（机械制造及其自动化专业论文）支持网络协作的敏捷化智能制造单元的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 面对经济的金球化、客户化的市场浠求以及科学技术的飞遽发展，2 1 世纪的制 遗业应支持全球憾竞争期快速响应市场。因此，本学位论文试躅对底艨设旌的网络 纯、信惑纯、鬻麓诧以及运行篱理懿敏捷强等方嚣进行深入熬、提示英率蒺凳臻论 分析与形式化的研究工作，研究与开发其有专家智能的制造资源智能体以及具脊模 块他结孝奄、能黍- 黢集成”人”的智能鳃敏捷纯智能制造单元，根撼制造订攀或市溪懿 需求，麓予弼络潞俸敏德纯形成餐戆巷潦单元，避两形蕊教捷能智能翻造系统，戳 增强其快速响应市场和充分满足客户需封岂的灵瀚性和敏撼性，为探讨、研究、建立 鞠实现蕊舞客户能生产蛉涮造系统羹定蕊懿，扶露为对传统裁造渣进行变摹越戮一 个抛砖譬i 疆的律用，希藏以此熊够提高制造企娥快速、鬃性地响应市场需求变化的 能力，使制造企姚获得程网趋激烈的全球性市场撤争中的优势。为此，雄文在c i 骼、 餐篷裁邈敷羲撬毒l 造等瓷遴裁造疆念豹蕊爨上，黠支持溺终裔终翡敏蕤倪餐裁嬲造 单元的理论与若干关键拽术进行了研究，为敏捷化智能制造单元的实现提供理论与 搜术上的支持。 透过对裁遣系统缀织缝穗熬演变掰疆进行磁窕，撵灏了支持智能案遗擎j 琵城捷 化蘑构的主导型缀织单元与一般测组织帮元模型。为实观分布、鼎构制造资源的动 态管理与快速集成及支掩任务撬嚣过器中犍蛰体，提出了对铡造资源避行建糗瓣籀 添模板，并基子a g e n t 瑷论对玄嚣j 迸行了建模，提出了网络化、信息化与智能他的 制造资渊封装模烈。 毒l 造避程是敏捷纯错能蒜造攀元霸隽麓嚣蕊，霉实撬其墓乎皴谖鬈次篱集成。 通过对敏稳化智能制造革冗中业势过程的分布式窳施进行分析，提出了敏捷化智能 椎4 造单元中不同锩4 造资源躲能体之闻基予傣造避穰信息集成鲍机制与方法。 舒辩敏捷豫智能铡潺攀元串备裁遥资源智能体在运行过程串耱耱商与协于箬，提 出旗于市场机制的协商岛协作策略，用予解决释制造资源智能体在动态任务分黼过 撰中的邋镶、捺鬻每协撑闽题，黪基予镱8 遗过獠信息安瑷智能错造苇元汝敏毽纯窿 鬣褐。仿真结果表璃该策暗与算法可有效掰于制避资源的协佟与集成过稳中。 敏捷化智能制造单元的研究，为虚拟制造缎织的构建与运行控制机制提供了瑗 论与实瑰技寒上躺支持。挺凄了基予敏捷豫簪畿糕逢单元翁寝羧鼷建缀绞蕊筏建方 法，并利用制造资源服务虚拟黼宓现了不同智麓制造单元之间的敏捷化集成。分析 了敏捷化锷能制造单元之阅的通倦机制筠信息交嚣的方法，研究了v m o 巾各敏捷化 篱藐番l 逮肇元之籁戆运褥接割瓤翻。 在上述工作的旗础上，研究开发了基于c o r b a 的敏摅化智能制造单元实验原烈 祭统，开展从客户订单劐系统任务媛魁、系统镁务动态分酝、荆造资源漤态管邂蓐 集藏、设计与制造过程懿并行与协作蔽及鬻能制遗单元辙捷纯薰褥等试骏的运行研 究，从原遐上验诞了敏捷化智能制造单元的理论岛关键技术。 综上搿述，举文胬掇感抟敏捷证智麓麓造单元麓基本擒黎、敏捷讫餐篷妻4 遂蕈 元鼹模、蒸于制造过程信患的集成、制造单元的敏捷化囱麓构策略、基于市场机制 的制造任务分配过程中的协商与协调等理论和若干关键技术，对窳现制造肇元体祭 黧梭懿黍瞧、裁造过程豹黎戆毪与塞逶旋瞧、增强其对捧耱灞与会掺藐力、实糯铡 华中科技大学博士学位论文 造单元智能化集成及运彳亍管理的敏捷性镣是可行和有效的，为敏捷化智能制造帮元 黪实现提供理论与实现技术上躲措导与支持。藜予敏捷纯蟹毙翱遥单元麓囊羧剿造 缀织的椅建与运静、敏捷纯智鼹制造单元之闻的通信与蒸于x m l 的信息交互以及敏 捷化智能制造单元之间的运行控制机制，为有效集成多个具有棱心竞争能力的制造 攀元( 企渡，掇赢窀翻之趣戆协终效率，实现嚣虞客户拖生产有着辍夫鳃魂实意 义。 关键溺：彀撬裁遥，智麓裁造，系统建蒺，系统集裁，蓉戆俸，隶l 逢资源封装， c o r b a ，虚拟制造组织 l 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yo f t h e21s tc e n t u r ya r ef a c i n gw i t l l i n c r e a s i n gd e m a n d si n s h i f t i n g t o s u p p o r tg l o b a lc o m p e t i t i v e n e s sa n dr a p i dm a r k e tr e s p o n s i v e n e s s a ss u c h ， p r o b l e m sa b o u th o w t om a k ef a c i l i t i e sn e t w o r k e d ，i n t e l l i g e n ta n d a g i l ea r ei n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r ，s oa st or e a l i z er e s o u r c ea g e n tw i t he x p e r ti n t e l l i g e n