基于软件Agent的虚拟工艺设计系统的研究

1 引言

　　敏捷制造是面向21世纪的企业发展战略和模式，虚拟企业(或企业动态联盟)是实现敏捷制造的主要途径。虚拟企业克服了传统企业的封闭性、局限性和设计、制造能力的不完备性，强调充分利用社会上已有的设计、制造资源，通过组织动态联盟，减少资源的重复投入，缩短生产准备周期，提高产品从设计、制造到销售全过程的整体柔性和敏捷性，增强企业(群体)的竞争能力。

　　如上所述，在虚拟企业中，由于组织的分散化和国际化，产品的工艺设计将由核心企业和合作企业分别完成，跨地域的联合工艺设计将成为虚拟企业工艺设计的主要方式。

　　2 基于多Agent的虚拟工艺设计系统一VPPS

　　2.1 虚拟工艺设计的三层体系结构

　　传统的工艺设计系统采用的是二级体系——车间级、企业级，企业级进行总体工艺设计，主要包括：产品结构工艺性审查，产品工艺零件组划分，产品工艺流程(亦称分工计划)制定;车间级进行专项工艺设计，包括毛坏制造工艺设计，零件加工工艺设计，各种热处理、表面处理等工艺设计，焊接、装配等工艺设计，监测、试验等其他工艺设计等。

　　在虚拟企业中，异地联合设计将成为工艺设计的主要方式，传统的工艺设计系统已无法适应新形势下的要求，为此，在传统的一级体系基础上，增加一个企业合作级，构建了虚拟工艺设计系统的二级体系结构—车间级、企业级和企业合作级。具体地说，当某一新产品的工艺设计任务下达给某一企业后，企业首先根据自身的加工能力、工艺设计要求、原材料供应状况等做出判断是否承接，当自身能力不足或部分满足时，可将工艺设计任务的个部或部分转让给其他协科企业(企业合作级)，以保证工艺设计任务顺利、高效的完成。

　　2.2 Agent和多Agent联邦

　　作为一种能代表用户去执行计算和信息处理任务的智能化软件实体，Agent一般都具有社交和领域知识，能依据心理状态(信念、期望和意向)自主工作，并具有语义互操科和合作的协调能力。

　　定义1： Agent可表示为一个五元组，Agent=(Activity-Mod-el，Self-Model，Behavior-Controller，Info-Blackboard，Commnnication-Interface)，其中：

　　Activity-Model——描述一组由该Agent调度和监控的活动，活动(参见定义2)可以是基本的(不可分解)或复合的，复合活动往往需要由多Agent系统(Multi-agent System，MAS)中的多个Agent协作执行。

　　Self-Model——描述该Agent拥有的执行基本活动的技能和执行复合活动的意向。

　　Behavior-Controller负责控制Agent的行为，分两个层次：协作层和领域层，协作层实行对复合活动的联合，领域层则启动执行面向基本活动的技能。

　　Info-Blackboard—记载该Agent接受的外部信息和自身运行时产生的中间结果或信息。

　　Communication-Interface—支持与其它Agent(或人)间的通信。

　　多Agent系统是由多个Agent组成的集合，其中每个Agent都能作用于自身和环境，并与其他Agent进行通讯。在MAS中，Agent之间的合们起着极重要的们用，通过合作，MAS提高了整个系统求解问题的水平。

　　定义2：作为一类特殊的Agent系统(Multi-agent Sys-tem，MAS)，Agent联邦(Agent-Federation)可以定义为一个两元组(Manager-Agent，Member-Agent-Set)，其中：

　　Manager-Agent代表该联邦的管理Agent，负责过程的调度、规划和分配，是本Agent联邦的核心;

　　Member-Agent-Set代表该联邦内除管理Agent外其它成员Agent组成的集合，以BNF范式描述为：

　　::={}

　　成员Agent在Manager-Agent中注册并接受Manager-Agent分配的子过程并加以执行。

　　类似于MAS，在Agent联邦中，Agent之间的合作起着极重要的作用，通过合作，Agent联邦提高了求解问题的水平，表现出比单个Agent更优越的性能。

　　定义3：Agent之间的合作(Agent-Collaboration)分纵向合们(Vertical-Collaboration)和横向合作(Horizontal-Collabora-tion)两种，以BNF范式描述为：

