智能制造系统 IMS.doc

1 智能制造的概念 智能制造技术是指利用计算机模拟制造专家的分析、判断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统(如经营决策、采购、产品设计、生产计划、制造、装配、质量保证和市场销售等)，以实现整个制造企业经营运作的高度柔性化和集成化，从而取代或延伸制造环境中专家的部分脑力劳动，并对制造业专家的智能信息进行收集、存储、完善、共享、继承和发展的一种极大地提高生产效率的先进制造技术。 智能制造系统是指基于IMT，利用计算机综合应用人工智能技术(如人工神经网络、遗传算法等)、智能制造机器、代理(agent)技术、材料技术、现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、并行工程、生命科学和系统工程理论与方法，在国际标准化和互换性的基础上，使整个企业制造系统中的各个子系统分别智能化，并使制造系统形成由网络集成的、高度自动化的一种制造系统。IMS是智能技术集成应用的环境，也是智能制造模式展现的载体。IMS理念建立在自组织、分布自治和社会生态学机制上，目的是通过设备柔性和计算机人工智能控制，自动地完成设计、加工、控制管理过程，旨在解决适应高度变化的环境制造的有效性。2 智能制造的特征20世纪60年代的数控机床(CNC)实现了机械加工过程的可编程 自动化 ：2O世纪70年代的柔性制造系统(FMS)将车间级的机床设备 、工艺装备 、工业机器人及搬运小车等通过计算机在线控制实现了以物流为基础的系统 自动化进一步满足制造系统的柔性化要求;20世纪80年代的计算机集成制造 (CIM)通过信息技术将工厂中CAD、CAPP、CAM及经营管理等集成起来 ，按照人们预测的方式实现加工过程的 自动化。而智能制造可以在确定性不明确、不能预测的条件下完成拟人的制造工作。主要表现在下列的特征 ：自组织能力、自律能力、自学习能力 、系统的智能集成、人机一体化智能系统等等。可以看出IMS作为一种模式，它是集自动化、柔性化、集成化和智能化于一身，并不断向纵深发展的先进制造系统。3 智能制造的体系结构智能制造系统结构的主要类型有 ：以提高制造系统智能为 目标 ，智能机器人、智能体等为手段的智能制造系统；通过互联网把企业的建模 、加工 、测量 、机器人的操作一体化的智能制造系统；采用生物问题的求解方法的生物智能制造系统等。目前 ，较多采用的是基于Agent的分布式网络化IMS的模型，见图l。一方面通过Agent赋予各制造单元以 自主权使其成为功能完善自治独立的实体；另一方面，通过Agent之间的协同与合作赋予系统自组织能力。4 智能制造系统的建模 传统的机电控制系统的建模方式是根据系统的物 理原理推出模型结构，根据实验 、经验选出参数及修正 值。这种方法对于复杂的非线性系统的建模不是很有 效。智能制造系统是一个非常复杂的大系统 ，它是多因 素、高阶、非线性的系统，传统的建模方法很困难。它表 现在离散性、在线检测困难 、过程模型的不确定性 、过程的快速性、以及系统处理多级信息反馈的不稳定性。智能建模方法可用模糊数学、神经网络等方法来实现。根据不同的需求从不同的侧面对智能制造系统进行抽象和描述 ，形成了各具特色的建模方法 。基于IDEF 的功能 模 型 ，该模 型在 结构 化分 析基 础上 用 图形符号描述的功能模型，它可以表达某种功能活动的下列内容 ：定义，输出，输入 ，约束与控制 ，支持机制 功 能间关系等等见图2。 面向对象建模法 (OOM)为智能制造系统的建模提供了新的思路和方法。它是一种运 用对象、类、继承、封装、继 承、聚合、消息传递、多态性等概念来构造系操作工机床刀具统的软件开发方法。OOM中的基本建模元素“对象”是对问题域中事物完整映射，OOM 中的结构与连接反映了问题域中事物之间的关系。 基于Petri网的动态模型，Petri网是由德国学Carl APetri于1962年提出的一种用于描述事件和条件关系的网络。它用一种简单图 形表示组合模型 具有直观、易懂、易用等特点。图3 为简单Petri网 。 在普通Petri网的基础上已扩展成 许 多Petri网 。其 中包括：有 色 Petri网 (Colored Petri Net)、随机Petri网(Stochastic Petri Net)、模 块化递 阶 Petri网(Mdolarhierarchacal Petri Net)等。5智能制造系统与计算机集成制造系统的区别从智能制造系统和智能制造单元最根本的技术特征来看，其智能体现在系统整体的“自组织能力”和工作单元的“自主性”两个层次上，系统或单元的柔性也体现在系统单元组织的柔性和加工单元的柔性上它与计算机集成制造(CIM)有着明显的区别:CIM的策略是把单个自动化子系统组成一个生产线，以提高生产效益参考.CIM的控制基础是计算机集中控制的信息网，在这种机构中，虽然有多层管理和决策，但最主要还有由中央计算机控制z7智能制造的思路是基于组件的系统，且具有在分布式异构环境中的操作能力，以最快的速度响应市场需求，获得最大的利益，其技术基础是分布式人工智能中的多Agent系统。