c e n e t w o r kc o l l a b o r a t i o n b a s e da g i l ei n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gc e l l ( a i m c ) c a nb eq u i c k l yc o n s t r u c t e d ，a n dt h e n i n t oa g i l ei n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( a i m s ) ，w h i c h e n h a n c i n gt h em o r e f l e x i b l e a n d a g i l e i n q u i c k l yr e s p o n d i n g t om a r k e t c h a n g e s a n db e t t e r s a t i s l y i n g c u s t o m e r r e q u i r e m e n t s f o rt h es a k eo ft h i sp u r p o s e ，t h e o r i e sa n dk e yt e c h n o l o g i e sa b o u ta i m c h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db a s e do ns o m et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sf r o mc i m s ，i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n ga n da g i l em a n u f a c t u r i n g m o d e lo fa c t i v eo r g a n i z a t i o nu n i ta n d p a s s i v eo r g a n i z a t i o nu n i ti sp r e s e n t e db a s e do n s t u d yo fo r g a n i z a t i o ns t r u c t l l r e o fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s w h i c hc a na d a p tt o a g i l e l y r e c o n f l g u r e t h e o r g a n i z a t i o n s t r u c n l r eo fa i m c i no r d e rt o i m p l e m e n td i s t r i b u t e d h 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 ed y l l a m i cm a n a g e m e n t ，q u i c k l yi n t e g r a t i o na n d c o l l a b o r a t i o ni nt a s ke x e c u t i o n m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ei sd e s c r i b e d a n dm o d e lb a s e do n a g e n t i sp r o v i d e d ，a sw e l la se n c a p s u l a t i o nm o d e li sp r e s e n t e d m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s e m b o d i m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gb e h a v i o ro fa i m c ，i t c a nb eu s e dt o i m p l e m e n tt h es y s t e mi n t e g r a t i o nb a s e do nk n o w l e d g e t h r o u g ht h e a n a l y s i so f d i s t r i b u t e dd e f i n i t i o na n dd i s t r i b u t e di m p l e m e n to fb u s i n e s s p r o c e s sf o ra i m c ， t h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sa b o u ti n t e g r a t i n gt h er e s o u r c e a g e n t s i na i m cb a s e do n