（机械电子工程专业论文）面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现.pdf

， k 毒 a n da s t r o n a u t i c s c o l l e g eo fm e c h a i l i c a l 趾de l e c t r i c a le n g i l l e e r i i l g r e s e a r c ha n dr e a l 娩a t i o no fc o o r d i n a t i o n m e c h a n i s mo r i e n t e dt ob 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 an l e s i si l l m e c h 砌c a le n g i n e 耐n g b y y u 趾w e i d o n g a d v i s e db y p r o t 觚gd u n b i i 玛 s u b m i t t e di np 抓i a lf u l f i l l m e n t o ft 1 1 er e q u i r e m e n t s f o r t l l ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i l l e e r i n g j a n u 叫，2 0 1 0 | 一 镬 9 i 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) 作者签每：摊 日期：丝21 ：主肜 一 矗 i 造系统 提出了更高的要求，突出表现为现代制造系统的运行环境越来越充满不确定性，比如中途不可 预知任务的插入以及设备故障等。所有这些不确定因素要求现代制造系统内各组成要素能够更 好地配合协作，动态快速地响应来自制造系统外部和内部的各种扰动，从而更快更好地完成任 务，达到制造系统运行的整体优化。本文以类生物化制造系统的协调机制为研究目标对相关问 题进行了探讨，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，阐述了协调的基本概念并给出作者自己的理解，通过分析复杂制造系统对协调的需 求指出协调在现代制造系统中的重要性。根据通信方式将协调分为显式协调和隐式协调两大类， 并分析了各自的特点和优缺点，指出隐式协调相对于传统显式协调的优越性。 第三，借鉴蚂蚁觅食的思想，提出了基于信息素的隐式协调机制，并将其应用到类生物化 制造系统的任务分配问题和应对系统扰动中去。仿真结果表明，该协调机制不仅能综合系统成 本及负荷等因素以求整体优化，而且避免了显式协调机制在问题复杂或频繁变化时易陷入死锁 进而导致整个系统崩溃的弊端。 第四，在刚c * 6 o 平台上，开发了类生物化制造系统协调机制软件仿真平台。该软 件仿真平台实现了设备和生产任务的管理、面向任务分配的基于信息素的静态协调、针对新增 任务和设备故障的动态协调以及与e x 咖d s i m 仿真软件的接口等功能。经测试，该系统能较好 地表现本文主要思想。 最后，在类生物化制造系统硬件仿真平台上进行了基于信息素的隐式协调机制实验，对实 验结果进行了分析，结果表明该协调机制具有易实现、通信量少、鲁棒性好、协调效果明显等 特点。 关键词：类生物化制造系统，信息素，协调机制，隐式协调，自组织 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 a b s t r a c t t h es i 鲥f i c a m l yi 陀舔i i 唱m a r k e tc o m p e t n i o nc h 孤a c t e r i z e db yg l o b a l i z a t i o i l ，d y n 锄i c d e v e l o p m e m 锄dc u s 幻m e r - d r i v e nh 雏p u tf 0 1 w 一面h i g h e r r e q u h m 锄tf o r 协em o d 锄i m 舢f 栅i n g s y s t e m n o w a d a y st i l em o d e mm a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sb e c o m i i 唱m o 他孤dm o r em 哗c t e d ，s u c h 笛 g e n tt a s k 锄de q u i p m e n tf a i l u 他d t 0m e u n c e 删nf k t 0 硌，a l lk i i l d s0 fe l e m e n t si n 廿l em o d e m m a n u f a c t u r i n gs