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一種面向離散生產(chǎn)系統(tǒng)的智能主體仿真方法
引言
目前，基于離散事件動(dòng)態(tài)仿真原理的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于離散生產(chǎn)系統(tǒng)中生產(chǎn)計(jì)劃、資源分配、任務(wù)調(diào)度、人員安排、物流規(guī)劃等決策問題，為提高生產(chǎn)系統(tǒng)的效率發(fā)揮著重要作用[1-5]。然而，大多數(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真往往把系統(tǒng)中的生產(chǎn)者視為普通的制造資源，而忽略了人的智能行為對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。近年來，針對各種先進(jìn)制造策略，人工智能技術(shù)逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)度、監(jiān)控和運(yùn)行管理中，以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。文獻(xiàn)[6]在研究一種基于Agent 的工藝規(guī)劃和調(diào)度基礎(chǔ)上提出一種混合合同網(wǎng)協(xié)議并將其應(yīng)用于多主體制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)車間調(diào)度；文獻(xiàn)[7]提出一種遺傳算法并研究了在多Agent 系統(tǒng)中如何應(yīng)用其解決供應(yīng)鏈管理中生產(chǎn)分配計(jì)劃問題；文獻(xiàn)[8]基于多Agent 系統(tǒng)從生產(chǎn)、控制及軟件工程的角度提出一個(gè)復(fù)雜的制造過程的分布式層次化生產(chǎn)控制框架;文獻(xiàn)[9]為半導(dǎo)體制造過程中使用的interbay 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于Agent 的控制架構(gòu)，并且開發(fā)了其所包含的多Agent 之間的協(xié)調(diào)機(jī)制；文獻(xiàn)[10]應(yīng)用預(yù)測Agent，生產(chǎn)Agent 及重分配Agent 解決了準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)中生產(chǎn)及分配問題；文獻(xiàn)[11]基于CORBA 總線及面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了多Agent 系統(tǒng)分布式人工智能，并提出多Agent 敏捷車間控制系統(tǒng)。然而上述研究集中在機(jī)器智能模型和生產(chǎn)管理控制模型的建立，如何將人工智能技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)系統(tǒng)建模及仿真的探索還非常缺乏。
針對以上問題，本文提出了一種基于智能主體的仿真方法，建立了描述離散生產(chǎn)系統(tǒng)中個(gè)體生產(chǎn)者的Agent 模型，并在其基礎(chǔ)上提出一種集成Agent 模型、離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的仿真方法，給出該方法的實(shí)現(xiàn)方案和應(yīng)用案例。
1 生產(chǎn)者智能主體模型
考慮到生產(chǎn)系統(tǒng)中個(gè)體生產(chǎn)者不僅有簡單的反應(yīng)行為，而且有慎思行為以及協(xié)作行為，本文基于INTERRAP 混合主體模型理論[12-13]和基于角色主體建模方法[14-15]構(gòu)造生產(chǎn)者智能主體模型，該模型由角色、知識(shí)、行為三部分構(gòu)成。角色是特定職責(zé)和權(quán)力的集合，它定義了生產(chǎn)目標(biāo)下主體應(yīng)完成哪些任務(wù)，可以使用哪些資源等。知識(shí)是主體行為的主要依據(jù)。生產(chǎn)系統(tǒng)中的主體知識(shí)可分為反應(yīng)層知識(shí)、規(guī)劃層知識(shí)及協(xié)作層知識(shí)。主體行為以刺激-反應(yīng)模型為基礎(chǔ)。首先針對感受器所感知的外界環(huán)境信息，然后通過知識(shí)搜索模塊和行為匹配模塊得到行為方案，再通過驅(qū)動(dòng)器將行為方案作用于外界環(huán)境。下面為生產(chǎn)者智能主體行為模型具體內(nèi)容：