m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si n f o r m a t i o na r ep r o p o s e d w i t hr e g a r dt op r o b l e m so f n e g o t i a t i o na n dc o o r d i n a t i o na m o n g t h er e s o u r c ea g e n t s i na i m c ，t h es t r a t e g i e so f n e g o t i a t i o na n dc o o r d i n a t i o nb a s e do n m a r k e t p l a c e i sp r o p o s e d ， t od e a lw i t ht h ep r o b l e m ss u c ha si n f o r m a t i o ns h a r i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，n e g o t i a t i o na n d c o o r d i n a t i o ni n d y n a m i c t a s k a l l o c a t i o n ，a n dr e c o n f i g u r a t i o n o fa i m cb a s e do n m a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m sc a n b e u s e dt ot h e p r o c e s so fc o l l a b o r a t i o na n di n t e g r a t i o na m o n gr e s o u r c ea g e n t si na m u l t i a g e n ts y s t e m t h e s t u d y o fa i m c p a v e s an e ww a yt oc o n s t r u c ta n d o p e r a t i o n v i r t u a l 一一 【i i 华中科技大学憾士学位论文 m a n u f a c t u r i n go r g a n i z a t i o n ( v m o ) t h ef u n d a m e m a lm o d e lo fc o n s t r u c t i o no fv m o b a s e da i m ci s p r o p o s e d ，a n dt h e r e s o t h c e a g e n t s 融d i f f e r e n t 髓溅ee 张b ea g i l e i n t e g r a t e du s i n go ft h em a n u f a c t u r i n gr e s o u r c es e r v i c en e t w o r k a tt h es a m et i m e ，t h e m o d eo fi n f o r m a t i o ns h a r i n ga n d n e g o t i a t i o n w n o n ga i l v l c s 瓣a n a l y z e d , a sw e l la st h e o p e r a t i o n c o n t r o lm e c h a n i s m so f t l eo r g a n i z a t i o nu n i t so f v m 0 a r ei n v e s t i g a t e d 。 b a s e do nt h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sp r o p o s e da b o v e ，ac o r b ab a s e da g i l e i m d l i g e n tm a n u f a c t u r i n g c e l tp r o t o t y p es y s t e m ( c b a i m c p s ) i s i m p l e m e n t e d ，t h ep r o c e s s f r o mc u s t o m e r o r d e r , t a s kp l a n n i n g , d y n a m i c t a s k a l l o c a t i o n ，m a n u f a c t u r i n g t o m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sd y n a m i cm a n a g e m e n t a n d i n t e g r a t i o n ，a sw e l la sc o n c u r r e n ta n d c o i l a b o r a t i o no f t h e p r o c e s sb e t w e e nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g h a sb e e ne x p e r i m e n t e d a s ar e s u l t t h ei d e ao f t h ea i m ci s 彘m o n s t r a t e d 逊t h ec b a 默c p s 。 