（机械电子工程专业论文）基于多agent的敏捷制造调度系统中制造设备agent的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在一个开放的分布式制造环境中，智能a g e n t 技术被认为是建立敏捷制造调度系 统最有前途的方法之一。制造设备是制造系统的基本要素，制造设备a g e n t 作为它的 代表，在基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统中具有十分熏要的地位。因此，本文着重 于研究怎样建立一个结构合理、功能比较全面的制造设备a g e n t 。 制造设备a g e n t 要参与对新加工任务的投标，首先必须要了解它所代表的制造设 备的工作能力才能自主地给出投标信息。因此，本文对基于多a g e n t 的敏捷制造调度 系统中制造设备的工作能力进行了比较全面的定义，并实现了其在制造设备a g e n t 中 的表示。研究了制造设备a g e n t 的知识表示，提出了制造设备a g e n t 基于知识、规则 的推理决策模型。为了便于制造设备a g e n t 和系统其它a g e n t 之间的谈判和协作，给 出了制造设备a g e n t 的通信语言和交互协议，并使用p r o t 6 9 62 0 0 0 在敏捷制造调度系 统中设计了一个调度本体，以避免a g e n t 之间交互时发生概念混淆。 在分析了面向a g e n t 建模方法的基础上，采用a u m l 来对制造设备a g e n t 进行建 模。a u m l 是一种f i p a 和o m g 都推荐使用的，运用得最为广泛的a g e n t 建模方法。 通过采用a u m l 的类图描述了制造设备a g e n t 的状态、属性、方法等要素；并使用 a u m l 的协议图和状态图分别详细描述了制造设备a g e n t 的外部交互和内部行为。 最后，使用a g e n t 开发平台j a d e 和j a v a 编程语言设计开发了一个基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统原型，并通过实例验证了本文所讨论的关于制造设备a g e n t 的各 主要方面。 关键词：制造设备a g e n t 多a g e n t 系统a g e n t 统一建模语言敏捷制造调度 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n t e l l i g e n ta g e n tt e c h n o l o g yi su s u a l l yc o n s i d e r e d a so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g a p p r o a c h e st ob u i l d i n gt h ea g i l em a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n gs y s t e mi na l lo p e nd i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t e q u i p m e n ta g e n t ，a st h er e p r e s e n t a t i v eo fe q u i p m e n tw h i c hi s o n eo ft h em o s te s s e n t i a le l e m e n t si na m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h e m u l t i a g e n t b a s e d a g i l em a n u f a c t u r i n gs y s t e ms c h e d u l i n g t h i st h e s i s ，t h e r e f o r e ， f o c u s e so nt h er e s e a r c ho fh o wt ob u i l da ne q u i p m e n ta g e n tw i t l lap r o p e rs t r u c t u r ea n d a 1 1 a r o u n df u n c t i o n s b e f o r ea n e q u i p m e n ta g e n t c a r lb i df o ran e wj o b ，i ts h o u l db ea w a r eo ft h e m a n u f a c t u r i n ga b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t t h e r e f o r e ，a l la p p r o p r i a t ew a yh a sb e e nf o u n df o r t h ed e f i n i t i o na n d r e p r e s e n t a t i o no f t h em