(1)感受器和驅(qū)動(dòng)器：感受器用于感知主體外部生產(chǎn)系統(tǒng)外界環(huán)境狀態(tài)變化和內(nèi)部狀態(tài)變化，并將變化傳遞給行為模型。外部環(huán)境狀態(tài)變化來自于生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境中信息的改變，如資源約束、生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)任務(wù)等，內(nèi)部狀態(tài)變化則來自于組織中其它主體狀態(tài)的變化，可表現(xiàn)為主體的權(quán)限變化，協(xié)作請求，協(xié)作響應(yīng)，異常報(bào)告等。驅(qū)動(dòng)器主要是指將主體行為作用于外界環(huán)境的模塊。它可是人機(jī)交互接口，也可以各種輔助工具。
(2)反應(yīng)層行為：若經(jīng)感受器傳遞的信息滿足反應(yīng)層的作用規(guī)則或條件時(shí)，主體不需經(jīng)過推理，直接按反應(yīng)規(guī)則付諸行動(dòng)。例如：機(jī)器故障時(shí)，自動(dòng)停機(jī)并檢查等。
(3)規(guī)劃層行為：經(jīng)傳感器融合處理的信息無法在反應(yīng)層進(jìn)行匹配，則需要根據(jù)本地知識(shí)庫進(jìn)行一定的推理，作出相應(yīng)決策，并付諸行動(dòng)。例如：新訂單到達(dá)導(dǎo)致生產(chǎn)任務(wù)發(fā)生變化，生產(chǎn)主管不得不尋求合適的調(diào)度策略。除此之外，主體還可以通過學(xué)習(xí)，更新自己知識(shí)庫。
(4)協(xié)作層行為：在某些情況下，經(jīng)傳感器融合處理的信息涉及到多主體或超出了單個(gè)主體的本地處理能力，此時(shí)主體則需要按協(xié)作層知識(shí)進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。例如：一般維修工人在維修機(jī)器時(shí)發(fā)現(xiàn)不能成功，從而請求高級(jí)維修工人；而高級(jí)維修工人響應(yīng)了該請求，接著兩人協(xié)同完成了維修任務(wù)。
2 仿真建模過程
基于上述生產(chǎn)者智能主體模型，仿真通過集成Agent 模型、離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件、數(shù)據(jù)分析和計(jì)算軟件以及應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。具體的仿真建模過程如下：
第一步，從生產(chǎn)資源、布局方案、人員狀況、物流狀況等方面收集生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程的基本信息，運(yùn)用離散事件仿真原理，結(jié)合所收集信息，應(yīng)用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件建立生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程基礎(chǔ)模型。
第二步，從操作、質(zhì)量監(jiān)控、調(diào)度、計(jì)劃、設(shè)備管理、維修及工藝管理等方面識(shí)別生產(chǎn)系統(tǒng)中個(gè)體工作者的基本行為，按本文前面提出Agent 模型對這些行為按協(xié)作層，規(guī)劃層和反應(yīng)層進(jìn)行分層歸類，應(yīng)用仿真軟件二次開發(fā)工具或數(shù)據(jù)處理軟件的智能計(jì)算來表達(dá)Agent行為，并通過開發(fā)集成接口將智能推理過程封裝成一個(gè)個(gè)智推理行為函數(shù)，創(chuàng)建Agent 類包含這些成員函數(shù)，最后采用動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）技術(shù)將整個(gè)Agent 類封裝成一個(gè)DLL。
第三步，在基本生產(chǎn)過程模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真軟件二次開發(fā)工具將Agent DLL 掛接進(jìn)來，以供仿真程序運(yùn)行中加載并調(diào)用。
3 仿真運(yùn)行過程
仿真初始化階段，用戶打開自定義的仿真控制界面，啟動(dòng)仿真軟件，初始化仿真參數(shù)。接著，啟動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)過程仿真。在仿真運(yùn)行到需要生產(chǎn)者時(shí)，仿真程序根據(jù)生產(chǎn)者行為所處的不同層級(jí)，執(zhí)行相應(yīng)處理邏輯。如果是反應(yīng)層行為（例如：機(jī)床故障需要停機(jī)），則仿真模型中主體行為模塊加載Agent DLL 并調(diào)用其中的反應(yīng)行為函數(shù)，執(zhí)行該行為；如果是規(guī)劃層行為，仿真自動(dòng)暫停，主體行為模塊加載Agent DLL，并調(diào)用其中已封裝好的智能推理函數(shù)自動(dòng)讀取生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，返回推理結(jié)果，并重新啟動(dòng)仿真程序；如果是協(xié)作層行為，則首先針對協(xié)作任務(wù)通過多主體之間消息傳遞及響應(yīng)完成溝通、協(xié)商過程，然后再依據(jù)溝通或協(xié)商結(jié)果，執(zhí)行完成任務(wù)所需的反應(yīng)層行為、規(guī)劃層行為、或者一般協(xié)作行為。最后，仿真運(yùn)行至設(shè)定仿真周期，仿真結(jié)束，輸出仿真結(jié)果。