i ns u m m a r y ，t h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so fm o d e l i n go fa i m c ，m a n u f a c t u r i n g i n f b r m a t i o nb a s e di n t e g r a t i o n , n e g o d a t i o na n dc o o r d i n a t i o nm e c h a n i s m so fd y n a m i ct a s k a l l o c a t i o np r o p o s e dh e r ec a l lb ep r o v e dt ob ef e a s i b l ea n de f f e c t i v ei na c h i e v i n gf l e x i b i l i t y o f s y s t e ma r c h i t e c t u r e , 亚锣o f o p e r a t i o nm a n a g e m e n t a n d i n t e l l i g e n c eo f m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s i tc a r le n h a n c et h ec a p a b i l i t i e so f c o m m u n i c a t i o na n dc o o r d i n a t i o nw i t ho m s i d e e n v i r o n m e n t sa n di n t e l l i g e n ti n t e g r a t i o nf o rm a 。n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，a n dp a v e s 鑫n e ww a y t o i m p l e m e n t t h ea i m c t h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fv m ob a s e do na i m c ， c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns h a r i n gb a s e do nx m l 8 sw e l la so p e r a t i o nm e c h a n i s m s a m o n g a i m c sp l a yai m p o r t a n tr o l ei ni n t e g r a t i n gm a n u f a c t u r i n gc e i l s ( o rm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e s ) e f 梵c t i v e l y + k e yw o r d s ：a g i l em a n u f a c t u r i n g ，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ，s y s t e mm o d e l i n g ， s y s t e mi n t e g r a t i o n ，a g e n t ，e n c a p s u l a t i o no f m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e ，c o r b a ，v i r m a i m a n u f a c t u r i n go r g a n i z a t i o n ( v m o ) i v 华中科技大学博士学位论文 1绪论 本章主要针对课题的来源、课题的提出、主要研究内容、目的及意义进行介绍和阐 述，对制造系统建模的研究现状与发展趋势、基于c o r b a 的分布式对象技术及其在制造 中的应用、x m l 技术及其在制造中的应用、基于a g e n t 的智能制造系统研究概况等进行 了综述，并阐明本学位论文的主要工作内容及创新之处。 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 本课题得到以下科研项目的资助： ( 1 ) 国家自然科学基金重大项目“支持产品创新的先进制造技术中若干基础研 究”，项目编号：5 9 9 9 0 4 7 0 ： ( 2 ) 国家自然科学基金中港联合项目( n s f c r g c ) “虚拟制造组织的构造与控 制”，项目编号：7 0 0 1 1 6 1 9 4 9 。 