（机械制造及其自动化专业论文）分布式网络化制造系统的若干关键技术研究.pdf

硕十学何论文 摘要 在全球化浪潮的冲击和高速发展的高科技的推动下，制造企业的经 营、生产战略与活动应面向全球，充分合理利用以信息技术为代表的高 科技，建立和实现基于分布式网络化体系结构的组织、生产和管理模式， 以快速、灵活地组织和利用各种分布式的、异构的制造资源，谋求企业 间的相互合作、共同寻求市场机遇，在激烈的市场竞争中求得生存与发 展。为此，本文从以下几方面对分布式网络化制造系统若干关键技术展 开研究： 首先，论述了分布式网络化制造的定义、内涵、特征以及使能技术， 提出了a g e n t 技术在应用于分布式网络化制造系统中的若干特征属性，构 建了多a g e n t 体系结构，并对多a g e n t 系统在分布式网络化制造系统中的 交互、运行模式和协作与协商机制进行了分析。介绍了基于c o r b a 的多 a g e n t 系统集成框架，以及集成框架中的交互与通信机制，从而建立基于多 a g e n t 系统的分布式网络化制造系统模型，并对于建立模型的策略、合作 模型、组织模型和合作对象的选择、合作模型中多a g e n t 系统的任务分配 与协作和规划与协调进行分析。 分析了智能数控系统的功能与特点，通过对于数控设备a g e n t 模型、 数控设备网络运行环境、智能s t e p n c 控制器的运行模式和实现方法的 研究，从而创新性的建立了基于智能s t e p n c 控制器的支持分布式网络 化制造的智能数控设备系统，实践性的运用了基于a g e n t 的分布式网络化 设备实施技术。同时，通过对于仿真a g e n t 体系结构的研究，建立智能数 控设备的分布式任务的仿真模型，并对于建立模型进行任务的分配，通 过遗传算法优化和甘特图的显示，验证了系统的可行性。 分布式网络化制造系统是对传统的制造模式的扬弃和创新，是当前 先进制造模式研究的热点。目前，分布式网络化制造系统理论研究取得 一定的进展，应用研究则相对滞后，尤其是适用于我国目前制造业现状 的应用研究尚处在起步阶段。因此，对分布式网络化制造系统若干关键 技术问题进行探讨具有重要的理论和应用价值。 关键词：分布式网络化制造；合作模型；a g e n t 技术；s t e p n c 控制器；信 息交互；协作；智能数控设备 a bstrac t a tt h ei m p a c to fg l o b a l i z a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to ft h eh i g h - t e c h ， t h es t r a t e g i e sa n da c t i v i t i e so fp r o d u c t i o na n dt h eb u s i n e s s o fc o m p a n y s h o u l db ef a c et h eg l o b a l ，a tt h es a m et i m e ，t h e ya l s os h o u l db ef u l l ya n d r a t i o n a lu s e0 fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya sr e p r e s e n t e db yh i g h - t e c h ，s e tu p a n di m p l e m e n t a t i o no fd i s t r i b u t e dn e t w o r k - b a s e ds y s t e m ss t r u c t u r ew i t ht h e 0 r g a n i z a t i o n a la n dp r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n t ， s 0t h a to r g a n l z e da n du s ea v a r i e t vo fd i s t r i b u t e da n dh e t e r o g e n e o u sm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ss o a st o f a s ta n df l e x i b l e ， j no r d e rt os e e km u t u a lc o o p e r a t i o nb e t w e e ne n t e r p r l s e s a n ds e e km a r k e to p p o r t u n i t i e si nt h ef a c eo ff i e r c em a r k e tc o m p e t l t l o n ， t o a c h i e v es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t t ot h i se n d ， t h i s p a p e rs t u d yt h ef o l l