基于軟件Agent的虛擬工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究 - 全文

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　　1 引言

　　敏捷制造是面向21世紀(jì)的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和模式，虛擬企業(yè)(或企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟)是實(shí)現(xiàn)敏捷制造的主要途徑。虛擬企業(yè)克服了傳統(tǒng)企業(yè)的封閉性、局限性和設(shè)計(jì)、制造能力的不完備性，強(qiáng)調(diào)充分利用社會(huì)上已有的設(shè)計(jì)、制造資源，通過(guò)組織動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，減少資源的重復(fù)投入，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造到銷(xiāo)售全過(guò)程的整體柔性和敏捷性，增強(qiáng)企業(yè)(群體)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

　　如上所述，在虛擬企業(yè)中，由于組織的分散化和國(guó)際化，產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)將由核心企業(yè)和合作企業(yè)分別完成，跨地域的聯(lián)合工藝設(shè)計(jì)將成為虛擬企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的主要方式。

　　2 基于多Agent的虛擬工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)一VPPS

　　2.1 虛擬工藝設(shè)計(jì)的三層體系結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是二級(jí)體系——車(chē)間級(jí)、企業(yè)級(jí)，企業(yè)級(jí)進(jìn)行總體工藝設(shè)計(jì)，主要包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性審查，產(chǎn)品工藝零件組劃分，產(chǎn)品工藝流程(亦稱(chēng)分工計(jì)劃)制定;車(chē)間級(jí)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)工藝設(shè)計(jì)，包括毛壞制造工藝設(shè)計(jì)，零件加工工藝設(shè)計(jì)，各種熱處理、表面處理等工藝設(shè)計(jì)，焊接、裝配等工藝設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)等其他工藝設(shè)計(jì)等。

　　在虛擬企業(yè)中，異地聯(lián)合設(shè)計(jì)將成為工藝設(shè)計(jì)的主要方式，傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)已無(wú)法適應(yīng)新形勢(shì)下的要求，為此，在傳統(tǒng)的一級(jí)體系基礎(chǔ)上，增加一個(gè)企業(yè)合作級(jí)，構(gòu)建了虛擬工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二級(jí)體系結(jié)構(gòu)—車(chē)間級(jí)、企業(yè)級(jí)和企業(yè)合作級(jí)。具體地說(shuō)，當(dāng)某一新產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)下達(dá)給某一企業(yè)后，企業(yè)首先根據(jù)自身的加工能力、工藝設(shè)計(jì)要求、原材料供應(yīng)狀況等做出判斷是否承接，當(dāng)自身能力不足或部分滿足時(shí)，可將工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的個(gè)部或部分轉(zhuǎn)讓給其他協(xié)科企業(yè)(企業(yè)合作級(jí))，以保證工藝設(shè)計(jì)任務(wù)順利、高效的完成。

　　2.2 Agent和多Agent聯(lián)邦

　　作為一種能代表用戶去執(zhí)行計(jì)算和信息處理任務(wù)的智能化軟件實(shí)體，Agent一般都具有社交和領(lǐng)域知識(shí)，能依據(jù)心理狀態(tài)(信念、期望和意向)自主工作，并具有語(yǔ)義互操科和合作的協(xié)調(diào)能力。

　　定義1： Agent可表示為一個(gè)五元組，Agent=(Activity-Mod-el，Self-Model，Behavior-Controller，Info-Blackboard，Commnnication-Interface)，其中：

　　Activity-Model——描述一組由該Agent調(diào)度和監(jiān)控的活動(dòng)，活動(dòng)(參見(jiàn)定義2)可以是基本的(不可分解)或復(fù)合的，復(fù)合活動(dòng)往往需要由多Agent系統(tǒng)(Multi-agent System，MAS)中的多個(gè)Agent協(xié)作執(zhí)行。

