（机械电子工程专业论文）类生物化制造系统自适应免疫监控关键技术研究.pdf

n 砌i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c 砸c a le n g i n e e r i n g 渺 r e s e a r c ho nt h ek e y ，】陀c h n o l o g i e so fs e l f - a d a p t i v e i m m u n em o n i t o r i n go fb i o i n s p i r e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m a t h e s i si i l m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y gd i n g s h 趾 a d v i s e d b y p r o gd u i 】b i n g s u b n l i t t e di np 枷a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rm ed e 伊e eo f m a s t e ro fe n g i n e 耐n g m a y ，2 0 1 0 t ， _ 承诺书 本人声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：洫壶一山 日 期：z q f 盈：f7 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着现代制造系统的控制和组织模式不断发展，制造系统的复杂程度在不断增加，其 运行环境也越来越充满了不确定性。在各种不确定因素的影响下，制造系统能否高质量、 高效率的完成加工任务，成了现代制造业亟需解决的问题。为制造系统提供一个具有自适 应性、自组织能力的状态监控及健康评估系统，可以有效地解决上述问题。本文利用生物 免疫机制及人工免疫系统的相关算法，结合类生物化制造系统模型，建立了一套制造系统 免疫监控系统，并运用层次分析模型给出了免疫监控系统健康评估的策略。全文研究内容 如下： 首先，本文分析了制造系统与生物系统的相似性，借鉴生物控制论的基本知识，从自 组织性和自适应性等方面研究了类生物化制造系统的基本理论，并给出了类生物化制造系 统的总体框架模型。 其次，根据生物体免疫机理及人工免疫系统的相关算法，设计了类生物化制造系统中 有机制造单元的免疫监控模型，对其运行机制做了详细分析，并在上述免疫监控单元的基 础上对总体免疫监控系统的控制结构进行了描述。 第三，利用已有的类生物化制造系统模拟平台，对免疫监控系统的硬件框架结构进行 了设计，并对该结构中的各功能模块及它们的技术基础做了具体分析。通过该硬件控制结 构，利用层次分析法，给出了系统的健康评估策略。 第四，在免疫监控系统的硬件结构框架下，实现系统的软件编程，运用人工免疫系统 的否定选择算法，使系统具有识别非正常状态抗原的能力，并通过一定的调度算法，使系 统的某些单元在出现异常状态不能进行持续加工时，可将任务进行重新分配。通过v c + + 6 0 编程，设计了上位机监控软件，实现了制造系统的实时状态信息与工作人员的交互。 最后，通过模拟实验，并对实验的结果进行分析，验证了本文所设计的免疫监控系统 对制造系统的内外环境干扰具有良好的自适应性，对系统的健康状态评估也与系统的实际 状况相符，从而证明了该免疫监控系统的有效性。 关键词：免疫监控系统，免疫监控单元，类生物化制造系统，自适应性，抗原识别，控制 器局域网总线，串口通信 类生物化制造系统自适应免疫监控关键技术研究 a b s t r a c t w i t i lt h e 山i v e l o p m e n to f 也ec o n 仃d l 孤dm 馨m i z a d o n a lm o d e lo fm 0 ( 1 e mm n a c t i l l 曲g ， t l i e 衄c e r t a i n t yo f0 p e m l i i l g v i l 0 姗铋to fm a 肌f a c 砸n gs y s t e mi si i l c r e 嬲i i i g 舔w e l l 觞吐l e c o n l p l e 】【i t ) ro ft