毕业论文答辩-图片版20170512

1、基于蚁群Stigmergy协作机制和ANN的多智能制造主体协同方法研究课题来源：广东省科技计划项目广东省公益研究与能力建设专项基金项目“基于物联网的制造执行系统智能泛在感知关键技术研发（NO.2014A010103034）”答辩人万锦厂专业机械工程指导老师徐刚老师程涛老师基于蚁群Stigmergy协作机制和ANN的多智能制造主体协同方法研究ContentsPart 5研究生期间研究成果Part 4总结与展望Part 3模拟实验系统设计与开发Part 2主要研究内容目录Part 1绪论 Part 1绪研究背景论国内外相关研究状况主要研究内容与论文结构主要特色、创新1.1 研究背景人们自身消费需求

2、的变化对复杂产品进行加工时面临诸多不确定性因素以及难以预料的动态多变的扰动消费需求日益多样化与个性化，如个性化定制、小批量甚至单件生产研究背景制造系统中各制造资源/设备具备对自身和系统状态进行协同感知的能力任务分解与分配、产品设计、产品工艺规划、产品加工、零部件装配等协作过程，需要制造系统中各制造资源/设备协作完成4制造过程中面临的问题对制造系统中制造资源/设备的要求制造环境的复杂性1.2 国内外相关研究情况上世纪80年代多智能体协同的研究正式兴起，在此后得到了迅速的发展，并且以MAS的多智能体协同机制研究为主。群体智能的深入研究，促进了分布式系统的研究和发展Multi Agent Syste

3、m（MAS）的提出，促进了分布式多智能体系统在制造系统中建模及其实现的发展美国提出“先进制造业国家策略”、法国提出“新工业法国计划”、德国”工业4.0“。欧洲制造云项目、美国国家科学基金（NSF）的智能制造项目。我国提出“中国制造2025”、中国工程院智能制造重大咨询项目针对制造系统状态监测与故障诊断，从简单的“阈值”判断方法， 到以神经网络（Neural Network， NN）、支持向量机（SVM）为代表的机器学习方法。1.3 主要研究内容及论文结构论文主要结构1.3 主要特色和创新在多智能制造主体协同感知机制问题研究上，对蚁群Stigmergy协作机制进行研究，并将其运用解决在多智能制造

4、主体协同感知机制问题以解决系统群体协同决策如任务分解等问题。1在构建多智能制造主体分布式协同感知框架问题上，引入当今流行的分布式集群Storm和Hadoop两种框架，并融合了其优点，形成Storm-Hadoop分布式协同感知框架，并将其应用到智能制造分布式原型系统的搭建。2 特色与创新在解决多智能制造主体多物理域信息融合问题上，采用人工神经网络作为信息融合模型，对多智能制造主体下各主体的多物理域信息分别进行融合，得到被监测对象的多物理域信息融合模型。3 Part 2主要研究内容多智能制造主体协同感知问题研究基于人工神经网络的智能制造主体多物理域信息融合方法研究基于Stigmergy和ANN的多

5、智能制造主体协同感知方法研究2.1 多智能制造主体协同感知问题研究智能制造主体的定义与特点1在智能制造中，系统下制造资源/设备大到订单任务、加工设备、运输设备、清洗与检测装备、操作人员等等，小到制造加工实体设备中的刀具、主轴、工装等部件都可以看做是智能制造主体。主体求解器（Solver）主体知识库（Knowledge）主体能力（Ability）协作主体规划器自主/协同列表感知推理机属性集协作决策机构行为模型通信方法调用协作知识协调控制器数据库智能制造主体形式化描述Body StatusDataBaseContorllerBodyAbilityDespCoordinationCallMethod

6、BodyAbilityDespCommunicationDecisionMakingBody TypeCooperationReasoningBodyIDPerceptionPlannerBody Name主体基本属性（Basic Proporties）名称标识类型能力描述和说明通信地址状态信息CollaborativeKnowledgeBehaviorModelPropertitesBody List智能制造主体（智能订单、智能加工机器、智能运输工具、智能刀具、智能主轴等）2.1 多智能制造主体协同感知问题研究智能制造主体模型2传感器 信息融合处理模块局部感知模块根据智能制造主体的定义与特点

