基于Agent 的分布式網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)中的智能數(shù)控設備研究

曹長虹 姚洪斌 黃新春

（1.新疆工程學院機械工程系 新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆工程學院基礎教學研究部 新疆 烏魯木齊 830091；3.西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造教育部重點實驗室 陜西 西安 710072）

0 引言

智能數(shù)控設備由于具有對加工狀態(tài)進行識別、依據(jù)加工狀態(tài)優(yōu)化加工參數(shù)、誤差補償、在線監(jiān)控等功能，在當今制造業(yè)柔性化、敏捷化、智能化和集成化的發(fā)展趨勢下越來越廣泛的應用，隨著全球信息化技術的發(fā)展，制造業(yè)信息化的進程已愈加緊迫，智能數(shù)控設備必須具備與外界（如人、其它數(shù)控設備或周圍環(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)絡技術發(fā)展的前提下，雖然可以通過為每臺智能數(shù)控設備引入一個Agent， 由它來負責完成智能數(shù)控設備與外界的交互， 任務的具體執(zhí)行則由智能數(shù)控設備完成，從而大大提高了智能數(shù)控設備的整體性能。 但是在對于龐大制造系統(tǒng)的分布式制造資源時，就會出現(xiàn)設備信息交互和分配的瓶頸。本文在對數(shù)控設備Agent 模型的研究基礎上，基于分布式網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)的技術特點，通過對數(shù)控設備網(wǎng)絡運行環(huán)境、智能STEP-NC 控制器的運行模式和實現(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)絡化制造的智能數(shù)控設備。

1 數(shù)控設備Agent 模型

數(shù)控設備Agent 是一個具有一定推理、 決策能力的智能實體（軟件計算程序），能夠獨立、自主地根據(jù)其周圍環(huán)境信息、當前狀態(tài)能力，進行規(guī)劃、推理決策并作出適當?shù)姆磻Ｋ菙?shù)控設備的 “代理人”， 而數(shù)控設備則是其所代理的實體。 數(shù)控設備Agent 全權負責所代理的智能數(shù)控設備與外界的通信交流合作事宜。 通過將數(shù)控設備Agent 化，可以有效地降低構成制造系統(tǒng)的復雜程度和各個數(shù)控設備間的耦合度，極大地提高制造系統(tǒng)的開放性、可靠性和動態(tài)可重組性，為實現(xiàn)制造企業(yè)設備級的集成奠定堅實的基礎。

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

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[2]包括應用服務層、數(shù)據(jù)層、操作系統(tǒng)層和硬件設備層，其中，系統(tǒng)的核心功能層——應用服務層由14 個不同功能的Agent 組成，具體是解釋Agent、XML（可擴展標記語言）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)設置管理Agent、決策Agent、檢測Agent 和通信Agent。各功能Agent 模塊之間采用實時軟總線RTCORBA（實時公共對象請求代理體系結(jié)構）進行通信，并通過實時操作系統(tǒng)內(nèi)核擴展和高速實時串行總線，進行數(shù)控系統(tǒng)中高實時模塊的控制。

3 基于智能STEP-NC 控制器的分布式智能數(shù)控設備

3.1 體系結(jié)構

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

為實現(xiàn)智能數(shù)控系統(tǒng)的功能特點， 支持分布式網(wǎng)絡化制造的智能數(shù)控系統(tǒng)應采用多微處理器、多主總線的體系結(jié)構[3]。其體系結(jié)構見圖1。 該系統(tǒng)由CNC 核心模塊、智能STEP-NC控制器、主存儲器模塊和傳統(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控制、加工過程監(jiān)控、誤差補償、加工過程動態(tài)仿真以及數(shù)控設備Agent 等模塊，智能STEP-NC 控制器采用上文設計的基于多Agent 的智能STEP-NC 控制器。該體系結(jié)構的顯著特點是：各功能模塊具有獨立的微處理器，獨立實現(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。

3.2 智能數(shù)控設備原型系統(tǒng)

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

圖2 智能數(shù)控原型系統(tǒng)的體系結(jié)構

智能STEP-NC 控制器主要負責與數(shù)控設備Agent 進行交互，從數(shù)控設備Agent 接受NC 程序、控制命令等，將有關機床的狀態(tài)信息反饋給數(shù)控設備Agent。 在實現(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）實現(xiàn)與數(shù)控設備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)合的方式實現(xiàn)。 該原型系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，從原理上實現(xiàn)了分布式網(wǎng)絡化制造模式的這一構想；它是一個具有層次性的、開放體系結(jié)構的分布式系統(tǒng)， 在用于構造大型復雜系統(tǒng)時可以大大降低系統(tǒng)的復雜度，而且很容易實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展和重組，使制造系統(tǒng)具有更大的系統(tǒng)，非常適用于制造環(huán)境的各個層次上。

