研成果。 1 2 1 基于代理的供应链管理和企业集成f 2 6 】【2 7 】 2 8 】f 2 9 j 制造企业的供应链是由供应商、生产工厂、仓库、分销商和零售商以及顾客 形成的一个全球化的网络，通过该网络，企业获得原材料，将其转换成产品并最 终销售到客户手中。改进企业的供应链管理，对整个企业的运行系统进行集成化， 使之形成一个高效统一的增值链体系，是企业提高其竞争能力的重要手段。加拿 大c a l g a r y 大学开展的m e t a m o r p hi i 项目提出一种以混合型中介代理为核心的体系 结构，通过i n t e m e t 和i n t r a n e t 以及各环节的中介代理，将企业的合作伙伴供应商 和客户集成到一个供应链网络。 由于供应链中任何两个实体之问都可以视为基于某种供需模式的客户和供应 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 商之间的关系，它们之间进行的主要工作是基于某种类型的订单而展开的交易与 协商、后勤与服务、认证与支付。整个供应链内存在着各类形式的库存：原材料 库存、产成品库存、在制品库存等，分布在不同的企业。计划、协调、调度与控 制就是基于分布式库存的不同状态来实现客户与供应商之间的供需过程。 董进等【2 6 】建立了基于多代理协调的企业敏捷供应链管理模型，其中多代理包 括系统仿真与决策代理、客户服务代理、订单代理、制造代理、采购代理和运输 代理等。 李翠红等【2 7 l 研究了敏捷供需链计划与协调系统的设计与实现，其基于m a s 的 计划与协调系统由订单代理、客户服务代理、采购代理、库存代理、运输代理和 财务代理组成，其中订单代理是初步计划制定者，采购代理、库存代理、运输代理 和财务代理是局部计划与调度者。 研究表明1 2 引，采用多代理技术进行企业集成和供应链管理，能够增加其对市 场环境变化反应的敏捷性，还能使企业提高信息共享的能力和快速获得市场反馈。 同时，由于采用多代理系统进行供应链管理和企业集成，使得企业可以通过多代 理系统的合作学习，合理配置供应链资源，不断提高和优化整个企业系统运作的 性能。另外，基于代理的供应链管理和企业集成是企业实施电子商务的最自然的 方案。 1 2 2 基于代理的制造规划、调度和控制p o 】【3 l 】【3 2 】 3 3 】 由于规划、调度和控制对制造系统具有重要的实际意义，学者们对其进行了 广泛的研究，各种启发式搜索策略、模拟退火算法、遗传算法、人工神经网络、 模糊逻辑系统等技术被众多学者用来解决制造规划、调度、控制问题。最近几年 对分布式人工智能( d a i ) 的基础研究及其在制造中的应用研究表明，基于分布式异 构a g e n t 协同求解的系统模式最能体现客户化生产的需求，它将成为下一世纪制造 业最有前途的生产模式。 b u s s m a n n 提出了面向代理的制造系统体系结构，采用多代理技术进行制造系 统中物流控制的研究。f l o r e a 等提出了一种制造系统的多代理模型，并用p e t r i 网 对这一模型进行了详细的描述。m e t a m o r p h i i 采用基于中介代理( m e d i a t o r ) 的仲 裁模型和基于合同网协议的招投标机制相结合的方法，进行制造系统调度和再调 度的研究。张洁等建立了基于多代理机的车间控制系统的功能模型，该模型具有 模块性、智能性、鲁棒性、动态和柔性等特性，能够快速适应制造环境的变化。 廖强提出一种基于现场总线的多代理作业车间动态调度问题的解决方法，该方法 具有很好的可扩展性和鲁棒性，对于作业车间调度有一定的实用价值。 李斌提出基于a g e n t 分布式网络化制造模式，其建立的基： ：= a g e n t 的分布式制造 环境模型如下图所示：采用c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 技术， 重庆大学硕士学位论文 绪论 可使各异构a g e n t 具有即插即用的特点，可灵活上网，易于重组或随时增减，以适 应制造环境和资源的快速变化。