基于MAS的造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理模型

王志英，刁雅靜，任 南

(江蘇科技大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

船舶工業(yè)產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度大，在國民經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮著重要作用。2011年，我國船舶工業(yè)三大指標造船完工量、新接訂單量和手持訂單量以載重噸計分別在6800萬噸、3700萬噸和1.6億噸左右，繼續(xù)居全球首位［1］?！笆濉逼陂g是我國船舶工業(yè)加快轉型升級、實現(xiàn)由“大”變“強”的關鍵時期。造船強國主要表現(xiàn)在技術與管理上，而我國船舶工業(yè)盡管在總量和規(guī)模上是世界第一，但與發(fā)達國家相比，還不是造船強國。我國造船業(yè)和日、韓相比勞動力成本優(yōu)勢明顯，但造船效率并不高，管理水平還有待大幅提升，突出表現(xiàn)在造船生產(chǎn)管理方面。在造船生產(chǎn)管理領域，基本處于以粗放式調度型為主的傳統(tǒng)模式，信息技術應用不足，“信息孤島”現(xiàn)象嚴重，信息集成性差［2］。由于造船系統(tǒng)的復雜性，涉及中間產(chǎn)品多，導致造船生產(chǎn)現(xiàn)場組織管理難度較大，生產(chǎn)管理部門缺乏數(shù)據(jù)管理的積極性和主動性，生產(chǎn)現(xiàn)場不能收集到規(guī)范的反饋信息，設計部門不能提供系統(tǒng)完整的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。而造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理具有非辦公場所、調度性、范圍和屬性廣泛等管理特點，針對我國造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場管理的信息化應用一直是個盲區(qū)［3］。這就有必要建立造船生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理模型及平臺以有效收集、傳達、處理、利用造船生產(chǎn)現(xiàn)場的各類信息。

1 采用MAS建模造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理問題的可行性

多Agent系統(tǒng) (multi-agent system，MAS)技術的應用研究近年來呈現(xiàn)明顯增長的趨勢，在復雜系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)中起到的作用越來越重要。MAS是一個松散耦合的Agent網(wǎng)絡，是指由多個可執(zhí)行網(wǎng)絡計算 Agent組成的集合［4－5］。在網(wǎng)絡與分布式環(huán)境下，每個Agent是獨立自主的，能作用于自身和環(huán)境，能對環(huán)境的變化做出反應，更重要的是與其他Agent通信、交互，彼此協(xié)同工作，完成共同的任務。多個Agent通過相互協(xié)作能解決超過單個Agent能力的問題。該系統(tǒng)能模擬人類社會團體、大型組織機構的群體工作，并運用其解決問題的工作方式，解決共同關心的復雜問題［6］。

造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理是指用科學的標準和方法對造船生產(chǎn)現(xiàn)場各要素進行合理有效的協(xié)調和利用，在保證造船周期和質量的前提下實現(xiàn)造船企業(yè)利潤最大化，造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場是分布、動態(tài)、規(guī)模龐大的系統(tǒng)，具有廣泛性、復雜性和開放性，正好利用MAS之間自治、相互協(xié)作的關系來完成造船生產(chǎn)現(xiàn)場復雜的管理問題建模。因為Agent能夠靈活地與外界進行交互作用，當問題領域涉及大量不同的數(shù)據(jù)資源時而這些資源在物理或邏輯上又是分布的，并且需要相互協(xié)作以解決公共問題時，Agent技術是一種有效的選擇。Agent的表示方式清晰易懂，其功能和名稱用以反映用戶的偏好，并代表用戶與其他Agent進行交互。

所以，將MAS技術引入到造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)的建模中，利用MAS的協(xié)作、存儲、智能性、自治性、社會性、主動性，使造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)功能模塊和各要素通過Agent的協(xié)作來完成整個造船生產(chǎn)現(xiàn)場的管理，為造船現(xiàn)場復雜、龐大的業(yè)務管理提供強有力的抽象工具和解決方案，實現(xiàn)造船生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)的分布式并行運行，為決策者提供實時現(xiàn)場控制和決策支持，提高造船企業(yè)生產(chǎn)管理效率。

2 基于MAS的造船生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理模型

基于以上背景和可行性分析，下面給出基于MAS的造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理模型，如圖1所示。根據(jù)Agent在造船生產(chǎn)現(xiàn)場中的角色將MAS分為決策支持Agent、現(xiàn)場協(xié)調Agent、功能Agent等。通過造船生產(chǎn)現(xiàn)場元數(shù)據(jù)的支持，各Agent相互協(xié)作，實現(xiàn)造船生產(chǎn)現(xiàn)場業(yè)務、流程、管理、信息的集成和協(xié)同。