y s t e mh a v et 0w o r kt o g 劬e rb e t t e r a n dm a l 【eq u i c k 他s p o n s et 0m e d i s t u r b 觚c ee 劬l 盯 c o m i n gf 沁mt h ei l l s i d eo ro u 招i d eo f t l l e s y s t e m h lo r d e rt 0m a l 【em em 甜m 亿c t l u u r i i l gs y s t e mm o 陀 s e l f o 曙a i l i d 锄dm o 他s e l f 卿i v e ，也ec 0 0 r d i n a t i o nm e c h a l l i s mo fb i 伊i p n dm 枷f k t u r i n g s y s t | 锄i m s ) i ss t u d i e di i l l i sp a p e r f i 娼t l y ，廿l i sp a p e ra n a l y s e st h es i i n i l 撕t i b e t 、 ，e e nm 觚u f a c t u r i i l gs y s t e ma n db i o l o g i c a ls y s t e m ， i “v e s t i g a t e s l eb 笛i c l e o 巧o fb i m sb yr e f e r r i n gt ob i o c 怃m e t i c s ，锄dp r o p o s e s 吐l eg e n e m lm o d e l o f b i m s s e c o n d l y ，t t l ec o n c e p t i o no fc 0 0 r d i n a t i i se la _ b o m t 甜、h i l em e 卸n l o r so w n 岫d e r s 协n d i n g a b o u tc 0 0 r d 触i i sa l p 佗s e n t e d t h ei i i l p o r t 锄o fc o o r d i n 撕0 ni sp o i 胁诅o u tb y 锄a 1 ) r z i n gt h e 陀q u i r e m e n t so fc o m p l i c 砷l dm 柚i l f a c t u r i n gs y s t c m t h c nm ec o o r d i i l a t i o ni s c l 舔s i f i e di 椭t 、v o c a 钯g o r i e 卜嘲印l i c i tc o o r d i i l a t i o na n di m p l i c i tc 0 0 r d i n a t i o i l ，d u et 0m c i rc o n 蚰u i l i c a t i o n 啪d e a f 【e r 吐l a t h ec k 瞰l c t e 塔o ft h et 、】i r od i 丘e r e n tc o o r d i r 洲o nm e c h 乏m i s m sa 佗i l l v e s t i g a ：t e d ，a n d 也e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n 缸l g e sa i 它c o m p a r e d 1 1 1 i r d l y i i l s p i 他db y 舭ts t i g m e 唱弘ap i 忙r o m o n e _ b 嬲e di i n p l i c i tc 0 0 r d i i l a t i o nm e c 蜥s mi s p r o p o s e d ni s 璐e dt 0d e a l 、】l ，i 廿lt a s k 笛s i 弘m e n ta n d 糟tt 0d i s n 曲锄c e a n dm es i i i l u l a t i o n 佗s u n i n d i c a _ t e sn l a tn l i sc o o r d i i l a t i m e c h a i l i s mn o to i l l y 他a c h e s 廿l ep u r p o o fg l o b a l 0 p t i m i z a t i o n ，b u t a l s oa v o i d sf a l l i n gi l 哟c o n n i c t 锄dd e a d l o c kw l l i c h 懿i s ti i le x p l i c i tc o o r d i 衄t i o nw h e np r o b k 釉i s 咖m e l yc o m p l i c a l e d f