1 1 2 课题的提出 由于经济全球化及知识经济时代的到来，无国界化企业经营的趋势愈来愈明显， 整个制造市场的竞争呈现出明显的国际化和一体化。与此同时，随着用户消费水平 的提高，消费者不再满足于大众化产品，个性化、特殊化、甚至是用户参与设计、 制造的产品需求愈来愈多，导致整个制造市场显现出明显的不确定性甚至是不稳定 性。制造企业( 系统) 不仅要从产品的上市时间、质量、价格、服务、环境保护等 方面考虑，还要从基于知识的产品创新等方面进行考虑，以期获得更多的市场份额 与利润”一”。由于产品的功能、设计过程、制造过程越来越复杂，它势必将导致产品 的生产周期加长、价格上升。而产品生产周期的加长与价格的上升将导致制造企业 竞争力的下降，市场份额的丢失。为了求得生存与发展，制造企业纷纷采用先进制 造战略，对传统制造业进行改造，以期缩短产品的开发与制造周期，增强对市场的 快速响应能力，提升企业的竞争力“1 。 市场竞争日趋激烈与国际化，环保意识和可持续发展思想日渐受到高度重视， 以计算机、通信、软件工程、数据库技术、信息、基于知识的系统与人工智能、分 布式计算环境、开放式系统结构等为代表的高新科学技术，更是以前所未有的发展 速度、广度和深度对人类社会的各个方面产生深远的影响，使人类进入工业经济时 代最灿烂的时期，并迈开了步入知识经济时代的脚步c 。这使得制造业不断面临着 华中料技大学博士学位论文 新的发展机遇与挑战。程传统制造继续发展的撼础上，借助于这些高新科学技术在 制造领域全方位翡渗透、衍生黎波黑，搽索、毳聒究秘实施能遥盛耩熬制造环境下懿 先进翻遗战路、制造模式和箭造技术，德使铷造业不断向着高精度纯、自动化、网 络化、信息化、智能化、粱性化、敏捷化、集成化和全球化的方向发展”1 ”1 。 嚣霹竞争西麓滋燕懿孱骣纯市场欲及疆学技术蕊遘骖，爨遗金鲎巽有浃遽蹶应 能力的关键在于鼹否具谢柔性的体系结构与敏捷的运行蒋理方式。一。柔性的体系结 榴是制造企业根据市场的需求变化调整自身生产缀织缝梅、实旋制造资源敏捷纯重 梅与监务过程动态重缓熬禳零保涯，在缀大程魔上影稳秘决定金渣快速嫡应与逶应 市场变化的敏捷性。柔陡不仅仪体现在技术层面上，而鼠还应表观在运行管理方面。 传统按功能分解褥形成熬分层递除的组织结梅、嶷孛式黪管理控囊方式鞠宰行靛运 行模式，瓣应遮黢懂，霹修改键、可扩鼹性、葛r 蓬梅靛弘及容锵性差，不能适藏当 今市场的动态快遮多变“”“。取硝代之的是面向客户需求的、柔性的、网络状的组织 缝搀、分鸯叁治懿管理与秘调控翩方式与并行套间翡工佟穰式。瘸分布式系统代替 集中式系统，不怒仅仅一种选撵，而是社会技术发展的必然，黧是制造业适应当前 所面旌严峻形势和发展机遇的必然结果“。“”。在构建制遗企业这样复杂的社会系统 对，采委分毒塞泠戆方式冒竣篱凭系统枣各裁造攀元海黪藕合关系，鬟麓各裁造单 元的智能化水平和与外界交互及协调能力，可以极大地撼高制造系统的灵活性、可 扩展性，以及基予制造过程实现制造系统赡魂态夔梅，掇离系绫怼悫雏部各种状态 变化静璃液移遥疯麓力”“”。毽巍魏两馨致各个铺造革元滴璐及制造擎元内部必须 要进行大嫩而又有效的倍息交互向共享，在完成器自局部任务的基础上。基于网络 镑俸戆方式完戏制造金溲浆全蜀任务。医照，必须察决巷8 造金选孛各铡造单元间瓣 信息( 数据、知试) 交互与共享戳及相甄协商、协调与协作等问题”“。 制造龈元的分布性与昴构性，为制造单元之间的信息交互与协作带来了极大的 錾难。露巷造摹元懿搂型剿为分蠢、异梭魏遥环装下载裁造蕈元攫筷了统一翦爨述 横板，为制造单元之间的信息交甄、协商与协作提供知识上的支持，便于实现制造 系统基于霭造过程信息的集成，提离砖4 造单元之阈的协作效率”“。多a g e n t 系缝 ( m u l t i a g e n ts y s t e m ，融s ) 理论方法与技术鞭受实联分布式簸髓造系统巍解决 上述问题撼供一种理想的方案，融被越来越多地用于制造的各个领域中，并取得了 众多成果秘进步9 “”，对实缝分蠢邀治酶管理与控露4 、进行并行垮漆式传渡提供强毒 力的支持”“。 基于上述考趱，本谍题将积极跟踪国内外先进制造战略与制造模式的发展前沿 辍最舞翡辩，了释、学嚣猖掌握象l 遗鹱域墨不錾满溪邑的掰思怒、赫理论、囊鼓零， 积极关注计算机、通信、信息、人工智能以及管璃等科学与技术舟勺最新发展动态， 通过推动这些高麟科技在镣4 造领域的广泛渗透和应用，促使制造业焕发出新的生桃 与活力，灏蘧选意“支祷鼹终爨俸翡敏穗纯餐戆霸造莘元静研究”谗爻零漂题静童 要研究方向和内容，试图对制造蒸统中的底层基础设施( 制造单元) 进行深入的、 揭示其本质的理论分辑与形式化黪硬究王传，研究与开发具有模块化结擒蛉、钱柔 瞧集成”入”器智鞣的敏捷纯警麓露造单元，为探讨、研究、建立帮实现瑟商客户辱 二 ：生产的制造系统奠定基础，从而为对传统制造业进行变革超到一个抛砖引玉的作用， 希攮强憩髓够攥离铡造金渡俊速、柔缝建嫡应毒场爨求交往熬能力，蠖铡遥佥数获 得在日趋激烈的全球性市场竞争中的优势。 