CIM最主要的问题是尽量在制造过程中排除人的因素，在对异构环境连接时，应用的情况十分复杂，对于既具有高度自动化机器，又具有半自动化设备的加工车间来说，把它们集成为CIM模式 既复杂又需要大量的资金投人，因此，对于我国的制造业企业来说，尤为困难.基于Agent技术的智能制造系统为解决这一难题提供了一条思路.由表1可知，面对现代的市场，基于agent的智能制造系统比Cim有更多的优势，但基于agent的智能制造系统并不完全排除 Cim.它不仅是从CIM和许多原有的制造系统的基础上总结出来的，而且Cim系统仍然是智能制造系统有力的补充.6关于Agent技术6.1 Agent的概念 Agent的概念来源于分布式人Z智能(Distributed artificial intelligence,简称DAI).虽然Agent的概念应用十分频繁，但至今没有一个统一的定义.Agent研究的先驱之一，美国的Maes认为“自治或自主Agent是指那些驻留于复杂动态环境中，自治地感知环境信息，自主采取行动，并实现一系列预先设定的目标或任务的计算系统X16 般认为，Agent是一种具有知识，思维和目标，能够作用和受作用于外界环境，并能够彼此协调的物理和逻辑实体.在计算机系统中，Agent通常表现为软件系统.在制造系统中，Agent有两种表现形式:一种为逻辑Agent，是逻辑实体或者具有完整功能的单元或者系统的逻辑抽象，类似通常说的“代理”，常用于信息的集成;另一种为物理Agent,即具有完整功能的物理单元或者系统，类似通常说的“自主体”，常用于表示一个操作单元或物料流的集成在制造系统的许多研究领域中，物理Agent与逻辑Agent共同存在，相互协作.物理Agent与逻辑Agent的结合是制造系统物料流与信息流集成的有效方法 图1所示为一种基于Agent的制造系统.椭圆形表示逻辑Agent，圆形表示物理Agent.6.2 Agent的结构和特点 Agent的基本结构如图2所示:一个Agent通常具有通讯模块，推理机，知识库/数据库，功能模块等几部分. 1)通讯模块 完成消息的传递和接受任务，能够提供支持各种不同的通讯协议(TcP/IPMOPIPx等)，屏蔽各种操作平台(uNixos/ZwINDOWSNT等)和网络结构(以太网ATM令牌环网等)，它是多Agent相互通讯的接口，同时具有消息的编码、译码和信息的过滤功能.2)推理机.是Agent的核心部分，根据通讯模块接受来的消息和事实，利用数据库中的数据和知识库中的数据进行推导，得出处理结果，保证Age刀t正常、稳定的工作.3)知识库/数据库.储存各种推理规则及系统中的各类数据，如Ag即t本身的工作能力，工作条件等，是推理机有效工作的基础.4)功能模块 包括计划、控制、监测等模块，完成知识库的组织、规划;对接受来的任务进行细化、调整并制定相应的计划，以完成系统指定的任务;对制造单元的运行情况进行监视，对意外事件进行处理以及提供一些统计、分析等功能6.3多Agent系统(MdtieeAgent)多Agent系统是由多个Agent形成的松散祸合的网络系统.这些Agent在物理上或逻辑上是分散的，其行为是自治的，他们为了共同完成某个任务，或达到某些目标遵守某种协议连接起来，通过交互与合作解决超出单个A罗nt能力或知识的问题.近来，由于其组织行为的显现效应(eme卿nce)，多Agent系统已被认为是建造大型复杂分布式信息处理系统的重要技术和框架，并将为未来很长一段时间分布式移动计算技术提供强大的建模工具.目前，多Agent系统的应用空间正不断扩大，一般认为多Agent系统特别适用于那些能根据空间、时间或功能进行分解和划分的应用问题，在这些应用中采用多A罗nt系统将带来如下优点:由于处理的并行化，系统的运行速度将加快;由于对信息的处理是在信息源的附近进行的，所以对通讯带宽的要求较低;由于某一个Agent出错不会影响整个系统的运行，因此，系统具有较高的可靠性;由于感知、处理和动作紧密相伴，系统具有较高的反应速度7制造系统的多Agent模型7.1制造系统的特点 制造系统通常都由若干完成不同制造子任务的环节组成。一个零件的加工过程通常要经过多个设备或多个环节，其中每个设备或功能结点都需独立自主地作出局部决策，来完成局部的制造子任务，同时又要相互协调，以完成系统整体目标。所以可以说制造系统中的活动本身就具有分布式的特点 针对制浩系统中生产活动的这种既自治又合作的特点，我们可以把一个产品从设计到市场的整个制造销售过程描述成一种典型的多Agen问题求解过程，其中加工过程中的不同功能结点、不同的环节都可以理解为该过程中的Agent，系统中每一功能都可由单个Agent或组织良好的Agent群来实现。7.2作业车间的多Agent系统模型 传统的车间层控制系统基于三层结构，最上层为总控部分，监视整个车间的活动、负责任务调度和安排工件加工路径，中间层管理机床操作和负责下载工件程序，最下层控制实际工作站操作。