基于多agent的鍛造生產工藝規劃與車間調度集成研究

徐 青，李東波

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094)

工藝規劃和車間調度是計算機集成制造系統(CIMS)中兩個十分重要的子系統。工藝規劃的作用是確定產品加工方法、加工順序、工藝參數以及產品制造所需的加工資源、加工時間等;調度的作用是對將要進入或已經進入加工的零件在制造環境的約束下進行整體優化，是生產準備和具體工藝實施過程的紐帶。

傳統工藝規劃系統的工作模式是靜態的［1］，工藝設計人員的決策是假定車間資源在任何時間都是無限或空閑的情況下做出的［2］。因此，工藝設計人員常常會選擇最佳的加工設備，而忽略車間的實時資源狀況。這就導致工藝設計人員眼中的“優化”工藝路線，在車間具體執行時效果往往并不理想［3］。因此將工藝規劃與車間調度集成，使信息相互溝通和協調，是解決上述問題的有效方法。

多agent系統具有敏捷、靈活、實時等優點，它通過在一系列分散的agent之間進行協商解決問題，非常接近實際調度過程。本文分析了鍛造企業生產的特點，運用多agent系統的優點，提出了基于多agent系統的工藝規劃和調度集成系統。

1 鍛造生產描述

鍛造生產的流程較復雜，所涉及的設備較多。圖1所示為鍛造生產的一般流程，具體可分為下料、裝爐—鍛造、加工及熱處理4部分。

a．下料:下料屬于綜合車間的工序，是生產的第一道工序，由鋸床完成，屬于典型的作業車間調度。柔性工藝包括:次序柔性、路徑柔性和設備柔性。由于下料只有一種設備，且各個車間之間工序有嚴格的順序，因此只存在設備柔性。

b．裝爐—鍛造:裝爐—鍛造屬于鍛造車間。先裝爐后鍛打，調度中最主要的問題是裝爐，即考慮如何選擇一批鍛件進入加熱爐生產，屬于組批的并行機調度問題，只存在設備柔性。

c．加工:加工在加工車間完成，主要包括車、銑、刨、磨等工序。加工生產充分體現柔性工藝的次序柔性、路徑柔性、設備柔性，屬于典型的作業車間調度。

d．熱處理:熱處理在熱處理車間完成，熱處理關鍵問題與鍛造車間的裝爐類似，即如何安排一批工件進加熱爐生產，只是二者配爐的原則存在很多差異，因此屬于組批的并行機調度，只存在設備柔性。

2 工藝規劃與車間調度集成模型

目前國內外對于工藝規劃與車間調度集成模型主要有以下3類:非線性工藝規劃、閉環式工藝規劃以及分布式工藝規劃［4］，其優缺點見表1。

非線性工藝規劃是工藝規劃與車間調度集成問題最基本的模型，集成思想簡單、可操作性強，所以本文采用非線性工藝規劃集成思想。鍛造生產周期長，工藝較為復雜，非線性工藝規劃集成思想生產調度的復雜度高?？紤]到綜合車間、鍛造車間、熱處理車間只出現設備柔性，各個車間的工序之間不存在次序柔性等特點，為減小問題規模，各車間工藝規劃與車間調度集成采用分布式工藝規劃，即將屬于綜合車間、鍛造車間、機加工車間、熱處理車間的工藝，分別進入調度系統，根據生產狀況，選擇各車間最優的工藝路線，確定調度方案。具體操作過程如圖2所示。

表1 工藝規劃與車間調度集成模型優缺點比較

圖2 工藝規劃與車間調度集成策略圖

3 基于多agent的工藝規劃和調度集成系統

本調度集成系統主要由設備管理agent、設備agent、任務 agent、任務管理 agent、工藝管理 agent、策略agent組成，如圖3所示。

圖3 工藝規劃和調度集成系統架構

3．1 工藝管理agent

工藝管理agent接收已經下達的工藝規劃和任務agent反饋的工序狀態，并對其進行管理、協調與控制。工藝管理agent與任務agent交互，包括兩種情況:

a．任務的下道工序在加工車間生產。工藝管理agent將加工車間的工序全部傳給任務agent。

b．任務的下道工序在其他車間生產。工藝管理agent將下道工序的信息傳給任務agent。

agent體系結構主要分為3種:慎思型、反應型和混合型。工藝管理agent具有一定的邏輯推理能力，因此將其設計為慎思型結構。

3．2 任務管理agent

任務管理接受新任務并初始化任務agent;監控任務agent的狀態;當任務agent完成時，負責銷毀任務agent。設計為慎思型結構。

3．3 任務 agent

任務agent是實際生產的工件的代理，每個工件對應一個任務agent，任務agent本身不具有判斷和推理能力，其主要作用是動態地標定自己的狀態，并激發其他的agent的進程，因此任務agent采用反應式結構。

