（机械电子工程专业论文）基于mas的模具企业生产计划与调度系统研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 塞整星砸f 年jb 西日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 r ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 译文f 譬签名：玺型盖一导师签名：二拿：主捌佯3 月玷臼 中文摘要 题目：基于m a s 的模具企业 生产计划与调度系统研究 学科：扭撼鱼王王猩答辩日期：塑墨2 ：丝 作者：堡撞墨签名：j 筮鲤 导师：奎壹肖丝鳗职称：麴援副麴援签名： 中文摘要 红 翟棚 模具工业是国民经济的重要基础工业。随着客户需求的个性化及制造的全球化、 信息化，模具企业生产方式面临着重大的变革。目前我国很多模具企业都已经采用了 扁平的网络管理和动态的、自主管理的小组t 作组织形式。本文主要以这种变革后的 模具企业为背景，结合智能计算领域的a g e n t 概念，建立了基于m a s 的模具企业生产 计划与调度系统。 对觚e n t 技术和信息系统建模方法进行了分析，利用i d e f o 法建立了基丁m a s 的模具企业生产汁划与调度系统的功能模型，并对招投标部分进行了详细建模分析。 讨论了合同网协商机制的运作过程，提出了基于c n p 的项目调度算法，综合研究了当 前的各种评标算法，详细分析了综台评分法和模糊层次综合评价法在评标中的应用， 并结合生产实际给出了算例。 引入集合覆盖的概念，将项目组内任务分配问题转化为集合覆盖的问题，提出了 一种严格启发式优化算法，实现了项目组| = | 子任务的分配。在上述分析的基础上，采 用j s p 技术和s q l s e r v e r 数据库完成了软件的编制，形成了模具制造执行管理系统的 生产计划与调度部分的软件原型。系统运行测试结果表明，上述方法和算法正确可行， 对模具制造企业有良好的实用和推广价值。 关键词：m a s ，模具企业，生产计划与调度，台同网协议，评标，任务分配 本文研究t 怍得到陕西省自然科学基金项目“敏捷制造系统控制技术研究( 2 0 0 , t e z 0 2 ) ” 的资助。 央良摘要 titie ：r e s e a r c ho nm a s b a s e d p r o d u c t i o np l a n n i n ga n d s c h e d u i 。i n gs y s t e mf o rc o r p o r a t i o n sm a n u f a c t u r i n gm o u l d s s p e c ia i t y ：m a c h i n e r ye 1 e c t l , o n i c a u t h o r ：h o uy a n j u n e n g i n e e l , i n gd a t e ：煎! 笪 8 ig n a t u r e s u p e r v i s o l ：p r o f l iy a na p r o f x i a o j i m i n gs i g n a b s t r a c t t h em o u l djn d u s t r yisi m p o r t a n tb a s a i n d u s t r yi nn a t i o n a e c o n o m yt h e p r o d u c t i o nm o d eo fc o r p o r a t i o n sm a n u f a c t u r l n gm o u l d sisf a c i n gd r a s t i cc h a n g e w i t hi n d i v i d u a t i o no fr e q u i r e m e n t s g l o b a l i z a t i o na n di n f o r m a t i o n i z a t i o no f m a n u f a c t u r e a tp r e s e n tm a n yc o r p o r a t i o n sm a n u f a c t u r i n gm o u l d si no u rc o u n t r y h a v ea d o p t e df l a ta d m i n is t r a t i o no fn e t w o r k sa n dd y n a m i cs e l fm a n a g ew o r k g r o u pf o r m j u s tu n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，i n t e g r a t e dw it ha g e n tc o n c e p ti n c o m p u t e rf i e l d ，ap r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds e h e d u l i n g ( p p s ) s y s t e mb a s e