o w i n ga s p e c t s o fs o m e k e y t e c h n o l o g i e si nd i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sm a l n l y ： f i r s t l v ， o nt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r ko fm a n u f a c t u r i n gd e f i n i t i o n ， c o n t e n t ， f e a t u r e s ， a sw e l la se n a b l i n gt e c h n o l o g y ， d i s t r i b u t e dt h e an u m b e ro f c h a r a c t e r i s t i c so fa g e n tt e c h n o l o g yu s e d i nt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ， a n db u i l das t r u c t u r eo fm u l t i - a g e n ts y s t e m ，a n d a n a l v s i st h em o d eo fi n t e r a c t i v e ，c o l l a b o r a t i v eo p e r a t i o na n dc o n s u l t a t i o n m e c h a n i s m so ft h em u l t i a g e n ts y s t e m i nt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i n t r o d u c t i o nc o r b a - b a s e dm u l t i a g e n ts y s t e m s i n t e g r a t i o nf r a m e w o r k ，a n di n t e g r a t e dt h em e c h a n i s ma n dc o m m u n i c a t l o no l j i n t e r a c t i o ni nt h ef r a m e w o r k ， i no r d e rt os e tu pm u l t i a g e n ts y s t e m sb a s e d o nd i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mm o d e l ， a n da n a l y s i st h e s t r a t e g yo fs e tu pt h em o d e la n dc o o p e r a t i o nm o d e l s a n d0 r g a n i z a t i o n a l m o d e l sa n dc h o o s et h eo b je c to fc o o p e r a t i o na n dc o o p e r a t i o ni nm u l t i a g e n t s v s t e mm o d e lo ft h ed i s t r i b u t i o na n dc o l l a b o r a t i o na n dm i s s i o np l a n n i n g a n dc o o r d i n a t i o n a n a l v s i st h ef u n c t i o n sa n dc h a f a c t e r i s t i c so ft h ei n t e l l i g e n tc n cs y s t e m ， t h l o u g hs t u d yt h ee q u i p m e n tt h r o u g ht h ea g e n tf o it h en cm o d e ia n dt h e n e t w o r ko p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fn u m e r i c a l c o n t f o la n di n t e l l i g e n t s t e p n cc o n t r o l l e r 。