基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)下的動態(tài)調(diào)度問題研究

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(浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

傳統(tǒng)集中式的控制方法，強調(diào)在統(tǒng)一的控制單元中對整個系統(tǒng)進行信息控制，通過一個計算中心實現(xiàn)所有的調(diào)度任務(wù)與資源規(guī)劃.但這對于實際上處于動態(tài)環(huán)境中的制造單元來講，隨著問題規(guī)模的擴大以及動態(tài)環(huán)境下實時數(shù)據(jù)的不斷增多，這種控制方法對動態(tài)的調(diào)度環(huán)境無法顯示很好的適應(yīng)性，也無法通過任務(wù)分解等方式降低其計算的復(fù)雜性.

Holonic制造系統(tǒng)(Holonic manufacturing system，HMS)由具有自治與協(xié)作特性的Holon單元遞歸嵌套而成，能夠把分布式控制結(jié)構(gòu)與分層控制結(jié)構(gòu)的特點相結(jié)合，使車間調(diào)度系統(tǒng)具有集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全局優(yōu)化等優(yōu)勢的同時兼具分布式系統(tǒng)的魯棒性、柔性等特點.文獻[1-4]提出了一些基于HMS的調(diào)度方法，這些方法在已有的Holonic控制架構(gòu)或者構(gòu)建新的控制架構(gòu)基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)膮f(xié)商機制來構(gòu)建調(diào)度系統(tǒng)，普遍采用合同網(wǎng)協(xié)議、組合拍賣等顯示協(xié)商機制或者拉格朗日松弛法等數(shù)學(xué)方法.蟻群的Stigmergy機制是在一組分散分布的實體之間以對環(huán)境的改變?yōu)槊浇閰f(xié)調(diào)自身行為的一種間接通信方式[5]，十分適合作為基于Holonic控制架構(gòu)的調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)商機制.文獻[6-8]討論了Stigmergy機制應(yīng)用于車間調(diào)度系統(tǒng)的原理、方法以及優(yōu)勢，但都未給出具體的實現(xiàn)方式.因此，在PROSA控制架構(gòu)[9]的基礎(chǔ)上，通過對Ant Holon以及面向動態(tài)調(diào)度的Staff Holon進行設(shè)計，構(gòu)建了基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)，并給出了動態(tài)環(huán)境下這一架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整機制.在定義Holon單元之間通信所需信息素的基礎(chǔ)上，提出了在這一架構(gòu)下各Holon單元以Stigmergy機制為協(xié)商機制的協(xié)商過程以及實現(xiàn)作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度的一般策略.

1 動態(tài)環(huán)境下基于Stigmergy的Ho-lonic控制架構(gòu)

在蟻群的Stigmergy機制中，螞蟻通過在從食物源返回蟻巢的路徑上釋放“信息素”來指導(dǎo)自身或者其他螞蟻找到從蟻巢到食物源的最短路徑.類似地，原材料所在的倉庫系統(tǒng)可以視為蟻巢，生產(chǎn)車間中每臺可供選擇的機器設(shè)備都可以看做是螞蟻覓食道路上的一個結(jié)點，而設(shè)備的不同加工時間就像路徑的不同長度.若以最大完成時間最小作為生產(chǎn)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，則螞蟻用以在蟻巢和食物源之間尋找最短路徑的Stigmergy協(xié)商機制完全適用于車間的生產(chǎn)調(diào)度.因此，可以在PROSA架構(gòu)中引進一種Ant Holon，如同螞蟻在周圍環(huán)境中散布和感知信息素一樣負責(zé)在制造環(huán)境中發(fā)現(xiàn)和傳播信息[7]，由此建立基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu).