o 证t l l y as o f h ，a 心s i m u l a t i o np l 缅m o fp h e r o m o 舱b 够e di l i l p l i c i tc 0 0 r d i 豫t i m e c h a i l i s mi s d e v e l o p e db yu s i i 培m i c r o s o f t s u a lc + + 6 0 t h i sp l a t f o m 北a l i 鹚ss u c hf h i l c t i o 地觞m a i l a g e m e m o fm a c l l i n e s 锄dp r o d u 嘶t a s l 【s ，p h e r o m o n e - b 雒e di m p l i c “c o o r d i n a t i o na i l i l i n ga td e a l i i l gw i n ln e w t a s l ( s 锄dm a c h i n ef a i l u r e ，i i l t e r a l c t i o nw i le x t d s i i n ，e t c f i n a l l y 锄e x p 嘶m e n ti sc a m e do u t0 nm e 啦s i l i i u l a t i o np i a t f 0 册t 0v e r i 匆戗l ee 虢c t0 f t l l ep h e r o m o n e - b 硒e di m p l i c i tc 0 0 r d m a t i o nm e c h 觚i s m 、 l m e c h a n i s m ， 南京航空航天大学硕士学位论文 一 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景：1 1 2 协调机制的国内外研究现状二：3 1 3 课题的来源及研究意义。4 1 4 本论文的研究内容5 1 5 本章总结6 第二章类生物化制造系统基本理论研究7 2 1 制造系统与生物系统的类比7 2 2 类生物化制造系统模型8 2 2 1 有机制造单元8 2 2 2 类生物化制造系统协调模型9 2 3 类生物化制造系统的特点1 0 2 3 1 自治性1 0 2 3 2 自组织性。l o 2 3 3 自适应性l l 2 3 4 故障自诊断自修复性j l l 2 4 本章总结。l l 第三章协调基本理论1 2 3 1 协调概述1 2 3 1 1 协调的基本概念。1 2 3 1 2 协调的需求分析。1 2 3 1 3 协调的通信方式1 5 3 2 显式协调1 5 3 2 1 显式通信1 5 3 2 2 合同网1 5 3 3 隐式协调l8 3 3 1 动物的群体智能1 8 3 - 3 2 隐式协调的特点18 v 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 3 4 显式协调与隐式协调的优缺点分析1 9 3 4 1 优化能力1 9 3 4 2 响应灵敏度。2 0 3 4 3 鲁棒性2 0 3 4 4 通信量2 0 3 4 5 易实现性2 0 3 5 本章总结2 l 第四章基于信息素的类生物化制造系统协调机制研究2 2 4 1 制造系统任务分配问题描述及数学模型2 2 4 1 1 任务分配问题描述。2 2 4 1 2 任务分配问题数学模型。2 3 4 2 蚁群算法基本理论2 4 4 2 1 蚂蚁的觅食行为和觅食策略2 4 4 2 2 蚁群算法的实现2 6 4 2 3 蚁群算法的特点2 7 4 3 静态协调机制2 7 4 3 1 基于信息素的任务分配算法2 8 4 3 2 基于信息素的自组织协调2 9 4 3 3 实例验证3 3 4 3 4 静态协调机制的效用分析。3 5 4 4 动态协调机制3 6 4 4 1 新任务到达后的协调3 6 4 4 2 设备故障时的协调3 8 4 5 本章总结。4 0 第五章类生物化制造系统协调机制软件仿真平台开发4 l 5 1 系统设计分析4l 5 1 1 功能模块划分4 l 5 1 2 数据库设计4 2 5 2e x t e n d s i m 接口设计4 2 5 3 系统开发平台和运行环境4 5 5 4 系统实现4 5 5 5 本章总结5 3 ! ；q l ! i 4 。! ；5 ! ；! ； 5 8 6 - 3 本章总结6 0 第七章总结与展望6 l 7 1 全文总结6 1 7 2 工作展望6 2 j 目贮谢6 3 参考文献6 4 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 8 附j 豪：6 9 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 图表清单 图1 1 生物系统与制造系统的类比2 图1 2 论文体系结构图。