为便于系统的组织与控制，可依照层次设计的思 想规定a g e n t 的粒度，形成多层次的制造环境。不同层次的基于a g e n t 的分布式制造 环境具有同构特征。 臣寻丑匝王口匹苫习匝苫口 q 蛰直囱囱 图1 1 基于a g e n t 的分布式制造环境 f i g i 1d i s t r i b u t em a n u f a c t u r i n gs y s t e m b a s e do n a g e n t 多代理系统通过分解将复杂性降低，并在必要的时候以相对较低的成本获得 必要的系统适应性、鲁棒性和可伸缩性，而且代理系统能够动态协调其控制决策， 自主调整其行为，对产品变化、设备故障等事件做出智能化的反应。 1 2 3 基于代理的产品设计、工艺规划3 4 】【3 5 】【3 6 【3 _ 7 】 黄进等提出基于多智能主体的异地设计制造系统多智能主体框架结构 ( t e l e d m ) 。为了使不同的问题处理实体的活动之间实现集成，基于智能主体框 架的应用为每一个相关的实体启动一个智能主体，并提供了一个公共的基础框架， 使各个智能主体之间可以进行通讯和交互。在t e l e d m 系统中，利用j a v a 在基于 w w 、驯c o r b a 的基础上实现这种多智能主体结构，包括一个t e l e d m 智能群体和 一系列的应用服务器。目前的结构可以方便地构造一个敏捷虚拟企业，并具有可 重构性、可重用性和可扩展性等特点。 赵勇、应济等提出了基于多代理协作的设计问题求解框架，以更好地协同敏 捷式产品设计过程中的设计任务之间、求解方法与工具之间以及系统与人之间的 关系，以此来集成和协同发挥各种基于知识的推理、传统的c a d 技术以及设计师 在整个设计求解过程中的作用，从而增强了系统的求解能力和对具体应用的适应 能力。黄业清1 对基于代理的分布式协同设计进行了研究，提出了分布式智能协同 设计环境d e s i g n e r w 曲的框架结构，建立了种分层的多自治体系统结构。 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 本课题的来源及主要研究内容 1 3 1 论文研究的背景 随着消费水平提高，消费者需求变得个性化、多样化：另一方面经济的全球 化，厂商间竞争日趋激烈。市场竞争要求缩短产品的交货时间( t ) ，提高质量( q ) ， 降低成本( c ) ，提供优良的售前和售后服务( s ) ，有利生态环境( e ) 。因此如何 提高制造系统鲁棒性、敏捷性与智能化，是现阶段制造领域中的国际性研究熟点。 在传统的集中式制造系统中，制造系统的内部紧密耦合，某环节出现故障 将引起全局的混乱；因集中式控制及物流系统的限制，响应制造系统环境的变化 很慢，并且花费很高；尽管可以将制造设备和工件以编码的方式进行唯一标识， 这些编码被读取的正确性受到环境的制约；基于现场总线d n c 前端机，仅提供了 分布式通信平台，没有从根本上解决生产系统的优化控制问题。 在传统的递阶式制造系统中，将系统以空间，时间进行分层分解，每层有各自 的功能和权限。递阶控制方式由于其固有的主，从关系，使得系统间的层次较多， 特别是当系统变得非常大的时候，它的反映速度比较慢，系统的容错性、可扩展 性、可维护性等性能下降。 因此，要从根本上解决传统的控制的缺点，要求建立新的控制系统结构：将 智能代理( a g e n t ) 技术和蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术结合起来，应用于传统的生产车 间或工厂，建立高度柔性自治的智能制造系统，从根本上解决传统的生产系统的 优化控制问题。 本论文课题来源为：国家自然科学基金项目“基于智能代理贴片及蓝牙技术的 车间控制系统的研究”和重庆市科技计划项目课题“蓝牙技术及代理技术在生产系 统中的应用研究”。 