摘要：敏捷制造環境下的制造單元是由分布的制造資源組成。本文通過敏捷制造單元組織結構和特性研究，設計了基于智能代理技術的網絡資源搜索和面向對象信息集成的敏捷制造單元組建流程，提出了一種新的單元控制結構模型。
關鍵詞：敏捷制造　制造單元　智能代理　面向對象

Study on control of manufacturing cell under agile manufacturing circumstance

Peng Guan et al

Abstract:Manufacturing cell under agile manufacturing circumstance is composed ofdistribution resources. In this paper, the organization and characters of agilemanufacturing cell are studied.A module is designed for building manufacturing cellbased on intelligent and object-oriented technique. A new cell control model isdeveloped at last.
keywords:Agile manufacturing　Manufacturing cell　Intelligent agent Objet-oriented

1　引言

　　在即將到來的21世紀，擺在所有制造企業面前的將是更為激烈和變幻莫測的市場競爭，企業要能夠立于不敗之地，就必須具有把握機遇和不斷創新的能力，能夠以更快的響應速度和應變能力生產出市場需要的產品，敏捷制造就是能夠幫助企業實現這一目的的先進制造思想。
　　敏捷制造的基本思想就是通過動態聯盟方法，借助于信息通訊網絡，建立能夠對市場需求作出快速響應的開放性的制造體系。實現敏捷制造需要對企業組織、運行和管理的各方面進行變革［1］，其組織結構變革的基本特征是建立動態聯盟機制，通過組合不同企業的優勢資源，形成整體優化的生產制造系統。
　　敏捷制造并不追求單一企業有完備的先進制造設備和技術，而是集中不同企業的優勢，為特定的生產任務組建制造單元，任務完成，單元解體。因此，具有敏捷特性的制造單元，或稱為敏捷制造單元，也是按動態聯盟機制組成的開放性系統，組成制造單元的資源和設備不受企業和地域的限制，系統中優勢互補，利益共享。基于這種思想所組成的制造單元，運行和控制方式也必然發生變革。本文旨在通過研究敏捷制造單元的組成、運行和控制特性，尋找敏捷制造單元控制的科學方法，以實現敏捷制造單元組合與控制的優化。

2　敏捷制造單元的結構特點

　　(1) 敏捷制造單元的基本組成形式
　　敏捷制造單元基本組成形式如圖1所示。它包括傳統制造系統中的加工系統(加工設備和輔助設備等)、物流系統(輸送、存儲和裝卸設備等)和控制系統(計劃、調度、過程控制等)，但是和傳統制造系統不同，這些資源相對獨立地分散在不同的地域和不同的企業中，而且是由于生產任務出現而組合，隨著任務的完成而解體。分布的制造資源通過(Internet)相互聯系，資源控制器直接控制所屬資源的運作，保證在規定的期限內完成所承擔的生產任務。所有的資源控制器由敏捷制造單元的單元控制器進行協調和控制。

圖1　敏捷制造單元基本結構

　　單元控制器屬于最早意識到市場機遇的企業或通過協商產生的掌握主要技術的企業，這個企業具有部分的制造設備，甚至可以沒有任何制造設備。單元控制器的功能包括制造單元的組合、協調控制及單元的解體，它是敏捷制造單元的核心。
　　各分布資源通過智能代理(又稱代理)建立聯接，它是企業和Internet的接口。代理是具有自治性和能動性的具有一定智能的軟件，可以實現網絡通訊以完成用戶交給的一般任務，也能承擔人們因各種原因(如速度過慢、大量重復等)而難以完成的工作［2］。代理具有一定的智能，它能夠在一個非確定的環境中自動執行任務，并且在考慮自身利益和一般規則的基礎上進行決策分析。代理技術的應用范圍相當廣闊，在此我們只強調代理的兩個功能：搜索代理和信息代理。搜索代理負責向其它代理發送搜索信息，信息代理則負責響應其它代理的搜索請求以及進行信息交換。
　　(2) 敏捷制造單元的特性
　　敏捷制造單元的主要特性表現在系統的開放性、柔性和健壯性。敏捷制造單元是開放而不是封閉的系統，構成制造單元的制造資源沒有地域和企業的限制，制造資源的擁有者們本著共同獲利的原則，借助于Internet而結合在一起，通過有效的集成構成一個統一的整體。然而開放性也使制造資源的分布和異構成為最典型的特征，從而使信息集成成為敏捷制造單元能否有效運行的關鍵。信息集成要求有效實現遠程制造資源和本地制造資源融合，使控制系統能夠進行統一、協調的控制，保證制造過程的優化，同時也要保持信息的相對獨立性，在單元解體時，信息能夠有效分解。
　　敏捷制造能夠對市場變化作出靈敏反映，快速且高質量地生產市場需求的產品，其前提是制造單元能夠圍繞產品而動態重組。通過動態重組，使敏捷制造單元具有很高的柔性，從理論上講，它幾乎可以生產出任何產品。但由于制造單元的柔性是敏捷制造單元的重組為基礎，因此必須采用模塊化方法或面向對象的技術建立系統模型，編寫控制軟件，并注重各種模型與軟件的重用性以及它們之間的重組能力。
　　雖然組成敏捷制造單元的資源分布在不同的地域，但和常規的生產系統一樣，要能夠對其進行有效的調度和控制。健壯性體現在控制系統具有能夠支持跨地域的大規模協同工作的能力。同時，由于資源的集成并不意味著敏捷制造單元能夠占用所集成資源的全部生產能力，因此控制系統要能夠在生產環境、生產狀態和資源等變化的情況下，采取有效的協調和應變策略，保證系統的優化運行。