1.1 Ant Holon設(shè)計

在PROSA架構(gòu)的基礎(chǔ)上，基本Holon與Staff Holon以一定的速率來創(chuàng)建各自對應(yīng)的Ant Holon來負責(zé)信息的傳播與接收.但是與真實環(huán)境中的螞蟻一樣，建立基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)所需的Ant Holon不僅要求數(shù)量很大而且還要很“便宜”，其中Ant Holon的數(shù)量是可以通過創(chuàng)建速率來設(shè)定的參數(shù).另一方面，Ant Holon的內(nèi)部屬性與創(chuàng)建它的基本Holon或者Staff Holon相同，但并不具有同等的功能，而只是負責(zé)感知和散發(fā)信息素，所以只需要有限的計算能力和通信帶寬[10]，廢棄這種Holon也只需釋放一些計算機內(nèi)存，從而滿足“便宜”這一要求.Ant Holon的屬性與功能采用UML建模語言中的對象圖來表示，如圖1所示.

圖1為基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)中各類Holon之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.

圖1 控制架構(gòu)中各類Holon關(guān)聯(lián)關(guān)系的UML描述

1.2 面向動態(tài)調(diào)度的StaffHolon設(shè)計

在PROSA架構(gòu)中，基本Holon涵蓋了制造系統(tǒng)中獨立的三個方面，Holon本身又具有自相似性，使得系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，更易于擴展.另一方面，通過Staff Holon又可以實現(xiàn)系統(tǒng)的所需的優(yōu)化性能.因此，實際上Holonic控制架構(gòu)是利用Staff Holon來解除系統(tǒng)可靠性、敏捷性與系統(tǒng)性能之間的耦合關(guān)系.當(dāng)系統(tǒng)平穩(wěn)運行的時候，通過Staff Holon建立一種遞階控制結(jié)構(gòu)，基本Holon采用Staff Holon所給出的建議，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化性能.當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)擾動的時候，又通過Staff Holon將系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整到一種臨時的異構(gòu)式控制結(jié)構(gòu).此時，基本Holon將進行自主決策來處理擾動的影響.為此，定義了一類面向動態(tài)調(diào)度的Staff Holon—On-line Supervisor Holon(OS Holon)，其作用包括：

1) 為基本Holon提供充足的信息，通過自身的專家知識和經(jīng)驗為基本Holon提供建議，輔助基本Holon完成生產(chǎn)任務(wù).

2) 監(jiān)督整個生產(chǎn)過程，定期通過Ant Holon向IP Holon發(fā)布詢問狀態(tài)的信息素，基本Holon感知到這一信息素后回復(fù)自身當(dāng)前狀態(tài).

3) 在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)意外擾動后，判斷擾動類型以及對系統(tǒng)造成的影響，并對系統(tǒng)架構(gòu)進行動態(tài)的調(diào)整.

除上述功能外，OS Holon的內(nèi)部屬性中還包含有車間中生產(chǎn)加工過程信息，如某個資源的加工過程相關(guān)信息(出現(xiàn)故障、恢復(fù)加工等)；生產(chǎn)信息，如某個加工任務(wù)的進度信息；基本Holon的信息，如基本Holon當(dāng)前的狀態(tài)、負荷情況等等.OS Holon的屬性與功能的UML描述，如圖1所示.

1.3 信息素定義

與Stigmergy機制中螞蟻釋放“信息素”來指導(dǎo)自身或者其他螞蟻找到從蟻巢到食物源的最短路徑一樣，在Holonic控制架構(gòu)下使用Stigmergy機制作為協(xié)商機制也需要定義一種信息素，基本Holon與Staff Holon通過各自對應(yīng)的Ant Holon釋放這種信息素來供其他Ant Holon感知，從而實現(xiàn)信息的交互與傳遞，這種信息素的表達方式如表1所示.