6 图2 1 有机制造单元的基本结构9 图2 2 有机制造单元的动态形成和解散过程9 图2 3 类生物化制造系统协调模型1 0 图3 1 层次控制体系结构。1 3 图3 2 分散控制体系结构1 3 图3 3 合同网模型1 6 图3 4 基于信息素的隐式协调1 9 图4 1 任务分配映射图2 3 图4 2 等长双支桥实验2 5 图4 3 不等长双支桥实验2 6 图4 4 基于信息素的任务分配流程3l 图4 5 设备上存留的信息素量3 4 图4 6 基于信息素的设备关联矩阵。3 4 图4 7 基于信息素的工艺关联矩阵3 5 图4 8 制造单元构建的结果3 5 图4 9 新任务分配流程3 7 图4 1 0 故障设备转移工件分配流程3 9 图5 1 协调机制仿真平台模块划分4 2 图5 2e x t e n d s i i n 仿真软件的2 d 3 d 界面4 3 图5 3 客户程序与e x t e n d s i m 仿真软件的i d i s p 批h 接口示意图4 4 图5 4 系统主界面4 6 图5 5 设备信息管理对话框。4 7 图5 6 设备信息显示界面4 7 图5 7 工件信息管理对话框。4 8 图5 8 工艺路线管理对话框4 8 图5 9 协调算法任务分配结果4 9 图5 1 0 信息素演化界面4 9 图5 。11 信息素矩阵表5 0 学位论文 ! ；( ) 5l ! ；l 图5 15 新任务设置界面5l 图5 16 新任务分配结果界面。5 2 图5 1 7 插入新任务后的单元协调结果5 2 图5 18 设备故障设置界面5 2 图5 1 9 故障设备任务转移结果5 3 图5 2 0 设备故障时的单元协调结果5 3 图6 1 仿真平台的组织结构图。5 4 图6 2 硬件仿真平台的实物照片5 5 图6 3 基于信息素的隐式协调实验逻辑图5 7 图6 4 基于信息素的隐式协调实验监控界面5 8 图6 5 工艺路线优劣分化趋势图。5 9 图6 6 基于信息素的隐式协调实验结果。5 9 表1 1 不同的协调形式的特征值5 表2 i 生物系统与制造系统的类比8 表3 1 显、隐式协调机制优缺点对比2 0 表4 1 任务选择与蚁群探路的相似关系2 8 表4 2 任务的加工工艺规程3 3 表4 3 设备信息。3 8 表4 4 新任务分配结果3 8 表4 5 故障设备转移工件分配结果4 0 表6 1 信息素参数值表。5 6 表6 2 基于信息素的隐式协调实验通信协议表5 8 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 注释表 b i m s b i 0 一i i l s p i r e dm a n u f a c t u i i n gs y s t e m 类生物化制造系统 g p g pg e n e r a l i z e dp a n i a lg l o b a lp l a 衄i n g广义部分全局规划 c n e tc o n t r a c tn c t合同网 p g pp a n i a lg l o b a lp l 锄i n g 部分全局规划 r c f u n c t i o 舱i l ya c c u r a t e c 0 0 p e r a t i v e 功能精确合作 k q m lk h o w l e 起eq u e 巧锄dm a i l i p u l a t i o nl 锄g u a g e 智能体通信语言 s i s w 锄i n t e l l i g e n c e 群体智能 t s p t r a v e l l i n gs a l e s m 锄p r o b l e m 旅行商问题 g ag e n e t i ca l g o r i t i 姐遗传算法 e p e v o l u t i o m 巧p r o 蓼a i i 瑚i n g 进化算法 s as i m u l a t e da i l l l e a l i n g 模拟退火 a c oa n tc o l o n yo p t i i i l i z a t i o n蚁群算法 m 魄sm u l t ia g e n ts y s t e m + 多智体系统 c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d e i 对象组件模型 a r ma d v a n c e dr i s cm 孔h m e 高级精简指令集处理器 a g va u t o m a _ c e dg u i d e dv e m c l e自动导引车 c a nc o n 向r o l l e ra r e an 酏w o r k 控制器局域网 位论文 制造业正面临着越来越严峻的考验。 自上世纪8 0 年代末以来，作为制造业驱动力的市场需求发生了重大变化，客户已经不再简单地 满足于产品的基本使用性能，而是要求更能满足个人特定需求的配置，更具特色的个性化的样 式和外观以及更短的交货期。