基于多Agent技術(shù)的混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制方法

秦麗娜

（運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué) 信息技術(shù)應(yīng)用與創(chuàng)新學(xué)院，運(yùn)城 044000）

0 引言

隨著產(chǎn)業(yè)變革與科技革命的興起，智能制造應(yīng)運(yùn)而生，并在短時(shí)間內(nèi)得到了快速的發(fā)展，成為現(xiàn)今制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一[1]。智能制造的核心為智能傳感與控制裝備、高檔數(shù)控機(jī)床、重大成套裝備等的研發(fā)與應(yīng)用。智慧生產(chǎn)線就是智能制造的主要成果之一，其有效地結(jié)合了智能工廠與數(shù)字化車間，在制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，例如汽車制造、電子制造等。生產(chǎn)線具有規(guī)?；a(chǎn)、高效、成本低等優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)今國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵研究方向之一。

現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展非常迅速，制造產(chǎn)品復(fù)雜度也隨之提升，對(duì)生產(chǎn)線提出了更高的要求?；旌衔⒔M裝生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生，其主要是應(yīng)用混合微組裝技術(shù)將多個(gè)器件進(jìn)行高密度連接，使得生產(chǎn)線向輕量化、小型化、高可靠、低成本等趨勢(shì)發(fā)展?；旌衔⒔M裝技術(shù)的應(yīng)用，使得生產(chǎn)線的規(guī)模減小，工作效率加快，智能化水平提升，為制造業(yè)的發(fā)展提供了有力的幫助。與此同時(shí)，生產(chǎn)線內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也變得更加復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)線控制性能造成了較大的挑戰(zhàn)。

就現(xiàn)有研究成果來看，如文獻(xiàn)[2]中的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化控制技術(shù)，其難以滿足混合微組裝生產(chǎn)線與制造業(yè)的發(fā)展需求。針對(duì)這一問題，本研究提出基于多Agent技術(shù)的混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制方法。

1 方法設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線調(diào)度問題描述

針對(duì)混合微組裝生產(chǎn)線來說，協(xié)同控制目標(biāo)指的是生產(chǎn)線調(diào)度問題。為了提升生產(chǎn)線協(xié)同控制效果，采用數(shù)學(xué)模型描述生產(chǎn)線調(diào)度問題，為后續(xù)協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

混合微組裝生產(chǎn)線調(diào)度實(shí)質(zhì)上是一個(gè)組合最優(yōu)化問題，在多個(gè)約束條件下，尋找到最優(yōu)協(xié)同控制方案，使得生產(chǎn)線加工時(shí)間最短、加工成本最低或者加工收益最高。生產(chǎn)線調(diào)度會(huì)受到多種因素的影響，例如資金、人力、能源等，故調(diào)度問題是一個(gè)NP問題，也是協(xié)同控制的最終解決目標(biāo)[3]。

此研究以加工成本最低作為生產(chǎn)線協(xié)同控制目標(biāo)函數(shù)，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

式(1)中，C表示混合微組裝生產(chǎn)線的加工成本；C1表示產(chǎn)品加工費(fèi)用；C2表示提前或拖后的懲罰費(fèi)用；a*表示第i種產(chǎn)品單位加工費(fèi)用；p表示產(chǎn)品加工數(shù)量；β*表示更換器件所需要的單位費(fèi)用；q表示更換器件數(shù)量；x*表示生產(chǎn)線器件移動(dòng)費(fèi)用；t表示生產(chǎn)線器件的移動(dòng)次數(shù)；ωi表示第i種產(chǎn)品提前或拖后的懲罰系數(shù)；Pi表示第i種產(chǎn)品的完工數(shù)量；Di表示第i種產(chǎn)品的擬定加工數(shù)量。

為了提升協(xié)同控制精準(zhǔn)度，在生產(chǎn)線調(diào)度數(shù)學(xué)模型中添加懲罰函數(shù)，則式(1)轉(zhuǎn)換為：

式(2)中，Cδ表示懲罰函數(shù)表達(dá)式；σ表示懲罰系數(shù)；d表示懲罰函數(shù)輔助參數(shù)，取值為1或者0。

上述過程采用數(shù)學(xué)模型描述了生產(chǎn)線調(diào)度問題，即確定了生產(chǎn)線協(xié)同控制目標(biāo)函數(shù)，為后續(xù)生產(chǎn)線信息的采集與集成提供依據(jù)。

1.2 生產(chǎn)線信息采集與集成

依據(jù)上述構(gòu)造的生產(chǎn)線協(xié)同控制目標(biāo)函數(shù)，對(duì)混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制需要的信息進(jìn)行采集與集成，為后續(xù)協(xié)同控制模型構(gòu)建做準(zhǔn)備。