表1 信息素表達方式

這類信息素的運行機制強調(diào)Stigmergy機制中局部信息素的發(fā)布無需同步的特性.比如，在舊式的醫(yī)院中，護士按時測量完病人的體征參數(shù)之后，將記錄的結(jié)果放在病人的病床上方.當(dāng)醫(yī)生到達之后，取下記錄查看并采取相應(yīng)的措施.在這一過程中護士與醫(yī)生無需約定時間和地點來獲取信息，從而能夠更自由地安排自身的時間，提高工作效率.同理，基本Holon和Staff Holon只需不斷通過Ant Holon向Information Publish Holon(IP Holon)中釋放或者感知信息素，預(yù)定的時間和地點交換信息.IP Holon則是模擬Stigmergy機制中螞蟻所生活的環(huán)境，作為信息素的載體.例如，當(dāng)有訂單下達到生產(chǎn)車間，Order Holon便會創(chuàng)建0rder Ant Holon在IP Holon中留下信息素[N,O]，來供Product Holon感知從而獲得相關(guān)的產(chǎn)品加工知識.

與蟻群Stigmergy機制中的信息素一樣，這種信息素也具有揮發(fā)性，揮發(fā)的速率ρ是可以設(shè)定的參數(shù).因為信息素包含有具體內(nèi)容，其揮發(fā)速率ρ通常較小，但是一旦被Ant Holon感知之后就會立即完全揮發(fā)掉.如信息素[N，O]一旦被Product Ant Holon感知，表明Product Holon已經(jīng)接受了這一項任務(wù)，信息素[N，O]也就隨之揮發(fā)掉了.這一特性保證了Ant Holon感知到這一類信息素始終是有價值的、可用的，同時也保證了IP Holon中始終都有一定的可用存儲空間，降低了系統(tǒng)的通信負荷.

1.4 Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整機制

在PROSA控制架構(gòu)中，當(dāng)系統(tǒng)平穩(wěn)運行的時候，通過Staff Holon建立一種遞階控制結(jié)構(gòu)，基本Holon采用Staff Holon所給出的建議，實現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化性能.當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)擾動的時候，又通過Staff Holon將系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整到一種臨時的異構(gòu)式控制結(jié)構(gòu).此時，基本Holon將進行自主決策來處理擾動的影響.因此，基于OS Holon建立在動態(tài)環(huán)境下Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整機制，從而明確擾動事件出現(xiàn)后Holonic控制架構(gòu)的變化過程.

為了更好地說明Staff Holon對Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整過程，先引入自治因子的概念，自治因子α，反應(yīng)Holon自治性能力的參數(shù).Order Holon,Resource Holon以及OS Holon內(nèi)都包含有這一參數(shù).自治因子值越大，表明對應(yīng)Holon的自治性越高.通常，在穩(wěn)定情況下Order Holon和Resource Holon的自治因子值較小，會盡量服從OS Holon的協(xié)調(diào)，并接受其調(diào)度建議.

調(diào)整機制包括以下4個步驟：

1) 在系統(tǒng)穩(wěn)定運行情況下，OS Holon通過自身的專家知識和經(jīng)驗為基本Holon提供建議，輔助基本Holon完成生產(chǎn)任務(wù).此時，Order Holon和Resource Holon內(nèi)的自治因素值較低，因而會盡量服從OS Holon提供的建議，系統(tǒng)中呈現(xiàn)出一種遞階控制的結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

圖2 穩(wěn)定狀態(tài)下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2) 當(dāng)OS Holon監(jiān)督擾動出現(xiàn)之后，會立即判斷擾動事件的類型并評估對系統(tǒng)造成的影響程度，然后通過OS Ant Holon向IP Holon中釋放信息素來通知Order Holon和Resource Holon升高自身的自治因素.

3) 當(dāng)Order Holon和Resource Holon接受到這一信息素后，根據(jù)信息素的內(nèi)容對自己的自治性因素進行調(diào)整.當(dāng)Order Holon和Resource Holon的自治性高于OS Holon時，兩者之間直接進行協(xié)商決策，此時系統(tǒng)中呈現(xiàn)臨時的異構(gòu)式控制結(jié)構(gòu)，OS Holon仍然繼續(xù)監(jiān)督整個生產(chǎn)過程，并對調(diào)度方案提供建議，但由于現(xiàn)在Order Holon和Resource Holon具有較高的自治因素，它們很有可能拒絕這些建議.

