面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)建模

喬?hào)|平，李 浩，肖艷秋

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

0 引言

在全球競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下,傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)通常采用集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有柔性差、不易配置和集成、難修改和擴(kuò)展的特點(diǎn)[1,2]，對(duì)于生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件處理能力較弱?；诜植际?jīng)Q策和局部控制的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)能夠較好滿足生產(chǎn)過程管理面臨的新挑戰(zhàn)，它通過松散耦合的問題解決者之間的協(xié)作為突發(fā)事件處理提供支持[3]。

伴隨著Agent技術(shù)的發(fā)展，Agent逐漸成為分布式問題求解的重要手段[4]，基于Agent技術(shù)在制造領(lǐng)域構(gòu)建分布式應(yīng)用的研究得到了廣泛的關(guān)注[5～7]，眾多的研究成果證明起源于分布式人工智能的Agent為構(gòu)造靈活健壯的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供了新的思路。本文針對(duì)裝備制造企業(yè)生產(chǎn)管理的特點(diǎn)，基于Agent技術(shù)建立分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)以滿足企業(yè)需要，在分析分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用擴(kuò)展面向?qū)ο蠓椒ń⒎植际缴a(chǎn)管理系統(tǒng)模型，基于AUM L(Agent Unified M odeling Language)詳細(xì)分析了系統(tǒng)的建模過程，給出采用JADE(Java Agent DEvelopment Framework)的系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)。

1 分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)裝備制造企業(yè)生產(chǎn)過程的有效組織和管理，構(gòu)建虛擬動(dòng)態(tài)管理單元實(shí)現(xiàn)對(duì)參與生產(chǎn)過程的實(shí)體進(jìn)行有效的單元?jiǎng)澐趾徒M織[8]。虛擬動(dòng)態(tài)管理單元用邏輯單元的概念實(shí)現(xiàn)參與生產(chǎn)過程實(shí)體的動(dòng)態(tài)重組，使系統(tǒng)的控制具有自治和協(xié)作的雙重特性，增加了系統(tǒng)的柔性和適應(yīng)性。參考典型的企業(yè)模型，基于虛擬動(dòng)態(tài)管理單元將生產(chǎn)車間分為管理層、虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層和執(zhí)行層，相關(guān)實(shí)體基于生產(chǎn)過程本體進(jìn)行通信,其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

在生產(chǎn)管理過程中管理層、虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層和執(zhí)行層之間存在遞階控制，同一層中的實(shí)體基于合同網(wǎng)的協(xié)商進(jìn)行交互，屬于分布式控制。各層的詳細(xì)介紹如下：

1）管理層：是生產(chǎn)過程管理的最高管理層，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)任務(wù)的宏觀管理和后勤管理，如生產(chǎn)訂單管理等；負(fù)責(zé)虛擬動(dòng)態(tài)管理單元的創(chuàng)建和消亡；對(duì)生產(chǎn)安排進(jìn)行宏觀調(diào)控，當(dāng)虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層發(fā)生沖突時(shí)由管理層依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際做出決策；對(duì)于一些緊急任務(wù)，管理層可以強(qiáng)制進(jìn)行安排，保證訂單按時(shí)交付。

2）虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層：由一組虛擬動(dòng)態(tài)管理單元組成，是系統(tǒng)的局部管理者，不同的單元負(fù)責(zé)管理不同的制造實(shí)體，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際對(duì)單元內(nèi)資源使用進(jìn)行優(yōu)化；負(fù)責(zé)對(duì)單元內(nèi)的沖突進(jìn)行解決協(xié)調(diào)，并將制造實(shí)體的狀態(tài)信息傳遞給管理層。

3）執(zhí)行層：執(zhí)行層處于系統(tǒng)的最底層，由眾多的制造實(shí)體構(gòu)成，它們通過向不同虛擬動(dòng)態(tài)管理單元注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)資源的共享和充分利用。

生產(chǎn)過程本體為生產(chǎn)過程提供了無二義性的表達(dá)，相關(guān)實(shí)體可以用統(tǒng)一的方式進(jìn)行信息和知識(shí)存儲(chǔ)，彼此之間可以相互理解，為實(shí)體之間通信提供語義層支持。

2 面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)模型

2.1 AUML[9]介紹

由FIPA(Foundation For Intelligence Physical Agent)和OMG(Object Management Group)聯(lián)合發(fā)布的Agent UML(AUML)[9]通過使用和擴(kuò)展UML對(duì)面向Agent的建模提供支持。由于UML中定義的符號(hào)和規(guī)則用來描述Agent系統(tǒng)是不夠的，因此AUML的基本原則是：充分利用UM L已經(jīng)定義的符號(hào)和規(guī)則，但不局限于此，在需要的時(shí)候創(chuàng)建新的符號(hào)或是借鑒其他領(lǐng)域的符號(hào)。AUM L通過擴(kuò)展UML為面向Agent的系統(tǒng)建模和分析提供了統(tǒng)一的建模語言，采用一系列視圖從不同角度描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為，支持面向Agent的系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)生命周期的描述。AUML主要在順序視圖、類視圖和狀態(tài)視圖等方面對(duì)UML進(jìn)行了擴(kuò)展。