do n m u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) i sc o a s t t c t e df o rc o r d o r a t l o n sm a n u f a c t m i n gm o u l d s t e c h n o l o g ya b o u ta g e n ta n di n f o r m a t i o ns y s t e mm o d e l i n gm e t h o d sa r e a n a l y z e dd e e p y am a s b a s e df u n c t i o n ，m o d e lo ft h ep p ss y s t e mo fc o r p o r a t i o n s m a n u f a c t u r i n gm o u l d si sf o r m e da p p l y i n gi d e f o t h ef u n c t i o n i n go f c o n t r a c t n e tp r o t o c o l ( c n p ) isd i s c u s s e d s c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rp r o j e c t sb a s e do n c n pi s p r o p o s e d b e s i d e s ，t h isp a p e rr e s e a r c h e se o m p r e h e n s i v e l ys e v e r a l e v a l u a t i o nm e t h o d so fb i d d i n gd o c u m e n t s ，a n dd e t a i l e d l ya n a l y z e sa p p l i c a t i o n o f c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o da n df u z z yh i e r a r c h yc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n tp r o c e s si ne v a l u a t i o r lo fb i d d i n gd o c u m e n t s t h e n p ul sf o r w a r d e x a m p le sc o m b i n e d w i t hp r o d u c t i o np r a t t i c e p r o b l e mo ft a s ka p p o i n t m e n ti nt h ep r o j e c tiet r a n s l a t e di n t op r o b l e mo f m u s t e ro y e z m ya c c o r d i n gt oc o n c e p to fm u s t e ro v e r l a y 。as t r i c th e u r i s t j c o p t i m i z e da l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt oa p p o i n ts u b t a s k si nt h ep r o j e c t b a s e d o nt h et h e o r e t i er e s e a r c h ，s o m er e l a t e ds o f t w a r ei sd e v e l o p e d a d o p t i n gj s p a n ds q ls e r v e rd a t a b a s e ，a n das o f t w a r ep r o t o t y p eo fp p sp a r ti sc o n s t i t u t e d i nm o u l d sm a n u f a c t u r i n g e x e c u t j o nm a n a g e m e n ts y s t e m t e s tr e s u l t sp r o v et h a t m e t h o d sa n d a l g o r i t h m s a r ef e a s i b l ea n dt h a t s y s t e mh a sf a v o r a b l e p r a c t i c a b i l i t ya n dp r o m o t i o nv a l u ef o rc o r p o r a t i o n sm a n u f a c t u r i n gm o u l d s k e yw o r d s ：m a s ，c o r p o r a t i o n sb l a n u f a c t u r i n gm o u l d s p r o d u c t i o np l a n e i