l l em a n u f k 嘶n gs y s 胁u n d 盯m ee 丘托to f 也ev a r i e 哆o f 珊1 c 既枷髓，w h e t h 盯 t h em 孤m f a c t u 血gs y s t e mc a nc 唧l e t ei t st a s k se 伍c i e i l u yh 弱b e c 锄ea nu 昭咖p b l e 札t b a d d i 豁t h e i s s u e ，as t a t cm o n i t o r i r l ga n dh e a l 也a 豁e s s m e n ts y s t e m 、珩也l f a d a p t i l 陀， l f 匆r g a l l i 痂gc 印i t ys h o i l l db ep r 0 研d e df 研t h em 觚谢 k t i l | 血gs y s t c 皿c o r n b i n j r 培t l l e c o i 咖o lm o d e lo fb i o 抽s p 讹dm 锄l 血c t i l n gs y s t e m i m s ) w i l 也ea l g 谢t l l l 瑙o fa m 丘c i a l i m 姗m es y s t e m ( a i s ) ，t l l i sp 印e re s t 2 l b l i s h e d 趾i m m u i l em 伽i “嘶n gs y e t e m ( i m s ) b e s i d 骼，吐l i s p a p 盯p r o p o s e d t l l es 雠e 百e so fh e a l t l la 鼹e 豁m 饥to fm 龇m f a c t i l r i n gs y s t e mw i mt h eh e l po f 锄a l 蜘cl l i e 斌h yp r o c e s s p ) 脚d e l f i 娼t l y m i sp a p 盯a i l a l y st l l es i i 】m a 五t i e sb e t 、e e nm 龇m 白删n gs ) ，s t e ma n db i o l o 西c a l s y s t e m ，i i l v e s d g a t c sm eb a s i ct l l e o 叮o fb i m sb yr e f e r r i n gt ob i o c ) = b e m e t i c s ，锄dp r o p o st l l e g e n e r a lm o d e lo fb i m s s e c d l y ，c o 础n gt o 舭b i o l o 舀c a l 蛔删m e 腓c h 册姗锄dm ca l g o r i t l l | 瑚o f 址s ，m e i m m l m em o n i t o r i n gm o d e lo fb i 0 _ i n s p i 他dm a n u f 砬t u r i i l gc e l lo fb i m si sd e s i 驴e 也趾da d e t a i l e d 锄i a l y s i so f 叩e r a t i o n a lm e c h 锄i s mo fn 地m o d e li sa l s op r o p o s e d 0 | i lt h eb 够i so fm e d b o v ei 1 1 加咖n em o i l i t 耐n gc e l l ，l ep a p e rd e s c r i b e st l l e n 仃o ls m l c t i l 他o f 廿l ew h o l ei m s 删弘m el l a i d w 玳es 咖c t u r eo f 肼si sd e s i 毋1 e db 蹴d 也es i 删l 撕p l 弛衄 o fb 丑订s ，a n da l lm e 胁c t i o n a lp a r t so ft h es ) ，s t e ma n dm e i rt e c l l l l i c a ls u p p 耐a d i s c u s s e di n d e t a i l - n l r o u g hm eh a f d w a 托c o n n 0 ls n u c t u 心a n d 吐圮u o f 吧圮p a p 盯s t u d i e sm e s 缸t e 西e so fh e a l n l ye v a l u a t i o no fb i m s 。 