基于多Agent分布式制造执行系统的建模

引 言

    为降低产品成本、缩短产品生产时间、提高产品质量和资源利用率、降低库存并保证准时交货，人们在20世纪90年代初提出了制造执行系统（MES）的概念。由于MES具有很多优点，目前很多企业都采用MES来管理车间层的信息和活动，以便提高生产率和产品质量.但是，MES非常复杂，并且很多MES采用了集中式和传统分等级的制造系统的结构，因此，这些MES具有柔性差、不易配置和集成、难以修改和扩展的特点。事实证明，采用基于多Agent的分散式、非等级式的系统是使制造系统具有良好柔性的一种有效方法.本文采用UML技术，提出了一种开放式、模块化、分布式、可配置、可集成和可维护的基于多Agent的MES模型。

1 制造系统中的MES域

    到目前为止，关于MES的定义有很多，但都没有任何一个成为统一的标准，最为人们认可的是制造执行系统国际联合会（MESA）的定义：“MES能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，MES能对此及时作出反应、报告，并用当前的准确数据对它们进行指导处理。这种对状态变化的迅速响应使MES能够减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导工厂的生产运作过程，从而使其既能够提高工厂及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。MES还通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。”

    从该定义中可以看出，MES位于ERP层和控制层之间，它起到了桥梁的作用并拉近了二者之间的距离。图1描述了这三层之间的操作、交互活动和数据流。MES使用来自ERP系统计划的工作派遣单和来自车间层的资源状态信息制订短期的制造计划，并分发工作单或加工指令到车间层进行加工。在加工过程中，控制层向MES提供各种状态信息；MES则根据这些信息对在制品（WIP）进行跟踪，控制加工过程，并根据车间层发生的事件作出实时的响应。同时，ERP系统可以查询订单状态、WIP状态和其他性能数据以便作出符合实际的预测和决策。

MESA认为MES有11项功能：资源分配和调度、工序详细计划、生产单元分配、文档控制、数据采集、人力资源管理、质量管理、过程管理、维护管理、产品跟踪和系谱、性能分析。

2 基于多Agent的MES模型

    2.1 基于多Agent的MES建模

    考虑到中国制造企业自动化水平相对较低的现状，本文在以前建立的分布式、可集成的MES模型的基础上提出了一个基于多Agent的MES模型。该模型由三种Agent和一个ERP接口模块组成。

 （1）产品Agent（PA）：产品Agent被实现为带有工作单的移动Agent，这些工作单被封装在可序列化的工作单对象中。当ERP接口模块收到来自ERP的加工单时，产品Agent被其中的Agent管理器创建并注册到Agent全局域（Region），然后移动到目标设备Agent所在的计算机或者控制器并驻留在那里。当加工单任务完成后，它们再移回到原始地并向ERP提交一个报告，然后在那里终止其生命周期。

    （2）设备Agent（DA）：设备Agent是对车间的车床、传输设备等工具的抽象，它们被实现为静止Agent并驻留在连接到设备的计算机或者控制器中。设备Agent可以由MES用户手工创建，也可以在计算机或者控制器启动时自动运行并保持存活状态直到计算机或者控制器关闭。设备Agent根据其设备的功能注册到不同的组（Group）中，这样能减轻产品Agent向设备Agent招标时的网络负担。在产品Agent的指导下，设备Agent负责对产品进行加工，并向管理Agent提供当前的各种状态信息。

    （3）管理Agent（MA）：管理Agent被实现为临时的移动Agent。它们负责那些超出单个产品或设备的任务，如监控产品Agent和设备Agent的活动、收集全局数据、在ERP的请求下获取设备Agent的当前状态。管理Agent由Agent管理器创建并注册到Agent全局域，然后在网络中移动以完成特定的任务，最后回到原始地并终止。

    （4）ERP接口模块：作为MES到ERP系统的代理，ERP接口模块是MES的核心部分，见图3。该模块主要包含三个组件：工作单管理器（WOM）、Agent管理器（AM）和信息请求管理器（IRM）。工作单管理器用来处理ERP下达的制造单，如检查资源、监控制造单。它同时也负责产生工作单并将其传送到Agent管理器。而Agent管理器则负责将工作单管理器传过来的工作单创建成产品Agent和在信息请求管理器的请求下创建管理Agent，并负责控制这些Agent的状态，如删除、挂起、重新开始、查找等。Agent管理器包含一个Agent域和组管理器，它为Agent域和组提供了管理功能，并为产品、管理和设备Agent提供服务。在ERP的请求下，信息请求管理器借助于管理Agent提供了部分MES功能，如数据采集、文档控制、维护管理、性能分析等。