a n u f a c t u r i n ga b i l i t yo fe q u i p m e n t i nam u l t i - a g e n t b a s e da g i l em a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t b a s e do nt h er e s e a r g ho f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n o f e q u i p m e n ta g e n t ，e q u i p m e n ta g e n t sr e a s o n i n g a n dd e c i s i o n m a k i n gm o d e li sd i s c u s s e d c o m m u n i c a t i o nl a n g u a g ea n di n t e r a c t i o np r o t o c o l so fe q u i p m e n ta g e n ta r ei n t r o d u c e df o r t h en e g o t i a t i n ga n dc o o p e r a t i n gw i t ho t h e ra g e n t s as c h e d u l i n go n t o l o g ya c c o r d i n gt ot h e a g i l em a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n gs y s t e m i sb u i l tb yp r o t d g d2 0 0 0i no r d e rt oa v o i dt h e c o n f u s i o ni na g e n tc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h ea n a l y s i so fa g e n t - o r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o d o l o g i e s ，e q u i p m e n ta g e n ti s m o d e l e db ya u m l ，w h i c hi st h em o s tp o p u l a ra g e n t - o r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o d o l o g y , a n d r e c o m m e n d e db yb o t hf i p aa n do m gb ye x t e n d i n gu m u s c l a s sd i a g r a m ，t h es t a t e s ，t h e a t t r i b u t e sa n dt h eo p e r a t i o n so fe q u i p m e n ta g e n ta r ed e s c r i b e d a u m lp r o t o c o ld i a g r a m a n ds t a t e c h a r td i a g r a ma r ea l s oe m p l o y e dh e r et os h o w t h ed e t a i l so ft h ee x t e r n a li n t e r a c t i o n a n dt h ei n t e r n a lb e h a v i o r so f e q u i p m e n t a g e n t ，r e s p e c t i v e l y a tl a s t ，a s i m p l em u l t i a g e n t b a s e d a g i l em a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n gs y s t e m i s d e v e l o p e dw i t hj a d e a n dj a v a , a n da ne x a m p l ei sa l s op r e s e n t e dt od e m o n s t r a t ew h a ti s m a i n l y d i s c u s s e da b o u tt h ee q u i p m e n ta g e n ti nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：e q u i p m e n ta g e n tm u l t i - a g e n ts y s t e m a u m l a g i l em a n u f a c t u r i n g s c h e d u l i n g i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李孚融 曰期：少牛年咩肯三易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密回。