s0 p e r a t i o nm o d ea n dm e t h o do fi m p l e m e n t a t i o n ，i n o r d e rt os e tu pi n n o v a t i v ei n t e l l i g e n ts t e p n c b a s e dc o n t r o l l e rt os u p p o r t d i s t r i b u t e dn e t w o r ko fi n t e l l i g e n tc n ce q u i p m e n tm a n u f a c t u r l n gs y s t e m ， l l 硕十学位论文 w i t ht h ep r a c t i c a lu s e0 fa g e n t - b a s e dd i s t r i b u t e dn e t w o r k0 ft e c h n i c a l e q u i p m e n t i nt h e s a m et i m e ， t h r o u g ht h e s i m u l a t i o ns t u d y0 fa g e n t a r c h i t e c t u r et ob u i l dd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tc n ce q u i p m e n t s i m u l a t i o n m o d e lo ft h em i s s i o n ，a tt h es a m et i m et os e tu pm i s s i o n0 ft h ed i s t r i b u t i o n m o d e lb yg e n e t i ca l g o r i t h ma n dg a n t tc h a r td i s p l a yt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h es y s t e m n e t w o r km a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sam o d e lo ft r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g s u b l a t i o na n di n n o v a t i o n ， a d v a n c e dm a n u f a c t ur i n gm o d eo ft h ec u r r e n th o t t e s e a r c h a tp t e s e n t ， t h ed i s t r i b u t e dn e t w o r ko fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s t h e o r e t i c a lr e s e a r c hp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e d ，a p p l i e d r e s e a r c hi s r e l a t i v e l yl a g g i n gb e h i n d ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no ft h es t a t u sq u oi no u r c o u n t r ya tp r e s e n ts t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no ft h em a n u f a c t u r i n gs e c t o ri s s t i l la tt h ee a r l ys t a g e t h e r e f o r e ， t h ed i s t r i b u t e dn e t w o r ko fm a n u f a c t u r i n g s y s t e m sf o ran u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e st oe x p l o r eq u e s t i o n so fg r e a t t h e o r e t i c a la n da p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ： d i s t r i b u t e dn e t w o r ko fm a n u f a c t u r i n g ；c o o p e r a t i o nm o d e i ； a g e n tt e c h n o l o g y ； s t e p - n cc o n t r o l l e r ； i n f o r m a t i o ne x c h a n g e ； c o i l a b o r a t i o n ； i n t e l i i g e n tn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t m 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 插图索引 功能子系统( 或实体) 的逻辑结构6 分布式网络化制造系统结构框图7 分布式网络化制造的基础理论与关键技术8 多a g e n t 系统的组成1 