目前，生產(chǎn)線信息采集方式主要有三種，具體如表1所示。

表1 生產(chǎn)線信息采集方式表

如表1內(nèi)容所示，不同的信息采集方式應(yīng)用的采集設(shè)備，采集的信息種類均存在著差異。而混合微組裝生產(chǎn)線包含設(shè)備較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，產(chǎn)生的信息種類也很多[4]。因此，此研究對(duì)上述三種信息采集方式進(jìn)行有效地結(jié)合，將生產(chǎn)線信息采集任務(wù)進(jìn)行科學(xué)、合理地分配，以此來獲得最佳的生產(chǎn)線信息采集效果。

應(yīng)用微軟搭建混合微組裝生產(chǎn)線信息采集框架，并連接異構(gòu)設(shè)備，打破“數(shù)字孤島”現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的信息傳輸，為生產(chǎn)線協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)提供便利，也為信息采集與傳輸提供助力。

混合微組裝生產(chǎn)線信息采集框架如圖1所示。

如圖1所示，在搭建框架中，生產(chǎn)線信息采集設(shè)備較多，為了保障采集信息的完整性，需要設(shè)置采集設(shè)備信息交互邏輯，具體如圖2所示。

圖1 生產(chǎn)線信息采集框架示意圖

依照?qǐng)D2所示邏輯對(duì)采集信息進(jìn)行交互與集成，并將集成后生產(chǎn)線信息存儲(chǔ)于SQL數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供便利。

圖2 采集設(shè)備信息交互邏輯示意圖

1.3 協(xié)同控制模型構(gòu)建

以上述采集與集成的生產(chǎn)線信息為依據(jù)，結(jié)合多Agent技術(shù)構(gòu)建協(xié)同控制模型，為最終協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)提供支撐。

多Agent技術(shù)中包含多個(gè)不同目標(biāo)的Agent個(gè)體，它們之間能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)，以此來解決相應(yīng)的問題。多Agent技術(shù)具備較強(qiáng)的靈活性、適應(yīng)性與可靠性，在控制領(lǐng)域占據(jù)著至關(guān)重要的位置，也是現(xiàn)今NP問題解決的主要手段之一[5]。多Agent技術(shù)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)步驟如下：

步驟一：生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)信息發(fā)布。需要注意的是，每個(gè)Agent個(gè)體均能夠發(fā)布生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)信息，并且一個(gè)Agent個(gè)體可以發(fā)布多條任務(wù)信息；

步驟二：Agent動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建。依據(jù)生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)信息、Agent個(gè)體的功能等因素，選取適合參與Agent動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)的Agent個(gè)體，通過既定規(guī)則構(gòu)建團(tuán)隊(duì)，直至生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)完成為止；

步驟三：范例推理。依據(jù)發(fā)布的協(xié)同控制任務(wù)信息，在歷史記錄中尋找相似的成功案例。若存在相似成功案例，按照案例進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)作業(yè)；若不存在相似成功案例，則需要進(jìn)一步對(duì)協(xié)調(diào)態(tài)度進(jìn)行準(zhǔn)確的選擇；

步驟四：協(xié)調(diào)態(tài)度選擇。此研究采用模糊數(shù)ξ?(t)來描述Agent個(gè)體對(duì)發(fā)布協(xié)同控制任務(wù)信息的協(xié)調(diào)態(tài)度。模糊數(shù)ξ?(t)表達(dá)式為：

根據(jù)式(3)計(jì)算結(jié)果選擇協(xié)調(diào)態(tài)度，具體規(guī)則如下述表達(dá)式：

步驟五：依據(jù)步驟四確定的協(xié)調(diào)態(tài)度選取適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)策略。當(dāng)ξ?(t)=0時(shí)，Agent個(gè)體協(xié)調(diào)態(tài)度為完全自私，此種情況稱之為競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)調(diào)，最佳協(xié)調(diào)策略為對(duì)策論；當(dāng)ξ?(t) ≠0時(shí)，Agent個(gè)體協(xié)調(diào)態(tài)度為協(xié)作，此種情況稱之為協(xié)作型協(xié)調(diào)，最佳協(xié)調(diào)策略為部分全局規(guī)劃或者FA/C法；

步驟六：Agent個(gè)體學(xué)習(xí)。此步驟中，Agent個(gè)體應(yīng)對(duì)相似成功案例的協(xié)調(diào)策略、協(xié)調(diào)內(nèi)容、協(xié)調(diào)作業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，以此來完成相應(yīng)的生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)；

步驟七：引導(dǎo)學(xué)習(xí)完成后的Agent個(gè)體進(jìn)行生產(chǎn)線協(xié)同控制任務(wù)，在協(xié)同控制任務(wù)完成時(shí)解散Agent動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)。

通過上述流程能夠看出多Agent技術(shù)具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)能力，能夠?yàn)榛旌衔⒔M裝生產(chǎn)線協(xié)同控制帶來極大地支撐作用。生產(chǎn)線協(xié)同控制是一個(gè)復(fù)雜的、繁重的問題，此研究應(yīng)用多Agent技術(shù)包含的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)能力，構(gòu)建生產(chǎn)線協(xié)同控制模型，具體如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)線協(xié)同控制模型示意圖