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：蟊 琅 日期：沙砰年驴月日 指剥雠：矽音 日期：舢。1 年f 月“日1 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于：( 1 ) 中国一新加坡“中新联合研究计划”项目一“基于网络的远程 产品快速开发与制造系统”。( 2 ) 国家8 6 3 计划项目一“开放式数控装备的远程操作、 监控与诊断技术”( 2 0 0 t a a 4 2 3 2 3 0 ) 。( 3 ) 教育部留学回国人员科研启动基金资助项目 一“基于分布式多智能体车间优化调度模型与系统的研究”( a a l 0 0 c 0 1 ) 。 1 1 2 课题的研究背景 当前，现代制造技术正朝着数字化、网络化、智能化方向发展，现代制造企业将 成为以数字化、网络化和智能化等信息技术为基础的集约化并行生产的制造企业；企 业的目标将从注重数量和质量转向注重服务；对产品的要求也将从大批量、多品种转 向个性化、短周期。这就要求现代制造系统必须适应这一革命性的变化，能够快速、 低耗、高质、高效地生产出社会所需要的各种产品。所以，世界各发达国家都把先进 制造技术列为国家的中、长期发展的重大关键技术。近二十年来，世界各国对现代制 造系统的模式展开了广泛而深入的研究，提出了许多先进制造系统模式，如：计算机 辅助设计计算机辅助制造( c a d c a m ) 、制造资源计划( m r p ) 、柔性制造系统( f m s ) 、 计算机集成制造系统( c i m s ) 、敏捷制造( a m ) 、多a g e n t 制造系统( m a m s ) 、虚拟制造 ( v m ) 等等【“。虽然所提出的制造系统模式千差万别，但其研究目的都是通过充分利 用以计算机信息技术为代表的高科技，建立并实现基于网络化体系结构的生产和管理 模式，以提高制造企业对市场需求变化的快速响应能力和适应能力，提高制造企业自 身的柔性、敏捷性以及可重组性，增强制造企业与外界的交互能力，促进和加强企业 问的协调与合作。 美国为恢复其在世界制造业的领导地位，于1 9 9 1 年首次提出了敏捷制造模式的概 念2 1 。敏捷制造作为2 1 世纪企业的先进制造模式，综合了j i t 、并行工程、精良制造 等多种先进制造模式的哲理，其目的就是要以最短的生产周期、最低的生产成本制造 出顾客满意的产品，即是完全面向顾客的【3 】。其实质就是：为了适应动态多变的市场， 企业不能仅仅依靠自身的有限资源，而必须合理利用其它企业的资源和技术，通过计 算机网络和通信技术迅速地集成产品开发全过程所需要的有限资源：人、资金、设备 ( 包括企业内部的和分布在全球各地合作企业的) ，侠速、低成本地为客户提供产品和 1 华中科技大学硕士学位论文 服务，从而赢得竞争优势【4 】。 与传统制造模式不同，敏捷制造企业总是积极地寻找客户定单，其计划是动态变 化的，需要在有限的时间内根据客户需要不断调整单元计划，最大限度地满足客户需 要。传统制造模式下企业的生产计划调度模式是静态的，企业根据主生产计划制订季 度、月、日生产计划。企业对外部的响应能力慢，这种计划调度方式无法快速响应客 户的需求。敏捷制造模式强调调度的敏捷性，资源在地域上的优化分配，因此传统的 计划模式不适合敏捷制造模式的要求。 调度问题的实现经过了几个发展阶段，从过去强调实现调度的最优化转移到后来 要实现调度的灵活性，再到目前所强调的要实现调度的敏捷性。这种发展过程是由于 开放环境中企业要面临全球竞争所提出的挑战而形成的。一个敏捷制造调度系统的敏 捷性主要体现在两个方面【5 】： ( 1 ) 在当前调度系统中出现没有事先预料到的事件时，能够动态地做出反应。如： 机器故障、工具失效、操作延迟或订单优先级的变化及订单取消等事件的发生。 ( 2 ) 不局限于生产车间物理位置的界限而选择企业的生产资源。 在一个动态的开放式制造环境中，生产调度对制造系统具有重要的实际意义，好 的调度能提高生产效率、降低生产成本、改善资源的使用及操作管理的相对水平，生 产出具有竞争性的产品。研究生产调度问题，对减少生产辅助时间，增加制造系统设 备的重组性和利用率，提高制造系统快速响应能力和应交能力有着决定性的作用，可 以明显提高现有资源条件下的生产效率和经济效益。 但由于调度问题的复杂性、并行性、动态性等特点，其实现往往是非常困难的。 有鉴于此，国内外许多学者已做了大量的研究，近来发展迅速的多a g e n t 技术被用来 解决这个问题，并被认为是最有希望和前景的解决方法之一p ”。 多a g e n t 技术在敏捷制造调度系统中的应用是一种较新的智能调度方法，基于多 a g e n t 的敏捷制造调度系统具有很多优点： ( 1 ) 敏捷制造系统需要动态集成不同企业的制造资源，各制造设备a g e n t 可能分布 在不同的地点。基于多a g e n t 的制造系统具有灵活的组织结构适应这种复杂性和多样 性。在基于多a g e n t 的敏捷制造系统中，各种形式的制造设备a g e n t 采用灵活多样的 组织结构，形成松散耦合、分布自治、协同合作的分布式制造系统。 ( 2 ) 基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统中制造设备a g e n t 具有较高的自治度，依照 自己的控制策略，独立地做出决策，完成各自的生产任务。而且多a g e n t 系统中各个 制造设备a g e n t 采用并行操作方式，因此动态调度与控制处理效率高。 ( 3 ) 制造设备a g e n t 之间通过交换和处理信息来解决整体调度问题，它们根据实际 需要结成各种形式的合作关系，并且在生产过程中，它们之间的关系是动态变化的。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 基于多a g e n t 的敏捷制造系统采用灵活的系统结构，使得系统内部制造设备 a g e n t 能够方便地进行重构。制造设备a g e n t 只要根据所代表的制造设备配置相应的 知识库和数据库，采用相同的通信协议和控制机制，就可以加入到系统中来。因此系 统重构方便、易扩展。 ( 5 ) 能够有效应付各种突发事件，系统可靠性高。当某- - n 造设备a g e n t 出现故障， 可由其它制造设备a g e n t 来替代该制造设备a g e n t 完成相关加工任务。并可随时进行 任务调度的调整，插入紧急加工任务。 由此可以看出，对于敏捷制造系统的生产调度，采用分布式智能a g e n t 技术，利 用a g e n t 的智能性和自治性等特征，使得每个a g e n t 都具有一定的判断和决策能力， 并通过a g e n t 之间的谈判与协商实现生产任务的分配，可以有效地识别冲突和解决冲 突，这样有利于实现调度的敏捷性，应该是敏捷制造调度系统的发展方向。 制造设备是制造系统最为基础的组成要素之一，要研究基于多a g e n t 的敏捷制造 调度系统，就必然要研究制造设备a g e n t 。正是在这样的背景下，本文着重于构建结 构合理、功能比较全面的制造设备a g e n t ，以满足基于多a g e n t 建立敏捷制造调度系 统模型的需要。 1 2 制造设备a g e n t 研究的意义 近二十年来，随着计算机技术和通讯技术的飞速发展，全球制造业发展迅速。目 前我国制造业的水平与国际先进水平相比还有很大的差距，我国制造业存在的问题主 要表现在科技基础薄弱，自主开发能力差；基础管理薄弱；企业装备陈旧，生产工艺 落后；生产集中度低，分散重复严重i ”l 。 正是由于面临着这样的形势，敏捷制造战略对于我国制造企业更具有特殊的意义a 借鉴敏捷制造战略中的动态联盟的思想，改变我国企业传统的“大而全”、“小而全” 的组织模式，集中各方面的力量，充分和有效地利用各方面的资源，迅速开发和制造 出适销对路的各种新产品，发挥各自的优势，实现强强联合，降低生产成本，适应市 场变化。 本文从敏捷制造环境下的制造设备着手，研究制造设备工作能力的表示和评估、 系统a g e n t 之间的通信与信息共享以及面向a g e n t 的建模技术等，试图构建结构合理、 功能比较全面的制造设备a g e n t ，进而满足不同的生产任务在成本、交货期及质量上 的综合要求，以取得最佳的效益，为研究基于多a g e n t 敏捷制造调度系统，以及企业 实施敏捷制造战略打下基础。在我国企业规模小、资源有限、技术储备少、市场发育 不完善等情况下，对于我国制造企业充分利用现有加工资源，提高制造企业对加工设 华中科技大学硕士学位论文 备和生产过程的控制，提高管理水平，根据特定的生产任务需要快速组合和配置制造 资源，提高企业的快速生产能力和对市场需求的快速应变能力有着决定性的影响。 此外，对a g e n t 和多a g e n t 系统理论、技术和应用的研究，是当前学术界和工业 界的热门课题。但对于面向a g e n t 的建模技术，学者们还没能达成一致共识，目前主 要借助面向对象的建模方法 1 0 - 1 1 】。 本文采用a u m l ( a g e n tu m l ) 方法【l o ”】，从a g e n t 类图、协议图、状态图等方面 对制造设备a g e n t 给出了较为详细的描述，并结合多a g e n t 开发平台j a d e 和跨平台 编程语言j a v a 实现了基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统中对生产任务分配、调度的仿 真。比较充分地说明了面向a g e n t 的建模技术a u m l 的可行性。 因此，本课题的研究不仅具有一定的理论意义，也具有重要的实际应用前景。 1 3 制造设备a g e n t 的研究现状 各发达国家都在进行基于多a g e n t 的制造技术的研裂1 3 1 5 1 。其中，欧盟委员会提 出了i n c o - d ck i tm a s s y v e ( m u l t i - a g e n ta g i l em a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n gs y s t e m s f o rv i r t u a le n t e r p r i s e s ) 的研究计划，其目的就是要探索多a g e n t 系统在生产企业敏捷 调度中的应用，并应用于虚拟企业环境下的生产控制。