3　敏捷制造單元控制

　　敏捷制造單元位于敏捷制造系統的底層，它根據上層組織所確定的生產任務進行組合，敏捷制造單元控制的主要功能包括制造單元組建、單元的優化決策和制造單元運行控制。

　(1) 敏捷制造單元的組建

　　敏捷制造單元組建流程如圖2所示。系統的單元控制器首先通過Internet搜索和尋找合作伙伴，配齊生產所需的制造資源。由圖1知，智能代理是企業和網絡的接口，通過智能代理完成資源搜索和接收。網絡上的任何用戶都可以作為搜索的請求者將需要尋找的資源內容交給智能代理，并由其轉換成適當的信息查詢請求格式，在網上發布或直接轉發到相關的企業。當智能代理接收到信息查詢請求時，激活本地數據庫進行查詢，并將查詢結果和相關信息返回給發送請求的代理。

圖2　敏捷制造單元組建流程

　　通過網絡搜索將獲得許多符合要求的資源信息，需要進行評估，選擇最優的合作者。制造資源的篩選通過專家系統來完成。專家系統將根據合作者所提供的生產能力、加工費用、生產周期以及運輸費用等進行歸納整理和對合作者排序。專家系統有良好的人機交互界面，能夠根據需要方便地修改不同項目、不同資源和不同企業的權值，使具有良好合作記錄的企業具有較高的得分。
　　動態聯盟確認屬于敏捷制造中管理層的職能，管理層位于制造單元的上層。單元控制器將排好序的擁有所需資源的預選合作者名單報送給管理層，由管理層同預選者進行動態聯盟確認，簽定諸如合作方式、資源使用限制、利潤分配等協議。
　　合作者一旦確定，單元控制器通過智能代理下載相關的資源信息，并轉換成與本地資源信息相一致的格式，同時把遠程資源信息中相應的語義、分布映射信息等存入知識庫。
　　敏捷制造單元動態重構特性，使系統的信息集成任務十分艱巨。采用面向對象的技術能夠提高信息和軟件的重用性，簡化單元控制，并使單元重構更為容易。對象劃分將資源信息轉化為對象模式，按資源對象、加工對象和進程驅動對象進行分類。資源對象包括加工設備、輔助設備如機床、刀具、夾具等以及相關屬性如加工能力、使用條件、使用費用等，加工對象則是對加工任務的抽象描述，包括車削、銑削等以及加工零件尺寸、材料和工時等；進程驅動對象反映系統狀態變化而引起的操作變化規律，如加工任務完成、加工任務取消、機床故障等，體現系統從一個事件變化到另一個事件需要滿足的條件和控制規律。對象分析是為了找出不同對象之間的共性和相互關系，進行對象一致性的分析和定義，消除沖突和冗余，提高對象封裝凝聚度［3］。系統對制造資源進行封裝，使對象之間相互依存性達到最小，保證對象的獨立性。對象封裝既能夠為系統控制提供更為簡明的信息，又使制造資源改變而對對象結構和操作實現方法進行修改時，不必對控制軟件進行太大的修改。
　　在前述各項任務完成后，即可建立分布資源的連接，編制單元的控制軟件，組建敏捷制造單元。

　　(2) 敏捷制造單元的控制結構

　　敏捷制造單元的控制結構如圖3所示，這里弱化了分布資源控制器之間的橫向聯系(對敏捷制造單元的正常運轉過程而言，該假定是正確的)，把敏捷制造單元劃分為一個三層遞階控制結構。單元控制器主要功能包括：