　　其中，Composite-Process代表需要通过多个Agent合作才能完成的复合过程;Manager代表发起该复合过程的Agent，通常为Agent联邦中的Manager-Agent：Other-Manager-Set代表参与横向合作的其它Agent联邦中的Manager-Agent所组成的集合。

　　通常情况下，Agent之间的纵向合作发生在Agent联邦内部，为简化起见，这种纵向合作以Manager-Agent对Member-Agent的调度方式进行，也就是说，Member-Agent只是负责接受Manager-Agent分配的Sub-Process并加以执行;而Agent之间的横向合作发生在Agent联邦之间，由各联邦的Manager-Agent和互协商确定是否参与合作。2.3 基于多Agent的虚拟工艺设计系统VPPS

　　针对虚拟企业工艺设计的上述特点，通过Agent技术的引入，笔者构建了一个虚拟工艺设计系统—VPPS< Virtual Process Planning System)，系统采用了较为合理的管理模式：整个系统中，各协作企业结成竞争和协作关系(各企业追求自身利益的最大化)，同企业内部所属的各车间则采用完全合作的关系(以企业整体利益最人为目标)。

　　如图11听示，整个系统最主要分成了企业模块和操作单元模块两大部分，企业接到工艺设计任务后，以“纵向招标”方式将各任务“预分配”给下属的车间单元，若企业自身缺乏能力完成该工艺设计任务的全部或部分后(表现为子任务无相应的投标者)，则将不能完成的工艺设计任务以“横向招标”方式“预转让”给其他协作企业。在工艺设计任务完成“预分配”(或“预转让”)后，企业可根据成本核算函数确定各子任务的最终完成者，并向满足条件的车间(或协作企业)发消息，将其从“预定完成人”确定为“完成人”，使子任务真正落实。

　　图1 系统任务分配示意图

　　整个虚拟企业工艺设计任务的主体是若干企业，系统为每个企业设立一个Agent联邦，它下面包括一个企业级Agent(EA)，若干个车间级Agent(CA)和一个接口Agent(IA)，联邦的框架结构如图2所示。Agent联邦可分层嵌套，层次的多少根据系统的复杂程度而定。如某一CA若发现承接的工艺设计子任务过于复杂，可将工艺设计任务进步划分为各子任务，分配给再下一层的Agent联邦执行。

　　图2 VPPS的Agent联邦的框架

　　2.4 系统级Agent的面向对象分析

　　各Agent具体功能如下所述：

　　(1) 企业级Agent(EA)

　　进行总体工艺设计，主要包括：产品结构工艺性审查，产品工艺零件组划分，产品工艺流程(亦称分工计划)制定;

　　将每一个工艺设计子任务“预分配”给下属众多的CA;

　　“预转让”工艺设计子任务给其协作的EA;

　　根据投标信息，实现工艺设计子任务的实际分配和转让;

　　出现异常情况时，将工艺设计子任务进行重新分配(或重新转让);

　　(2)车间级Agent(CA)

　　对到达的工艺设计子任务进行成本估算，并依据自身的能力决定是否投标，在投标的基础上，将估算结果上报给上层EA;

　　接收异常信息，发送该异常情况信息给上层EA，并修改工艺设计任务集中的相应信息;

　　进行专项工艺设计;

　　(3)接口Agent(IA)

　　接收工艺设计任务，并通知其上层EA;

　　查询本联邦所属CA的信息及其任务分配状况信息;

　　查询有协作关系的EA的信息。

　　3 结论

　　和以往的计算机辅助工艺设计系统相比，VPPS系统更加强调工艺的异地协同设计，充分利用合作企业已有的设计、制造资源，确保了产品工艺设计的可靠性和敏捷性，提高了企业的T、Q、C、S水平，较好地满足了敏捷制造这一先进制造模式对计算机辅助工艺设计提出的新的要求。VPPS系统中的关键技术已在自主开发的商品化软件GS-CAPP中得以实现，并在实际运用中取得了良好的效果。