　　Self-Model——描述該Agent擁有的執(zhí)行基本活動(dòng)的技能和執(zhí)行復(fù)合活動(dòng)的意向。

　　Behavior-Controller負(fù)責(zé)控制Agent的行為，分兩個(gè)層次：協(xié)作層和領(lǐng)域?qū)?，協(xié)作層實(shí)行對(duì)復(fù)合活動(dòng)的聯(lián)合，領(lǐng)域?qū)觿t啟動(dòng)執(zhí)行面向基本活動(dòng)的技能。

　　Info-Blackboard—記載該Agent接受的外部信息和自身運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的中間結(jié)果或信息。

　　Communication-Interface—支持與其它Agent(或人)間的通信。

　　多Agent系統(tǒng)是由多個(gè)Agent組成的集合，其中每個(gè)Agent都能作用于自身和環(huán)境，并與其他Agent進(jìn)行通訊。在MAS中，Agent之間的合們起著極重要的們用，通過(guò)合作，MAS提高了整個(gè)系統(tǒng)求解問(wèn)題的水平。

　　定義2：作為一類(lèi)特殊的Agent系統(tǒng)(Multi-agent Sys-tem，MAS)，Agent聯(lián)邦(Agent-Federation)可以定義為一個(gè)兩元組(Manager-Agent，Member-Agent-Set)，其中：

　　Manager-Agent代表該聯(lián)邦的管理Agent，負(fù)責(zé)過(guò)程的調(diào)度、規(guī)劃和分配，是本Agent聯(lián)邦的核心;

　　Member-Agent-Set代表該聯(lián)邦內(nèi)除管理Agent外其它成員Agent組成的集合，以BNF范式描述為：

　　::={}

　　成員Agent在Manager-Agent中注冊(cè)并接受Manager-Agent分配的子過(guò)程并加以執(zhí)行。

　　類(lèi)似于MAS，在Agent聯(lián)邦中，Agent之間的合作起著極重要的作用，通過(guò)合作，Agent聯(lián)邦提高了求解問(wèn)題的水平，表現(xiàn)出比單個(gè)Agent更優(yōu)越的性能。

　　定義3：Agent之間的合作(Agent-Collaboration)分縱向合們(Vertical-Collaboration)和橫向合作(Horizontal-Collabora-tion)兩種，以BNF范式描述為：

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　　其中，Composite-Process代表需要通過(guò)多個(gè)Agent合作才能完成的復(fù)合過(guò)程;Manager代表發(fā)起該復(fù)合過(guò)程的Agent，通常為Agent聯(lián)邦中的Manager-Agent：Other-Manager-Set代表參與橫向合作的其它Agent聯(lián)邦中的Manager-Agent所組成的集合。

　　通常情況下，Agent之間的縱向合作發(fā)生在Agent聯(lián)邦內(nèi)部，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這種縱向合作以Manager-Agent對(duì)Member-Agent的調(diào)度方式進(jìn)行，也就是說(shuō)，Member-Agent只是負(fù)責(zé)接受Manager-Agent分配的Sub-Process并加以執(zhí)行;而Agent之間的橫向合作發(fā)生在Agent聯(lián)邦之間，由各聯(lián)邦的Manager-Agent和互協(xié)商確定是否參與合作。

　　2.3 基于多Agent的虛擬工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)VPPS

　　針對(duì)虛擬企業(yè)工藝設(shè)計(jì)的上述特點(diǎn)，通過(guò)Agent技術(shù)的引入，筆者構(gòu)建了一個(gè)虛擬工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)—VPPS< Virtual Process Planning System)，系統(tǒng)采用了較為合理的管理模式：整個(gè)系統(tǒng)中，各協(xié)作企業(yè)結(jié)成競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)作關(guān)系(各企業(yè)追求自身利益的最大化)，同企業(yè)內(nèi)部所屬的各車(chē)間則采用完全合作的關(guān)系(以企業(yè)整體利益最人為目標(biāo))。