圖3　敏捷制造單元控制結構

　　①　確定單元的生產能力，識別分布資源互補性和可替換性。互補資源各自完成一定的任務，和其它資源間不能互相取代，從系統輸入和輸出的角度看，它是串聯環節，機床利用率高，但可靠性和柔性降低；可替換資源表示可由其它資源替代，屬于并聯環節，系統柔性增加，但生產率較低。通常這兩種類型資源同時存在于系統中［4］。
　　②　制定生產計劃，為各分布資源合理地分配生產任務。設產品的交貨時間為TL，任務要求完成時間的上限為TS，松弛時間為TF，有：

TL=max(Tpi＋Tti)

其中i=1，…，n代表各分布資源，Tpi為生產時間，包括從接受任務到開始生產的準備時間和生產所需的時間；Tti為分布資源將生產好的零件輸送到交貨地點所需要的時間。若TF=TS－TL為負值，則表示任務不能按時完成，需要進行調整。
　　資源控制器是控制結構的第二層，主要控制功能包括：a.為所管轄的資源作出優化調度，調度方法可以采用在柔性制造系統中廣泛應用的諸如優化算法、專家系統、神經網絡和遺傳算法等；b.生產過程的實時控制；c.將生產過程中的動態數據及時采集，定時報告給單元控制器。
　　控制結構的第三層由各制造和物流設備的控制器組成，用于控制設備正確完成各種操作，并將設備狀態信息及時反饋到資源控制器。

　　(3) 敏捷制造單元運行控制

　　敏捷制造單元的分布式結構，使單元控制系統也是一種分散控制結構。為更好實現敏捷制造單元的優化決策和控制，建立敏捷制造單元的虛擬模型。虛擬制造單元是現實制造單元在虛擬環境中的映射，它由虛擬信息系統和虛擬物理系統組成，分別對應現實信息系統和現實物理系統，其抽象模型與真實實體一一對應，并具有與真實實體相同的性能、行為和功能。利用面向對象技術組建敏捷制造單元時所用的對象信息模型能夠直接應用于建立虛擬制造單元。虛擬制造單元的地域概念消失，可以采用現有的各種先進技術實現系統的優化決策和控制。同時可以利用虛擬制造單元進行仿真運行，檢驗計劃和調度策略是否最優，對系統運行結果進行評估。

圖4　敏捷制造單元生產過程控制結構

　　在單元的實際運行過程中，分布資源控制器對所屬資源進行優化調度，并將有關的生產數據、系統狀態和進展匯總到單元控制器。由于分布資源控制器管轄的資源可能還屬于另外一個敏捷制造單元，資源控制器需要統一調度和控制，但必須將屬于不同制造單元的加工信息分類匯總。單元控制器通過所有返回信息的組合來了解系統運行全貌。當發現某分布資源未能按照進度進行生產時，通過網絡進行協商，并確定是否需要調整生產計劃或重新分配生產任務。
　　敏捷制造單元控制器的生產控制功能結構如圖4所示，其主要部分是知識庫、數據庫和智能決策系統。
　　知識庫存放單元決策的知識，如推理規則、評判準則等。知識庫中知識層次包括概念、事實、狀態之間聯系等領域層知識、決策觸發控制、動態調度控制等控制層知識和系統優化目標、入選資源判別、運行結果評判等規劃層知識。數據庫包括基本生產數據、系統狀態和現行生產數據以及組成系統的分布資源信息和生產計劃和任務分配情況。其中系統狀態和現行生產數據反映了系統的生產進程，來源于生產過程中的反饋信息。智能決策是單元控制核心，其最終目的是在按時完成生產任務的前提下，使制造單元控制達到全局最優。智能決策模塊包括狀態識別和優化控制兩部分，前者是根據生產狀態信息推導現行系統狀態，并和預定的生產進行相比較，如果生產出現延誤，則激活優化控制模塊。
　　在制造過程中出現生產延誤時，智能決策系統首先檢查是否有可替代資源集中選出適當的替代資源，將被延誤的生產任務轉給替代資源處理。若沒有替代資源，則啟動資源搜索功能，尋找新的合作伙伴來完成被延誤的工作。

4　結束語

　　敏捷制造單元控制是實現敏捷制造的重要技術之一。如何對跨地域的、由分布制造資源組成的敏捷制造單元進行有效和優化控制，是我們面臨的新課題。本文通過對敏捷制造單元結構特點、單元特性進行分析，提出敏捷制造單元組建和控制結構和方法，為敏捷制造單元控制提供了新的途徑。敏捷制造單元控制是前景廣闊、富有挑戰性的研究工作，我們已經邁出了重要的一步，但還有許多難題需要進一步研究解決，才能實現我們所提出的控制方法和技術。