AUML將UML中的順序圖擴(kuò)展后應(yīng)用于Agent之間的交互描述,引入連接符表達(dá)在多個(gè)消息(或事件)中選擇一個(gè)或若干個(gè)以及多個(gè)消息(或事件)并發(fā)傳遞(執(zhí)行)的情況，擴(kuò)展后的順序圖是表達(dá)FIPA中交互協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)。

AUM L中Agent類圖采用UM L衍型的方式定義，包括Agent類的名稱、角色名、狀態(tài)描述、內(nèi)部行為、對(duì)外提供的服務(wù)和相關(guān)協(xié)議等，實(shí)現(xiàn)Agent內(nèi)部狀態(tài)(屬性、規(guī)則和知識(shí)、信念、意圖和目標(biāo)等)和動(dòng)態(tài)行為(方法、自治行為、通信和推理行為等)的描述。

AUM L將狀態(tài)圖和活動(dòng)圖結(jié)合起來用于描述Agent之間交互的處理流程和推理行為，通過支持狀態(tài)圖的嵌套實(shí)現(xiàn)對(duì)Agent間交互和推理的支持。

2.2 面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)建模

采用面向Agent方法對(duì)分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)建模，主要是基于AUM L對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和模型構(gòu)建。由于系統(tǒng)包含的功能多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要從以下七個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析。

1）系統(tǒng)功能需求描述

在傳統(tǒng)的面向?qū)ο蠓治鲋型ǔ８鶕?jù)系統(tǒng)的目標(biāo)描述系統(tǒng)需求，進(jìn)而對(duì)其功能進(jìn)行分析，容易造成需求冗余和需求矛盾。因此面向Agent的建模中基于對(duì)生產(chǎn)過程應(yīng)用場(chǎng)景分析，使用用例圖描述系統(tǒng)功能需求，從用戶的角度獲取系統(tǒng)功能，分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能需求描述用例圖如圖2所示。

圖2 功能需求描述用例圖

從圖中可以看出，系統(tǒng)的用戶主要包括：管理人員(factory manager)、計(jì)劃員(planner)、調(diào)度員(scheduler)、工段長(zhǎng)(section chief)、工人(worker)、工藝員(technologist)和庫(kù)存管理員(storekeeper)，不同的用戶對(duì)系統(tǒng)的功能需求不同，如管理人員主要需要一些查詢功能，包括生產(chǎn)訂單查詢(production order find)和生產(chǎn)計(jì)劃查詢(production plan find)等。

2）Agent識(shí)別

識(shí)別系統(tǒng)中的Agent是構(gòu)建面向Agent系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其結(jié)果直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接將系統(tǒng)中的物理實(shí)體或功能映射為Agent，前者會(huì)造成系統(tǒng)中Agent數(shù)量過多，運(yùn)行中通信量大的問題；后者需要在Agent間共享大量的狀態(tài)變量，增加系統(tǒng)中Agent間的額外交互。綜合使用兩種方法識(shí)別分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的Agent，在執(zhí)行層將物理實(shí)體直接映射為Agent，方便管理其狀態(tài)；在虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層和管理層將功能模塊映射為Agent，通過共享功能模塊之間的狀態(tài)，減少Agent間交互。在基于AUML描述的模型中Agent是包含一組用例的包，將系統(tǒng)功能需求描述中獲得的用例進(jìn)行組織，獲得的Agent與用例對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)中Agent與用例的對(duì)應(yīng)關(guān)系

系統(tǒng)中的Agent有：管理Agent(M anagement A gen t M A)、虛擬單元管理A gen t(V ir tua l Cell M anagem ent Agent VCM A)、資源管理Agent(Resource Management Agent ResMA)、任務(wù)管理Agent(Task M anagement Agent TMA)、資源Agent(Resource Agent RA)、庫(kù)房Agent(Warehouse Agent WA)和工藝規(guī)范管理Agent(Process Spec Management Agent PSMA)，其中管理Agent屬于管理層，虛擬單元管理Agent屬于虛擬動(dòng)態(tài)管理單元層，其他Agent屬于執(zhí)行層。