　　如圖11聽(tīng)示，整個(gè)系統(tǒng)最主要分成了企業(yè)模塊和操作單元模塊兩大部分，企業(yè)接到工藝設(shè)計(jì)任務(wù)后，以“縱向招標(biāo)”方式將各任務(wù)“預(yù)分配”給下屬的車(chē)間單元，若企業(yè)自身缺乏能力完成該工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的全部或部分后(表現(xiàn)為子任務(wù)無(wú)相應(yīng)的投標(biāo)者)，則將不能完成的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)以“橫向招標(biāo)”方式“預(yù)轉(zhuǎn)讓”給其他協(xié)作企業(yè)。在工藝設(shè)計(jì)任務(wù)完成“預(yù)分配”(或“預(yù)轉(zhuǎn)讓”)后，企業(yè)可根據(jù)成本核算函數(shù)確定各子任務(wù)的最終完成者，并向滿足條件的車(chē)間(或協(xié)作企業(yè))發(fā)消息，將其從“預(yù)定完成人”確定為“完成人”，使子任務(wù)真正落實(shí)。

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　　圖1 系統(tǒng)任務(wù)分配示意圖

　　整個(gè)虛擬企業(yè)工藝設(shè)計(jì)任務(wù)的主體是若干企業(yè)，系統(tǒng)為每個(gè)企業(yè)設(shè)立一個(gè)Agent聯(lián)邦，它下面包括一個(gè)企業(yè)級(jí)Agent(EA)，若干個(gè)車(chē)間級(jí)Agent(CA)和一個(gè)接口Agent(IA)，聯(lián)邦的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。Agent聯(lián)邦可分層嵌套，層次的多少根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度而定。如某一CA若發(fā)現(xiàn)承接的工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)過(guò)于復(fù)雜，可將工藝設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)步劃分為各子任務(wù)，分配給再下一層的Agent聯(lián)邦執(zhí)行。

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　　圖2 VPPS的Agent聯(lián)邦的框架

　　2.4 系統(tǒng)級(jí)Agent的面向?qū)ο蠓治?/p>

　　各Agent具體功能如下所述：

　　(1) 企業(yè)級(jí)Agent(EA)

　　進(jìn)行總體工藝設(shè)計(jì)，主要包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性審查，產(chǎn)品工藝零件組劃分，產(chǎn)品工藝流程(亦稱(chēng)分工計(jì)劃)制定;

　　將每一個(gè)工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)“預(yù)分配”給下屬眾多的CA;

　　“預(yù)轉(zhuǎn)讓”工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)給其協(xié)作的EA;

　　根據(jù)投標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)的實(shí)際分配和轉(zhuǎn)讓;

　　出現(xiàn)異常情況時(shí)，將工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)進(jìn)行重新分配(或重新轉(zhuǎn)讓);

　　(2)車(chē)間級(jí)Agent(CA)

　　對(duì)到達(dá)的工藝設(shè)計(jì)子任務(wù)進(jìn)行成本估算，并依據(jù)自身的能力決定是否投標(biāo)，在投標(biāo)的基礎(chǔ)上，將估算結(jié)果上報(bào)給上層EA;

　　接收異常信息，發(fā)送該異常情況信息給上層EA，并修改工藝設(shè)計(jì)任務(wù)集中的相應(yīng)信息;

　　進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)工藝設(shè)計(jì);

　　(3)接口Agent(IA)

　　接收工藝設(shè)計(jì)任務(wù)，并通知其上層EA;

　　查詢本聯(lián)邦所屬CA的信息及其任務(wù)分配狀況信息;

　　查詢有協(xié)作關(guān)系的EA的信息。

　　3 結(jié)論

　　和以往的計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比，VPPS系統(tǒng)更加強(qiáng)調(diào)工藝的異地協(xié)同設(shè)計(jì)，充分利用合作企業(yè)已有的設(shè)計(jì)、制造資源，確保了產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的可靠性和敏捷性，提高了企業(yè)的T、Q、C、S水平，較好地滿足了敏捷制造這一先進(jìn)制造模式對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)提出的新的要求。VPPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)已在自主開(kāi)發(fā)的商品化軟件GS-CAPP中得以實(shí)現(xiàn)，并在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好的效果。