3．4 設備管理agent

設備管理agent管理車間所有機器，監控每個機器的加工任務集和緩沖區任務集，其中機器加工任務集存放著該機器中已加工的和正在加工的任務加工順序，以及任務的工件號、工序號、批次、批量、開始時間、結束時間和包括合并工件在內的總任務量。

3．5 設備 agent

設備agent是車間加工設備的代理，每臺設備對應一個設備agent，設備agent通過設備接口可獲得加工設備的技術參數和設備狀態等信息，再把加工任務發送到加工設備執行。設備設計為反應式結構。

3．6 策略 agent

策略agent是非實體agent，采用慎思型結構。其內部封裝了遺傳算法和啟發式調度規則，策略agent與任務agent、設備管理agent交互，在接收了任務agent和設備管理agent的信息后，選擇不同的調度方案。策略agent還提供人機接口，可調整算法參數，制定新的調度方案。

3．7 合同網協商策略

本文采用合同網協商策略，具體協商過程如圖4所示。任務管理agent根據新來的任務單初始化任務agent;任務agent向工藝管理agent獲取下一步工序信息，包括:各道工序的工序號、工序加工所需的機器集、工序對應機器的加工時間、該車間對應的交貨時間、工序的狀態，若工序為加工車間，則反饋加工車間所有工序信息;若下道工序不是加工車間，則反饋一道工序信息;再向策略agent發送投標邀請，發送的信息包括:任務的規格、材質、質量、各道工序的工序號、工序加工所需的機器集、工序對應機器的加工時間、該車間對應的交貨時間;任務agent進入等待標書狀態。

設備管理agent根據設備使用情況，向策略agent發送投標申請，發送的信息包括:設備號、類型、名稱、加工能力、狀態、維護信息;策略agent根據不同車間運行不同的啟發式算法，計算各個設備agent的標價，根據評價函數選擇一個最好的，然后向設備agent和任務agent發送確認消息。

圖4 合同網協商機制

多agent系統中agent之間的通信方式主要有兩種:黑板和消息/對話系統。任務管理agent與任務agent、任務agent與工藝管理agent、設備管理agent與設備agent之間采用黑板模型;策略agent與任務agent、策略agent與設備管理agent之間采用消息/對話系統。

4 原型系統開發

原型系統以Java為系統開發工具，數據庫為Microsoft SQL Server 2005;Web服務器選用Tomcat;操作系統為Microsoft Windows 7;程序設計環境為My Eclipse。它實現了基本agent的構建、通信和工藝規劃與車間調度的有機集成，同時能夠實現基于合同網的協商。

圖5是以南京某鍛造企業綜合車間生產為例，4臺設備和6個鍛件任務進行協商后，按照一定的調度規則所制定的調度安排。其中制定的調度規則:(1)沒有考慮機床故障，每一零件在每個車間有一確定的交貨期;(2)各個零件之間相互獨立，相互之間沒有優先級差別;(3)每臺設備在同一時刻只能處理一道工序;(4)每個零件的每道工序一旦開始加工則不能中斷;(5)調度目標是在滿足交貨期前提下，加工時間最短。調度甘特圖如圖6所示。其中“saw1，9:00之前”、“saw2，11:30之前”、“saw4，11:00之前”為非空閑狀態。目前原型系統只能實現基于規則的調度，還需要對其調度算法庫進行完善。

圖5 綜合車間調度管理圖

調度結果驗證了本文提出的基于多agent的鍛造生產工藝規劃與車間調度集成模型的可行性。本方法還充分考慮工藝規劃的柔性，有利于實現企業內工藝和調度的信息共享，提高企業資源利用率。

圖6 綜合車間調度甘特圖

5 結束語

本文提出了基于多agent的鍛造生產的工藝規劃和調度集成系統，實現了工藝規劃和車間調度的有機集成，為調度系統提供多工藝方案，增加調度的柔性，提高車間資源利用率和生產效率。該模型具有較高的適應性和自治性，提高了信息共享程度，可以有效保證車間生產持續優化進行，應用前景廣泛。

［1］ 沈斌，陶榮華．工藝計劃與生產調度集成的動態CAPP系統的研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2004，5(7):45－48．

［2］ Usher JM，Fernandes K J．Dynamic process planning－the static phase［J］．Journal of Materials Processing Technology，1996，61(3):53－58．

［3］ Lee H，Kim S．Integration of process planning and scheduling using simulation based genetic international［J］．Journal of Advanced Manufacturing Technology，2001，18(5):586 －590．

［4］ 高亮，李新宇．工藝規劃與車間調度集成研究現狀及進展［J］．中國機械工程，2011，22(8):1001 －1006．