3）Agent角色識(shí)別

通過識(shí)別Agent在協(xié)同過程中扮演的不同角色，有助于理解Agent行為方式以及Agent之間的協(xié)同過程。在AUML中采用順序圖來表達(dá)Agent的協(xié)同過程，圖中的每一個(gè)對(duì)象代表一個(gè)Agent，通常采用＜角色名＞：＜Agent名＞的語法形式進(jìn)行命名。管理人員通過管理Agent進(jìn)行任務(wù)分派的交互過程中Agent的角色識(shí)別如圖4所示，在此過程中不同的Agent扮演不同的角色，如VCMA是任務(wù)分配的管理者，PSMA是工藝規(guī)范的提供者，RA是資源的提供者等，它們通過消息傳遞實(shí)現(xiàn)協(xié)同，完成任務(wù)分配。

4）任務(wù)分解

將系統(tǒng)功能圍繞Agent進(jìn)行分解，將Agent執(zhí)行的任務(wù)標(biāo)識(shí)出來，從組織的角度將Agent承擔(dān)的任務(wù)進(jìn)行劃分，有助于對(duì)Agent內(nèi)部狀態(tài)和動(dòng)態(tài)行為的描述，在AUM L中任務(wù)分解用活動(dòng)圖表示。對(duì)任務(wù)管理Agent進(jìn)行任務(wù)分解的活動(dòng)圖如圖5所示，圖中右邊泳道中的活動(dòng)代表任務(wù)管理Agent執(zhí)行的主要任務(wù)，在同一泳道中的活動(dòng)變遷表示其執(zhí)行任務(wù)過程中的控制，而不同泳道中的活動(dòng)變遷則是Agent在活動(dòng)執(zhí)行過程與其它Agent之間的交互。

圖4 任務(wù)分派過程中的角色識(shí)別

圖5 任務(wù)管理Agent的任務(wù)分解圖

5）Agent角色描述

從Agent在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的角色、彼此之間的交互和會(huì)話的角度對(duì)Agent生命過程進(jìn)行建模，分析Agent在任務(wù)執(zhí)行過程中扮演角色的具體行為。在AUM L中使用類圖來描述Agent承擔(dān)的角色，每個(gè)類代表一個(gè)角色，而Agent使用包含角色的包表示，通過對(duì)Agent承擔(dān)的角色進(jìn)行行為描述一方面有助于理解其行為，同時(shí)還表達(dá)了Agen t承擔(dān)不同角色之間的關(guān)系以及角色之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，角色之間的關(guān)系主要有通信關(guān)系(Communications)、依賴關(guān)系(Dependencies)和角色轉(zhuǎn)換關(guān)系(Role changes)三種，其中依賴關(guān)系又分為服務(wù)(service)、資源(resource)、半服務(wù)/半資源(soft-service/ soft-resource) 依賴三種。

系統(tǒng)中Agent的角色描述如圖6所示，圖中描述了系統(tǒng)中Agent角色間的通信、依賴和角色轉(zhuǎn)換關(guān)系，如VCMA在進(jìn)行單元管理時(shí)需要與單元內(nèi)的TMA進(jìn)行通信獲得單元內(nèi)任務(wù)的狀態(tài)，因此二者之間具有通信關(guān)系。

圖6 系統(tǒng)中Agent角色描述

6）Agent交互協(xié)議描述

系統(tǒng)運(yùn)行過程中Agent之間的交互要遵循標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)中Agent的通信基于FIPA提出的合同網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，在AUM L中采用擴(kuò)展的UM L順序圖對(duì)其描述?；诤贤W(wǎng)描述的生產(chǎn)過程中ResMA向RA分配任務(wù)的交互協(xié)議如圖7所示。在此過程中，ResMA首先向RA發(fā)送分配任務(wù)的消息，如果RA能夠按要求將任務(wù)安排，則將任務(wù)安排信息發(fā)送給ResMA，否則發(fā)送調(diào)整自身任務(wù)需求的消息或者非空閑消息;當(dāng)ResMA接收到調(diào)整請(qǐng)求，根據(jù)當(dāng)前的狀況，可以取消分配或者允許調(diào)整，RA接收到允許調(diào)整消息，將調(diào)整任務(wù)隊(duì)列，并對(duì)任務(wù)做出安排，將安排信息發(fā)送給ResMA；當(dāng)ResMA接收到非空閑消息，可以向RA發(fā)送取消任務(wù)消息，通過取消其他任務(wù)使當(dāng)前任務(wù)獲得安排，當(dāng)RA接收到取消任務(wù)信息后，對(duì)任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)進(jìn)行取消操作，將任務(wù)安排信息發(fā)送到ResMA。