4) 擾動事件結(jié)束后，Order Holon和Resource Holon將自身的自治性因素降低，降低的幅度與升高的幅度相同.之后由于Order Holon和Resource Holon的自治性低于OS Holon的自治性，因此系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)下.

在上述步驟中，OS Holon通過自治因素實現(xiàn)對Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整.Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)變化只是瞬時的，由擾動事件觸發(fā)，擾動結(jié)束后即恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，這一過程依賴于Holon單元內(nèi)決策機制的制定.

2 Holonic架構(gòu)下的動態(tài)調(diào)度策略

2.1 問題描述

動態(tài)環(huán)境下的車間調(diào)度問題與一般作業(yè)車間調(diào)度問題相比，是將已有的大大簡化的作業(yè)車間調(diào)度生產(chǎn)模型，與實際生產(chǎn)狀況相結(jié)合，使模型更貼近真實的生產(chǎn)情況[11].一般地，作業(yè)車間動態(tài)重調(diào)度問題可描述為：n個工件Ni(i=1,2,…,n)在m臺機器Mj(j=1,2,…,m)上加工，每個工件由一組加工工序k(1≤k≤m)組成，每道工序需要在指定的機器上加工，以O(shè)ikj表示第i個工件的第k道工序在機器Mj上加工.車間的生產(chǎn)環(huán)境是動態(tài)的，當(dāng)擾動事件發(fā)生后，對初始調(diào)度方案進行調(diào)整，在保證工件都能按時交貨的情況下，盡量使得調(diào)整后的調(diào)度方案對原方案的偏離最小.另外還需滿足以下假設(shè)：

1) 重調(diào)度的時間忽略不計，一旦調(diào)度完成，對應(yīng)的工件立即進入加工狀態(tài).

2) 擾動事件是隨機發(fā)生的，但是同一時刻只發(fā)生一件擾動事件，并且不會在動態(tài)重調(diào)度過程中發(fā)生.

3) 受到影響的工件動態(tài)調(diào)度后，在新機器上重新開始加工.

4) 只考慮機器故障、加工延時、緊急插單三種擾動事件.

在靜態(tài)環(huán)境下，調(diào)度的穩(wěn)定性通常不是問題.但在動態(tài)的調(diào)度環(huán)境下，穩(wěn)定性和魯棒性是很重要的評價指標(biāo).采用文獻[12]中提出的評價調(diào)度性能的方法，采用重調(diào)度與預(yù)調(diào)度中最大完成時間的偏差最小作為動態(tài)重調(diào)度目標(biāo)，并滿足與預(yù)調(diào)度相同的約束條件.

(1)

s.t.STilq-STikp≥Tikp

STilj-STikp≥Tikjdi-Tieij≥STieij

2.2 動態(tài)調(diào)度流程

為了應(yīng)對初始調(diào)度方案執(zhí)行過程中不可避免的各種擾動事件，使得調(diào)度系統(tǒng)能夠基于適當(dāng)?shù)牟呗宰龀龊线m的反應(yīng)，在對調(diào)度驅(qū)動策略的研究基礎(chǔ)上，制定了如下動態(tài)調(diào)度策略：首先評估擾動事件對生產(chǎn)過程的影響，根據(jù)評估結(jié)果來判定是否需要進行重調(diào)度，重調(diào)度策略與擾動事件的類型有關(guān)，整體的動態(tài)調(diào)度策略如圖3所示.

圖3 動態(tài)調(diào)度策略圖

Step1在初始調(diào)度方案執(zhí)行過程中，OS Holon監(jiān)測是否有擾動事件發(fā)生.如果有，則判斷擾動事件的類型，并通過實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)評估擾動事件的影響大小.否則，按預(yù)調(diào)度方案繼續(xù)執(zhí)行.