这种客户需求驱动市场发展的态势使得现代制造系统的运行环境 越来越复杂且充满了不确定性。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。 为了适应制造业的发展趋势，制造领域的学者提出了多种先进的制造系统模式，如：多智 能体制造系统【1 1 研( m i n t i - a g e n tm a 曲缸加血gs y s t 咖) 、生物型制造系统1 吼2 2 1 ( b i o l o g i c a l m a n u f a 曲l r i n gs y s t c m ) 、h o l 0 i 瞄4 造系统团埘】( h o l 伽弛m a n u f a c t i l n gs y s t | 哪) 、分形工厂c 2 5 l ( f - m c t a if 螂) 等。与传统的集中控制结构不同，这些先进制造模式虽然在名称和细节上有 所区别，但是都无一例外地采用了高度分布的控制结构，所以可统称为分布式自治制造系统。 以多智体制造系统为例，它是由一组智能体( a g e n t ) 构成的系统，系统中的a g e n t 具有自主性、 主动性、交互性等特征，它们通过协作来完成某些任务或达到某些目标。 值得注意的是，自适应与自组织体现了生物系统的基本特性。另外，在制造系统的研究中， 越来越多地出现敏捷、智能、自律协同等具有生物学意义的词汇。生物系统经过几十亿年的进 化，优化了生命系统的结构和功能，其系统结构、功能及其控制机制的多样性、复杂性、可靠 性、适应性和高效性等在许多方面是值得我们在研究制造系统建模时进行借鉴和参考口蚴l 。 将生物系统和制造系统进行类比，我们可以发现二者之间有形似之处( 如图1 1 ) ，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。同时，生物系统具有的独特控制协调机制给我们设计有机的制造系统以很大的启发：在生 物系统中，所有层次的子系统( 从细胞、组织到器官) 均具有自组织特性，整个系统呈递归性 质，每个子系统都能针对环境的变化自我调节，各个子系统之间由其上层的系统进行协调，使 得生物系统具有很大的灵活性，更适应于复杂变化的生存环境。 基于制造系统与生物系统的相似性，南京航空航天大学唐敦兵教授提出了类生物化制造系 统( b 珏i i 塔p i r j e dm a m l f a 曲】r i n gs y s 钯m ，b i m s ) 的概念，拟从制造系统、生物系统、控制系统 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 学科交叉的角度，具体研究如何将生物系统的自适应控制机制和规律借用到制造系统设计与建 模中，从而丰富和完善生物型制造系统中的控制与协调环节，以解决目前制造系统建模中的自 适应、自组织和全局优化控制问题。 ( ”制造系统 图1 1 生物系统与制造系统的类比 传统的控制结构都存在一些固有的弊病，这种弊病在制造系统规模日益庞大，内部结构日 益复杂以及外部制造环境瞬息万变的趋势下越来越突显出来，成为制造系统满足现代制造任务 的瓶颈。基于此，国内外许多学者提出了制造系统的多a g e n t 模型， 希望通过各a g 锄t 之间的 相互合作协调来完成全局任务的求解以及更好地适应制造系统内、外部环境不可预知的频繁变 化，以此彻底摆脱传统控制结构给现有制造系统带来的限制。于是各种协调机制被提出用来协 调分布式制造系统中各a g e n t 的行为，化解矛盾以及形成一致的目标。比如基于合同网的协调 机制，基于p e 仃i n e t s 的协调机制以及g p g p 的协调机制等。多智能体制造系统以适当的方式把 多个a g e n t 组织起来，综合利用多个a g t 的能力、信息和资源，弥补各个a g e n t 的不足，使 系统的能力大大超过各a g e n t 能力之和，且使系统具有很强的应对干扰的能力1 2 9 1 。但是由于各 a g e n t 在信息、知识和控制上是分布的，各a g e n t 对系统构成、全局任务的完成及其它资源的 意图的理解很有可能不一致，当各a g e n t 依据自己的局部信息作决策时，往往不能使系统性能 达到最优或近优，甚至有可能互相冲突。又由于整个系统缺乏类似中央控制的机制，因而整个 系统的控制和决策往往不能达到最优效果，而且不可避免地存在大量难以解决的决策冲突 ( c o i l f l i c t ) 和死锁( d e a d l o c k ) 。尤其当制造系统规模较大，而且a g c n t 处于信息连续变化的 高度紊乱的环境中( 如由于市场的快速变化，经常会有一些短期的、紧急的订单需要及时处理) 时，有可能引起冲突的传播( 即任何两个实体间冲突的解决会触发其他冲突的出现) 。特别是， 由于信息的不精确和延迟，各个a g e m 可能总是跟不上制造环境信息的变化。