2 华中辩技大学博士，学镶论文 1 3 课题主簧矫窕游餐 本谍题的主螫研建国容包括：邋过对制造撬式变革的强然健及制造业寒采发展 趋势的分褥，基于m a s 瓒论积c o r b a ( c o m m o n o 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 e ) 麓菠，提懑敝建化鸳髓制造犟元梅絮瀚集成框絮绍褥，研懿敏撬纯管麓糊遴革嚣建 镄、罄予潮逡避稷蘩意懿敏捷键鬃戏、游 乍每秘瘫壤翱蕊纛谂毒实现接零；并基于 敏捷优餐粼造单元戆毽论与实溪投术，对虚羧制造组织泌梅建与运行控繁瓿制、 教捷纯霹能翩造单元之闻豹透信视制、蒸予x m l 与c o r b a 的异构数据库的集成与 镶息交嚣浸弹深入筑研究。 。 。4 课题研究霾豹及意义 本谖题鼍鼯究数鹾的藐意义在于；试鞠为2 1 擞纪的制造业提供一种先进的制造模 式及冀梅造与蜜鬻中豹遴论鞠关键授术，鞭觚生产缀营跤醛、系统髂系绥稳、蓉瑗 运俸方式上辩簧缝豢遣盈避褥改摹，洚实现蒜逶企娥弱两络豫、穗患纯、熊藏纯、 敏捷化、餐能化以及粱毽化提供理论基础与实现技术上的指导，对于提离制造企业 的管理农平、运营效攀秘效益，增强蘑对风云交幻鞠、竞争强趋激烈的瓣际市场酶 瘟交麓力襁嚣反髓力，瑟愈客户纯黪需密避行敏捷纯豁擞产等舔将蠢手分鬟蚕静侮 趱与爨义，遴瑟攘动程鼹避绷逡鼗及宠滋剩逡援寒( 楚冀是敏捷裁造、餐耱枣l 逢及 计算橇集成京造等) 熬发展与实旗。 ，2 文献综述 髓蓍信恩技术、递镶技术、八工智熊技术谯溯遗各个预域岛各个方丽的盛瘸、 渗透秘融食，必将箍动对砖统制蘧攥式懿攀瓤：罨袋一释既肖熊臻艇产懿效益，又 辘打疆翳空辍灏，灵活莰捷媲奁鼹兔广泛躬范嚣蠹缀缀各耱麓逡资源莠避静生产经 营活动，抉速响应动态多变的全球链审场的生产测造模式。遮静制造模式以扁平的 煎络状的稳织结构柬代蛰傣统的套字塔式的遴除臻鞠，以分布协同的运学管理方式 彳弋餐传统瓣黎孛撩铡隽式，避避躅络姆黎 造系统( 念敛 懿各个部分、系缝、番个 联节麓避稷稷薹联接起皋，蠖金鹱豹冬秘生产经蘩溪动墩大疆麓遮依羧予蒸手魏终 的信崽鲢获取、信息变漉、资源共率殴及协调与会侔。a g e n t 及基予a g e r l t 熬餐能制 造系统为上述模式的实现提供了帮能纯的功能梅待与分布黍性静系统体系缩构，有 懿于突瑷漤泰静、瑟游客户讹方袋黪鑫l 遗，蕊毒l 淹系统的蹊麓、篓子c o r b a 转努布 式黠箍技术与x 眠拣零掰麓偿惑蕊交互与资源蕊共攀提供鏊子语义鼹次毂赢簿，搪 离了糊遣系统各个部分之婀的通嫠与协雩冀的效搴。熬于此，本文对制造系统建蠛、 基予c o r b a 戆分布式对象蔽米、蹦k 搔零及基于a g e n t 的餐麓镱l 遥系统的磷究概况避 亍了缘述。 华中科技大学博士学位论文 1 2 1 制造系统建模的研究现状及其发展趋势 制造系统是一个非常复杂的社会系统，与研究其它的复杂系统一样，可以通过 对系统进行建模，运用系统化的方法和工具，设计与改进与整个制造系统有关的所 有组成部分，以便更有效地实现制造系统的目标o 。按照c i m o s a 的观点，制造系统 建模是制造系统集成的基础“。为了更加有效地实施制造系统集成，提高系统中各 部分的协作与运作效率，实现基于知识的系统，应加强对制造系统建模的研究。制 造系统模型是从不同侧面对制造系统的描述，它涉及到制造系统的组织模型、资源 模型、信息模型、功能模型、过程模型、协作模型以及经济学模型等。它的作用主 要体现在制造系统的性能分析、构建新的信息系统、知识的管理、制造过程仿真与 优化等各个方面”。目前，比较典型的制造系统建模方法有： 1 、c i m o s a “”( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e ) 是由欧共体的2 1 家公司和大学组成的e s p r i t a m i c e 组织经过六年 多的努力而开发出来的一个面向c i m 的开放式体系结构。其目的是提供一个面向c i m 系统生命周期的、开放式的c i m 参考体系结构，从多个层次和多个角度反应了c i m 企业的建模、设计、实施、运行和维护等各个阶段，提供了c i m 系统描述、实施方 法和支持工具，并形成了一整套形式化体系。 2 、a r i s 6 4 1 ( a r c h i t e c t u r eo fi n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是德国s a a r l a n d 大学的s c h e e r 教授提出的一种面向过程的模型结构。它以面向对象的方法描述了制 造系统的组织视图、数据视图、过程视图和资源视图，并通过控制视图来描述组织、 数据、过程、资源四个视图之间的关系。它提出了一个集成化的信息系统模型框架， 在这个框架中发展、优化集成应用系统。与其它模型不同的是，a r i s 有套标准的 软件工具支持a r i s 建模及仿真实施。 3 、g r a u g i m ”。j ：g r a i ( g r a p h w i t hr e s u l t sa n da c t i v i t i e si n t e r r e l a t e d ) 方法是 2 0 世纪7 0 年代中期法国波尔多第一大学g r a i 实验室提出的一种用于描述与分析生 产管理系统的方法。后来g r a i 实验室将其发展成为一种描述和分析整个企业的方 法论，称为g i m ( g r a ii n t e g r a t e dm e t h o d o l o g y ) 。