另外，采用數(shù)學(xué)模型來表示Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

式(5)中，A，M，K，D，I，S，R分別表示Agent的屬性、解決方法、相關(guān)規(guī)定、相關(guān)數(shù)據(jù)、求解推理過程、信息傳送規(guī)則與信息接收規(guī)則。

上述過程完成了生產(chǎn)線協(xié)同控制模型的構(gòu)建，并展示了多Agent技術(shù)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)性能，為后續(xù)協(xié)同控制的實(shí)現(xiàn)提供模型支撐。

1.4 生產(chǎn)線協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)

以上述構(gòu)建的生產(chǎn)線協(xié)同控制模型為依據(jù)，以加工成本最低作為協(xié)同控制目標(biāo)，求解最佳協(xié)同控制方案，實(shí)現(xiàn)混合微組裝生產(chǎn)線的協(xié)同控制。

應(yīng)用多Agent技術(shù)求解生產(chǎn)線協(xié)同控制目標(biāo)函數(shù)，獲得協(xié)同控制方案如表2所示。

表2 協(xié)同控制方案表

表2中，t1與t2表示兩種產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)加工成本；t*1與t*2表示不同優(yōu)先級(jí)產(chǎn)品的加工成本；F1與F2表示協(xié)同控制的優(yōu)先級(jí)。

綜上所述，此研究基于多Agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)了混合微組裝生產(chǎn)線的協(xié)同控制，使生產(chǎn)線加工成本達(dá)到最小化，有助于制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 生產(chǎn)線協(xié)同控制性能測(cè)試

為了驗(yàn)證基于多Agent技術(shù)的混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制方法的應(yīng)用性能，將傳統(tǒng)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控與優(yōu)化控制技術(shù)作為對(duì)比方法，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制性能測(cè)試的基礎(chǔ)。依據(jù)性能測(cè)試需求，采用傳送帶、載件盒、傳感器、工業(yè)相機(jī)等搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中包含兩條傳送帶，并搭載工業(yè)相機(jī)與多種傳感器，以此來獲取生產(chǎn)線相關(guān)信息，為生產(chǎn)線協(xié)同控制做準(zhǔn)備。另外，工業(yè)相機(jī)需要與光電傳感器進(jìn)行結(jié)合應(yīng)用。光電傳感器一旦感應(yīng)到產(chǎn)品信息，實(shí)時(shí)將信號(hào)傳輸至工業(yè)相機(jī)，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行信息采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取

實(shí)驗(yàn)設(shè)備也是保障實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵影響因素之一。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備為協(xié)同控制服務(wù)器與通信設(shè)備。其中，協(xié)同控制服務(wù)器承擔(dān)著數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)，通信設(shè)備承擔(dān)著優(yōu)質(zhì)通信環(huán)境提供的任務(wù)。由于篇幅的限制，只對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行說明。實(shí)驗(yàn)采用以太網(wǎng)交換機(jī)作為通信設(shè)備，其能夠在一定范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的、優(yōu)質(zhì)的通信環(huán)境，為性能測(cè)試提供有力的支撐。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與選取的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)行混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制性能測(cè)試。為了量化顯示提出方法的應(yīng)用性能，選取協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間與生產(chǎn)線加工成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過程如圖5所示。

協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間間接反映著生產(chǎn)線協(xié)同控制的效率。一般情況下，協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間越短，協(xié)同控制效率越高；反之，協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間越長(zhǎng)，協(xié)同控制效率越低。

通過實(shí)驗(yàn)獲得協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間數(shù)據(jù)表

如表3數(shù)據(jù)所示，與傳統(tǒng)方法相比較，應(yīng)用本文方法獲得的協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間較短，最小值能夠達(dá)到15.49s，表明本文方法生產(chǎn)線協(xié)同控制效率更高。

生產(chǎn)線加工成本直接反映著生產(chǎn)線協(xié)同控制的效果。一般情況下，生產(chǎn)線加工成本越低，表明協(xié)同控制效果越好；反之，生產(chǎn)線加工成本越高，表明協(xié)同控制效果越差。通過實(shí)驗(yàn)獲得生產(chǎn)線加工成本如圖5所示。

如圖5數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)方法相比較，應(yīng)用本文方法獲得的生產(chǎn)線加工成本較小，最小值能夠達(dá)到24萬，表明本文方法生產(chǎn)線協(xié)同控制效果更好。

圖5 生產(chǎn)線加工成本數(shù)據(jù)圖

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：相較于對(duì)比方法來看，應(yīng)用本文方法獲得的協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間較短，生產(chǎn)線加工成本較小，充分證實(shí)了本文方法具有更優(yōu)質(zhì)的協(xié)同控制性能。

3 結(jié)語

此次研究應(yīng)用多Agent技術(shù)提出了新的混合微組裝生產(chǎn)線協(xié)同控制方法，極大地縮短了協(xié)同控制任務(wù)分配時(shí)間，降低了生產(chǎn)線加工成本，為生產(chǎn)線協(xié)同控制提供更有效的方法支撐，同時(shí)也為協(xié)同控制研究提供新的思路與理論借鑒。