基于軟件Agent的虛擬工藝設(shè)計系統(tǒng)的研究
1 引言
敏捷制造是面向21世紀的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和模式,虛擬企業(yè)(或企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟)是實現(xiàn)敏捷制造的主要途徑。虛擬企業(yè)克服了傳統(tǒng)企業(yè)的封閉性、局限性和設(shè)計、制造能力的不完備性,強調(diào)充分利用社會上已有的設(shè)計、制造資源,通過組織動態(tài)聯(lián)盟,減少資源的重復(fù)投入,縮短生產(chǎn)準備周期,提高產(chǎn)品從設(shè)計、制造到銷售全過程的整體柔性和敏捷性,增強企業(yè)(群體)的競爭能力。
如上所述,在虛擬企業(yè)中,由于組織的分散化和國際化,產(chǎn)品的工藝設(shè)計將由核心企業(yè)和合作企業(yè)分別完成,跨地域的聯(lián)合工藝設(shè)計將成為虛擬企業(yè)工藝設(shè)計的主要方式。
2 基于多Agent的虛擬工藝設(shè)計系統(tǒng)一VPPS
2.1 虛擬工藝設(shè)計的三層體系結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的工藝設(shè)計系統(tǒng)采用的是二級體系——車間級、企業(yè)級,企業(yè)級進行總體工藝設(shè)計,主要包括:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性審查,產(chǎn)品工藝零件組劃分,產(chǎn)品工藝流程(亦稱分工計劃)制定;車間級進行專項工藝設(shè)計,包括毛壞制造工藝設(shè)計,零件加工工藝設(shè)計,各種熱處理、表面處理等工藝設(shè)計,焊接、裝配等工藝設(shè)計,監(jiān)測、試驗等其他工藝設(shè)計等。
在虛擬企業(yè)中,異地聯(lián)合設(shè)計將成為工藝設(shè)計的主要方式,傳統(tǒng)的工藝設(shè)計系統(tǒng)已無法適應(yīng)新形勢下的要求,為此,在傳統(tǒng)的一級體系基礎(chǔ)上,增加一個企業(yè)合作級,構(gòu)建了虛擬工藝設(shè)計系統(tǒng)的二級體系結(jié)構(gòu)—車間級、企業(yè)級和企業(yè)合作級。具體地說,當某一新產(chǎn)品的工藝設(shè)計任務(wù)下達給某一企業(yè)后,企業(yè)首先根據(jù)自身的加工能力、工藝設(shè)計要求、原材料供應(yīng)狀況等做出判斷是否承接,當自身能力不足或部分滿足時,可將工藝設(shè)計任務(wù)的個部或部分轉(zhuǎn)讓給其他協(xié)科企業(yè)(企業(yè)合作級),以保證工藝設(shè)計任務(wù)順利、高效的完成。
2.2 Agent和多Agent聯(lián)邦
作為一種能代表用戶去執(zhí)行計算和信息處理任務(wù)的智能化軟件實體,Agent一般都具有社交和領(lǐng)域知識,能依據(jù)心理狀態(tài)(信念、期望和意向)自主工作,并具有語義互操科和合作的協(xié)調(diào)能力。
定義1: Agent可表示為一個五元組,Agent=(Activity-Mod-el,Self-Model,Behavior-Controller,Info-Blackboard,Commnnication-Interface),其中:
Activity-Model——描述一組由該Agent調(diào)度和監(jiān)控的活動,活動(參見定義2)可以是基本的(不可分解)或復(fù)合的,復(fù)合活動往往需要由多Agent系統(tǒng)(Multi-agent System,MAS)中的多個Agent協(xié)作執(zhí)行。
Self-Model——描述該Agent擁有的執(zhí)行基本活動的技能和執(zhí)行復(fù)合活動的意向。
Behavior-Controller負責控制Agent的行為,分兩個層次:協(xié)作層和領(lǐng)域?qū)?,協(xié)作層實行對復(fù)合活動的聯(lián)合,領(lǐng)域?qū)觿t啟動執(zhí)行面向基本活動的技能。
Info-Blackboard—記載該Agent接受的外部信息和自身運行時產(chǎn)生的中間結(jié)果或信息。
Communication-Interface—支持與其它Agent(或人)間的通信。
多Agent系統(tǒng)是由多個Agent組成的集合,其中每個Agent都能作用于自身和環(huán)境,并與其他Agent進行通訊。在MAS中,Agent之間的合們起著極重要的們用,通過合作,MAS提高了整個系統(tǒng)求解問題的水平。
定義2:作為一類特殊的Agent系統(tǒng)(Multi-agent Sys-tem,MAS),Agent聯(lián)邦(Agent-Federation)可以定義為一個兩元組(Manager-Agent,Member-Agent-Set),其中:
Manager-Agent代表該聯(lián)邦的管理Agent,負責過程的調(diào)度、規(guī)劃和分配,是本Agent聯(lián)邦的核心;
Member-Agent-Set代表該聯(lián)邦內(nèi)除管理Agent外其它成員Agent組成的集合,以BNF范式描述為:
::={}
成員Agent在Manager-Agent中注冊并接受Manager-Agent分配的子過程并加以執(zhí)行。
類似于MAS,在Agent聯(lián)邦中,Agent之間的合作起著極重要的作用,通過合作,Agent聯(lián)邦提高了求解問題的水平,表現(xiàn)出比單個Agent更優(yōu)越的性能。