g i m 方法论包括g r a i 概念参考 模型、g r a i 建模框架、g r a i 建模方法、g r a i 结构化方法。 4 、i e m “7 1 ( i n t e g r a t e de n t e r p r i s em o d e l i n g ) 是德国的柏林弗朗霍夫生产系 统与设计技术研究所( f h g i p k ) 提出的一种面向对象技术的建模方法。它提供了一 种可以生成集成化模型的制造系统建模方法与相应的支持工具。 5 、c i m f l o w 1 是清华大学国家c i m s 工程技术研究中心设计开发的一套工作流管 理系统，包括制造系统的建模( 组织建模、资源建模、业务过程建模等) 、仿真与执 行。 6 、基于a g e n t 的建模：为了适应市场的激烈竞争及其客户需求的不断变化，在 制造系统过程建模方法上，提出了基于a g e n t 的动态可重构系统的建模思路”。清 华大拳的周永林和潘云鹤”1 提出一种面向a g e n t 的分析与建模方法a o a ，把问题域和 计算域分开，着重于问题域实体结构和寻求问题总体解决方案的设计，a o a 分析的结 果是需求体系结构的抽象信息处理模型，包含系统结构、实体行为状态和系统功能。 除了上述建模方法外，还有i d e f ”、g e r a m ”、p e r a 。7 9 3 等，以及针对具体的 4 华中科技大学博士学位论文 = = = = = = = = ；= = ；= = ；= = = = = = = = = = = ：= 研究问题所作的制造系统建模”。通过对制造系统建模与制造系统集成以及制造系 统建模发展状况进行分析，可以看出制造系统建模的发展趋势为： ( 1 ) 系统建模的集成化。各个不同侧面模型是在集成框架下产生，或各个孤立模 型通过集成机制，如元模型，联系在一起。系统建模的集成化有助于保证模型的 致性，易于实现制造系统间基于语义层次的集成与基于知识系统的实现。 ( 2 ) 动态化系统建模。制造系统的模型与制造信息系统一样，也存在一个动态更 新的过程，以适应制造环境的不断变化。制造系统模型的动态化，易于保证应用系 统紧密匹配制造系统中经常改进的业务过程流程，进而减少整个制造系统的复杂性， 增加应用的柔性。 1 2 2 基于c o r b a 的分布式对象技术及其在制造中的应用 在制造系统中，各分布的、异构的制造资源或环节必须进行充分的交流、协商、 协调与合作，才能完成制造系统的全局任务，而这有赖于它们之间在信息、功能及 过程等层次上的有效集成，依赖于它们之间互操作的实现。基于c o r b a 的分布式 对象技术则是解决此类问题的关键，其主要思想是。9 ”“：在分布式制造系统中引入一 种可分布的、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c o r b a 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，从而为解决异 构问题提供了良好的可遵循的标准和机制。“。 c o r b a 是o m g 发布的公共对象请求代理结构和分布对象技术规范，其核心是套 标准的语言接口和协议，用户可用e 、c + + 、j a v a 、c o b o l 等不同编程语言来编写客 户方和服务端应用程序，具有较好的跨语言性。当制造系统( 企业) 需要使用其他 企业的制造资源时，只需要知道对方的i d l 接口定义，而不必关心获取制造资源的 实现细节，可以静态或动态的调用其他企业的资源。 基于c o r b a 的分布式对象技术可以提供分布式应用软件的可重用和可扩展性， 屏蔽底层的通信细节，具有“即插即用”的特点，既大大简化了分布式应用系统的 开发、管理和维护，又便于分布式异构环境下应用系统间的通信与互操作。它为分 布式应用系统间的互操作、协同工作及实现系统集成提供了坚实的基础，其思想、 观点和技术己被广泛应用于军事、电信、电子商务、制造领域以及其它工程领域中”1 。 基于c o r b a 的分布式计算规范在制造领域中的应用主要体现在：基于c o r b a 的分 布式制造系统的集成框架的构架：利用c o r b a 的通信和互操作机制，解决和实现 分布异构制造系统间的信息交互；充分应用c o r b a 所提供的各种系统服务和公共 服务，方便和支持基于c o r b a 的分布式制造系统的开发、管理和维护。基于c o r b a 的分布式对象技术可应用于从制造设备、制造单元到制造系统以及整个制造企业等 制造领域的各个层次上。 下面介绍c o r b a 在制造领域中的几个应用范例： l 、美国s a n d i a 国家实验室与斯坦福大学的设计研究中心以及哥伦比亚大学的 机械工程系联合开发出支持敏捷制造的基于a g e n t 的框架结构。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c o r b a 的分 华中科技大学博士学位论文 布制造环境，在这个环境下的每个设备与装置都由一个a g e n t ( c o r b a 对象) 代表而 实现彼此间的信息交互与协作，从而为实现异构设备间的集成奠定坚实的基础。 