美国和加拿大分别推出了 a a r i a ( a u t o n o m o u s a g e n t a tr o c ki s l a n da r s e n a l ) 和m e t a m o r pi i 研究计划。前者提 出应用自治a g e n t 的概念来代表物理实体和加工处理，以实现自治a g e n t 在大规模生 产调度时资源分配和系统仿真中的应用；而后者则提出了一个混合的m u l t i - a g e n t 结 构：以中介子为中心的结构( m e d i a t o r - c e n t r i c a r c h i t e c t u r e ) 。 制造设备a g e n t 作为生产制造的主体一制造设各的代表，在基于多a g e n t 的制造 系统中扮演着十分重要的角色。对制造设备a g e n t 的研究应该是基于多a g e n t 的制造 系统研究工作的基础之一，也是比较关键的部分。但在基于多a g e n t 的制造系统的研 究中，学者们通常注重对制造系统的理论、框架结构、调度策略等方面的研究，缺乏 对制造设备a g e n t 较为具体的研究，对制造设备的制造信息和状态信息的表达，以及 制造设备a g e n t 对设备工作能力的表示、通信、决策推理等方面的研究都不够具体、 深入。不能很好地服务于敏捷制造调度等基于多a g e n t 的制造系统研究。不过，国内 外学者对制造设备a g e n t 的研究工作，也还是已经取得了一些研究成果。比如：h e i k k i l a t 等研究开发了一个基于a g e n t 技术的制造控制系统m a n a g e ( m a n u f a c t u r i n ga g e n 0 ， 以p e m ( p l a n n i n g 、e x e c u t i o n 、m o n i t o r i n g ) 理论为基础，使用j a v a 语言成功构建了 应用于制造系统的a g e n t 结构。c h ay 认为制造设备a g e n t 需要有规范定义的信息 体系结构，他们基于x m l 方式定义了制造设备a g e n t 的信息内容和结构，如表1 1 所 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = 一= ： 示，将制造设备a g e n t 拥有和管理的信息内容分为三个方面：静态属性、动态属性和 推理机1 1 6 1 。 表1 1 制造设备a g e n t 信息内容 ? 鬻删鬻灏瓣 i i 燮l 蠹薹纛攀黧囊鬻辫鬟 i 囊薹! 墓誊描述；! 蘑i 爵融蠹，蕊：i 噩蓄i 蠢霉曩善簪i 设备i d m 0 0 1 ，m 0 0 2 ，m 0 0 3 ，) 刀具 “t 0 0 1 ) ， t 0 0 2 ， t 0 0 3 ，) t 0 0 1 ： j j 具名称，特性，直径，长度寿命) 夹具 i ? f 0 0 1 ) ， f 0 0 2 ， f 0 0 3 ) f 0 0 1 ： 夹具名称，特性) 静态属性 托盘 b 0 0 1 ， b 0 0 2 ， b 0 0 3 ， b 0 0 1 ) ： 托盘名称，数量，尺寸) 加工类型 钻，铣。 可靠性 低，中，高) 加工精度 低，中，高) 布置 ( 部门，尺寸1 ，尺寸2 ， 设备状态 工作，空闲，维护，故障) 刀具状态 使用的刀具) 动态属性夹具状态零件i d ，装夹中 a g v 投标来自a g v 的反馈消息表 行为日志投标评价结果列表 推理机投标评估评价规则表 知识库规则选择( i ft h e n 规则) 文献 1 7 1 在制造单元重组优化研究中，在面向o o c p n ( o b j e c t - o r i e n t e d c o l o rp e t r i n e t ) 的基础上加以扩充，得到了制造资源a g e m ( r a ) 的形式化定义： r a = ( a ，m ，o o c p n ，b ，c ，k d b ，i ，r b b ) a 一代表r a 的名称、位置、能力、加工类型等属性； m r a 的外部可调用的方法； o o c p n - - r a 动态行为特征的p e t r i 网描述： b ( b i d d i n gp r o t o c 0 1 ) 一招标投标协议； c ( c o m m u n i c a t i o nm a c h i n e ) - - 通讯机制，包括通讯原语和通讯内容； k d b ( k n o w l e d g ed a t a b a s e ) - - 知识库，存储推理规则和各种算法； 华中科技大学硕士学位论文 i ( i n f e r e n c ee n g i n e ) - - 推理引擎； r b b ( r e s o u r c e b u l l e t i n b o a r d ) - - r a 的共享信息黑板，向外部提供r a 的当前状态 信息。 文献 1 8 1 贝l j 采用面向对象的方式构造了一种用于软件实现的制造设备a g e n t 对象 模型，如图1 1 所示。 1 4 研究内容和结构安排 图1 1 制造设备a g e n t 对象模型 第一章为绪论，介绍了课题的来源，讨论了课题研究的意义，并对国内外相关研 究状况作了初步介绍。 