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 制的不足，严重阻碍了多a g e n t 系统由理论走向实践，人们越来越认 识到突破现有智能制造系统协调机制的束缚是关键。 1 2 协调机制的国内外研究现状 目前，协调机制作为分布式自治系统中的关键问题，国内外众多学者对其展开了大量的研 究。按照协调所起作用的不同阶段，可将协调分为以下3 种类型【圳。 1 任务执行前的合作与协调 任务执行前的合作与协调是指尽可能避免或消除任务执行前预期到的冲突。这些冲突可能 是由于任务分解阶段产生的。1 9 8 0 年，s m 曲和d a ! v i s 提出的合同网协议( c n e t ) 是通过任务 共享实现有效合作的高级协议，亦是协商方法应用于多a g e n t 系统有代表性和有影响力的合作 与协调机制之一。他们从公司组织和投标人的合同产生过程引发这样的灵感：产生任务的a g e n t 在协议中被称作管理者( m 锄a g e r ) ，它向其他a g e n t 广播任务通知。接收到任务通知的节点根 据任务要求自己的能力和知识、预期收益等决定是否投标。当a g e n t 发现一个合适的任务时， 向管理者提交一个投标( b i d ) 。管理者会收到许多这样的投标，基于投标的信息，对一个任务 通知做出反应，选择最合适的a g e n t 来完成任务，这些a g 锄t 就是合同人( c o 曲咖r ) 。同样， 合同人还可以作为管理者将子任务再进行分配。合同网协议通过管理者来协调各个合同人。 2 任务进行中的合作与协调 这一类机制主要是处理在任务执行过程中不可预期的冲突或不一致。比如在开放多a g 锄t 系统中，无法事先确定一个节点何时加入和退出，也就不能预料将面临何种冲突。因此，在冲 突发生时，才能做出快速合理的响应。根据有无通信，这类机制存在两个发展方向。 无通信的合作与协调 在无通信的合作与协调机制中，经济学中决策论和博弈论是主要用到的理论工具。因为自 利多a g e n t 系统合作的过程可以看作是多个a g e n t 之间的一场对弈，其他a g e n t 行为的选择会 影响自己的决策过程。 有通信的合作与协调 通信是当冲突发生时双方或多方进行协商，达成一致常见的手段。通过交互彼此的信念和 意图，了解彼此的态度，从而得到最优或者次优的解决方案。 这一范畴内经典的协调机制有部分全局规划p g p ( p a n i a lg l o b a lp l 锄n i i l g ) 【3 l j 。其主要原理 是：为了达到关于问题求解过程的共同结论，合作的a g e n t 需要交换信息。规划是部分的，因 为系统不能产生整个问题的计划。规划是全局的，因为a g e n t 通过局部规划的交换和合作，能 得到问题求解的全局视图，进而形成全局计划。 3 缓慢退化的合作与协调 3 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 缓慢退化的合作与协调则容许a g e n t 的本地信息和对目标理解存在一定程度的不一致，甚 至允许某些软顾件错误的存在，只需最终结果保持一致。该类机制的假设或出发点是：现实中 有时候要求每个a g e m 的信息都是准确无误或一致的是困难的，甚至是不可能。l e s s e r ，c o r k i n 和e 咖柚是研究这类合作与协调机制的先驱。他们提出了功能精确合作( 删删l y c 眦a t e c 0 0 p e r a t i v e ，f a c ) 方法【3 ”3 1 。 另外，有学者根据协调系统实现的特征将协调分成如下4 种形式彤】。 1 同步式协调 同步式协调是一种最基本的协调形式，也是一种“低级”的协调形式。同步的问题源于分 布式系统，当需要管理多个行为的并发和检验操作结果的一致时，就需要同步。 2 规划式协调 规划式协调在分布式人工智能领域是最为经典的方法。它应用了人工智能领域中单a g e n t 规划的成果，并将其扩展到多a g e m 系统中。 3 反应式协调 反应式协调认为直接执行更简单，因为不用事先规划想要做什么。反应式a g e n t 非常简单， 无需描述它的环境。因此，所有与其行为有关的信息存在于环境之中，仅仅依赖于它们对环境 的感知再做出反应。反应式a g e n t 是被动的，而且具有无后效性，即既不能记忆过去，也不能 预测未来。尽管这种简单性常常意味着孤立的反应式a g e n t 基本上没有什么作为，但是，当它 们一起工作时，就能执行单独工作时无法完成的行为。 4 规则式协调 规则式协调的方法比较少见。主要用于需要具备有限协调能力的系统。它的基本原理是建 立一组行为的规则，达到消除可能冲突的目的。 上述各种不同形式的协调机制各自的优缺点如表1 1 所示。在异构的、动态的和开放的复 杂环境下，上述合作与协调机制都存在不同程度的不适应。