n ga n d s c h e d u l i n g ，c o n t r a cln e tp r o t o c o l ，e v a l u a t i o no fb i d ，t a s ka p p o i n t m e n t t h i sd i s s e r t a t , i o ni ss u p p o r t e db ys h a a n x ip r o v i a c en a t u r es c ie f l c ef u n dp r o g r a m “r e s e a r c ho nc o n t r o lt e c h n o o g yo fa g i lel l a n u f a c t u i 【n gs y s t e m ( 2 0 0 4 e 2 0 2 ) ” i i 第一章绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 制造业面临的挑战 近4 0 年来，科技飞速发展、市场竞争加剧、社会需求日趋多样化，这 加速了产品的更新换代，激化了传统多品种的固有矛盾，使得如何改变传 统多品种、小批量生产的落后面貌，成为各国制造技术进步的重要课题。 制造业是工业的基础，也是直接创造社会财富的基础，是人类生存不可缺 少的行业。随着经济的不断发展，传统的制造业已远远不能满足时代发展 的需要。制造业正面临着以下挑战“1 ： ( 1 ) 制造业世界格局的变化。自6 0 年代起，日本重视科技进步，不断 研究先进的制造技术，大力推广应用高新科技成果，加上严密的社会组织 和大量的高素质人才，使经济迅速崛起；此外，7 0 年代以来依靠制造业发 展起来的亚洲新兴工业国家和地区，使得世界制造业变成多极化的局面。 ( 2 ) 制造业产品结构、生产模式和生产过程的变化。制造业的产品结 构正朝着先进、实用、高效、节能、体积小、质量好、功能先进、无冗余、 环保型绿色产品方向发展。生产模式正朝着多品种、小批量、单件化、柔 性化、生产周期短等方向发展。生产过程正朝着高速、精密、自动化、少 切削、节能、环保、非传统加工，甚至零缺陷等方向发展。 ( 3 ) 市场竞争越来越激烈。随着科学技术的进步、社会生活水平的提 高，人们对产品的要求越来越高，产品质量的概念不仅是为了满足设计 要求而提出的，一定程度上也是用户对产品满意程度的体现。 1 1 2 制造业的新模式 激烈的市场竞争对制造业提出了新的挑战，专家预测在未来的几十 年里，制造业的竞争焦点是制造系统柔性和对全球市场的快速反应程度。 西安理工大学硕士学位论文 为了适应制造业的发展，人们不断提出建立符合时代特征的制造系 统新概念、新模式、新技术和思想，极大地推动了制造业的发展。这些 新思想新技术包括：柔性制造系统( f m s ：f i e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 、智能制造系统( i m s ：i 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 ) 、 全能制造系统( h m s ：h o l o n i cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、多a g e n t 系统( m a s ： m u l t i a g e n ts y s t e m ) 、敏捷制造( a m ：a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、精良生 产( l p ：l e a np r o d u c t i o n ) 、并行工程( c e ：c o n c u r r e n tg n g i n e e r i n g ) 、 虚拟制造( v m ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、快速原型制造( r p m ：r a p i d p r o t o t y p em a n u f a c t u r i n g ) 等等。它们在不同时期、不同程度上推动了 制造业的发展。r a t a r i 等提出按照订单制造( m t o ：m a d e t o o r d e r ) 的概 念以满足用户需求为最高宗旨来获得更多的订单“1 ；1 w a t a 在他提出的随 机制造系统( r m s ：r a n d o mm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 中强调按照订单生产 ( p t o ：p r o d u c t t o o r d e r ) ，使得制造系统需要对随机到达的订单或订单 的变更做出及时反应 2 1m i t c h e l l 等提出企业要像“裁缝”那样定制满 足顾客个性化要求的产品 co 这些思想和方法给制造企业适应快速多变 的市场变化提出了较好的解决方案。因此一个企业要想应对市场的苛刻 要求，必须在管理、生产、销售等诸个环节中做出相应的调整，增加各 个环节的柔性，提高快速反应能力，以适应风云变幻的市场需求。 