Step2根據(jù)擾動事件影響的大小判定是否需要進行重調(diào)度，如果是，則轉(zhuǎn)向Step 3；如果不是，則進行右移重調(diào)度，下達新的調(diào)度方案.

Step3判定是否需要進行全局重調(diào)度，如果是，則轉(zhuǎn)入Step 4；否則，進行局部重調(diào)度，下達新的調(diào)度方案.

Step4擾動事件的影響很大，需要進行全局重調(diào)度.調(diào)度完成后，下達新的調(diào)度方案.

3 協(xié)商機制

基于Holonic控制架構(gòu)的動態(tài)調(diào)度方法由內(nèi)嵌有決策機制的分布式Holon單元通過支持動態(tài)調(diào)度的協(xié)商機制來完成，個體的Holon單元發(fā)揮自治與協(xié)商的特性自下而上地尋找一種動態(tài)的平衡，而局部單元的決策能力是實現(xiàn)調(diào)度功能的基礎(chǔ).在基于Stigmergy的Holonic制造執(zhí)行控制架構(gòu)下，對擾動事件類型的判斷以及對擾動事件造成的影響評估機制封裝在OS Holon內(nèi)部，動態(tài)重調(diào)度策略以及重調(diào)度策略的選擇機制封裝在Order Holon中.當(dāng)OS Holon監(jiān)測到擾動發(fā)生后，通過信息素來修改Order Holon和Resource Holon的自治性，從而動態(tài)地調(diào)整系統(tǒng)的控制架構(gòu)來實現(xiàn)對擾動的處理.信息素的內(nèi)容包括兩部分：擾動類型、影響等級，表達方式為[Ⅰ，up-1]，編碼方式如表2所示.擾動解除之后，Order Holon和Resource Holon降低同等的自治性等級，系統(tǒng)中的架構(gòu)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài).

表2 修改自治性的信息素中的編碼方式

現(xiàn)以緊急訂單下達到車間為例來說明擾動事件發(fā)生各Holon單元之間的協(xié)商過程，如圖4所示.這里默認為當(dāng)緊急訂單下達到生產(chǎn)車間則表示車間有能力完成加工.

圖4 出現(xiàn)緊急訂單后各Holon之間的協(xié)商過程

Step1當(dāng)OS Holon監(jiān)測到緊急訂單下達到車間后，立即判斷故障類型并對影響進行評估，并通過OS Ant Holon向IP Holon中釋放對應(yīng)的信息素.同時，系統(tǒng)便為其創(chuàng)建一個Order Holon(*).Order Holon(*)隸屬于當(dāng)前正在加工的Order Holon中，其內(nèi)部屬性與功能與Order Holon相同，如圖5所示.但Order Holon(*)的生命周期比Order Holon要短，當(dāng)緊急訂單得到處理之后，Order Holon(*)的生命周期也就隨即結(jié)束.

圖5 Order Holon(*)結(jié)構(gòu)圖

Step2Order Ant Holon與Resource Ant Holon感知到信息素后反饋給對應(yīng)的基本Holon.若信息素內(nèi)容為[Ⅰ，up-1]或者[Ⅰ，up-2]，轉(zhuǎn)向Step 3；若為[Ⅰ，up-3]，則轉(zhuǎn)向Step 4.

Step3Order Holon與Resource Holon根據(jù)信息素內(nèi)容升高自身的自治性等級，Order Holon根據(jù)影響等級選擇對應(yīng)的重調(diào)度策略，并創(chuàng)建一定數(shù)量的Route Ant Holon根據(jù)重調(diào)度策略與Resource Holon協(xié)商生成新的調(diào)度方案.