f 0 u n l d y t t 圮s o m 哪陀p r 0 伊锄姗i i l gi s 唧l e 砌l m d e rt l l e 五彻e w o 呔o f 刀m s sl l a r d w 眦 s 缸u c t l 鹏u t i l i 跫t l 艟n e g 砸v cs e l e c 6 0 na l g 嘶髓o fm s t om a l c en 舱d sh a v et l i ea b i l i 锣o f 陀c o 罂l 协gn o n - n 伽砌s t a t e 枷g e n w h 雠o f t l l em l i 侮c a n tg oo n 谢m 也e i r 溅，也e s y s t e mc 孤托- 舔s i g nm e s et a s k st h r o u g h h e d u l i i l ga l g o r i m m t h e 玛ap cm 砌t o 血gs o 腑m i sd 瞄i 盟e d 锄dp 】q f 锄m e db yv c 十怕f o ，觚di t 他a l i z e st l l e 剃t i l l 地i n t 啪c d b t 婀y 嘲 姐n u f k 劬gs y s t 锄a n ds t a 正 f i r l a l l y as i m u l a t i o ne x p e 血瑚t i sc 秭c d0 u t 妊湖t l l e 蹦s 砌c hi sp r 叩o di n 恤 p 印e r 锄d 也e 他s u hs h o wt h a tt h es y s t e mh 鹬a9 0 0 da d a p t a b i l i 哆f 0 rt h ec h a i l g e so fi n t 锄a la n d 既锄l l a l 既、，i i 加n l e n to f 础m u 白c t i l l 血gs y s t e 札n 锄a i s 0 西v ea 溉略a b i ee 砌删叽o fm e m 删血c t 嘣n gs y s 把mw h i c hc a n 加a t c ht l i ea c t i l a ls 纽t cv e r yw e u t h e 陀f 0 bt t l ep 】呻o s e di m s b 勰9 0 0 de m 枷v 躺a n d 陀l i a b i h 够 南京航空航天大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：h n m l m em 0 n i t o 血gs y s t e m ( d 江s ) ，i m m u n em o l l i t o r i n gc e n ( m i c ) ，b i o i n s p i 舱d m 籼f a c t u 】曲gs y s t e m ( b i m s ) ，s e l f 二a d a p t a t i ，a n t i g e nr e c o 鲷i t i o i l c a n - b u s ， s e r i a l c ：o n l m u n i c a t i o n 卜 r l h 2 3 1 基于免疫网络学说的人工免疫网络模型1 l 2 3 2 克隆选择算法1 2 2 3 3 免疫遗传算法1 3 2 3 4 否定选择算法一1 3 2 4 址s 的主要应用1 4 2 4 1 自动控制1 4 2 4 2 故障监测和诊断1 4 2 4 3 机器人1 4 2 4 4 其它应用1 5 2 5 本章小结1 5 第三章类生物化制造系统自适应免疫监控模型1 6 3 1 类生物化制造系统模型1 6 3 1 1 制造系统与生物系统的类比1 6 3 1 2 有机制造单元1 7 3 1 3 类生物化自适应制造系统的控制模型1 8 3 2 有机制造单元的免疫监控模型1 9 3 2 1 免疫监控单元模型的建立1 9 南京航空航天大学硕士学位论文 3 2 2 免疫监控单元模型的运作机制2 1 3 3 类生物化制造系统的自适应免疫监控模型2 2 3 3 1 免疫监控系统模型的建立2 2 3 3 2 免疫监控系统模型的运作机制2 3 3 4 本章小结。