第二章介绍了论文所涉及的相关技术和理论。首先对a g e n t 的概念、特征和结构 以及多a g e n t 系统作了介绍。接着重点讨论了a g e n t 实现的相关技术：介绍了支持分 布计算的夸平台a g e n t 开发语言j a v a ；并就f i p a ( f o u n d a t i o no fi n t e l l i g e n tp h y s i c a l a g e n t s ) 五大类标准规范和f i p a 的a g e n t 管理模型作了简单介绍；最后则介绍了一个 兼容于f i p a 规范的a g e n t 开发平台j a d e ( j a v a a g e n td e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ) 。本 文将使用这些技术开发实现制造设备a g e n t 和多a g e n t 系统。 第三章研究了制造设备a g e n t 的结构和主要功能模块，是论文的重点部分。首先 对制造设备的工作能力从多个方面进行了比较全面定义，并进一步实现其在制造设备 6 华中科技大学硕士学位论文 a g e n t 中的表示。提出了制造设备a g e n t 基于知识、规则的推理决策模型。最后还研 究了制造设备a g e n t 基于本体的通信能力，开发设计了一个满足敏捷制造调度需要的 本体。 第四章在研究分析面向a g e n t 建模技术的基础上，使用扩展面向对象的建模方法， 从a g e n t 类图、协议图和状态图等多个方面对制造设备a g e n t 进行了详细描述，为制 造设备a g e n t 的开发实现作了准备。 第五章研究了基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统模型和调度理论，并使用a g e n t 开发平台j a d e 和j a v a 编程语言设计开发了一个基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统原 型，并通过实例验证了本文所讨论的制造设备a g e n t 的主要相关内容。 第六章为全文总结与展望，对全文的工作进行了总结，并对今后进一步的研究工 作做出展望。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 1 a g e n t 概述 2a g e n t 与多a g e n t 技术 2 1 1a g e n t 的概念、特征 a g e n t 最早出现在人工智能( a i ) 领域n 9 2 0 】。由于分布并行处理技术、面相对象技术、 多媒体技术、计算机网络技术，特别是i n t e m e t 和w w w 技术的发展，a g e n t 不仅成 为a i 和计算机领域最活跃的研究内容之一，而且引起了科技界、教育界、工业界甚至 娱乐界的广泛关注。 a g e n t 的原意是“代理”，即个人代表另一个人或另一个组织去完成某件( 些) 事情；在计算机领域，a g e n t 可以认为是被授权的“个人软件助理”，是一种在分布系 统或者协作系统中能持续自主地发挥作用的计算实体，常简称为智能体【2 1 1 。其最大特 点是具有一定的智能性及良好的灵活性和分布性。特别适合对复杂、协同和难以预测 的问题进行处理。 到目前为止，对a g e n t 尚没有一个统一和权威的定义。不同的研究学者提出了不 同的观点。s t a n f r a n k l i n 对a g e n t 的定义是这样的：a g e n t 是位于某一特定环境中并且 其自身是该环境的组成部分之一的一种实体系统，它能够感知环境的变化并通过相应 的彳亍为作用于环境以达到其自身的目的，而且，它能够感知这种作用所带来的环境改 变。m c o e n 认为：a g e n t 是可以进行对话、协商的软件。p m a e s 认为：a g e n t 是复杂 动态环境中能自治地感知环境并能自治地通过动作作用于环境，从而实现其被赋予的 任务或目标的计算系统【2 2 1 。 但其基本思想是“使软件实体能够模拟人类的社会行为和社会观，即人类社会的 组织形式、协作关系、进化机制以及认知、思维和解决问题的方式” 2 3 1 。a g e n t 技术 区别于传统技术的主要特征是其一般具有自主性、交互性、反应性、主动性和适应性 等特征| 2 1 j 。 ( 1 ) 自主性a g e n t 具有属于其自身的计算资源和局部于自身行为控制的机制。能 在无外界直接操纵的情况下，根据其内部状态和感知到的外部环境信息，决定和控制 自身的行为。 ( 2 ) 交互性能与其他a g e n t 进行多种形式的交互，能有效地与其他a g e n t 协同工 作。 ( 3 ) 反应性能感知所处的环境，并对相关事件做出适时反应。 ( 4 ) 主动性能遵循承诺采取主动行动，表现出面向目标的行为。 g 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= 。= = = = = ；= = = = = = = = = ；= = = = - ： ( 5 ) 适应性a g e n t 可以适应环境的变化。 