4 應(yīng)用案例分析
為了說明所提出仿真方法的可行性及應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)箱體生產(chǎn)單元基本情況，基于前面提出的建模方法，應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境采用VC6.0，離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件采用Flexsim, 數(shù)據(jù)處理軟件采用Matlab 建立了面向維修任務(wù)的多主體仿真模型如所示。通過改變仿真設(shè)置比較了單臺(tái)設(shè)備失效時(shí)“專業(yè)化分工”和“人員自治”兩種不同維修策略下的多主體行為及系統(tǒng)績效。其中，“專業(yè)化分工”策略由生產(chǎn)單元制定一名專業(yè)維修人員負(fù)責(zé)維修任務(wù)，其他人員只負(fù)責(zé)生產(chǎn)加工任務(wù)；“人員自治”策略下，不再制定專門的維修人員，所有人員都具備一定的維修技能，負(fù)責(zé)生產(chǎn)加工任務(wù)同時(shí)也負(fù)責(zé)維修任務(wù)。
在兩種策略下，故障修復(fù)時(shí)間計(jì)算方法相同：修復(fù)時(shí)間=維修前等待時(shí)間+維修時(shí)間。運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真輸出數(shù)據(jù)可知，“專業(yè)化分工”策略下仿真周期內(nèi)，M10 失效了51 次，全部由LR 維修，可以得出其平均維修時(shí)間為49.5398 分鐘，維修前平均等待時(shí)間為11.05882353 分鐘，平均修復(fù)時(shí)間60.59863 分鐘；“人員自治”策略下仿真周期內(nèi)，M10 失效了52 次，其中有11 次是L1 單獨(dú)完成維修，其它41 次則是在不同協(xié)作伙伴協(xié)作下完成維修，其中可以得出其平均維修時(shí)間為56.64423 分鐘，維修前平均等待時(shí)間為4.5 分鐘，平均修復(fù)時(shí)間61.14423 分鐘。兩種策略下維修時(shí)間的對比如所示。
仿真結(jié)果表明：專業(yè)化分工下維修時(shí)間與人員自治下維修時(shí)間有顯著性差異，且前者更短；專業(yè)化分工下維修前等待時(shí)間與人員自治下維修前等待時(shí)間有顯著性差異，且后者更短；兩種策略下的修復(fù)時(shí)間無顯著性差異。這說明：人員自治下，維修時(shí)間盡管較專業(yè)化分工下更長，卻有更短的維修前等待時(shí)間，且修復(fù)時(shí)間也達(dá)到了專業(yè)化分工水平；同時(shí)不需要專門維修人員, 節(jié)省人力資源。因此，仿真結(jié)果不僅表明了組織策略對生產(chǎn)系統(tǒng)績效有很大影響，而且驗(yàn)證了所提出的仿真方法可以用來研究不同組織策略下生產(chǎn)者個(gè)體及組織行為對整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響機(jī)理。
5 結(jié)論
針對一般離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真無法表達(dá)生產(chǎn)者智能行為及其對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響和當(dāng)前智能主體在離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真中應(yīng)用的不足，本文提出一種基于智能主體模型及集成軟件平臺(tái)的仿真方法，并給出了一個(gè)離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真的應(yīng)用案例。實(shí)例研究表明，該方法解決了離散生產(chǎn)系統(tǒng)仿真中人的行為不易表達(dá)的難題，為針對生產(chǎn)系統(tǒng)中不同組織策略下生產(chǎn)者個(gè)體及組織行為對整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響機(jī)理的仿真提供了一條新的途徑。今后研究將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步對多主體之間的復(fù)雜協(xié)作行為進(jìn)行研究。
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