2 5 第四章免疫监控系统硬件实验平台总体框架设计及其技术基础。2 6 4 1 免疫监控系统总体技术方案设计。2 6 4 2 免疫监控系统功能模块分析。2 7 4 2 1 监控系统状态信息采集、处理模块2 7 4 2 2c a n 总线信息传输模块。2 9 4 2 2 监控系统主控单元免疫识别和应答模块3 0 4 2 3 系统上位机监控软件模块。3 3 4 3 免疫监控系统总体硬件结构介绍。3 4 4 4 本章小结3 5 第五章基于层次分析法的免疫监控系统健康评估策略3 6 5 1 层次分析法的基本原理及应用3 6 5 1 1 层次分析法的基本原理3 6 5 1 2 层次分析法的应用。4 0 5 2 建立免疫监控系统的递阶层次结构。4 1 5 3 免疫监控系统健康评估的计算。4 2 5 3 1 构造免疫监控单元各状态抗原的两两比较判断矩阵4 2 5 2 2 计算免疫监控单元各状态抗原对单元健康值的影响权重4 4 5 2 3 计算各免疫监控单元对系统总体健康值的影响权重4 4 5 4 免疫监控系统健康值计算。4 5 5 4 1 有机制造单元健康值4 5 5 4 2 制造系统总体健康值4 6 5 5 本章小结4 7 第六章免疫监控系统仿真实验平台软件开发与实现4 8 6 1 免疫监控单元状态抗原信息采集和处理。4 8 6 1 1 基于p i c l 8 f 4 8 5 单片机的抗原模拟量采集4 8 6 1 2 抗原信息采集和识别的软件编程5 0 6 1 3 免疫监控单元健康值计算。5 2 6 1 4 免疫监控单元状态抗原及健康值信息的传输5 2 6 2 基于s m a r t a r m 2 3 0 0 实验平台的免疫中枢控制单元软件设计5 4 v 类生物化制造系统自适应免疫监控关键技术研究 于嵌入式实时操作系统uc o s - 的免疫任务设计5 4 于否定选择算法的抗原信息识别和免疫应答任务5 6 对故障抗原的重新调度抗体任务5 7 统免疫信息的上位机串口通信任务5 8 信息的上位机监控软件设计。6 2 疫信息监控软件功能需求分析6 2 6 3 2 基于v c + + 6 0 的免疫监控软件各模块开发。6 3 6 4 试验与结果分析。6 7 6 5 本章小结7 2 第七章总结与展望7 3 7 1 全文总结。7 3 7 2 工作展望7 4 致谢7 6 参考文献。7 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文8 l 附勇乏。8 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图1 1 生物系统与制造系统类比。2 图1 2 传统的故障诊断与监控方法3 图1 3 论文体系结构图6 图2 1 生物免疫系统结构图8 图2 2 生物免疫系统组织体系9 图2 3 免疫细胞克隆选择1 2 图3 1 免疫监控单元基本结构1 8 图3 2 类生物制造系统的递归控制模型1 9 图3 3 有机制造单元的免疫监控模型2 0 图3 4 免疫监控系统控制模型2 2 图3 5 免疫监控系统组成结构图2 3 图3 6 免疫监控系统模型的运作机制2 4 图4 1p i c18 f 4 8 5 单片机开发板2 8 图4 2 免疫监控单元状态信息采集2 8 图4 _ 3p i c l 8 f 4 8 5 芯片状态采集端口接线图2 9 图4 4 单片机开发板c a n 控制器接线。2 9 图4 5s m a r t a r m 2 3 0 0 开发板c a n 模块接线3 0 图4 6 免疫监控系统c a n 总线原理图3 0 图4 7s m a r t a r m 2 3 0 0 开发平台功能框图3 l 图4 8 主控单元与上位机监控串口通信连接示意图3 3 图4 9 类生物化制造系统模型3 4 图4 1 0 免疫监控系统总体硬件结构图。3 5 图5 1 层次分析法基本原理。3 6 图5 2 免疫监控系统层次结构图4 l 图5 3 免疫监控系统递阶层次结构4 2 图6 1 温度传感器接线图5 0 图6 2 嵌入式实时操作系统多任务控制结构图5 5 图6 3 抗原识别应答任务流程图5 7 图6 4 重新调度抗体任务程序流程图：。5 8 图6 5 串口中断处理程序流程图5 9 图6 6 免疫信息的串口通信任务程序流程图6 0 图6 7 免疫信息监控软件功能框图6 2 类生物化制造系统。