1 1 3 模具企业生产方式的变革 在现代化工业生产中，6 0 9 0 的工业产品需要使用模具加工，模具 工业已成为工业发展的基础，许多新产品的开发和生产在很大程度上都依 赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等尤为突出。因此，模具 工业已成为国民经济的重要基础工业。 随着需求的个性化及制造的全球化、信息化，模具企业生产方式面l 临 着重大的变革。其特点表现为以下五个转变”3 ： ( 1 ) 从以技术为中心向以人为中心转变。 以往的观点是自动化程度的高低体现生产技术水平的高低以谋求自 第一章绪论 动化生产为目的，而现在的观点则是以人的才智创造力为中心发挥机器的 潜力来达到最佳的生产效果。日本提出“活性化人的技能与自动化设施相 结合才是最好的结合，不必追求全盘自动化。” ( 2 ) 从金字塔式的多层次生产管理结构向扁平的网络结构转变。 金字塔式的生产管理结构由于将大量的时间和精力消耗在管理问的相 互协调、推诿中，这种传统管理模式已与当今模具行业快速发展的市场不 相适应，激烈的市场竞争要求模具行业采用简洁的、多方位的、设计者与 制造者直接交流的扁平的网络结构管理模式。 ( 3 ) 从按功能划分部门_ 的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工 作组织形式转变。 产品设计产品工艺模具设计计划部门模具制造分厂 分厂计划工段机加工模具装配试模修模完 工。这是传统的从功能划分部门的固定组织形式。这种组织形式由于牵涉 部门太多、中间环节过于复杂，不利于模具的市场快速反应。为适应不断 变化的市场，国内外已开始采用自主管理的小组工作组织形式，即以设计 者、关键环节的操作者等组成的临时工作小组负责整套模具的设计、制造 的全过程。模具完工，该小组的使命亦随之完成，这样的管理方式简洁、 明快、加快了模具生产的速度。 ( 4 ) 从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。 在市场竞争e t 益激烈的今天，产品的生产周期己越来越短。这就要求 我们在设计产品阶段就必须同时进行模具的方案设计和制造过程的考虑， 几项工作同时进行，以便缩短产品投放市场的时间。 ( 5 ) 从质量第一的竞争策略向快速响应市场的竞争策略转变。 现在和将来，产品的更新换代周期会越来越短，为适应市场竞争的要 求，模具的制造周期必须较以前有较大的压缩，这就使以前在保证质量的 前提条件下缩短模具制造周期的竞争策略，变为必须保证交货周期的前提 条件下同时保证质量，即市场响应快速第一。 西安理工大学硕士学位论文 在模具行业，管理的落后比技术和设备的落后矛盾更为突出。传统的 金字塔管理制约了相当部分模具企业的发展，而组成扁平的网状管理结构 势在必行。目前我国很多模具企业都已经采用了以简洁的、多方位的、设 计者与制造者直接交流的扁平的网络管理和动态的、自主管理的小组工作 组织形式。本文主要以这种变革后的模具企业为背景研究生产计划与调度 的问题。 1 2 生产调度的表述、研究现状及存在问题 1 2 1 生产调度的表述 2 1 世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，想要赢得市场、赢得 用户就必须缩短交货期( t i m e ，t ) 、提高质量( q u a l i t y ，q ) 、降低成本 ( c o s t ，c ) 、完善服务( s e r v i c e ，s ) 、注重环保( e n v i r o n m e n t ，e ) 。为了提 高生产率、获得最大限度的利润，合理调度，使得整个企业的生产处于高 效、协调、有序状态，具有特别重要的意义。 生产调度是对企业日常活动进行检查、控制、调节和指挥的工作。即 在生产作业计划执行过程中对已出现的和可能出现的偏差及时了解、掌握、 预防和处理，保证整个生产活动协调地进行。它是组织实际生产作业计划 的一种重要手段，也是生产作业计划的补充和延续。通过生产调度，解决 日常生产中的不平衡和矛盾，要做到准确、及时、有效，要有预见性，要 把问题解决在萌芽状态，使生产保持均衡。生产调度工作的内容般包括。1 ： ( 1 ) 检查设备的准备情况，了解和掌握设备的负荷和运转情况，调整 设备的加工对象和任务，督促设备的维护和修理。 ( 2 ) 调配劳动力，调整劳动组织，使各生产环节、各工序之间按作业 计划协调生产。 ( 3 ) 检查原材料、燃料、动力的准备工作和供应情况，检查厂内运输 情况，与有关部门相配合，保证原材料供应、在制品和半成品转移以及产 4 第一章绪论 品入库的正常进行。 为满足市场需求和应对激烈的竞争，在过去的几十年里，基于实际的 及理论的考虑，不断激励着人们寻找新的生产调度算法，以提高设备的生 产率及操作管理的相对水平，生产出具有竞争性的产品。生产调度优化工 作，因其在提高生产效率、降低生产成本等方面起着重要作用，正越来越 受到学者们的广泛关注。 总的来说，调度就是对一个可用的资源集在时间上进行加工任务集的 分配，以满足一个性能指标集。从数学规划的角度看，调度问题可表达为 在等式或不等式约束下，对目标函数的优化。 1 2 2 调度问题的研究现状 为了适应制造业的发展，出现了很多新的生产模式和生产组织方式。 生产组织和生产模式的变化，对生产调度系统提出了新的要求。