3.3 智能式數(shù)控系統(tǒng)分配招標函數(shù)的建立

在接收到生產(chǎn)任務后， 任務Agent 首先將任務分解為各個子任務，并就這些子任務向一些或全部單元Agent 招標。收到招標請求的各單元Agent 依據(jù)各自當前的加工能力決定是否對這些子任務中的一個或多個投標，若決定投標，則向任務Agent 報出相應價格和加工時間， 任務Agent 收到所有標書后，根據(jù)加工成本盡可能小，總通過時間盡可能短的要求，按如下目標函數(shù)確定中標者[4]：

其中，k1，k2為常數(shù)， m 為子任務總數(shù)，MCir是加工單元ri為子任務i 所報出的加工成本；αiri是任務Agent 指定的加權系數(shù)；MTiri是加工單元ri為子任務i 所報出的加工時間；βiri是任務Agent 指定的加權系數(shù)；TCriri+1是將工件從單元運到的運輸成本；TTriri+1是相應的運輸時間。 C、D 分別為總?cè)蝿疹A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 為參與招標的加工單元總數(shù)）。

通過遺傳算法對于智能數(shù)控設備的任務分配進行優(yōu)化算法， 我們可以得到基于Agent 數(shù)控設備智能分配的方法和機制，在這里，假設車間共有10 臺數(shù)控加工設備，分別編號為M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，M10。 其參數(shù)加工將在仿真過程中進行說明，通過對其加工速度、加工成本、負載率等參數(shù)的假設得出下面的仿真過程。

3.4 分布式智能數(shù)控設備的仿真

為實現(xiàn)和驗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)， 對基于網(wǎng)絡協(xié)作的數(shù)控設備Agent 間動態(tài)任務分配進行了仿真研究，并定義了兩種不同類型的Agent：①制造單元Agent，負責數(shù)控設備Agent 的注冊、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，并將該制造任務進行動態(tài)分配。 ②數(shù)控設備Agent，它對自身的制造資源具有控制力，能被其他數(shù)控設備Agent 調(diào)用，但它本身不直接與客戶進行交互。 在試驗中有十臺數(shù)控設備Agent（見表1）， 并在試驗剛開始時每臺數(shù)控設備Agent 的負載率均為零。

表1 數(shù)控設備Agent 參數(shù)列表

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

訂單任務通過對于基于智能STEP-NC 控制器的智能數(shù)控設備中的Agent 單元仿真技術研究， 同時對于分布式智能數(shù)控設備體系功能結(jié)構分配招標機制的運算和和任務規(guī)劃，從而對于基于智能STEP-NC 控制器的智能數(shù)控設備系統(tǒng)按上述的任務分配進行仿真研究。 每個數(shù)控設備Agent 能根據(jù)私有信息對自身任務進行規(guī)劃與調(diào)度，基于公有信息對環(huán)境的變化作出響應，如將不能按時完成的加工任務基于網(wǎng)絡協(xié)作轉(zhuǎn)移給能完成該任務的數(shù)控設備Agent。

表2 動態(tài)任務參數(shù)列表

采用基于網(wǎng)絡協(xié)作的多Agent 技術進行制造任務的動態(tài)分配有如下特點：①制造環(huán)境的動態(tài)變化很難采用數(shù)學建模的方法，分布、自治的Agent 之間的協(xié)作有助于降低動態(tài)任務分配的復雜度，使得采用優(yōu)化的調(diào)度算法成為可能；②由于每個Agent 對應于制造系統(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)化過程中實現(xiàn)全局的優(yōu)化目標；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，實現(xiàn)制造資源的集成。

4 結(jié)論

本文針對數(shù)控設備Agent 模型和基于Agent 智能的STEP－NC 控制器功能和特點分析， 構建了基于智能STEPNC 控制器的分布式智能數(shù)控設備體系結(jié)構及其原型系統(tǒng)，對基于網(wǎng)絡協(xié)作的數(shù)控設備Agent 間動態(tài)任務分配進行了仿真研究分析了其功能分配機制從而驗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)絡化制造系統(tǒng)構想[J].中國機械工程,1999,10:1234－1238.

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

［3］程濤,吳波,楊叔子,等.支持分布式網(wǎng)絡化制造的智能數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].中國機械工程,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.