Step4若信息素內(nèi)容為[Ⅰ，up-3]，表明該擾動事件對調(diào)度系統(tǒng)的影響較大需要進行全局重調(diào)度.這時，Order Holon通過Order Ant Holon向IP Holon中釋放信息素來向Product Holon請求新的加工工藝規(guī)劃.

Step5Product Holon感知到這一信息素后，重新安排對應(yīng)工件的加工工藝，并將結(jié)果發(fā)布在IP Holon中.

Step6Order Holon感知到新的設(shè)計結(jié)果后，創(chuàng)建一定數(shù)量的Route Ant Holon與Resource Holon進行協(xié)商，得到全局重調(diào)度的加工方案.Route Ant Holon與Resource Holon協(xié)商得到全局加工方案的過程選用蟻群算法[13]進行實現(xiàn).

若經(jīng)過一段時間擾動事件得以解除Resource Holon與Order Holon對應(yīng)降低自身的自治性等級，之后Holonic控制架構(gòu)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài).

4 算例應(yīng)用

為了說明上述調(diào)度策略，選取了表3所示的典型的6×6 JSP問題為算例.假設(shè)在t時刻編號為001的訂單下達到生產(chǎn)車間，該訂單中有6個待加工工件的加工要求，6臺加工設(shè)備分別抽象為6個Resource Holon，初始調(diào)度方案的甘特圖，如圖6所示.

表3 6×6算例加工任務(wù)數(shù)據(jù)

圖6 初始調(diào)度方案的甘特圖

假設(shè)在t=70時刻有緊急訂單下達到生產(chǎn)車間，預(yù)交貨期為185.緊急訂單中加工任務(wù)數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 緊急訂單中加工任務(wù)數(shù)據(jù)

根據(jù)各Holon單元的協(xié)商機制，系統(tǒng)將在緊急訂單下達時為其生產(chǎn)對應(yīng)的Order Holon(*).同時OS Holon開始判斷此次擾動事件類型為Ⅰ型，這里假定OS Holon對擾動事件的影響等級評估結(jié)果為3級.之后OS Holon通過OS Ant Holon像IP Holon中釋放信息素[Ⅰ，up-3]，Order Holon與Resource Holon通過各自對應(yīng)的Ant Holon感知到信息素后升高自身的自治性.Order Holon通過信息素判定需要采用全局重調(diào)度的處理方法，向IP Holon中釋放信息素[N,O]請求新的加工工藝規(guī)劃，Product Ant Holon感知到這一信息素后帶回給Product Holon，之后Product Holon將反饋結(jié)果通過Product Ant Holon釋放到IP Holon中.Order Holon得到新的加工工藝規(guī)劃之后，創(chuàng)建一定數(shù)量的Route Ant Holon與Resource Holon協(xié)商對剩余的加工工序全部進行重新調(diào)度.協(xié)商過程通過蟻群算法借助MATLAB.R2010a來實現(xiàn)，求解的運行結(jié)果見圖7，獲得的調(diào)度結(jié)果最優(yōu)解為180，滿足緊急訂單的交貨期要求.全局重調(diào)度后產(chǎn)生新的調(diào)度方案，甘特圖如圖8所示.

圖7 全局重調(diào)度中最優(yōu)解的進化曲線

圖8 全局重調(diào)度后的甘特圖

5 結(jié) 論

在Stigmergy機制的基礎(chǔ)上，通過對設(shè)計Ant Holon、面向動態(tài)調(diào)度的Staff Holon以及定義信息傳遞所需的信息素，構(gòu)建了動態(tài)環(huán)境下基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)，提出了該架構(gòu)的動態(tài)調(diào)整機制.在對動態(tài)問題進行描述的基礎(chǔ)上，給出了動態(tài)調(diào)度的一般流程以及Holon單元間基于這一流程實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度的協(xié)商機制.通過算例應(yīng)用說明了基于Stigmergy的Holonic控制架構(gòu)下進行動態(tài)調(diào)度的基本過程，實現(xiàn)了對擾動事件的滿意處理.

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