2 1 2a g e n t 的结构 a g e n t 结构要解决的问题是a g e n t 由那些模块组成，这些模块之间是如何交换信 息t a g e n t 感知到的信息如何影响它的行为和内部状态，以及如何把这些模块组合起 来形成一个有机的整体。a g e n t 主要可以分为慎思型a g e n t ( d e l i b e r a t i v e a g e n t ) 、反应 型a g e n t ( r e a c t i v e a g e n t ) 和混合型a g e n t ( h y b r i d a g e n t ) 2 4 1 。 慎思型a g e n t ，是一个显式的符号模型，包括环境和智能行为的逻辑推理能力， 它保持了人工智能的传统，是一种基于知识的系统。环境模型一般是预先实现的，形 成主要部分知识库。 如图2 1 所示，a g e n t 通过传感器接受来自外界的信息，根据内部状态进行信息 融合，产生修改当前状态的描述：接着在知识库的支持下规定规划，形成一系列动作， 通过自身的动作对环境发生作用。 匝巫 叫圈 传感器 外 匦亚 _ 舛窜 环 部 境 口蒌 盎 效应器。 图2 1 慎思型a g e n t 结构框图 反应型a g e n t 与慎思型a g e n t 不同，是不包含用符号表示的世界模型，并且不使 用复杂的符号推理的主体。其特点是a g e n t 中包含了感知内外部状态变化的感知器， 一组相关事件作出反应的过程，和一个依据感知器信息激活某过程执行的控制系统。 a g e n t 的活动是由于受到某种刺激而引发的，因此被称为反应型a g e n t ，图2 2 给出了 反应型a g e n t 的结构框图，图中条件一动作规则使a g e n t 将感知与动作连接起来，其 中方块表示a g e n t 决策过程的当前内部状态，椭圆表示过程中所用的背景信息。 实际上，对于大多数问题，采用纯粹的慎思型a g e n t 或反应型a g e n t 结构都不是 十分合适。较好的方法是将两种结构结合起来，构成混合型a g e n t 结构。 混合型结构最显然的方式就是在一个主体中包含两个( 或多个) 子系统：一个是 慎思子系统，含有用符号标号表示的世界模型，并用主流人工智能中提出的方法生成 规划和决策；另个是反应子系统，用来不经过复杂的推理就对环境中出现的事件进 行反应。通常，反应子系统的优先级比慎思子系统高，以便它对环境中出现的重要事 件提供快速的反应。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 多a g e n t 系统 甜 传感器 外 部 环 境 效应器 图2 2 反应型a g e n t 结构框图 多a g e n t 系统是一些自主的a g e n t 通过协作完成某些任务或达到某些目标而构成 的系统【2 “。单个a g e n t 的智能是有限的，但可以通过适当的体系结构把a g e n t 组织起 来，从而弥补各个a g e n t 的不足，使得整个系统的能力超过任何单个a g e n t 的能力。 这些a g e n t 在物理上或逻辑上是分散的，其行为是自治的，他们为了共同完成某个任 务，或达到某些目标遵守某种协议连接起来，通过交互与合作解决超出单个a g e n t 能 力或知识的问题。在多a g e n t 系统中，人们所关心的是如何将已有的a g e n t 组织起来， 共同完成单个a g e n t 无法胜任的工作，现实系统大多属于多a g e n t 系统m j 。 虽然单个a g e n t 仅具有环境或任务的不完全信息和局部作用能力，但多个a g e n t 根据某种协议组织而成的a g e n t 系统，通过竞争、协作、协商等却显出智能化的系统 行为，从而能够进行大规模的问题求解活动，这种现象在生物系统中是普遍存在的， 例如蚂蚁群，单个蚂蚁的能力是非常有限的，但通过分工协作，蚁群却能够建造精美 绝伦的蚁穴。多a g e n t 系统表现出的这种生物型智能已引起了包括a i 、计算机科学、 生命科学、制造科学等领域的重视i z ”。 近来，由于其组织行为的显现效应，多a g e n t 系统已经被认为是建造大型复杂分 布式信息处理系统的重要技术和框架，并将为2 i 世纪分布式移动计算技术提供强大的 建模工具。目前，多a g e n t 系统的应用空f 日- h e 不断扩大，一般认为多a g e n t 系统特别 适用于那些能根据空间、时间或功能进行分解和划分的应用问题，在这些应用中采用 多a g e n t 系统将带来如下优点： ( 1 ) 由于处理的并行化，系统的运行速度将加快。 ( 2 ) 由于对信息的处理是在信息源的附近进行的，所以对通讯带宽的要求较低。 ( 3 ) 由于某一个a g e n t 出错不会影响整个系统的运行，因此，系统具有较高的可靠性。 ( 4 ) 由于感知、处理和动作紧密相伴，系统具有较高的反应速度。 多a g e n t 系统有两种结构形式2 8 啪】。一种是纯分布式结构，这种结构适用于规模 较小的系统。在这种结构中，系统中的所有a g e n t 相互共享信息和知识，每个a g e n t 1 0 华中科技大学硕士学位论文 都具有协商通信能力。另一种是联邦式( f e d e r a t e d ) 结构。