自适应免疫监控关键技术研究 图6 8 免疫监控软件框架结构。6 3 图6 9 串口通信消息处理程序流程图“ 图6 1 0 监控软件菜单栏一“ 图6 1 1 监控软件图形监控视图。6 5 图6 1 2 监控软件单元选择视图6 6 图6 1 3 单元状态信息显示视图。6 6 图6 1 4 a g v 单元信息显示视图6 6 图6 1 5 上位机监控软件总体界面6 7 图6 1 6 单元6 加工零件信息6 7 图6 1 7 单元6 正常状态时信息视图6 8 图6 1 8 单元6 温升过高时状态信息视图6 8 图6 1 9 单元6 主轴振动过大时状态信息视图6 8 图6 2 0 单元6 刀具磨损时状态信息视图。6 9 图6 2 1 单元6 加工区域出现干扰时状态信息视图6 9 图6 2 2 单元6 出现干扰时的抗体信息6 9 图6 2 3 系统总体健康状态信息视图。7 0 图6 2 4a g v 单元实时信息视图。7 l 图6 2 5a g v 图形位置显示视图。7 l 图6 2 6 免疫监控系统总体运行模拟平台。7 1 表3 1 生命过程和制造过程的类比1 7 表3 2 生物系统与制造系统类比1 7 表5 1 重要性标度含义表3 7 表5 2 平均随机一致性指标见f 3 9 表5 3 各层元素组合权重计算4 0 表6 1 基于c a n 总线的免疫调节规则5 3 表6 2 标准抗原信息5 6 表6 3 标准抗体信息5 6 表6 4 串口通信字符标志及其意义6 l 表6 5 串口通信数据格式。6 l 表6 6 系统实验中状态抗原及相应抗体信息表7 0 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 b i m s b i o i n s p i r e dm 锄u f a c t u r i n gs y s t e m类生物化制造系统 a i sa n i 6 c a li m m u n es y s t e m 人工免疫系统 i m s1 1 1 加1 u n em o l l i t 0 n gs y s t e m 免疫监控系统 a h p a n a l y 石ch i e r a r c h yp r o c e s s层次分析法 m ci 砌m 岫em o i l i t o 血gc e l l 免疫监控单元 p d pp a u r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i i l g 并行分布过程 a r ma d v a n c e dr j s cm a c h i n e s 公司名称或一类微处理器 加 a n a l o g d i g i t a l 模拟数字 s p is e r i a lp e 却h e r a li i l t e m c e 串行外设接口 c a n c o n 仃o l l e ra r e an e t w o r k 控制器局域网 a g va u t o r m t e dg u i d e dv | e h i c l e 自动导引小车 c r c c y c l i c a lr e d 岫d a n c yc h e c k循环冗余码校验 l c m l i q u i dc o m p o s i t em o l d i n g 复合材料液体成型工艺 r l a i sr e s o u r c el i m i t e da n i f i c i a li m m u n es y s t e m 资源受限人工免疫系统 a r b圳f i c i a lr e c o 鲥t i o nb a l l 人工识别球 玳ci m m m l en e l l r a lc o n 位d l 免疫神经控制 p d p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f 弛r e n t i a t i o n 比例积分微分控制 d n a d e o x y r i b o 肌c l e i ca c i d脱氧核糖核酸 t 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 面临以全球化、动态化和用户驱动为显著特征的市场竞争，如何快速地满足市场中各种 动态变化的要求和有效地应对制造环境中出现的各种不确定性因素，对制造系统提出了越来 越严峻的挑战。