7 多a g e n t 系统的一般结构1 9 混合式体系结构22 多a g e n t 系统的联邦式结构2 2 分布式网络化制造环境中的a g e n t 结构23 a g e n t 运行模式2 3 对象管理体系模型25 对象请求代理o r b 模型2 6 基于c o r b a 的多a g e n t 系统框架结构图2 7 多a g e n t 交互通信层次模型2 8 基于a g e n t 的建模结构框架3 0 多a g e n t 系统模型3 1 m a s 的组织结构形式3 4 混合型a g e n t 合作模型3 5 分布式网络化制造系统模型体系结构3 8 数控设备a g e n t 的模型4 3 数控设备a g e n t 的网络运行模式4 5 基于多a g e n t 的智能s t e p n c 控制器结构模型4 8 基于多a g e n t 的智能s t e p n c 控制器实现流程5 1 基于s t e p n c 的智能数控设备的体系结构5 3 智能数控原型系统的体系结构5 4 多a g e n t 系统的仿真体系结构5 5 数控设备任务分配甘特图6 3 数控设备任务分配结果6 4 l v 硕十学位论丈 附表索引 表3 1系统各结点的软硬件配置表3 9 表4 1动态动态任务参数列表61 表4 2动态动态任务参数列表6 2 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文足本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 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后果 由本人承担。 作者签名：多、南参 日期：硼孕年d 6 玛d 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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：加少年衫月g 日 日期。吖年么月彦日 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 制造系统的发展及其演变 1 1 1 制造系统与制造模式 社会生产力的发展和技术的进步总是同制造模式和制造系统的发展 变化相联系的。随着市场的不断变化，传统的制造模式和系统已不再适 应目前的市场竞争，人们提出了许多新的制造模式和制造系统，希望以 此更好地迎接未来的挑战。 制造系统和制造模式具有广义系统和模式的共有属性，同时，它们 也具有一些特有性质【。狭义的制造系统包括以下方面：通过各种加工 方法改变物料形状；改变物料的化学和物理属性；改变物料位置。 而广义制造系统则涵盖了从营销、设计、加工、装配直到售后服务( 甚至 包括产品回收处理) 的方方面面。制造系统是一种人造的开放式系统体 现了人类的意志、原则和规律。所以，制造系统是某种制造模式的物理 实现。制造模式决定了制造系统的结构和运行方式，是制造系统的一种 抽象的“类型 ，它引导制造系统的战略方向。在制造领域，模式可以 理解为一种知识状态，以及可用于生产的技能和技术。制造模式是主流 的理念，它控制产品开发以及生产制造方法、工具和知识的应用，是一 种动态的概念，通过不断地进化来满足技术挑战和不断变化的社会价值。 当某个主流的制造模式不能满足这些要求时，就会被新出现的制造模式 所代替。 自工业革命以来，制造业经历了几种主要的制造模式转变【2 3 1 ： 以大批量生产为特征的泰勒制，从2 0 世纪初开始成为制造业的主导 模式，对制造技术和社会价值产生了深远影响。大批量制造系统( d m s ， d e d i c a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 采用刚性自动化加工设备和生产线， 批量生产标准化的产品，以其低成本、高效率的优越性，创造了比单机 生产高数百倍生产效率。但随着市场需求日益多样化、个性化，d m s 也 由于不能适应产品变化而逐渐丧失了优势。 2 0 世纪6 0 年代，柔性制造系统( f m s ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 开始取代传统的刚性自动线，得到广泛应用。f m s 运用了微电子技术、 数控编程技术和网络技术，以数控机床为基础建立，提高了设备柔性。 实践结果表明，f m s 适用于多品种，变批量产品生产。f m s 存在着可靠性 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 差、造价昂贵、冗余功能较多等缺点，阻碍了它的进一步应用。 2 0 世纪8 0 年代开始，随着市场竞争的加剧、信息技术的快速发展以 及资源、环境等问题逐渐引起人们的重视，涌现出了各种先进制造模式 和制造系统，其中有代表性的有【3 l ： 1 计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ) c i m s 是运用系统工程的整体化观点，将现代信息技术和生产技术综 合应用，从信息技术和组织上将生产全过程c a d 系统、c a p p 系统和c a m 系统连接起来，以便有效地提高企业对市场需求的响应能力和生产率。 