7、，建立智能制造主体模型如图所示。主要包括 1）通信模块；2） 协作模块；3） 局部感知模块；4） 信息融合处理模块；5） 规划、推理和决策模块；6） 控制执行模块。通信机制智能制造主体知识库协作求解 领域数据和知识控制执行模块智能制造主体模型通信模块协作模块领域数据和知识协作知识和数据行为模型其他智能制造主体 环境物理实体2.1 多智能制造主体协同感知问题研究基于CPS-Agent的智能制造主体模型3多智能制造主体协同感知涉及海量信息传输处理、分布式计算等，信息物理系统（CPS， Cyber- Physical Systems ）融合了海量信息传输、大数据处理等相关技术。融合CPS和Agent

8、的特点，建立基于CPS-Agent的智能制造主体模型。CPS-Agent结构模型2.1 多智能制造主体协同感知问题研究多智能制造主体协同感知求解过程及方法描述与建模4在多智能制造主体系统中，主体间的协同感知是指对系统所有成员主体的状态进行感知，获得系统有关的状态、健康以及故障情况，从而为系统协作任务求解提供支持。多智能制造主体协同感知过程模型2.1 多智能制造主体协同感知问题研究5基于Stigmergy的多制造主体协同感知机制发布信息素的制造主体信息素含义在协同感知中的作用A为加工设备编号， 向制造环境提供加工设备加工能加工设备CPS-AgentA,II为设备加工能力属性力等属性信息N为订单任

9、务编号， 为制造环境提供订单N的产品加订单任务CPS-AgentN,II为订单任务的相关信息工信息（包括工艺路线等信息）M为工艺路线工艺路线CPS-AgentN,M存储任务分解与分配的结果A为资源编号，I为对应的属性信息其他制造资源CPS- Agent向制造环境中提供如运输工具、A,I人员等的相关信息蚁群Stigmergy协作机制的多制造主体协同感知机制2.1 多智能制造主体协同感知问题研究框架结构及其相关特性6综合Storm实时分布式流式处理和Hadoop离线批处理数据分布式共享存储以及两者在分布式系统中的广泛应用，建立了一种基于Storm-Hadoop分布式集群框架结构。Storm-Had

10、oop框架结构2.1多智能制造主体协同感知问题研究框架结构模型及其特性分析7在前面得到的CPS-Agent模型、多智能制造主体协同感知问题过程模型以及建立的分布式Storm-Hadoop框架，建立多智能制造主体协同感知框架模型如图。多智能制造主体协同感知框架2.2 基于人工神经网络的多物理域信息融合方法研究CPS-Agent Multi-Physical Field SystemCPS-Agent1Multi-PhysicalField SystemTemperature Field; /温度场智能制造主体多物理场系统及其形式化描述1Vibration Field;/振动场智能制造主体多物理域

11、信息融合模型2Stress Field; Sound Field; Electric Field;/应力场/声场/电场Velocity Field; /速度场;/CPS-Agent 1的多物理场系统CPS-AgentnMulti-PhysicalField SystemTemperature Field; /温度场Vibration Field;/振动场Stress Field; Sound Field; Electric Field;/应力场/声场/电场Velocity Field; /速度场;/CPS-Agent n的多物理场系统多物理域信息融合模型2.2 基于人工神经网络的多物理域信息融

12、合方法研究算法设计与过程11） 多物理域信息获取2） 多物理域信息特征提取3） 特征数据归一化4） BP神经网络特征数据融合识别5） 决策级融合多物理域信息融合融合过程2.2 基于人工神经网络的多物理域信息融合方法研究多物理域信息融合仿真分析3采用美国西储大学的轴承状态数据集的三通道物理域信息作为研究对象进行仿真以验证算法的可行性。其仿真结果如图所示。采用”tansig”+”logsig”激活函数的模型训练采用”tansig”+”purelin”激活函数的模型训练Matlab仿真界面2.3 基于Stigmergy和ANN的多智能制造主体协同感知方法研究问题描述、算法设计及过程1待加工工件集合待