随着客户对产品的需求日趋个性化、多样化，产品生命周期日益缩短，生产 批量越来越小( 甚至是一类一件) ，更新速度日益加快，使得制造企业的生产方式已由面向产 品的生产逐渐转变为面向顾客的生产，制造系统的运行环境也越来越多的出现了各种不确定 因素。现代制造系统必须能够同时生产多种产品并随市场需求的变化及时调整生产计划；现 代制造系统也必须能够应对来自系统内部的扰动而具有良好的鲁棒性；现代制造系统还必须 综合考虑制造成本和交货期等因素以求系统整体最优。所有这些都是现代制造系统在当今激 烈的竞争环境中想要谋求生存必须要考虑的问题。传统制造系统显然已不能适应这一新形势 的发展要求，需要发展一种新的制造系统来有效地适应生产系统内外部各种影响因素的变 化。因此，理想的制造系统应具有自适应与自组织的特征，自主的应对外部制造环境及系统 内部环境变化的影响。 为了应对现代制造业所面临的严峻考验，使制造系统能够更好的适应新的市场环境，制 造领域的学者提出了多种新的制造系统控制和组织模式，如：多智能体制造系统【1 1 5 】 ( m u l 6 - a g e n tm 锄u 舭n 恤gs y 啦m ) 、生物型制造系统【1 6 。1 9 1 ( b i o l o 酉c a lm a 肌f 缸t i i 血g s y s t i 锄) 、h o l o i l i c 制造系统【2 1 1 ( h o l o n i cm 舢f - a c t i j r i n gs y s t e m ) 、分形工厂c t a lf t o 啪2 2 l 等。尽管它们在名称和一些实现细节上存在着差异，但它们都采用了较为类似的控制体系结 构，即分散控制体系结构，也可以称为分布式自治制造系统。虽然它们都在一定程度上满足 了现代制造业的需求，但都或多或少存在不同的缺陷，因此，现代制造系统的自适应、自组 织和全局优化控制等问题仍有待进一步的研究。 现代制造业的发展对制造系统所提出的自适应、自组织和全局优化等要求，和生命有机 体的特性有着很大的相似之处。将生物有机系统与制造系统进行类比，我们可以发现二者之 间有形似之处，图1 1 所示，如神经细胞有兴奋、抑制等生理调节功能，车间控制器有对生 产订单、加工任务进行控制和调节的功能。制造系统应具有像生物有机系统一样应对环境变 化并保证其自身系统稳定的自我调节能力，同时也能对制造过程中出现随机因素和意外情况 作出及时的反应和处理，提高系统鲁棒性。在制造业日趋信息化而生命科学走向工程化的今 天，这种相似性更加明显与突出。 龇聪淼厂、囡神经元 _ 弋譬卜u 麓体液拶u 豳体液 制一o 2 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2 传统的故障诊断与监控方法 生物体在遭到外来危害入侵或自身系统出现问题时，自身的免疫系统会自动进行防御和 修复，保证生物体的健康稳定。而制造系统所需要的也正是这样具有自治能力的，及时准确 的故障诊断和防御系统，使系统能够动态的监测和识别其外部和内部各种因素的影响，在对 制造系统的工作状态进行评估的同时，可以基于预兆对系统的故障进行检测诊断。生物免疫 系统在缺乏先验知识的情况下，能够准确识别和记忆各种非己物质，在自主学习过程中不断 提高免疫功能，对机体进行在线自主故障监控和诊断。如何有效模拟生物免疫系统的在线自 主故障诊断机理，研究适于制造系统的在线自主故障诊断的人工免疫系统模型及算法，是故 障诊断研究领域的新方向。因此，建立一种具有“生命特征”的制造系统免疫防御系统，实 现制造系统的在线故障监测和诊断，对提高制造系统的稳定性、可靠性和安全性具有重要的 意义。 1 2 制造系统免疫监控的国内外研究现状 人工免疫系统( 川丘c i a lh i l m 腑es y s t e l i l m s ) 是模仿生物免疫系统功能的一种智能方 法，它实现了一种受生物免疫系统启发，通过学习外界物质的自然防御机理的学习技术。其 研究成果涉及控制、数据处理、优化学习、和故障诊断等许多领域。 1 2 1 人工免疫系统的国内外研究现状 日本学者i s b j d a 在1 9 9 2 年利用生物免疫网络机理解决传感器网络故障诊断问趔2 7 1 ，这 是目前可查的最早的人工免疫系统的研究成果。随后，美国学者f 0 m s t 在1 9 9 4 年将生物 免疫系统的否定选择机理应用于计算机安全和病毒检测【2 钔。