但c i m s 的实践应用效果并不理想，关键是因为它过于依赖自动化技术， 而忽视了人的作用。c im s 要想获得更大的发展，必须从“技术驱动”转到 “效益驱动”和“需求驱动”的轨道上来。 2 并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程f 包括制造 过程和支持过程) 的系统方法。其目的在于提高整个制造过程的质量，降 低产品生命周期费用并缩短研发周期。与c i m s 不同，并行工程作为一种 经营哲理和工作模式，它注重人的作用，强调管理体制创新。 3 精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 精益生产又称精良生产，它以“人”为中心，在组织机构上以“精简” 为手段，在工作方法上采用t e a mw o r k 和并行设计，在供货上采用j u s ti n t i m e 方式，旨在消灭故障，消除一切浪费，向零缺陷、零库存进军，最终 达到“尽善尽美”的目标。精益生产综合了大量生产与单件生产方式的优 点，力求在大量生产中实现多品种和高质量产品的低成本生产。 4 绿色制造( g m ，g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 绿色制造即指在制造过程的每个阶段，同时考虑产品对人和环境的 影响，并使之最小化。其实质是一种物料和能耗最少的生产活动的规划 和管理，将废弃物减量化、资源化和无害化，或将其消灭在生产过程中。 5 大批量定制( m c ，m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 大批量定制是一种将基于相似性原理、重用性原理和全局性原理与 应用实践相结合的生产方式，以减少产品内部多样化、增加产品外部多 样化为基础，在空间上对整个产品族、在时间上对产品全生命周期进行 全方位的优化，低成本、快速地生产定制产品。 6 分布式网络化制造( d n m ，d i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g ) 分布式网络化制造即针对某一生产项目，利用信息高速公路灵活而 迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智 2 硕十学位论文 力资源和各种核心能力，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束 的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体一一动态联盟，以便快速 推出高质量、低成本的产品。 随着现代制造系统的发展，各种类型的模式和系统之间出现了一种 相互融合的状态，以下列出了其共同的发展趋势。 1 追求设计一制造一管理的一体化。从单纯注重设备自动化转向对生产 全过程的进行科学的综合管理。 2 通过充分发挥人的创新作用，使制造系统成为自学习、自适应、 自组织、自维护的人机一体化的智能的可变制造系统。 3 注重发展中小企业间的敏捷制造联盟，通过分散网络制造实现快速 响应和低成本生产的目标。 4 从企业利益驱动转向用户和社会利益驱动，以追求用户满意为目 标。 5 注重发展车间级的生产管理和控制单元，使其成为现代制造系统的 基石。 6 注重对资源和环境的关注，每一个环节都要考虑对资源的有效利 用、回收和再利用，采取措施使制造系统对环境的影响达到最低。 1 1 2 网络化制造的产生和发展 网络化制造的产生是以信息化技术为主体的多学科综合技术对现有 的制造系统理论与技术的继承、发展、综合与扬弃，同时也是从量变到 质变的过程。网络化制造的着眼点在于制造的各种要素和各个环节信息 化、全球化、网络化、集成化、敏捷化的深入发展。它将原来局部的、 小范围的、初级的制造形态充分扩展到全局性的，全球大范围的和高级 的制造形态，从而实现制造资源、人、技术在全球范围内的高度集成与 合理配置，达到对用户需求的充分发掘与快速动态响应，其关键特征是： 全方位、信息化、全球化、网络化、集成化、敏捷化。 网络化制造涉及制造技术的方方面面，从硬件到软件、从技术到管 理、从企业到全社会的组织与个人、从局部资源到全球资源等，其显著 特点有： 1 ) 基于i n t e r n e t i n t f a n e t 的网络化； 2 ) 产品设计、制造进程中的全程数字化； 3 ) 制造设备的社会化、智能化、柔性化； 4 ) 制造组织的全球化、敏捷化； 5 ) 制造资源的分布性、共享性； 3 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 6 ) 制造过程的并行化、协同化； 7 ) 设计制造各要素全球性的分布化和集成化； 8 ) 设计制造各个环节的并行协作与智能化。 网络化制造逻辑体系是一个面向客户、企业、企业联盟、科研机构、 社会组织和个人的设计制造及相关过程的集成系统。理论上讲，该系统 能延伸到i n t e r n e t 到达的任何地方。