定義3:Agent之間的合作(Agent-Collaboration)分縱向合們(Vertical-Collaboration)和橫向合作(Horizontal-Collabora-tion)兩種,以BNF范式描述為:
其中,Composite-Process代表需要通過多個Agent合作才能完成的復(fù)合過程;Manager代表發(fā)起該復(fù)合過程的Agent,通常為Agent聯(lián)邦中的Manager-Agent:Other-Manager-Set代表參與橫向合作的其它Agent聯(lián)邦中的Manager-Agent所組成的集合。
通常情況下,Agent之間的縱向合作發(fā)生在Agent聯(lián)邦內(nèi)部,為簡化起見,這種縱向合作以Manager-Agent對Member-Agent的調(diào)度方式進行,也就是說,Member-Agent只是負責接受Manager-Agent分配的Sub-Process并加以執(zhí)行;而Agent之間的橫向合作發(fā)生在Agent聯(lián)邦之間,由各聯(lián)邦的Manager-Agent和互協(xié)商確定是否參與合作。2.3 基于多Agent的虛擬工藝設(shè)計系統(tǒng)VPPS
針對虛擬企業(yè)工藝設(shè)計的上述特點,通過Agent技術(shù)的引入,筆者構(gòu)建了一個虛擬工藝設(shè)計系統(tǒng)—VPPS< Virtual Process Planning System),系統(tǒng)采用了較為合理的管理模式:整個系統(tǒng)中,各協(xié)作企業(yè)結(jié)成競爭和協(xié)作關(guān)系(各企業(yè)追求自身利益的最大化),同企業(yè)內(nèi)部所屬的各車間則采用完全合作的關(guān)系(以企業(yè)整體利益最人為目標)。
如圖11聽示,整個系統(tǒng)最主要分成了企業(yè)模塊和操作單元模塊兩大部分,企業(yè)接到工藝設(shè)計任務(wù)后,以“縱向招標”方式將各任務(wù)“預(yù)分配”給下屬的車間單元,若企業(yè)自身缺乏能力完成該工藝設(shè)計任務(wù)的全部或部分后(表現(xiàn)為子任務(wù)無相應(yīng)的投標者),則將不能完成的工藝設(shè)計任務(wù)以“橫向招標”方式“預(yù)轉(zhuǎn)讓”給其他協(xié)作企業(yè)。在工藝設(shè)計任務(wù)完成“預(yù)分配”(或“預(yù)轉(zhuǎn)讓”)后,企業(yè)可根據(jù)成本核算函數(shù)確定各子任務(wù)的最終完成者,并向滿足條件的車間(或協(xié)作企業(yè))發(fā)消息,將其從“預(yù)定完成人”確定為“完成人”,使子任務(wù)真正落實。
圖1 系統(tǒng)任務(wù)分配示意圖
整個虛擬企業(yè)工藝設(shè)計任務(wù)的主體是若干企業(yè),系統(tǒng)為每個企業(yè)設(shè)立一個Agent聯(lián)邦,它下面包括一個企業(yè)級Agent(EA),若干個車間級Agent(CA)和一個接口Agent(IA),聯(lián)邦的框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。Agent聯(lián)邦可分層嵌套,層次的多少根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度而定。如某一CA若發(fā)現(xiàn)承接的工藝設(shè)計子任務(wù)過于復(fù)雜,可將工藝設(shè)計任務(wù)進步劃分為各子任務(wù),分配給再下一層的Agent聯(lián)邦執(zhí)行。
圖2 VPPS的Agent聯(lián)邦的框架
2.4 系統(tǒng)級Agent的面向?qū)ο蠓治?/p>
各Agent具體功能如下所述:
(1) 企業(yè)級Agent(EA)
進行總體工藝設(shè)計,主要包括:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝性審查,產(chǎn)品工藝零件組劃分,產(chǎn)品工藝流程(亦稱分工計劃)制定;
將每一個工藝設(shè)計子任務(wù)“預(yù)分配”給下屬眾多的CA;
“預(yù)轉(zhuǎn)讓”工藝設(shè)計子任務(wù)給其協(xié)作的EA;
根據(jù)投標信息,實現(xiàn)工藝設(shè)計子任務(wù)的實際分配和轉(zhuǎn)讓;
出現(xiàn)異常情況時,將工藝設(shè)計子任務(wù)進行重新分配(或重新轉(zhuǎn)讓);
(2)車間級Agent(CA)
對到達的工藝設(shè)計子任務(wù)進行成本估算,并依據(jù)自身的能力決定是否投標,在投標的基礎(chǔ)上,將估算結(jié)果上報給上層EA;
接收異常信息,發(fā)送該異常情況信息給上層EA,并修改工藝設(shè)計任務(wù)集中的相應(yīng)信息;
進行專項工藝設(shè)計;
(3)接口Agent(IA)
接收工藝設(shè)計任務(wù),并通知其上層EA;
查詢本聯(lián)邦所屬CA的信息及其任務(wù)分配狀況信息;
查詢有協(xié)作關(guān)系的EA的信息。
3 結(jié)論
和以往的計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)相比,VPPS系統(tǒng)更加強調(diào)工藝的異地協(xié)同設(shè)計,充分利用合作企業(yè)已有的設(shè)計、制造資源,確保了產(chǎn)品工藝設(shè)計的可靠性和敏捷性,提高了企業(yè)的T、Q、C、S水平,較好地滿足了敏捷制造這一先進制造模式對計算機輔助工藝設(shè)計提出的新的要求。VPPS系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)已在自主開發(fā)的商品化軟件GS-CAPP中得以實現(xiàn),并在實際運用中取得了良好的效果。