对于快速变化的环境，需要高效的 合作与协调机制，因为过去某个时刻认为是一致的行为可能由于环境的改变而导致冲突的发生。 像集中式规划需要大量的通信，而使其在效率方面不适合动态的环境。在合同网协议中动态性 很难得到有效的管理，由于环境的变化，任务的重新分配降低了协作的效率，增加了网络负载。 p g p 、戳l c 由于复杂的本地控制、大量的计算开销，影响了效率的提高。寻求一种新的协调机 制以克服现有协调机制的不足，是当今渐趋复杂的制造环境对制造系统提出的要求。 1 3 课题的来源及研究意义 4 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 中重要的一环。一方面，制造 系统所面临的情况越来越复杂多变，而系统本身的资源总是有限的，怎么样让有限的资源更加 高效率的产出就成了关键，故现代先进制造系统都离不开对协调机制的研究。另一方面，本课 题组其他成员已做了制造单元内部车间作业调度的研究，前提是任务已经分配到了各制造单元， 本文正是研究这一内容，所以本文的研究与课题组其他研究是承前启后的关系。 表1 1 不同的协调形式的特征值 1 4 本论文的研究内容 本文在类生物化制造系统理论框架下探讨了其内部协调机制基于信息素的隐式协调机 制。针对任务分配问题和系统动态扰动，分别研究了静态协调机制和动态协调机制，据此开发 了类生物化制造系统协调机制软件仿真平台，并在硬件仿真平台上进行了基于信息素的隐式协 调机制实验，初步验证了该机制的有效性。全文共分七章，本论文的体系结构如图1 2 所示。 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 课题基本框架的研究与建立； ( 2 ) 研究了类生物化制造系统的基本理论和组织结构，特别是自组织和协调机制； ( 3 ) 研究了类生物化制造系统的任务分配模型和基于信息素的隐式协调机制，并将协调过 程同自组织过程联系起来； ( 4 ) 开发了类生物化制造系统协调机制软件仿真平台，模拟了基于信息素的隐式协调机制 在任务分配和应对动态扰动时的运作过程； 5 面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现 ( 5 ) 在类生物化制造系统硬件仿真平台上进行了基于信息素的隐式协调实验，初步验证了 机制的简单性和有效性。 1 5 本章总结 图1 2 论文体系结构图 本章介绍了课题的来源、研究背景和意义，梳理了先进制造系统模式的发展趋势，并考察 了先进制造系统协调机制的研究现状，最后介绍了本文的主要研究工作和论文的总体框架。 6 面对工业时期制造系统和制造过程的不断膨胀的复杂性和动态性现象，从生命现象中学习 组织与运行复杂系统的方法和技巧，将是解决今天制造业所面临种种难题的一条有效的、甚至 是必然的出路1 3 5 j 。2 0 世纪6 0 年代人们对制造系统和生物系统大量的对比研究直接导致了仿生 学的诞生，之后众多研究人员投入了对模仿生物机体、感官结构及其工作原理的研究。8 0 年代 末产生了仿生制造的概念，同时也蕴含了制造业的发展方向。正因为生物系统与制造系统具有 很多相似性，生物系统的多种机制已成功地应用于制造系统中，如：今天人们所研究和推行的 分布式制造系统、多智能体制造系统、生物型制造系统、h o l o i l i c 制造系统等都或多或少学习和 借鉴了生物的组织结构和运行模式；遗传、神经网络、粒子群、蚁群等模拟生物的智能算法也 已成功地应用于制造系统作业调度和任务分配等多种难题中；以及利用生物免疫机制对复杂制 造系统的健康检测和评估等等1 3 6 l 。本文提出的类生物化制造系统也是在深层次借鉴生物系统的 运作机制的基础上诞生的。 本章将分析制造系统与生物系统之间的相似性，借鉴生物系统的组织结构、控制机理和运 行模式，进而提出类生物化制造系统的概念，并对该系统的自组织和自适应等基础理论进行研 究，为研究新一代制造系统提供理论依据。 2 1 制造系统与生物系统的类比 随着制造业向着高层次发展，制造系统总是处于不断的变迁和发展之中。现代制造过程及 其相应的制造理论、制造技术( 包括制造工业和制造方法) 愈来愈呈现两个显著的特征：一是 系统科学性，即该领域所涉及的系统理论和系统工程的方法越来越多；二是学科综合性或技术 集成性。为此，运用系统工程的理论和方法，有机综合和集成制造系统涉及的多学科知识，研 究制造系统的演化机制，对于提高企业的竞争力，使制造业向着有利于人类需要的方向发展具 有十分重要的意义，同时也有助于推动制造系统工程学科的形成和发展p 7 1 。 制造系统与生物系统之间可从两个方面进行类比，一是制造系统与生物系统在组织结构上 或者说是物质载体上具有高度的相似性。在这方面，现有的制造系统与生物系统间已经具备了 很大的相似性。千万年的进化使得生物系统具有一套相当稳定的自我调节机制，不管是外界环 境的变化还是系统本身内部的干扰，生物系统