在系统中，企业、企业联盟、科研机 构、社会组织和个人等的身份是多重的，既可以是公共处理中心信息的 提供者，又可以是公共处理中心服务的接受者；既可以是产品的销售者 又可以是产品的购买者；既可以是创意者，又可以是创意的消费者；还 可以提供或接受其它的相关服务。 网络化制造的基本目标是将现有的各种在地理位置上或逻辑上分布 的异构制造系统企业，通过计算机网络互联，进行各个制造系统企 业问的信息交流与合作，进而实现制造资源的共享，为寻求市场机遇， 及时而快速地响应和适应市场需求变化，赢得竞争优势，求得生存与发 展，奠定了坚实的基础，同时也为真正实现制造企业研究与开发、生产、 营销、组织管理及服务的全球化开辟了道路。网络化制造系统以数字化、 柔性化、敏捷化为基本特征。柔性化与敏捷化是快速响应客户需求的前 提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速响应、过程中的并行性与 分布式决策l4 、x 川。 1 1 3 现代网络化制造系统的分布式特点 在现代快速多变的市场环境下，企业为了迎接市场的挑战，增强企 业的竞争力，提出了各种先进制造系统模式，如敏捷制造、随机制造、 虚拟企业、分形公司、精益生产、智能制造和绿色制造等。这些制造模 式的共同目标是：快速响应不可预测的市场变化，实现混沌同步，增加系 统的自组织能力。共同的解决方法是：更多地采用分布式控制以获得高的 容错能力和鲁棒性；设计更柔性及可重构的制造系统，快速响应市场变 化及客户需求。无论从物理上还是逻辑上看，制造是通过系统间物料、 能量和信息的交换与共享而形成的一系列分布式合作问题求解过程。近 年来分布式人工智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，d a i ) 在制造 系统中的应用性研究表明不同种类的智能自治实体间的相互合作的分布 式网络制造系统最有希望成为未来制造业的生产模式。 现代制造业的竞争将是柔性和响应速度的竞争，以满足全球市场的 动态变化。现代制造企业的经营战略是灵活、高效地组织社会各种可以 利用的资源，积极主动需求市场机遇，快速、灵敏地响应市场变化，及 4 硕十学位论文 时、高质量地满足客户需求，提供全方位优质服务。而计算机、网络、 通信、信息、管理及人工智能等科学技术的迅猛发展和突破，尤其是 i n t e r n e t 的迅速崛起和发展，深刻地影响和改变着社会生产方式及人们的 生活方式，在对制造业提出更高要求的同时，也给制造业焕发出生机和 活力带来新的契机，新的制造模式也应运而生一一从传统的多层次分工 模式向分布式网络化模式转换，形成以企业核心能力为基础的网络化生 产体系。 本世纪中叶以来，微电子、计算机、通讯、网络、信息、自动化等科 学技术的迅猛发展，使高新科学技术在制造领域中广泛渗透、应用和衍生， 推动着制造业的深刻变革，极大地拓展了制造活动的深度和广度，促使制 造业日益向着高度自动化、智能化、集成化和网络化的方向蓬勃发展。 在全球化浪潮的冲击和高速发展的高科技的推动下，制造企业的经营、生 产战略与活动应面向全球，充分合理利用以信息技术为代表的高科技，建 立和实现基于分布式网络化体系结构的组织、生产和管理模式，以快速、 灵活地组织和利用各种分布的、异构的制造资源，谋求企业间的相互合 作、共同寻求市场机遇，在激烈的市场竞争中求得生存与发展p 。 1 2 分布式网络化制造系统及其国内外研究现状 1 2 1 分布式网络化制造系统的概念和结构 1 2 。1 1 分布式网络化制造系统概念和基本思想 分布式网络化制造系统 ( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，d n m s ) 的初步构想，是香港理工大学教授李荣彬和同济大学教 授张曙联合内地的学者在1 9 9 7 年提出的一种生产模式。分布式网络化制 造系统的总体构想建立和实现基于计算机网络的分布式制造系统模式。 d n m s 是一种有多种、异构、分布式的制造资源，以一定互联方式，利 用计算机网络组成的开放式的、多平台的、相互协作的、能及时灵活地 响应客户需求变化的制造系统，是一种面向群体协同工作并支持开放集 成性的系统，其基本目标是将现有的各种在地理位置上或逻上分布的异 构制造系统企业，通过其a g e n t 连接到计算机网络中去，以提高各个制 造系统企业间的信息交流和合作能力，进而实现制造资源的共享。 分布式网络化制造系统( d n m s ) ，是由若干在地域上分布的、具有 不同结构的、功能上既相互独立又相互联系的制造子系统( 或实体) ， 通过其职能代理( 能与周围环境进行交互、自主推理决策和活动，以作 为其功能实体的利益代表，全权负责它所代理系统或实体在网络中的一 5 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 切对外交互活动) 利用计算机网络( 如l a n 、i n t r a n e t 、i n t e r n e t 等) 相互 联结而成的一个分布式系统，是一种面向群体协同工作并支持开放集成 的系统。在分布式网络化制造系统中，各制造子系统在自主地完成其子 任务的过程中，相互之间还必须进行交流、协商与协调才能共同完成整 个系统的任务。