2 、美国波音公司开展了“定义和控制飞机配置生产资源管理( d c a c m r m ) ”企 业经营过程重组计划。该计划以c o r b a 作为信息系统集成的基础，实现制造系统生 产流程中各个应用予系统( 如p d m 、e r p 、c a p p 等) 间的集成，从而达到提高生产效 率的目的。”。 3 、华中科技大学机械学院教育部智能制造技术重点实验室在国家自然科学基金 项目“基于c o r b a 的制造信息和知识共享技术的研究”的资助下，研究了分布制造 环境下信息和知识交互与共享问题，构建了基于c o r b a 的网络化制造原型系统。在 该原型系统中，将制造资源抽象为独立的c o r b a 对象，以i d l 接口插入以o r b 为基 础的“软总线”，从而实现注册资源应用程序对c o r b a 对象成员函数的透明调用”“。 1 2 3x m l 技术及其在制造中的应用 基于c o r b a 的分布式对象技术解决了分布式、异构制造系统之间的信息交互与 互操作，实现了异构应用系统之间的数据交换。由于它是通过参数传递的方式实现 各系统之间的数据交换的，在实现复杂多变的数据交换时需要针对不同的格式编写 各自的c o r b a 方法以便系统可以正确理解，缺乏灵活性。而x m l ( e x t e n s i b l em a r k u p l a n g u a g e ，可扩展标记语言) 是互联网联合组织( w 3 c ) 创建的一组规范，规定了统 一的数据表示方式，为基于网络的异构系统之间的数据交换提供了有效途径，易于 实现制造系统基于语义层次的集成。 x m l 的功能有数据表示和数据交换，在制造领域中主要应用于构建产品信息模 型、数据库管理以及协同制造中的信息交换等。产品信息包括结构化和非结构化 两种形式，其中非结构化产品模型往往建立在异构环境之上，无法抽象成单一的数 据模式。由于目前对非结构化产品信息还没有适当的表达模型和相应的操作模型， 使不同制造系统之间的协作造成了一定的困难。用x m l 标准来表达菲结构化产品信 息，其操作模型能在常规w e b i n t e r n e t 环境下方便地访问，为此类产品信息的共享 提供了一个系统的解决方案。用x m l 形式提供的信息，不仅数据结构和数据内容是 可分析的，而且还可以提供功能强大的查询，便于用数据库进行管理。其它数据库 产生的x m l 文档也可以很方便地把其中的信息存入本地的数据库中，实现i n t e r n e t 上信息的共享。 协同制造是经多个制造系统之间的协商和协作，共同完成某一制造任务的过程， 并且允许不同的制造系统使用各自领域的术语和表达结构来表达需要交互的制造信 息。x m l 为多个制造系统提供适宜的表达机制和通讯语言机制，为分布、异构的制造 系统间知识信息的共享、交换和集成提供有效的设施。规定合适的d t d ，并针对不 同的专业领域制定不同的x s l ，就可以利用x m l 建立适宜的表达机制和通讯语言机制。 可以为利用x m l 在不同应用系统之间的数据交换建立规范。通过定义一套表示应用 系统中常用的数据格式，以及相应文件结构，则用这些格式表示的制造信息数据就 可以通过网络进行有效的交换。 下面介绍x m l 技术在数据交换领域应用的几个实例： 6 华中科技大学博士学位论文 = = ；_ = ；m = 2 = _ # = = = ；# ；= = ；= = _ = 5 l 、m i m o s a ( m a c h j n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 建立了一 个基于x m l 的应用系统集成的制造系统集成的体系结构，为分布异构的应用系统提 供了个灵活的、动态的和中性的集成框架，通过x m l 共事公共数据的方式实现不 同应掰系统之闻的集成“。 2 、国际_ 气车工程师协会s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s ) 组织制定的x m l v e r s i o no f s a ej 2 0 0 8d t df o rw e b i n t e r c h a n g e 成为汽攀工程镁域在龇上交换售患 的一个标准“o “，使汽率制造商基于w e b 方式能更加有效地实现彼此之间的信息交互。 1 。2 。4 基于a g e n t 的智琵制造系统研究综述 多a g e n t 系统( i a s 与a g e n t 静概念超源于入工智能( a r t i f i ci a li n t e l i g e n c e ， a i ) 的研究领域，是分布式人工智能“1 ( 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 ) 筋主要研究方愈之一。i ) a i 主要研究在逻辚土或物理位嚣上分布的多个a g e n t 如 何相飘协调与协作以实现阀鼷求解，协同完成全局任务。而m a s 则主要研究组拥 有分布知识的a g e n t 为达到巢一全局目标，如何协调各自的知识、意图、策略、规 翔和行舞，榛匿铷毒与协终戳完戒共暖弱饪务