圖1 基于MAS的造船生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理模型Fig.1 Collaborative management model of shipbuilding production site based on MAS

2.1 造船生產(chǎn)現(xiàn)場元數(shù)據(jù)集提取

造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理所涉及到的管理要素多而復雜，要捕捉造船生產(chǎn)現(xiàn)場全面的管理特點與需求，就要基于系統(tǒng)的思想整理生產(chǎn)現(xiàn)場的基礎資源。在總裝造船作業(yè)主流程的基礎上，造船生產(chǎn)現(xiàn)場元數(shù)據(jù)可按殼(船體建造作業(yè))、舾(舾裝作業(yè))、涂(涂裝作業(yè))進行分類提取，按工藝流程、工序、工位細化的原則確定基本數(shù)據(jù)采集點，明確各采集點的元數(shù)據(jù)類別。在此基礎上對造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理的業(yè)務邏輯、職能、過程、活動進行深入分析，構建造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理要素元數(shù)據(jù)集，為造船生產(chǎn)管理Agent的創(chuàng)建作鋪墊，也是實現(xiàn)造船設計、生產(chǎn)、管理、信息一體化，優(yōu)化資源配置的前提。

2.2 設計造船生產(chǎn)現(xiàn)場Agent

造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理MAS中的各個Agent具有通用的Agent結構，分別承擔不同的角色，獨立工作又互相協(xié)作，所以，各個Agent具有不同的功能。Agent的設計就是確定造船生產(chǎn)現(xiàn)場Agent的組成，界定各Agent的任務，確定各Agent感知信息和影響內部狀態(tài)的方式。設計的Agent要能模擬造船生產(chǎn)現(xiàn)場全過程及其資源影響，能達到模型重用、任務分配與分解、功能協(xié)調與協(xié)商的目的。限于篇幅，僅介紹造船生產(chǎn)現(xiàn)場MAS中的3種典型Agent的設計。

1)造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理功能Agent設計

造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理功能Agent的設計要符合造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)一定范圍內的任務需求。功能Agent一般設計為反應式，被動地激活后去完成協(xié)調Agent分配的任務。以造船生產(chǎn)現(xiàn)場托盤管理Agent為例進行Agent的功能說明。托盤管理Agent的主要任務是負責舾裝件的集中配套工作，按照托盤集配計劃的要求，以托盤管理表為依據(jù)，從各種渠道將舾裝件領運到集配中心進行配盤。由于舾裝件的生產(chǎn)渠道復雜、種類多，托盤管理Agent還負責將各種舾裝件的生產(chǎn)信息、到貨情況通過MAS公共通信控制系統(tǒng)反饋給協(xié)調Agent，同時將各種采購的舾裝件的納期通過MAS公共通信控制系統(tǒng)反饋給采購部門，滿足集配及生產(chǎn)的要求。

2)造船現(xiàn)場協(xié)調Agent設計

協(xié)調Agent是整個造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)的核心，它的主要功能是通過會話Agent和現(xiàn)場管理決策者通信，根據(jù)自身知識庫和協(xié)作的原則把任務分解成各種適合功能Agent完成的子任務，并通過招標將子任務分配給最適合的造船生產(chǎn)現(xiàn)場功能Agent，直接或者間接地控制著系統(tǒng)中的所有其他Agent。在具體實現(xiàn)中，協(xié)調Agent應該設計成具有感知、意圖、信念、能力和學習的主動Agent。造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)協(xié)調Agent根據(jù)現(xiàn)場管理人員的需求，確定任務類型，充分利用生產(chǎn)現(xiàn)場管理元數(shù)據(jù)集將現(xiàn)場管理任務分解，發(fā)送現(xiàn)場管理數(shù)據(jù)和控制信息，將現(xiàn)場管理的子任務分配給其他Agent，等著接收任務Agent反饋回來的信息，綜合結果后再反饋給現(xiàn)場管理人員。

3)界面Agent設計

界面Agent是造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)場管理人員通過人機界面Agent了解生產(chǎn)信息和輔助決策信息，同時下達任務要求，不同管理人員的需求、偏好以及對信息的需求種類不同，智能的人機界面Agent應該能夠提供有針對性的頁面將信息以易于接受的方式傳遞給決策者。界面Agent的主要功能是提供個性化的、智能的生產(chǎn)現(xiàn)場管理人員界面，接受現(xiàn)場管理人員的任務下達和信息需求，并細化信息獲取需求，將生產(chǎn)現(xiàn)場管理人員需要的信息呈現(xiàn)出來。