而且一个d n m s 是通过它的智能代理实现与异地的异构系 统进行交互和协调的。 在一个分布式网络化制造的模式中，每一个分布式网络化制造的环境 图1 1 功能子系统( 或实体) 的逻辑结构 中，每一个具有独立完成某项任务的功 能子系统( 或实体) 都具有如图1 1 所示 的逻辑结构，是由人、智能代理和功能 子系统( 或实体) 即具体执行任务的部 分组成的一个集成智能子系统( 或实 体) 。 基于分布式网络化制造模式，使制造 企业系统具备扁平的网络化的组织和信 息体系结构，以及分布的管理控制方式 和并行作业机制，使得制造企业系统具 有良好的开放性、可扩展性和可重组性，可通过有效的网络集成、信息 集成、功能集成、过程集成和人员集成实现企业生产经营过程的全局最 优，极大地提高制造企业系统的运作效率和管理水平，提高了对动态、 快速、多变的市场需求的迅速、灵活地在全球范围内组织、优化配置各 种制造资源( 包括人、资金、技术、设备等) 和进行产品开发设计与生 产、优质行销的能力，从而可以及时、快速、高校、高质量地满足客户 的需求，在激烈的市场竞争中立于不败之地【8 9 1 。 1 2 1 2 分布式网络化制造系统的结构组成 分布式网络化制造即针对某一生产项目，利用信息高速公路灵活而 迅速地组织社会制造资源，把分散在不同地区的现有生产设备资源、智 力资源和各种核心能力，迅速地组合成一种没有围墙的、超越空间约束 的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体一一动态联盟，以便快速 推出高质量、低成本的产品1 1 0 】。 综合利用网络的分布性、协同性、广域性和分布式控制的优点，产 生新的制造系统一一分布式网络化制造系统( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，d n m s ) ，它是一种有多种、异构、分布式的制造 资源，以一定互联方式，利用计算机网络组成制造系统，是一种面向群 6 硕十学位论文 体协同工作并支持开放集成性系统。开放性、多平台性、相互协作性和 灵活的响应性是它的出发点。根据分布式网络化制造系统的特点，可得 到分布式网络化制造系统框架及功能如图1 2 所示。 数 据 库 图1 2 分布式网络化制造系统结构框图 分布式网络化制造系统功能由以下分系统组成：工作现场监控系统： 产品数据管理系统；网络数据库系统；产品协同开发技术支持系统；制 造环境管理系统；供应链管理系统；网络化企业动态联盟系统；电子商 务系统等。这些系统既能集成运行，也能单独应用。 1 2 2 分布式网络化制造系统的特征和关键使能技术 1 2 2 1d n m s 的主要特性 作为新型制造系统，分布式网络化制造系统具有以下特点1 1 1 1 2 】： ( 1 ) 层次结构的相似性：分布式网络化制造系统具有一定的层次性， 从下到上一般分为单元级、车间级、系统企业级等不同的层次，而且在 不同的层次上都具有相似的体系结构，即同一层次中各结点都通过其 a g e n t 利用计算机网络相互连接，而处于低层次的系统，则作为一个整体 通过其在上一网络层次中的代理连接到上一层次的网络中去； ( 2 ) 分布式、开放的体系结构：在分布式网络化制造系统中，处于 同一网络层次中的各个结点在逻辑结构上或地理位置上是分布的，无主 从之分，能独立地、自主地完成各自的子任务，但为完成系统的整体任 务，彼此间还需进行大量的交互活动，包括信息、数据的交流与分享， 相互协商、协调与合作以协同完成任务； ( 3 ) 良好的容错能力、可扩展和可重组性； ( 4 ) 互联性：各结点通过计算机网络，以一定逻辑互联方式实现连 接和通讯； ( 5 ) 互操作性：各结点或应用系统问能够交互作用、相互协调与合 作以协同完成共同的任务； ( 6 ) 数据、知识和信息的分布性：各个结点都有各自的以各种形式 7 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 ( 文件、数据库、知识库和电子表格等) 存在的数据、知识和信息资源； ( 7 ) 多样化：硬件平台、操作系统和应用平台的多样化。 1 2 2 2d n m s 的关键技术 雏 小ji 研究 分布式网络化制造的基础理沦与关键技术 人工智能ll 信息科学j 技术ll 系统科学l 眙理科学与技术ii 先进制造科学与技术 ii 多 分佑i l a g e n t 式人i i 系统 t 智i l 理论 能ii 繁 糍 萎l i 篓il 纂l l 墓篓 图1 3 分布式网络化制造的基础理论与关键技术 如图1 3 所示，为分布式网络化制造系统制造模式的理论和关键技 术，其基础理论研究是一个庞大的系统工程，涉及到机械工程、计算机 科学与技术、控制工程、通讯工程、管理科学及系统工程等诸多学科领 域，在研究方法上要求体现多学科的交叉和集成。