圖7 ResMA向RA分配任務(wù)的交互協(xié)議

7）Agent結(jié)構(gòu)定義

在AUML中使用類圖來表示Agent結(jié)構(gòu)，類代表系統(tǒng)中的Agent，類的屬性表示Agent的知識(shí)，操作表示Agent的行為，類之間的關(guān)系表示Agent之間的通信。Agent的結(jié)構(gòu)圖通常有多Agent結(jié)構(gòu)圖和單個(gè)Agent結(jié)構(gòu)圖兩種。前者從整體上對(duì)系統(tǒng)中Agent之間的關(guān)系進(jìn)行描述，包含了系統(tǒng)中所有Agent、外部用戶以及它們之間的交互關(guān)系，分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)的多Agent結(jié)構(gòu)圖如圖8(a)所示,從整體的角度給出相關(guān)Agent的主要知識(shí)、行為以及彼此之間的通信關(guān)系；后者是在前者的基礎(chǔ)上結(jié)合Agent實(shí)現(xiàn)技術(shù)獲得的單個(gè)Agent的結(jié)構(gòu)圖。ResMA的結(jié)構(gòu)圖如圖8(b)、8(c)所示，圖8(b)是ResMA實(shí)現(xiàn)的主類結(jié)構(gòu)圖，圖8(c)是ResMA主要的行為類結(jié)構(gòu)圖。

圖8 Agent結(jié)構(gòu)定義圖

根據(jù)以上分析，將系統(tǒng)中的單個(gè)Agent構(gòu)建為一個(gè)類，Agent的行為根據(jù)需要組織為一個(gè)或多個(gè)類，最后基于AUML構(gòu)建的系統(tǒng)主要類視圖如圖9所示，圖中Agent之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系代表彼此之間的通信。

圖9 系統(tǒng)中Agnet類視圖

3 面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)模型，采用意大利電信實(shí)驗(yàn)室主持開發(fā)的Agent開發(fā)平臺(tái)JADE實(shí)現(xiàn)的面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)框架如圖10所示，框架被分為三個(gè)層次。

圖10 基于JADE實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

處于最底層的是JADE分布式Agent平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)，前者為系統(tǒng)的運(yùn)行提供基礎(chǔ)服務(wù)，是分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)中Agent平臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)，其中消息傳遞系統(tǒng)完成Agent通信管理功能，平臺(tái)管理系統(tǒng)功能主要由AMS(Agent Management System)、RMA(Remote Management Agent)和DF(Directory Facilitator)三個(gè)代理組成，分別負(fù)責(zé)系統(tǒng)中Agent管理、Agent界面管理和“黃頁(yè)”服務(wù)等基本功能，通過擴(kuò)展JADE平臺(tái)提供的功能實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了Agent運(yùn)行時(shí)所必須的數(shù)據(jù)、知識(shí)和規(guī)則，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果也保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過JDBC(Java DataBase Connectivity)與系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)Agent連接。

處于中間層的是本體組件和Agent組件，其中本體組件是生產(chǎn)管理過程本體的軟件實(shí)現(xiàn)，將相關(guān)的本體對(duì)象組織在一個(gè)java包，它們向JADE平臺(tái)注冊(cè)后可以直接作為系統(tǒng)中代理之間通信內(nèi)容使用，同時(shí)也為業(yè)務(wù)Agent內(nèi)部知識(shí)和信息的存儲(chǔ)提供方便；Agent組件是框架中業(yè)務(wù)Agent組的軟件實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)框架的業(yè)務(wù)核心，它們繼承了JADE開發(fā)工具集中提供的類，運(yùn)行在不同的JADE容器中，形成分布式應(yīng)用。

最頂層是界面層，提供方便的人機(jī)交互，管理人員可以通過發(fā)送消息干涉Agent的運(yùn)行和查看其運(yùn)行結(jié)果。該層次的開發(fā)繼承了JADE中提供的圖形界面通用類（jade.gui包），同時(shí)使用圖形化的任務(wù)顯示工具建立可視化的人機(jī)交互環(huán)境。

4 結(jié)束語

由于Agent具有自治性、協(xié)同性和社會(huì)性等特點(diǎn)，其在分布式系統(tǒng)構(gòu)建中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，但是如何對(duì)面向Agent的系統(tǒng)建模，詳細(xì)描述Agent自身的屬性、知識(shí)、行為以及在多Agent環(huán)境下的組織形態(tài)和動(dòng)態(tài)交互是系統(tǒng)構(gòu)建中要解決的重要問題。AUM L通過擴(kuò)展UML提供了統(tǒng)一的面向Agent的系統(tǒng)建模語言，使得面向?qū)ο蟮乃枷肟梢灾苯討?yīng)用于面向Agent的系統(tǒng)建模中，為面向Agent系統(tǒng)的建模和分析提供了便利。本文基于AUM L詳細(xì)分析了面向Agent的分布式生產(chǎn)管理系統(tǒng)的建模過程，并給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架。

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