13、加工工艺路线集合智能制造主体集合协作任务分解算法流程任务分解映射过程2.3 基于Stigmergy和ANN的多智能制造主体协同感知方法研究基于蚁群Stigmergy协作机制协同感知任务分配2任务分配流程加工任务-工艺路线的对应关系蚁群觅食过程开始（伪工序）蚁穴结束（伪工序）食物源加工任务（相同加工任务的集合）蚂蚁（蚁群）加工工艺路线（多条加工工艺路线）一段路径（蚂蚁有多条路径可以选择）不同路线加工时间、成本的差异蚂蚁在不同路径的长短差异优化的目标（如工件加工成本较小）较短的路径（即蚂蚁觅食时间较短）2.3基于Stigmergy和ANN的多智能制造主体协同感知方法研究1）按照任务分解流程，得到制

14、造主体信息素强度残留矩阵2）在以上基础上得到的基于信息素的制造主体关联矩阵：3）进一步得到基于信息素的工艺路线关联矩阵2.3 基于Stigmergy和ANN的多智能制造主体协同感知方法研究仿真研究与分析31）基于信息素协调机制的任务分解与分配过程得到的结果如下：制造制主造主工体艺体路工1-11 1 1-22 2 1-33 32-41 42-52 52-63 63-7173-8 83-9 92）最终构成了三个智能制造主体子单元艺制线路造线主体23工艺路线11.000.070.190.250.070.340.000.070.0011-1-1 21.20407 0.000.204070.224570

15、2.84970.500.000.860.000.074710.000.000.004700.360.000.000.350.001-211-2-3 30.000.119.404005.00.501.00.707.150.000.000.000.190.000.0604.04005.000.08.40612-3-1 40.109002.205.159002.010.00.150.717.0001.09002.000.000.250.403.0601.09002.000.08.30622-1-2 50.250.007.770.306.175708.001.10508.000.010.000.300

16、.0001.25098.000.209.180.08.80022-2-3 60.451004.304.000.00.00.190.40104.251.000.0004.31114.000.508.000.300.000.000023-1 70.001.000.00 2010.00 20.07 20.0130.890.000.00.00.060.063-3-20.000.300.310.000.670.0025325325333-1-3 80.000.007.300000.305.430.00.209.0003.50080.180.000.001.000.0703.0100.000.03.307

17、90.860.000.000.00.00.060.209.060.300.000.607.000.000.131.00.070.10.0003-23-30.000.840.830.880.000.000.330.001.00信息素演化曲线加工工件序号加工路径序号工序号/加工主体/加工时间/单位加工成本（元）11-11/1/12/42/3/18/33/4/15/24/6/15/81-21/2/12/52/5/10/51-31/8/15/62/2/12/522-11/2/10/52/5/5/53/8/10/64/1/6/42-21/4/8/22/3/15/33/9/10/24/7/15/122-3

18、1/1/8/42/4/8/23/6/5/833-11/8/6/62/9/10/23/7/25/123-21/6/12/82/1/10/43/3/5/33-31/5/10/52/2/8/53/8/15/6Part 4模拟实验系统开发与试验研究模拟实验系统设计方案模拟实验系统研发实现及测试模拟试验研究及结果分析4.1 实验系统设计方案实验系统设计方案11）硬件结构2）软件架构3）系统运行流程软件架构硬件架构系统运行流程4.2 实验系统设计方案模拟实验系统开发实现及测试11）系统主界面系统协同任务分配子界面系统多Agent信息融合子界面4.3 试验研究及结果分析基于ANN的多智能制造主体多物理域信息融合验证试验及结果分析1基于Stigmergy协作机制的多智能制造主体协同任务分配试验结果分析2通信子系统协同任务分配试验结