1 3 2 论文研究的内容 本文利用分布式人工智能中的多代理技术，以及国际上先进的蓝牙技术，建 立基于多代理技术的智能车间无线调度系统研究， 第1 章绪论，介绍了制造业的信息化历程，制造业模式及系统的新发展，以 及在敏捷制造环境下的制造系统的控制系统的新内涵，重点研究了多代理技术在 制造领域的应用情况，提出了应用蓝牙技术和多代理技术，建立基于多代理技术 的智能车间无线调度系统。 第2 章分析了目前敏捷制造系统的调度方法的研究情况及进展，详细叙述了 基于合同网的调度研究方法，研究了代理的结构、运行模型、通信语言，给出了 基于多代理技术的智能车间无线调度系统的模型图。并对模型的运行过程进行了 研究。 第3 章研究了目前车间现场通信的几种技术，论述了采用无线通信技术在车 重庆大学硕士学位论文1 绪论 问系统中的优点与缺点，提出了应用国际上先进的蓝牙技术建立无线通信环境的 方案，初步设计出适合本系统的蓝牙无线通信网络平台，设计出完整的电路图， 并制作出电路板的样板。对蓝牙通信平台进行多次的测试和调试。 第4 章简述了x m l 技术及其优缺点，研究了敏捷车间的代理之间通信的语言 本体论，并用x m l 技术对通信内容进行了封装，提高了通信系统的可靠性和可维 护性。分析了以往的智能车间调度系统智能决策系统的不足，提出了全面考虑t 、 q 、c 、s 等多个目标优化参数的基于多代理系统的模糊智能决策模型，详细论述 了模糊决策技术的基本原理，隶属函数模型，模糊规则库的建立，模糊综合评价 等关键技术，简单介绍了多代理系统的学习机制，提出了基于知识的学习系统原 理。 第5 章介绍了基于多代理技术的智能车间无线调度系统的原型系统实例。 第6 章对全文的研究进行了总结和展望。 1 3 3 论文研究的意义 本论文提出了把传统的制造车间改造为新型的智能制造系统的新方法、新模 式，力图真正实现制造系统调度控制的自动化、分布式与智能性。同时，对多代 理系统的协同合作、学习与自学习的方法、机理进行研究。推动智能制造在企业 的实际应用，提高企业的经济效益和社会效益。 本课题的研究成果将具有较好的开放性，可以推广应用于所有的类似的系统的 通信而不仅仅是制造系统，当然如果应用于制造系统的话。可以大量缩短生产的 辅助时间。同时它将可以应用于不便使用有线网络的情况中，比较适应国内众多 企业纷纷提出改造生产线、建立智能化车间生产系统的需求。它还适应于日益增 多的大量的家电设备和电子类产品的控制系统，真正实现基于个人的无线控制和 远程控制。 1 4 本章小结 本章主要简述了制造业的信息化历程，制造业模式及系统的新发展，以及在敏 捷制造环境下的制造系统的控制系统的新内涵，重点研究了多代理技术在制造领 域的应用情况，提出了应用蓝牙技术和多代理技术，建立基于多代理技术的智能 车间无线调度系统。 重庆大学硕士学位论文2 基于a g e n t 技术的智能车间无线调度系统模型 2 基于a g e n t 技术的智能车间无线调度系统模型 面对竞争日益激烈和需求不断变化的国际市场，企业生存与发展将取决于其 响应客户需求的敏捷能力。世界各国对制造模式及策略进行了不断的研究。从7 0 年代的计算机集成制造( c i m ) 哲理到8 0 年代末的并行工程( c e ) 制造策略， 9 0 年代从日本准时制生产( j i t ) 和精良生产( l p ) 的基础上，进一步又提出了 敏捷制造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 策略，从而试图解决：在越来越激烈的国际竞 争环境下，如何通过国际计算机网络将分散的、小型化的、专业化的制造企业有 效地组织起来，加速新产品的设计开发和制造。 车间是上层生产计划和下层执行设备间的接口。它的敏捷性对整个生产系统 的敏捷性起着重要的支撑作用。要实现它的敏捷性，车间控制系统必须具备开放 性、分布性、平台无关性等特点。多代理系统( m u l t ia g e n ts y s t e m ) 的恰好 具有这些特点。我们把多代理系统( m a s ) 和敏捷制造( a m ) 哲理相融合而产生 的智能制造系统( i m s ) 可以看成是：各种智能子系统有机结合而组成的复杂大系 统，各子系统问在进行大量物料、能量和信息交流的基础上完成分布式求解。