显然传 统的调度方式不再适合迅速改变和变化的需要，而不同种类、不同智能 自治体之间的相互合作的分布协同式制造系统成为2 l 世纪最具有生命力 的生产模式。当制造系统变得越来越复杂时，有关协同控制的研究引起 了大量的关注，其重要性更加突出。 8 0 年代以来，随着分布式人工智能d a i ( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 研究的不断深入，将合同网的概念应用于解决随机制造系 统的控制问题，并在柔性制造系统的方案中被提出。m i t c h e l l 提出了一 种协调控制系统一1 ；最近几年有关智能系统的协调联盟方面的研究大量 增加，如a g e n t ，h o l o n 得到各国学者的认可和重视“1 。y a n 提出了一种 协同设计的a g e n t 支持方法，并建立了相应的框架。从国内外的发展看， 对生产调度问题的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 排序理论和调度优先规则的研究。自1 9 4 5 年出现第一个排序问 题的数学模型以来，之后四十多年里，取得了可喜的研究成果，调度和 排序优先规则达到了几百条之多。随着f m s 和c i m s 技术的发展，单件小 批车间的调度问题越来越显示出其重要性，成为最具吸引力的研究领域 西安理工大学硕士学位论文 之一。特别是计算机技术、仿真技术的不断完善，使一些复杂排序算法 的实现和最优化规则组合的求解成为可能。 ( 2 ) 调度技术和调度算法的研究。对于生产调度优化问题的研究已经 展开许多年，且己取得了许多成果，文献 7 对现有的优化生产调度方法取 得的成果进行了归纳，大致可分为以下3 类： 1 ) 确定性最优化调度方法。主要包括线性规划、整数规划、动态规划、 分支定界法。这类方法首先需要建立一个数学模型，理论上比较完美，利 用它能求得最优解，但其计算复杂度非常高，使用现有的计算工具很难在 确定的时间内得到解，因此只对一些规模较小的问题才有效。 2 ) 基于智能的优化调度方法。主要包括基于启发式规则的优化调度方 法、基于知识工程的优化调度方法、基于神经网络的优化调度方法。这类 方法主要是通过人工智能的方法来求得满足系统要求的一个优化解。对于 这类算法是有其局限性的。例如，基于启发式规则的优化调度，虽然比较 简单易用，算法执行速度较快，但该算法只能求得普遍意义下的次优解， 即满意解。它并不是对所有的情况都能求得优化解，只是在大多数的情况 下能求得优化解。而基于知识工程的优化调度则要求能获取足够丰富的知 识，才能得到较为理想的结果，而如何预先获取足够丰富的知识来处理不 断变化的环境本身就是人工智能的一大难题。 3 ) 基于仿生学的优化调度方法。主要包括基于模拟退火算法的优化调 度方法和基于遗传算法的优化调度方法。这类算法是新兴的智能优化算法， 它们通过模拟自然界、生物的某种过程寻优，通常能取得较好的全局优化 结果，但本身也存在一些不可克服的缺点。例如，基于模拟退火算法的优 化调度，当退火的次数不够时，所得的结果甚至连一般不使用优化的结果 都不如，并且收敛速度很慢。 ( 3 ) 调度结构和方法的研究。由于调度问题的复杂性和现实世界的 多样性，任何一个调度系统都很难解决所有加工车间的调度问题，因此 广大研究工作者不断探索各种调度方法和结构以解决实际的生产调度问 第一章绪论 题，如基于规则的方法、专家系统方法1 、多次扫描的动态方法等”“1 ，而 且不断提出新的调度控制结构，如多级多层控制结构1 ，多黑板结构1 ”】， 分布式调度结构等，这些方法和结构的出现为解决不同调度问题提供了 有力的工具。 1 2 3 存在的问题 调度领域中的大部分问题都具有n p 困难特性“”“。虽然对它的研究 已有几十年的历史，但至今尚未形成一套系统的方法和理论，理论研究与 实际应用之间还存在着很大差距。实际应用中的调度方法能够响应系统的 动态变化，但不能保证得到好的调度；一些理论上的最优化方法能提供最 优调度，但由于其的计算复杂性，并且忽略了很多实际因素，离实际运用 还有较大差距。 经典调度理论求解的核心问题是对调度算法的研究，即按照目标函 数的要求计算出最优或者是近似最优的任务安排方案。研究人员经过多 年的努力，提出了上百种调度算法，这些算法已经得到了广泛的研究， 并取得了大量可贵的研究成果。应该说，在这一个方面的经典调度理论 已经比较成熟，但其调度方法在生产实际中的应用一直是很不理想的。 这些算法直接应用到生产环境中还存在很多的局限性，主要表现在下面 的几个方面： ( 1 ) 模型过于简化 经典调度理论在数学上虽然比较完美，但在研究问题时进行了大量 简化，脱离了生产实际，因此往往难以适应复杂的生产环境。根据这些 算法精心定制的生产计划随着时间的推移，与生产实际进度的偏差将会 是越来越大。 ( 2 ) 方法过于单一 生产系统是一个复杂的系统，其内部资源的合理配置涉及到了很多 因素。对这样的系统必须在不同的层次上，使用不同的方法和模型进行 研究才能解决问题。 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 适用范围过于狭窄 经典调度理论的每一个算法，基本上只能适应有限的生产环境，缺 乏通用的算法，也缺乏面对不同的环境解决调度问题的机制。