3 造船生產(chǎn)現(xiàn)場MAS的協(xié)調機制

MAS中的多個Agent間協(xié)調方式有多種，鑒于造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理特點的需求，本文采用合同網(wǎng)協(xié)商機制進行協(xié)調。合同網(wǎng)是許多節(jié)點的集合，其中每個節(jié)點充當管理者或執(zhí)行者，管理者、執(zhí)行者是動態(tài)產(chǎn)生的，其身份也可互換。造船生產(chǎn)現(xiàn)場調度管理MAS的協(xié)調過程如圖2所示。

圖2 造船生產(chǎn)現(xiàn)場MAS的協(xié)調機制Fig.2 MAS Coordination mechanism of shipbuilding production site

現(xiàn)場調度MAS的協(xié)作過程是由現(xiàn)場協(xié)調Agent根據(jù)委托任務隊列中任務的性質來建立的。當造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理人員需要調度方案時，向界面Agent提出任務請求，任務請求信息包括任務詳細描述、準許的完成期限、完成質量要求、投標截止時間等內容，界面Agent將任務發(fā)送給現(xiàn)場協(xié)調Agent去尋找現(xiàn)場調度方案Agent，調度方案Agent監(jiān)聽任務發(fā)布信息做出選擇并發(fā)出標書，每個接到競標信息的Agent根據(jù)自身狀態(tài)和造船現(xiàn)場管理元數(shù)據(jù)信息，對收到的任務信息進行評估競標，當任務的投標截止期結束，現(xiàn)場協(xié)調Agent根據(jù)調度方案Agent的投標情況挑選出最好的標值，并把此項調度任務加入任務隊列中，準備操作，在適當?shù)臅r間執(zhí)行現(xiàn)場調度任務?，F(xiàn)場協(xié)調Agent對調度任務準備、執(zhí)行過程進行監(jiān)控，在任務準備、執(zhí)行過程中如出現(xiàn)異常則主動向控制Agent報告，控制Agent進行協(xié)商處理或返回重新安排現(xiàn)場協(xié)調Agent發(fā)標。在MAS的協(xié)作過程中要平衡造船生產(chǎn)現(xiàn)場各Agent之間的地位，避免通信瓶頸。

4 模型的平臺架構

與信息技術相結合，構建基于MAS的造船生產(chǎn)現(xiàn)場協(xié)同管理平臺架構。由于造船生產(chǎn)現(xiàn)場所涉及的管理要素、制造資源眾多，調度頻繁，所以該平臺架構要滿足可重構、開放、集成、共享、分布等要求，同時還要滿足造船生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時采集、存儲和標準化等關鍵問題。平臺架構如圖3所示。系統(tǒng)的開發(fā)采用Java語言，用Java API進行數(shù)據(jù)庫編程，采用JDBC－ODBC橋接驅動程序進行數(shù)據(jù)庫連接，后臺數(shù)據(jù)庫采用SQLServer 2005。

圖3 模型的平臺架構Fig.3 Platform architecture of the model

5 結語

本文將MAS與信息技術相結合用在造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理領域，指導造船企業(yè)生產(chǎn)管理軟件和制造執(zhí)行軟件的開發(fā)，推進現(xiàn)代化造船企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場管理信息化的應用。通過MAS模型連通造船生產(chǎn)現(xiàn)場與造船企業(yè)計算機管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各級數(shù)據(jù)的動態(tài)采集、傳送、無縫連接與共享，前后貫通整個造船生產(chǎn)線，使造船生產(chǎn)現(xiàn)場的各類信息流動、共享、協(xié)作，使造船生產(chǎn)現(xiàn)場系統(tǒng)在動態(tài)多變的環(huán)境中具有自適應能力，實現(xiàn)造船企業(yè)資源的合理配置和有效利用，從而使造船企業(yè)管理高效化，控制最優(yōu)化，提升造船生產(chǎn)管理水平，這有助于實踐上為實現(xiàn)造船“設計、生產(chǎn)、管理、信息一體化”奠定基礎，促進船舶工業(yè)的快速發(fā)展。

［1］http://investment.heshan.gov.cn/waijingmao/ShowArticle.asp?ArticleID=690，2012－02－02/2012－02－06.

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