随着人们对人工免疫系统的重 视。越来越多的人注意到p e 他l s 弧、b e 璐i r i i 及v a r e l a 等免疫理论学者在1 9 8 9 年、1 9 9 0 年所 做的早期研究工作的重要性，他们尝试建立免疫系统模型，以期为生物计算提供新的方法 人工免疫系统的应用研究领域由此不断得到扩大 美国n e wm e ) 【i c o 大学计算机科学系的f 0 鹏s t 博士领导的研究组主要从事利用免疫学否 定选择机理解决计算机病毒检测和网络安全问题【2 明；m i s u r i 大学的d g u p t a 博士主要致 3 类生物化制造系统自适应免疫监控关键技术研究 力于基于免疫机理的算法及人工免疫系统的应用研究，包括：计算机异常检测【3 0 】、模式识 别p 1 1 、免疫智能p 2 1 及其他相关应用3 3 1 ；英国k e m 大学的t i m m i s 博士主要从事基于免疫网 络、克隆变异、亲和力成熟、免疫多样性等免疫机理的数据挖掘及数据聚类方法的研究【蚓： 巴西c a m p i n 舔大学的c 弱仃。博士最早在其博士论文中详细总结了人工免疫系统，并试图建 立人工免疫系统的统一框架结构。 我国在人工免疫系统领域的研究起步较晚，自2 0 0 0 年以后才出现相关的文献报道【3 习， 而且研究人员较少。2 0 0 2 年莫宏伟在收集大量国外有关人工免疫系统研究成果资料的基础 上，编辑出版了我国第一部关于人工免疫系统的书籍1 3 6 】，较详细地介绍了人工免疫系统的 国际发展现状。该著作的出版，对我国科技人员了解这一国际最新研究领域起到了积极的作 用。 1 2 2 制造系统的免疫监控研究现状 在人工免疫系统所借鉴、模仿和讨论的多种生物免疫理论中，阴性选择学说，克隆选择 学说和免疫网络学说是最主要的三种免疫学依据【3 刀。因此，这三种理论构成了人工免疫系 统研究的主要理论来源，并由此发展出了多种人工免疫模型和算法。相对于这三种免疫学说 的免疫算法分别为：阴性选择算法、克隆选择算法和人工免疫网络。对它们的研究和应用已 经深入到工程实际的各个领域，制造系统的在线故障诊断和状态监控就是其中一个。 1 9 9 2 年日本学者i s h i d a 研究了基于p d p ( p 砌e ld i s 砸b l l 刷p r o c 懿s i r 培) 网络模型的学 习算法在分布式故障诊断中的应用，将免疫网络模型用于故障诊断中的特征识别【3 酊。1 9 9 4 年a l 【i o 通过对生物体的免疫系统网络的结构和工作机制进行研究，将其应用于工程系的在 线故障检测，并通过模拟仿真得到了较好的检测效果【3 鲥。d 弱g i l p t a 基于免疫系统的否定选 择机理，提出了一个高效检测算法用于检测系统和进程中稳态特征的变化【钟】。p j c o s 组 bn 】o 则是充分利用了生物免疫系统的学习和记忆机制，模拟免疫系统的学习记忆b 、t 细 胞的效应机制，并将其应用于工程实践的故障诊断中【4 。 人工免疫系统充分借鉴的生物免疫系统的信息处理机制，将其应用于制造系统的状态监 控和故障诊断，不仅可以避免传统的故障监控和诊断方法的缺陷，还可以利用人工免疫系统 的诸多优点，提高制造系统的安全性、稳定性和可靠性，人工免疫系统的主要优点如下： 分布和并行性：系统的工作不需要中央控制器，它的运行主要是建立在各种人工免疫网 络模型的基础上的，网络中各节点可在时间和空间完全分布和并行的结构中实现各种诊断和 监测功能。 自适应性：人工免疫系统会在系统环境发生变化或系统自身出现故障即系统监测到非己 抗原时，自主的启动应答机制，根据抗原的不同分泌相应抗体，对系统各部分作出调整以适 应相应的环境或自身的变化。这种动态的、自主的对系统环境和自身变化做出相应调整的特 性体现了人工免疫系统的自适应性。 应答性：生物免疫系统具有识别“自己”和。非己”的能力，对“非己”的抗原系统会 4 南京航空航天大学硕士学位论文 启动免疫应答来排除异己。人工免疫系统同样具有这样的能力，通过一定时间的学习和锻炼， 人工免疫系统也能够对系统的非正常状态作出应答，同时对系统的正常状态保持耐受性。 学习和记忆性：生物免疫系统在首次遇到新抗原时会引发初次应答，通过免疫系统的学 习和记忆细胞，找到合适的抗体消灭抗原。人工免疫系统亦会如此，在遇到一个完全新的环 境改变或自身变化时，系统会对其进行学习，判断该抗原是否属于非正常抗原，如果是则通 过一定的规则找出合适的抗体，并对此新抗原进行记忆，在下一次遇到相同抗原时可直接分 泌相应抗体，使系统适应内外部环境的变化。 