因此，将 经典调度理论的丰富研究成果更加有效地利用到生产实际中是多年以来 研究人员和企业界普遍关注的问题。本文所用的m a s 技术就是解决这一 问题的比较好的方案之一。 1 3 开发工具 j a v a 是一种广泛使用的网络编程语言，是一种新的计算概念。它是一 种简单易用、完全面向对象、具有平台无关性、安全可靠的面向i n t e r n e t 的计算机语言。自从1 9 9 5 年正式问世以来，j a v a 的快速发展已经让整个 w e b 世界发生了翻天覆地的变化。随着j a v as e r v l e t 的推出，j a v a 在电子 商务方面开始崭露头角，最新的j a v as e r v e rp a g e s ( j s p ) 技术的推出，更 是让j a v a 成为基于w e b 的应用程序的首选开发工具。 “一次编译，到处运行”是j a v a 语言的魅力所在。作为一种新的崭新 的程序设计语言，它具有很多的优点“：首先，它简单、面向对象、不依 赖于机器的结构、具有可移植性、鲁棒性、安全性，并且提供了并发的机 制，具有很高的性能：其次，它最大限度地利用了网络，j a v a 的小应用程 序( a p p l e t ) 可在网络上传输而不受c p u 和环境的限制；另外，j a v a 还 提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统。 j a v ab e a n s 提供了基于j a v a 的组件模型，另外还包含了许多有用的 j a v a 企业计算的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) ，如j a v a 远程方 法调用r m i ( r e m o t em e t h o di n v o c a t i o n ) 、j a v a 数据库的接口、j a v a 名字 与目录服务的接口等”。 j s p 技术为创建显示动态生成内容的w e b 页面提供了一个简捷而快速 的方法。j s p 技术的设计目的是使得构造基于w e b 的应用程序更加容易和快 第一章绪论 捷，而这些应用程序能够与各种w e b 服务器，应用服务器，浏览器和开发 工具共同工作”。 本课题的大部分程序是用j s p 语言在r e s i n 2 0 环境中编制完成的。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要通过对模具企业生产方式的新特点的分析，以模具制造企 业为背景，研究模具制造执行管理系统中的生产计划与调度部分。建立 基于m a s ( m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 的模具企业生产计划与调度系统的功能 模型和招投标运行部分功能模型。利用c n p ( c o n t r a c tn e tp r o t o c a l ) 进行协调调度，首先进行项目调度，并对标书评估方法进行深入研究， 然后进行项目组内任务分配，以此建立基于m a s 的生产计划与调度方法。 本文将作以下几个方面的研究： ( 1 ) 对a g e n t 技术和信息系统建模方法进行分析，建立基于m a s 的模 具企业生产计划与调度系统的整体功能模型，并在此基础上用i d e f 0 的分 析方法建立详细功能模型，并对招投标运行部分进行详细建模分析。 ( 2 ) 讨论合同网协商机制的运作过程，完成任务协商分配( 项目调 度) 算法及流程，综合研究当前的各种评标算法，详细分析综合评分法 和模糊层次综合评价法在评标中的应用，并结合实际情况给出算例。 ( 3 ) 研究任务分解方法，将项目细分，形成计划甘特图。引入集合覆 盖的概念，将任务分配问题转化为集合覆盖的问题，给出项目组内任务分 配算法及流程，并跟踪任务执行进度，完成任务跟踪甘特图。 f 4 1 结合其他研究人员和本室其他老师和同学的研究成果，以b s 模式作为系统的软件体系结构，实现基于m a s 的模具制造执行管理系 统，本文作者主要完成生产计划与调度部分。 第= 章系统建模与分祈 2 系统建模与分析 2 1 a g e n t 与多a g e n t 系统 多a g e n t 系统的基本组成单元单个a g e n t ，足一个物理的或抽象的 实体，能作用于自身和环境，并与其它a g e n t 通讯。它可以指一个机器人， 一个专家系统，一个过程，一个模块或一个求解单元等。它一般具有自治 性、社会性、反应性、主动性。有的还具有移动性、长寿性、学习性、诚 实性等。 2 1 1a g e n t 的物理结构 一个a g e n t 实体必须具有与外界交互、问题处理和适应性学习等能 力，本文将a g e n t 结构定义成如图2 - 1 所示的结构“，说明如下： 圈2 1 , g e n t 日q 典型结栩 ( 1 ) 局部数据：指封装在a g e n t 内部的、只能通过a g e n t 的推理机 进行存取的数据，它是私有数据，用户只能通过申请相应的服务使用这 部分数据。 ( 2 ) 知识库：存储a g e n t 判断决策的依据，是由事实( f a c t ) 与信 念( b e l i e f ) 组成的，知识库中的每一条记录被认为是一条事实。 ( 3 ) 通讯接口：内含信息门和信息解释器，负责与外界的交互工作。 ( 4 ) 推理机：a g e n t 处理能力的提供者。a g e n t 处理过程以进程的方 式在处理机上执行，可以同时进行多任务处理。 袁一 一 一=一；| 萄覆一 謦 西安x - z - 大学硕士学位论文 2 1 2m a s 总体结构 多a g e n t 系统( m a s ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 是一个松散耦合的a g e n t 网 络，这些a g e n t 通过交互以解决超出单个a g e n t 的能力或者知识的问题。 其中的a g e n t 是自主的，它们可以是完全不同的个体，采用不同的设计方 法和计算机语言开发而成的，因而可以是完全异质的。a g e n t 之间能相互对 话、相互适应、协同工作，有效的完成它们共同的任务。在不同的实际应 用背景和环境下，多a g e n t 系统的结构和耦合程度也不相同。m a s 在结构上 可分为三个层次：通讯层、协调层、控制层，如图2 2 所示： 图2 2m a s 结构圜 通讯层负责a g e n t 间的通讯及个体a g e n t 中协调模块间的信息传递。 多a g e n t 系统中，常用的通讯方式有两类：一类是黑板方式，a g e n t 把信息 存放在其它所有的a g e n t 都可以存取的黑板上，实现广播通讯。另一类是 二者之间的信息传递方式，该方式又可分为同步信息传递和异步信息传递。 同步信息传递是进行通讯的两个a g e n t 之间直接进行通讯；异步信息传递 是将信息存放在二者事先约定的地方，信息存取可以在不同的时刻进行。 选择通信方式要根据系统中的实时性要求、数据量大小、智能体系统的规 模等而定。为能够表达通信内容，需要选定通信语言，即a g e n t 通信协议。 协议应和单个a g e n t 领域无关，并且要求简洁、无歧义等。低层通信可以 采用t c p 口网络通信协议，而高层通信协议可采用s t a n d f o r d 大学开发的 k q m u k n o w l e d g eq u e r ya n dm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ) a 协调层负责个体a g e n t 之间以何种方式进行协调合作以获得复杂问题 第二章系统建模与分祈 的求解，它是系统结构中最重要的一层。下文有具体的协调方式描述。 控制层是协调层和领域任务间的接口，用于指导控制任务的执行。 2 1 3a g e n t 协调方式 在复杂动态的多a g e n t 环境下，各a g e n t 的资源和能力是有限的，复 杂的任务要构造多a g e n t 系统并通过协调来完成。具有不同目标的多a g e n t 必须对其目标、资源使用进行协调，从而提高系统的性能，消除a g e n t 之 间的冲突。采用合适的协调技术，使单一a g e n t 局部一致，多个a g e n t 全 局一致，从而出色的完成复杂任务。协调是多a g e n t 系统( 姒s ) 研究的一 个重点。目前已有的协调方式有“：基于协商机制的协作方法“”( 即合同 网协议) 、f a c ( f u n c t i o n a l l ya c c u r a t e c o o p e r a t i v e ) 法、联盟形成的协 作方法、联合责任法、非合作领域自治智能体协作方法、基于时间限制的 协调机制、分层迭代冲突求解方法、集中与分布相结合的协调方法等等。 在实际环境中可根据智能体间的协作程度和冲突状况，智能体的数目、规 则和协议、任务的分解程度来决定采用合适的协作方法。 然而，完整的理论体系还没有形成，多数范例侧重于机理性研究或仅 停留在实验室水平上，把它推向应用是今后的研究方向。在多种协调合作 方法中，合同网协商机制已经较成熟，而模具企业的生产计划与调度系统 和其适用范围相吻合，因此，本课题在合同网的基础上进行模具企业生产 计划与调度系统的研究与开发。 2 2 信息系统建模方法的研究 信息系统开发方法是在实践中逐步形成、完善和发展的。早期的系 统开发大多依赖于开发者个人的技术和经验，现在已形成了各种体系。下 面将简要介绍这些方法以及它们各自的特点。 2 2 1 原型法 原型法”1 也称快速原型法，它是随着计算机软件技术的发展，在各种各 西安理工大学硕士学位论文 样m i s 系统生成工具的基础上、针对s a s d 方法的不足而提出来的。原型 法的特点是：允许用户在系统开发过程中完善其对系统的需求，更多的遵循 了人们认识事物的规律，系统开发时间短、成本低，有效地发挥用户和开发 人员密切配合的作用。 2 2 2 面向对象的方法 面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ，0 0 ) 的概念起源于s i m u l a 语言。自提 出之后，作为一种对于现实世界概念的抽象思维方式，0 0 受到学术界和工 业界的广泛重视。它是软件开发者按应用领域的观点来思考问题，因此它 是一种分析设计阶段独立于程序设计语言的概念化过程。0 0 方法。