这种结构引入了基于中介子 ( m e d i a i o r ) 的协调机制，中介子将组a g e n t 聚集成为a g e n t 集合，集合内部的a g e n t 只与中介子进行通信，中介子负责集合内部的a g e n t 的行为协调，同时代表整个a g e n t 集合与系统中的其它中介子或a g e n t 进行通信和行为协调。 2 3 a g e n t 实现技术 a g e n t 实现技术一直是智能a g e n t 技术的一个重要研究方向，主要包括a g e n t 开发 语言、a g e n t 技术规范和a g e n t 开发平台等几个方面。本文采用一个基于f i p a 规范的 平台j a d e 作为a g e n t 开发平台，用j a v a 语言实现了制造设备a g e n t 以及基于多a g e n t 的敏捷制造调度系统。 2 3 1a g e n t 开发语言 a g e n t 开发语言对所生成的a g e n t 结构和性能有着重要影响。一般认为面向a g e n t 的程序设计语言要满足以下几点要求【2 4 j ： ( 1 ) 平台无关性a g e n t 通常是用在不同的硬件和软件环境中的。a g e n t 开发语言必 须具有高度的平台无关性，支持大范围的网络异构系统。 ( 2 ) 面向对象a g e n t 可以看作是一种主动对象，面向a g e n t 的建模技术一般也借 助于面向对象的建模方法，a g e n t 也封装了相关数据和方法。所以a g e n t 开发语言通 常也必须支持面向对象模型。 ( 3 ) 通信能力a g e n t 开发语言必须提供构造用于实现面向通信的构件。面向通信 的构件包括a g e n t 之间的通信和网络环境下a g e n t 操作的能力。 ( 4 ) 安全性安全问题在多a g e n t 系统设计中具有核心作用。a g e n t 开发语言必须 提供相应的功能，可以通过使用特定的语言安全模型，或者与外部安全模型集成，例 如防火墙、密码协议等。 j a v a 是由s u n 公司开发的一种跨平台、适合于分布式计算环境的编程语言，是目 前最热门使用最普遍的面向对象编程语言之一。它彻底改变了应用软件的开发模式， 带来了自p c 机出现以来的又一次技术革命、为迅速发展的信息世界增添了新的活力。 具体来说，j a v a 语言具有如下特性：平台无关、面向对象、分布式、解释型、可 靠、安全、可移植、高性能、多线程、动态性等。限于篇幅，这里仅重点对j a v a 语言 的平台无关、面向对象、分布式等几个方面作简单介绍。 平台无关：j a v a 是平台无关的语言是指使用j a v a 写的应用程序不用修改就可在不 同的软硬件平台上运行。j a v a 主要靠j a v a 虚拟机o v m ) 在目标码级实现平台无关性。 面向对象：面向对象的编程语言是以对象为中心以消息为驱动。所有面向对象编 华中科技大学硕士学位论文 程语言都支持三个概念：封装、多态性和继承，j a v a 也不例外。j a v a 语言的封装性较 强，在j a v a 中绝大部分成员是对象。多态性就是多种表现形式，具体来说，可以用“一 个对外按口，多个内在实现方法”表示。将接i ：1 从具体的实施细节中分离出来，利用多 态性，代码的组织以及可读性都能得到改善。继承是指一个对象直接使用另一对象的 属性和方法。j a v a 提供给用户一系列类，j a v a 的类有层次结构，子类可以继承父类的 属性和方法。 分布式：分布式包括数据分布和操作分布。数据分布是指数据可以分散在网络的 不同主机上，操作分布是指把一个计算分散在不同主机上处理。j a v a 支持w w w 客户 机服务器计算模式，因此，它支持这两种分布性。 由于j a v a 语言具有以上的特征，尤其是其平台无关性和分布性的特征，使本文选 择了j a v a 语言作为a g e n t 及多a g e m 系统的开发设计语言。 2 3 2f i p a 规范 世界上有很多研究人员为了推广a g e n t 技术，建立真正实用的多a g e n t 系统，正 朝着a g e n t 技术标准化的方向努力。f i p a 是1 9 9 6 年由来自多个国家的大学、公司建 立的一个非盈利组织。其目的在于为不同类型、相互作用的软件a g e n t 之间的协同工 作建立标准。f i p a 由一系列获得国际承认，可以公开利用的规范组成，是一个针对不 同应用领域的通用技术，它使得开发者可以开发出具有高度协同工作能力的复杂系统。 按照协议所涉及的主题，f i p a 规范可以大致分为以下几个部分。 ( 1 ) 应用层规范a g e n t 可以广泛地应用于很多领域，而应用层规范主要定义了一 组被广泛应用的a g e n t 的本体和相关服务的描述。其中包含的规范有，f i p ap e r s o n a l t r a v e la s s i s t a n c e s p e c i f i c a t i o n ， f i p ap e r s o n a la s s i s t a n ts p e c i f i c a t i o n ，f i p a a u d i o 。v i s u a le n t e r t a i n m e n ta n