1 3 课题来源及研究意义 本课题得到了霍英东青年教师基金( 项目编号：1 1 1 0 5 6 ) 、新世纪优秀人才支持计划( 项 目编号：n c e 瑚8 ) 资助。本文的研究是类生物化制造系统研究的一个重要环节，在将生物 系统的控制协调机制应用于制造系统的同时，不可避免的要面对制造系统所面临的各种环境 因素的变化对制造系统所带来的危害，建立一个自适应的具有生命特征的监控防护系统就尤 为重要了，而生物体的免疫防护系统正是这样一个满足要求的可以借鉴的系统。 本课题的一个很重要的目标就是将生物体的神经调节系统、内分泌系统和免疫防护系统 的工作机制应用于制造系统的控制中，使制造系统具有一定的自组织、自适应的生命特征。 免疫系统本质上就是生物体自身的故障监控和诊断系统，因此，基于免疫系统发展起来的人 工免疫系统，其许多机理对研究新的故障监控和诊断方法极具启发意义，非常适宜应用于制 造系统的故障监控和诊断领域。众多免疫系统智能机理和基于免疫机理的人工免疫系统成 果，为开展基于免疫机理的故障监控和诊断方法及应用的研究提供了有利条件。目前，虽然 基于免疫机理的故障监控和诊断方法研究成果很少，更缺乏应用研究，但是随着对人工免疫 系统研究的深入，在这一领域一定会有更多有效可行的成果陆续涌现。 1 4 本文主要研究内容及关键技术 本文是在分析传统的制造系统故障监控和诊断手段的缺陷后，在类生物化制造系统理论 的框架下，将基于生物免疫机制的人工免疫系统应用于类生物化制造系统的状态监控和故障 诊断中。在对生物免疫系统的主要运作机制和功能进行研究之后，建立适用于有机制造单元 的人工免疫框架，对其各个模块和工作方式进行设计和分析，并在此基础上搭建整个制造系 统的自适应免疫状态监控模型。本文还在现有的制造系统模型的基础上，根据所建立的免疫 监控系统模型初步搭建免疫监控系统的硬件框架，实现一定功能的系统软件编程，并进行实 验，达到预期的效果。 1 4 1 本文主要研究内容 本论文共分为七章，论文的体系结构图如图1 3 所示： 5 类生物化制造系统自适应免疫监控关键技术研究 图1 3 论文体系结构图 本论文的主要研究内容： ( 1 ) 类生物化制造系统的基本结构和控制模式的研究，确定课题的基本框架。 ( 2 ) 结合免疫系统的生物学基础，研究人工免疫系统的应答、学习机制和主要算法。 ( 3 ) 研究有机制造单元的免疫监控模型，分析它的工作机制在此基础之上建立类生物化 制造系统的免疫监控系统模型，并应用阴性选择算法给出抗原的识别策略及简单的应答调度 策略。 ( 4 ) 根据所建模型设计出免疫监控系统的总体硬件框架，并对其各个模块的技术基础进行 研究和分析。 ( 5 ) 利用层次分析法，结合免疫监控系统的框架模型，对有机制造单元和制造系统总体健 康状态进行评估计算。 ( 6 ) 完成试验平台的搭建，实现免疫监控系统各模块的软件编程，并进行试验，达到预期 的效果。 1 4 2 关键技术 6 南京航空航天大学硕士学位论文 本论文所研究的内容是以已有制造系统模型为基础的，因此，本课题所涉及的主要关键 技术有： ( 1 ) j 瓜m 芯片应用技术是嵌入式技术的核心。该技术首先包括舢蝴芯片的内核 a i 蝴7 t d m i s 应用调试技术。朋瑚芯片内核含两大类总线：系统总线和外围总线。大量的 堆寄存器使其处理中断的速度非常快速，所以很适合于实时监控系统。其次是片内外设的使 用技术，包括：中断向量控制器、串口、s p i 接口、l c m 接口、a d 转换、c a n 控制器、看 门狗等。 ( 2 ) 模拟量数据采集技术。在整个监控系统的工作过程中，状态信息的采集是非常关键 的，它是系统状态变化的直接反映，通过它监控系统才能获得可靠的制造系统状态信息。在 已有的制造系统模型中主要利用p i c 4 8 5 单片机来完成此工作。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统和软件技术。研究实时操作系统的机理，开发监控系统所需耍 的可完成实时信息获取、识别、应答、动态调度等功能的多任务系统。 ( 4 ) q 蝌现场总线技术。完成基于嵌入式实时操作系统的c a n 总线上数据通讯的的功 能，并针对免疫监控系统的信息传输的需要，对c a n 总线协议进行二次开发。 ( 5 )