分布式网络化制造模 式是适应网络经济对制造系统的快速性、敏捷性、可重组性以及智能化、 集成化、网络化要求的新的制造模式，因此，在构建和实现分布式网络 化制造系统( 企业) 时，除需要广泛运用当前先进制造技术外，还需要 在此基础上充分利用信息技术和人工智能技术，以解决分布式网络化制 造系统( 企业) 中的以下急需解决的问题1 9 】： 分布式网络化制造系统( 企业) 的信息体系结构、网络结构及实 现网络化； 分布式网络化制造系统( 企业) 中各个结点( 或子系统) 都有各 自的以各种形式( 如文件、数据库、知识库和电子表格等) 和不同格式 存在的数据、知识和信息资源，怎样实现这些资源的共享； 怎样提高各个结点的智能水平、在异构的、分布的结点问实现互 操作、以及将人的智能集成到制造活动中； 如何实现结点间的交流、协调与合作以协同完成系统总任务，以 在实现信息集成和功能集成的基础上实现过程集成； 通过何种机制、方法和手段，实现制造企业间以及企业与顾客间 基于网络的集成，如资源共享、寻求合作、开展电子商务活动、异地协 8 硕十学何论文 同设计、制造与装配等。 继承当前制造技术的基础上，为了解决上述关键问题，构建和实现 分布式网络化的制造系统需要计算机网络化技术、分布式对象技术、多 自主体系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 技术以及数据库等关键技术的支 撑。 分布式对象技术及其标准为在分布的、多种异构制造资源的基础上 构造起分布式网络化制造系统，以有效地实现资源与信息共享、相互协 调与合作以协同完成整体目标，因此系统集成就成为十分突出的问题， 解决系统集成问题的有效途径就是遵循开放系统原则，采用标准化技术， 建立集成软件环境。分布式对象技术对实现分布异构环境下对象之间的 互操作和协同工作以构建起分布式系统具有十分重要的作用和意义。其 主要思想是，是在分布式系统中引入一种可分布式的、可互操作的对象 机制，把分布于网络上可用的所有资源封装成各个公共可存取的对象集 合，采用客户服务器( c s ) 结构和模式实现对对象的管理和交互，使得 不同的面向对象和非面向对象的应用可以集成在一起，实现不同用户特 长的基于c s 模式、面向对象、开放的分布式计算集成环境。 多自主体系统( m a s ) 技术是有多个a g e n t 组采用集中或分布组成的一 个相互协作，相互作用，完成复杂的任务或目标的系统。与传统的模块 化程序系统相似，m a s 系统结构可以通过由上到下和由下到上两种方式 进行组织和实现。m a s 按照其中的a g e n t 的组成方式可分为完全集中式结 构、分布式结构和混合式结构三类，其具体结构模型将在下文中有详细说 明。 1 2 3 分布式网络化制造系统的研究现状 工业发达国家为推进分布式网络技术在制造业中的应用，开展了大量 的研究工作。例如，英国利物浦大学正在欧共体资助下建立英国西北 虚拟企业网，该网旨在支持、促进英国西北地区中小企业的合作与发展。 欧盟将全球网络化制造研究项目列入第五框架计划( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) 。1 9 9 9 年5 月美国通用电器公司发表了“计算机辅助制造网络 ( c o m p u t e r - a i d e d m a n u f a c t u r i n gn e t w o r k sc a m n e t ) 的结构和应用。它通过因特网提供多 种制造支撑服务，使得成员企业能够通过万维网快速联结和相互传递、 共享分布的制造信息。美国s c a n d i a 国家试验室的分布式系统研究部与斯 坦福大学的设计研究中心以及哥伦比亚大学的机械工程系合作，开发出 一种a g e n t 的框架结构以支持敏捷制造。这个智能软件a g e n t 是实现异构 商务、工程及制造软件部件集成的基础。在此基础上，开发出一个基于 9 分布式网络化制造系统的若干关键技术研究 公共对象代理结构( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r ec o r b a ) 的制造环境，在这个环境下的每个设备与装置可以实现彼此间的通讯、 互操作，从而实现异构设备间的集成。 i m s 国际合作研究计划中的“网络化制造基础与技术项目” ( n e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gf o u n d a t i o n st e c h n o l o g i e s ，n e t w o r k s ) ，由 加拿大l a v a l 大学的s o r c i l e r 研究中心牵头，主要研究目标是建立分布式 网络化制造的基础和使能技术。预期的主要成果有：网络工程技术，包 括设计、优化和仿真技术以支持分布式网络制造组织的设计和工程实施 以及战略管理计划；网络操作技术，包括操作计划和控制技术，以支持 产品开发过程、产品的传输过程、产品再生过程、制造和后勤能力开发 过程；以支持分布式网络化制造组织在世界范围内的进化等。其中还有 许多涉及分布式网化制造技术的研究项目，如：“下一代制造系统”( n e x t g e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gsy s t e m s ，n g m s ) ，“企业网络环境中的全球工程 与铝4 造”( g l o b a le n g i n e e f i n ga n dm a n u f a c t u r i n gi ne n