这种集中或递阶的控制方式往往不能满足实际加工环境不确定性和复杂性的要求，同时也不能充分发挥其各个组成单元的能力，灵活性和适应性较差。目前现代化的作业车间中的各种资源设备基本上都使用了计算机控制，如数控机床等，并且可以通过网络互相传递信息，这就为我们在车间层引入多Agent系统的思想奠定了基础。 在作业车间一层。分解Agent的粒度可以不同.shows采用了一种大粒度的分解方法，即把组成作业车间或FMS的加工单元抽象成Agent，没有直接面对实际的加工设备，我们采用复合分解的方法即面向任务和面向资源的方法和小粒度的划分方法分解出车间管理、在制工件、AGV、刀具、机床、装卸站等Agent，这些Agent通过局域网或现场总线交换信息，使用一定的协作规范来共同完成加工工件的目标，其示意图如图5. 从图5可以看出，整个作业车间的控制方式变成了一种完全平行的结构，在制工件Agent通过与机床Agent的协商获得自身的加工，机床Agent通过与刀具、托盘及AGV等Agent的协商获得加工条件等等。 7.3 一个多Agent系统结构的智能制造系统(IMS)实例下面，我们通过一个简单的例子来说明Agent在制造系统中的工作原理.图3所示的是假设的一个车间的调度系统，此车间调度系统包含有信息流和物料流，假设车间里有2台数控机床，2个机器人。1辆ACv小车和1个调度软件系统.根据研究需要，把数控车床、机器人、小车定义为物理Agent，具有信息接口和行为接口;调度软件为逻辑Age川，仅具有信息接口，Agent之间首先通过信息通道签订合同，然后通过行为通道确认合同的履行.例如，一个零件需要在两台车床上加工.车床1一2通过信息通道签订合同，分别完成工序1和工序2.此后，车床1完成工序1时，机器人Agenil负责移走零件到AGV Ag即t，再由机器人AgentZ把零件装夹到车床2上.如果这一切均在预定的时间内进行，则车床Agen口通过行为接口自动感测到零件装夹完成，继续工序2，并发出合同完成信息.如果在预定的时图3 多Agent系统实例间内，车床A卿tZ没有检测到零件的到来，则认为发生故障，请求解除合同并重新协商.由上例可看出，在传统的制造系统研究中，信息集成与物料集成往往相互脱节.在基于Agent的制造系统中建立信息通道和行为通道，能够准确客观地描述制造系统，而且增加了Agent之间的协作方式，为真正实现信息流与物料流的全面集成提供了有效途径.8 智能制造系统研究趋势 多智能体系统(MASMultiAgent System)提供了一种新的计算和问题求解风范。Agent概念于本世纪7O年代起源于人工智能(AI)领域 。在 MAS中，Agent表示具有一定智能的实体(主动实体 Active Ob-iect)，以区别于一般的实体(被动实体 Passive Object)它可以是物理实体，如人、机器、资源等，也可以是逻辑实体，如订单、任务等。每个 Agent具有相对独立的行为(知识、愿望、信念、意图、方法、局部规划和决策能力)，可以进行局部推理决策和问题求解。具有不同的问题视角、不同知识源和问题求解能力的 Agent为了共同完成一个复杂问题的求解而通过网络连接起来，平等地相互通信、合作和协同，就构成多智能体系。在设计原理上，分散独立的实体首先被定义，然后研究怎样完成多个实体的合作任务求斛，凶 而，这种系统在逻辑上 、语义上 、时间上 空间上都具有开放性和分布性的特点，是一种 自底向上(Bottom Up)设计的系统。MAS已在许多应用领域受到重视和应用。现代制造系统是高度分散的制造系统它由许多标准化或半标准化 、自治、协作的智能加工机器、材料运输设备、AGV、机器人以及各种制造资源所组成，从直观上看，它是 MAS应用的最佳代表。在构成庞大而复杂的制造系统时采用分布式结构，赋予系统的组成实体或子系统以较大的自治能力，不仅可以简化系统各单元的耦合关系，有效提高系统的开放性、灵活性 、可重组性和可扩展性，而且可以有效提高整个系统的智能自组织能力和对环境的动态自适应能力。近年来提出的一些新的制造控制和组织结构，如分形工厂(Fractal Factory)、多智能体制造系统(MultiAgent Manufacturing System)、分散自律制造系统(HMSHolonic Manufacturing System)、生物型制造系统(BMSBionic Manufheturing System)、随机制造系统(Random Manufacturing System)等，尽管在名称 上不同，实质上正在走向一致，正在形成制造系统的研究方向。5 IMS系统结构展望从智能制造的系统结构方面来考虑，未来智能制 造系统应为分布式 自主制造系统 ，该系统由若干个智 能施主组成 ，根据生产任务细化层次的不同，智能施主可以分为不同的级别。如一个智能车间称为一个施主，它调度管理车间的加工设备 ，它以车间级施主身份参与整个生产活动；同时对于一个智能车间而言 ，它们直接承担加工任务。无论哪一级别的施主，它与上层控制系统之间