 2.2 MES功能实现

    由于很多的MES功能在逻辑上会相互作用，所以本文采用UML图表综合介绍MES的主要功能。限于篇幅，本文仅对这些具有自解性的UML图表作必要说明。

    2.2.1 计划及相关功能

    工序详细计划功能与生产单元分配、资源分配和调度功能紧密相关，见图4。在进行详细计清单（BOM）和工艺信息，并验证库存状态。Agent划时，工作单管理器需要通过ERP接口获得物料之间的协商方法则采用合同网协议（CNP），事实证明该协议是有效的并已广泛用于基于多Agent的制造系统中。而Agent通信语言则采用知识查询和操作语言（KQML）或者智能物Agent基金会的Agent通信语言（FIPA-ACL），这两者都支持知识交换格式（KIF）作为通信内容表述语言。

2.2.2 产品跟踪及相关功能

    产品跟踪和系谱功能部分地与加工管理、数据采集和性能分析功能相关。这些功能的关键是对制造单的监控。

3 基于多Agent的MES实施框架及应用

    正在实施的基于多Agent的MES框架是在以前的分布式、可集成的Agent框架基础上建立起来的。基于该Agent框架开发的MES被配置在某汽车制造厂的压模车间中，它采用跨平台的Java作为开发语言，并选择用纯Java实现因而可以到处运行的Grasshopper 2.2作为Agent开发平台。

该MES系统采用了多层分布式、基于组件的结构，这种结构具有很好的可升级性、可扩展性、柔性和可维护性。其表示层可以是支持HTML或Java小程序（Applet）的浏览器，它通过http或https协议连接到Web服务器；而Web服务器则采用远程方法调用（RMI）或RMI-IIOP标准协议与应用服务器通信。客户端也可以是通过RMI或RMI-IIOP与应用服务器直接通信的Java独立应用程序。应用服务器，即所谓的中间件或逻辑商务层，是该MES框架的核心部分，它可以通过JDBC访问数据库以及通过私有协议与遗留系统、现存系统、ERP系统等进行集成。

    Agent类文件存放在Web服务器中，Agent程序可以通过http协议访问这些文件，而应用服务器则在本地直接访问它们。应用服务器在其启动时会创建一个全局Agent域，以便让Agent注册。

    试用该MES的压模车间有将近20台冲压机，分成4条生产线，具有比较完备的运料、上料、夹具安装自动化系统。MES从ERP中接收到制造单后，根据BOM、库存、工艺信息生成详细加工计划，并创建工作单；然后采用招投标的方式确定加工机床，并将加工单下发到该设备的加工队列中；加工人员通过MES的文档控制功能下载相应的设计图纸、工艺指令进行加工。在加工过程中，MES中的WIP信息将根据工件的完成情况作相应的更新；也可以通过ERP接口查看某一订单在压模车间的WIP信息。

    采用MES后，压模车间的生产率提高了将近20%（系统完善后，预计生产率将提高40%左右），生产工人的劳动强度明显降低。但由于该系统目前尚处于试用阶段，还有较多不完善的地方，如招投标的时候，由于缺少足够多的设备参数信息，目前还需要人工干预；由于该MES系统还没有与PDM集成的接口，所以图纸、工艺等文档还需要手工上载到MES中以供下载；另外，MES在与加工设备集成时尚需要通过PC与PLC连接而不是直接通过PLC进行控制。其中前两个问题可以通过修改数据库及相应程序、提供新的接口API来解决；而最后一个问题则需要引入Java中的Jini技术来解决，但是其难度明显要比解决前两个问题高很多。

4 结论与展望

    本文提出了一个开放式、分布式、可配置、可集成和可维护的基于多Agent的MES框架。该框架提供了一个可行和有效的方法来解决当前MES中的柔性问题，适合于目前中国的制造业环境。随着自动化水平的提高，该MES可以进行扩展以满足制造系统中出现的新概念和新科技。例如，新的组件可以很容易地加到该MES框架中，以便与客户关系管理系统（CRM）和供应链管理系统（SCM）相集成，这样就可以形成将客户、供应商和制造商紧密联系的延展企业（extended enterprise）。另外，该MES可以扩展为集成了所有制造活动的合弄制造系统（HMS）。通常，一个合弄制造系统包含四种类型的合弄（holon）：订单合弄、产品合弄、资源合弄和人员合弄。在某种程度上，该MES中的产品Agent、设备Agent和管理Agent可以被认为是合弄。通过增加新的功能，本文提出的MES可以扩展成一个完全的合弄制造系统。

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