分 布式人工智能( d a i ) 中的多a g e n t 系统理论为智能制造系统的建模和实现提供了 可行性技术支持，并成为制造领域中的研究制造过程是一种典型的多a g e n t 问题 求解过程，制造系统中的每一部门( 或环节) 相当于该过程中的一个a g e n t 。制造 系统中的每一子任务或单元设备等都可由单个a g e n t 或组织良好a g e n t 群来代理或 实现，并通过它们的交互和相互协调与合作，共同完成制造任务。将制造系统模 拟成多a g e n t 系统可以使系统易于设计、实现与维护，降低系统的复杂性，增强 系统的可重组性、可维护性、可扩展性，以及提高系统的柔性，适应性和敏捷性。 2 1 敏捷车间调度系统研究现状 为适应敏捷化的车间制造环境，制造执行系统的概念近l o 年来逐步形成并得 到迅速发展。车间调度是制造执行系统的主要功能。车间调度控制系统的敏捷性 在很大程度上决定着整个企业的敏捷性。传统的调度方法在考虑一系列调度任务 时要求在最初便具有所需要的全部信息。由于敏捷车间的生产具有多品种、小批 量、制造周期紧迫、质量要求高，因而系统扰动大，加工任务变动频繁，较传统 的制造环境更难控制。因此，敏捷车间的动态调度成为当前的研究热点【3 8 i ( 3 9 l 4 0 【4 i 。 2 1 1 敏捷车间调度研究方法 目前的研究方法主要有以下几种。 ( 1 ) 人工智能( a i ) 方法。车间调度问题的研究最初集中在整数规划、仿真 9 重庆大学硕十学位论文2 基于a g e n t 技术的智能车间无线调度系统模型 和简单的规则等方法上。这些方法不是调度结果不理想，就是解决复杂问题难以 为力。近年来，在车间调度领域的研究异常活跃，出现了许多新的优化算法，如 神经网络、模拟退火法、遗传算法等基于人工智能的方法。 ( 2 ) 系统仿真方法。由于胄4 造系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来 进行描述分析，而通过运行仿真模型来收集数据，就能对实际分析系统的性能和 状态，确定瓶颈部位，从而对系统采用合适的控制调度方法。此方法在设计、运 行制造系统方面非常有效，而且它还能作为制造系统的实时调度的支持系统。 ( 3 ) 入机交互方法。为了考虑实际调度中存在的各种复杂因素及调度的多目 标性，以取得好的调度结果，往往需要好的人机交互策略与手段去利用和启发调 度决策者的经验知识。该方法可为制造过程中的调度提供一种好的解决办法，尤 其对于动态情形。采用人机交互的调度方法要充分发挥人的认知能力和作用。人 可以通过人机交互界面下发调度指令，或根据现场数据及自身的经验，对系统的 自动调度方案进行审查或修改，或者修改系统的某些决策模块或机制，提高系统 的控制能力和水平。 由于多代理系统( m a s ) 是上述方法的有机融合，能解决分布的、复杂的问 题，所以若能将人工智能等机器学习方法应用到调度优化中，可以更接近制造系 统的实际情况，因而，这一领域成为目前关于动态调度的研究热点和重点。 2 1 2 基于多a g e n t 与合同网的敏捷制造单元调度模型【4 2 】【4 3 1 4 4 j 【4 5 】 合同网的基本思想是：合同网由一组可以互相发送消息的a g e n t 组成，当一 个a g e n t 有任务需要其它a g e n t 帮助解决时，就向其它a g e n t 广播有关该任务的信 息，发出任务通告，即招标；接到招标信息的a g e n t 检查自己解决该问题的相关 能力，然后发出自己的投标参数，使自己成为投标者：最后由发出招标信息的a g e n t 或指标评价a g e n t 评估这些投标参数，选出最合适的中标者并授予任务。整个过 程是按照市场中的招标一投标一中标机制来完成的。敏捷车间的调度问题可以用 多a g e n t 协同模型来表示求解，a g e n t 之间的协同通过合同网技术来进行，在考虑 具体问题时还集成了启发式调度规则。