1 主要是 一种思维方式，而不是程序设计，这种方法的最大优点是帮助分析者、设 计者及用户清楚地表达抽象概念，互相进行交流和通信。o o 方法包括：面 向对象的需求分析( o o a ) 、面向对象的设计( o o d ) 和面向对象的程序设计 ( o o p ) 三个阶段。其具有唯一性、抽象性、继承性、封装性、四个基本特 性。 其优点是：和人类的思维方式一致，稳定性好，可重用性好，可维护 性好。同时，o o 方法也存在着一些缺点，即：建模采用自底向上的方法， 从标识对象开始，而系统中对象的划分方式是不确定的，没有一个定量的 尺度，同时缺少形式化的方法清晰地描述建模过程，造成实际应用时的可 操作性差。 2 2 3i d e f 系列方法 i d e f “5 1 是i c a md e f i n i t i o nm e t h o d 的缩写。i d e f 是一套对复杂的 系统进行建模分析和设计的系统方法。其基本概念是在7 0 年代提出的结 构化的分析方法的基础上发展起来的。结构化的分析方法在许多应用问 题中起了很好的作用。在降低项目的开发费用、减少系统的错误、促进 交流的一致性和加强管理等方面都产生了效益。此方法主要有三个部分 组成： ( 1 ) i d e f o 描述系统的功能活动及其联系，在i c a m 中建立加工制造 第二章系统建模与分析 的体系结构模型，其基本的内容是s a d t ( s y s t e ma n a l y s i sa n dd e s i g n t e c h n o l o g y ) 的活动模型方法，这是由s o f t e c h 公司发展起来的。 ( 2 ) i d e f l 描述系统信息及其联系，建立信息模型作为数据库设计的 依据。这是由h u g h e s 飞机公司为主发展起来的。 ( 3 ) i d e f 2 用于系统的模拟，建立动态的模型。这是由h o s 公司发展 起来的。 其优点是：a ) 分析和设计是逐步展开的，可以有效地分析复杂的功 能或过程。b ) 分层的设计方法，直接得出了结构化程序的结构。经过层 层分解可得到独立的功能模块，便于结构化编程。 其缺点是：重用性差，当系统的功能发生改变时，i d e f o 模型的修改 甚至重建的工作量较大。 虽然，i d e f 方法还有一些缺点，但是，i d e f 方法在进行初步设计或总 体设计阶段仍然是一种有效的方法。下面对建立模具企业生产计划与调度 系统功能模型的i d e f o 方法进行简单描述。 i d e f o 的基本思想是结构化分析方法，是通过系统中的功能活动及其相 互关系来建立系统的功能模型。该模型由一系列图形组成，图形由简单的 盒子( b o x ) 和箭头表示。把描述功能的图形称为活动图形( a c t i v i t y d i a g r a m s ) 。在活动图形中，盒子代表活动，用主动的动词短语来命名。而 箭头表示由系统处理的事件，箭头只表示活动的数据约束，而不代表活动 的顺序。 活动图形中的箭头有输入、输出、控制和机制之分。在盒子左边及上 方进入盒子的箭头表示此活动所需要的数据，盒子右边离开盒子的箭头表 示执行活动时产生的数据。输入和输出的关系就是活动将输入数据转变为 输出数据的一种变换，控制说明了控制变换的条件或环境或者说约束条件。 在输入和控制无法明确区分时，可以看作是控制。每个盒子至少需要一个 控制箭头。盒子底部的箭头代表机制，它表示执行活动所必须的支持，可 以是人、设备或软件支持等。 西安理工大学硕士学位论文 2 3 系统的功能模型 2 3 1 系统整体功能模型 模具企业生产计划与调度系统以订单合同信息和项目组及成员( 资 源) 的基本信息作为输入，辅以模具制造系统软硬件以及人员和技术等 支持，在生产规范和资源等的约束下进行工作，最后以甘特图及有关数 据资料的形式输出。用i d e f o 方法分析并建立了系统整体功能模型“”如 图2 - 3 所示。 技o j约c 1 2 术i柬j 蹇i曩l范识 订单合同i i 资源信息1 2 运行模具企业 生产计划与调度系统 甘特图o i 数据资料集0 2 软t各t 各i 篓l雯i冀i 件m j 别m 2划 图2 - 3 系统整体功能模型 根据系统的整体功能模型，对整个系统进行更详细的功能活动分解， 可以得到系统的详细功能模型。图2 4 是用i d e f o 表示的基于m a s 的模 具企业生产计划与调度系统详细功能模型图，主要模块描述如下： ( 1 ) 任务分解：( 由t a s ka g e n t 完成主要功能) 主要负责订单台同 管理，合同到模具的分解，项目组内任务分解并形成计划甘特图等。 ( 2 ) 资源管理：( 由s o u r c ea g e n t 完成主要功能) 主要是进行项目 组管理、项目组信息和项目组人员管理以及其它资源的管理。 ( 3 ) 招投标：( 由c n pa g e n t 完成主要功能) 主要负责招投标过程、 招投标信息的管理，并进行标书评估。 ( 4 ) 组内任务分配：( 由p t a s ka g e n t 完成主要功能) 主要将项目的 第二章系统建模与分析 图2 - 4 系统详细功能模型 各子任务分配给各成员执行。 ( 5 ) 任务执行跟踪：( 由e t r a c ka g e n t 完成主要功能) 主要管理任 务的