合同网模型用于敏捷车间调度其实质是将 调度方案的生成和维护看作是加工资源通过招投标及谈判协商来保证加工任务的 合理分配与按期完成。在这种机制下，车间的加工设备为签约方，工件为管理方， 工件招标，加工设备进行投标，即加工设备之间相互竞争来获得加工任务。在投 标过程中，加工设备总是以优化某一性能参数为目标，而工件则按它的标准与出 价最高的加工设备签约。加工设备为了完成加工任务对工件进行投标，从而拉动 工件在车间内流动。该模型引入制造资源a g e n t 集合m 、任务a g e n tt 以及工件 a g e n tp 集合。任务a g e n t t 在合同网模型中扮演管理者角色，制造资源a g e n tm 表示加工设备，扮演签约者角色。调度过程简要表示为如下过程： 重塞盔堂堡主堂堡垒苎 ! 苎王垒g ! 坐堇查堕塑堂主塑蒌堑塑星墨堑堡型 招标投标 中标 图2 1 基于合同网的敏捷车间调度流程 f j 9 2 1a g i l ew o r k s h o ps c h e d u l em o d u l e b a s e do nc o n t r a c tn e t i 招标方a g e n t 发出任务公告。 i i 各投标方a g e n t 根据自己的投标策略决定是否参与投标，如果决定参与投 标，则确定标书的参数及内容，并发送投标书给招标方a g e n t 。 i i i 招标方a g e n t 根据自己的评价策略选择中标者并发出中标书。 i v 投标方a g e n t 决定是否接受任务，如接受，则“签约”。 v 签约者在任务完成或无法完成时向招标方a g e n t 报告，招标方也可以在人 工干预下终止“签约”。 基于合同网的谈判是一种显示合作机制，即是参与合作的其中一方明确地向另 方提出合作要求。由于合同网协议只是规定了协商的工作过程，因此，基于合 同网的谈判具有较好的开放性。该方法用简单的交互过程模拟动态任务分配，可 以自然地实现各a g e n t 的负荷平衡。 该方法的不足之处是它只关注各个子任务的分配，而忽略了各子任务之间的约 束关系，因此，响应动态变化的能力仍然不很理想。需要另外设计良好的冲突消 解策略，方能很好适应意外的事件如设备故障、急件任务的插入，工件批内数量 增加等情况。 2 2 a g e n t 技术及多a g e n t 系统 代理的概念最早出现于2 0 世纪7 0 年代的人工智能中，8 0 年代后期才成长起 来。由于分布式并行处理技术、面向对象技术、多媒体技术、计算机网络技术， 特别是i n t e m e t 和w w w 技术的发展，a g e n t 不仅成为人工智能和计算机领域最活 跃的研究内容之一，而且引起了科学界、教育界、工业界甚至娱乐界的广泛关注。 2 2 1a g e n t 技术【4 6 1 f 4 7 】1 4 8 】f 4 9 】 a g e n t 是种功能实体利益的代表，各功能实体通过a g e n t 与其他功能实体进 行通信，这样，就避免了各功能实体之间直接通信。在制造环境中，一个a g e n t 所代 表的功能实体可以是制造组织、生产单元和软件系统等，一个工厂、一个企业就足 重庆大学硕士学位论文2 基于a g e n t 技术的智能车间无线调度系统模型 一个典型的功能实体，一个功能独立的车间、制造子系统、职能部门、一台或若干 台制造设备均可以是一个功能实体。a g e n t 的目标是为其功能实体获得最大的利 益。a g e n t 具有以下特性：自治性。能够在没有人或其他a g e n t 干预下完成功能 实体的大部分功能，控制功能实体的内部状态；社会能力。能够主动和其他a g e n t 或人交互，以实现功能实体的目标；反应性。能感知周围环境，并对其间的变化产生 及时响应，这些动作的执行基于触发规则和预定的执行计划；主动性。能够主动地 进行基于自身目标和信念的活动。我们根据a g e n t 的上述特点可以定义a g e n t 为： a g e n t 是一类运行在特定环境下具有智能的，能感知环境变化的，并能根据自身资 源、状态、能力、知识及客观情况，通过规划、推理做出决策，自主地运行完成 特定任务并实现一系列目标的计算实体或程序。 从a g e n t 的概念不难看出，a g e n t 区别于传统智能系统的显著特征在于它具备 与其所处环境、其他a g e n t 和人进行交互、协调和协作的能力。人工智能的研究 目标是认识与模拟人类智能行为。单个a g e n t 的研究往往将重点集中在对人类单 个智能指标如计算能力、推理能力、记忆能力、直觉能力等的研究与模拟。然而 人类智能行为是各种单个智能指标的综合体现，所以单个a g e n t 往往无法充分或 恰当模拟人类智能行为。因此我们不但要研究单个的a g e n t ，而且还要研究多a g e n t 协调如何通信、如何求解。 a g e n t 是这样一种实体，即体现智力状态的实体，如信念( b e l i e f ) 、能力 ( c a p a b i l i t y ) 、选择( c h o i c e ) 、承诺( c o m m i t m e n t ) 和愿望( d e s i r e ) 等思维状 态属性。这些状态分别可用准确的方式表达，类似于人类通常所使用的意义。某 些硬件或软件成为a g e n t ，正是由于它们具备了对那些智力状态进行分析和控制的 能力。a g e n t 作为体现智力状态的实体，模拟人类的思维方式。对利用计算机和其 它自动化手段来解决客观世界的问题是一种有益的探索。 代理在以下几种情况下激活自身：收到其它代理发出的新的消息；外界 环境改变事件或自身故障等状态改变事件；在前两种都没发生时，启动自身定 时执行例程。代理的执行过程如下所示： a g e n t 与对象( o b j e c t ) 是不同的。面向对象( o b j e c t o r i e n t ，简称0 0 ) 技术是 软件技术发展中的一个里程碑，是当前软件开发的主流技术。o b j e c t 是一个实体。 它封装了属性和方法，即用属性和方法来定义0 0 的基本单元。对象”和“类”是面 向对象方法中最核心的概念。对象具有状态，通常用数据来描述；对象还应当有 操作，用以改变对象的状态。从动态的观点来看，对象及其操作就是对象的行为。 面向对象方法改变了传统做法，实现了将数据与操作封装在对象的统一体中。另 外，它还提供了一种机制，对象内私有数据有其私有的操作，能够 里鏖盔堂堕圭兰鱼堕塞 ! 苎王垒g ! 坐茎查堕塑丝主堕丕堡塑堕至堑竖型 初撇 初燃 能充磁溯 躅2 , 2 a g e n t 的运行模型 f i 9 2 2h a r m i n gm o d e lo f a g e n t 灵活专门地描述对象的独特行为，在某些问题上可直接模拟现实世界中的对象， 使软件易于理解和维护。对象的封装性使对象具有较高的独立性和自治性，其内 部状态不受或很少受到外界的影响。这也说明了它具有很好的模块化结构，为软 件的重用奠定了良好基础。 而a g e n t 技术是0 0 技术的进一步发展，在计算机网络、分布式计算、并行多 任务方面应用目渐广泛，对象与a g e n t 技术之间主要具有如下区别： ( 1 ) a g e n t 是自主的。自主有两个独立的方面：动态自主性与不确定自主性。 a g e n t 不仅能够反应特殊的方法调用，还可以反应环境中可观察到的事件。a g e n t 主动向环境发出查询消息来感知环境的状态变化，以决定自己如何应对这种变化。 a g e n t 是一个自治的主体，其行为不受外界的控制。a g e n t 不仅把内部的状态封装 起来了，而且把自身的行为也封装起来了。而对象通常是被动的一它处于调用者 的线程控制之下，它通常是被动的，它们的方法只有在某些外部实体向它发送消 息时才被调用。 ( 2 ) a g e n t 是交互的。交互意味着与环境及其他实体之间的通信能力。在多 a g e n t 系统中，a g e n t 可以与其他a g e n t 作多重并行交互。这样就体现了a