敏捷制造环境下制造单元的控制研究

1　引言  　　敏捷制造的基本思想就是通过动态联盟方法，借助于信息通讯网络，建立能够对市场需求作出快速响应的开放性的制造体系。实现敏捷制造需要对企业组织、运行和管理的各方面进行变革[1]，其组织结构变革的基本特征是建立动态联盟机制，通过组合不同企业的优势资源，形成整体优化的生产制造系统。 　　敏捷制造并不追求单一企业有完备的先进制造设备和技术，而是集中不同企业的优势，为特定的生产任务组建制造单元，任务完成，单元解体。因此，具有敏捷特性的制造单元，或称为敏捷制造单元，也是按动态联盟机制组成的开放性系统，组成制造单元的资源和设备不受企业和地域的限制，系统中优势互补，利益共享。基于这种思想所组成的制造单元，运行和控制方式也必然发生变革。本文旨在通过研究敏捷制造单元的组成、运行和控制特性，寻找敏捷制造单元控制的科学方法，以实现敏捷制造单元组合与控制的优化。 　　2　敏捷制造单元的结构特点 　　(1) 敏捷制造单元的基本组成形式 　　敏捷制造单元基本组成形式如图1所示。它包括传统制造系统中的加工系统(加工设备和辅助设备等)、物流系统(输送、存储和装卸设备等)和控制系统(计划、调度、过程控制等)，但是和传统制造系统不同，这些资源相对独立地分散在不同的地域和不同的企业中，而且是由于生产任务出现而组合，随着任务的完成而解体。分布的制造资源通过(Internet)相互联系，资源控制器直接控制所属资源的运作，保证在规定的期限内完成所承担的生产任务。所有的资源控制器由敏捷制造单元的单元控制器进行协调和控制。 　　单元控制器属于最早意识到市场机遇的企业或通过协商产生的掌握主要技术的企业，这个企业具有部分的制造设备，甚至可以没有任何制造设备。单元控制器的功能包括制造单元的组合、协调控制及单元的解体，它是敏捷制造单元的核心。 　　各分布资源通过智能代理(又称代理)建立联接，它是企业和Internet的接口。代理是具有自治性和能动性的具有一定智能的软件，可以实现网络通讯以完成用户交给的一般任务，也能承担人们因各种原因(如速度过慢、大量重复等)而难以完成的工作[2]。代理具有一定的智能，它能够在一个非确定的环境中自动执行任务，并且在考虑自身利益和一般规则的基础上进行决策分析。代理技术的应用范围相当广阔，在此我们只强调代理的两个功能：搜索代理和信息代理。搜索代理负责向其它代理发送搜索信息，信息代理则负责响应其它代理的搜索请求以及进行信息交换。 　　(2) 敏捷制造单元的特性 　　敏捷制造单元的主要特性表现在系统的开放性、柔性和健壮性。敏捷制造单元是开放而不是封闭的系统，构成制造单元的制造资源没有地域和企业的限制，制造资源的拥有者们本着共同获利的原则，借助于Internet而结合在一起，通过有效的集成构成一个统一的整体。然而开放性也使制造资源的分布和异构成为最典型的特征，从而使信息集成成为敏捷制造单元能否有效运行的关键。信息集成要求有效实现远程制造资源和本地制造资源融合，使控制系统能够进行统一、协调的控制，保证制造过程的优化，同时也要保持信息的相对独立性，在单元解体时，信息能够有效分解。 　　敏捷制造能够对市场变化作出灵敏反映，快速且高质量地生产市场需求的产品，其前提是制造单元能够围绕产品而动态重组。通过动态重组，使敏捷制造单元具有很高的柔性，从理论上讲，它几乎可以生产出任何产品。但由于制造单元的柔性是敏捷制造单元的重组为基础，因此必须采用模块化方法或面向对象的技术建立系统模型，编写控制软件，并注重各种模型与软件的重用性以及它们之间的重组能力。 　　虽然组成敏捷制造单元的资源分布在不同的地域，但和常规的生产系统一样，要能够对其进行有效的调度和控制。健壮性体现在控制系统具有能够支持跨地域的大规模协同工作的能力。同时，由于资源的集成并不意味着敏捷制造单元能够占用所集成资源的全部生产能力，因此控制系统要能够在生产环境、生产状态和资源等变化的情况下，采取有效的协调和应变策略，保证系统的优化运行。 　　3　敏捷制造单元控制 　　敏捷制造单元位于敏捷制造系统的底层，它根据上层组织所确定的生产任务进行组合，敏捷制造单元控制的主要功能包括制造单元组建、单元的优化决策和制造单元运行控制。 　　(1) 敏捷制造单元的组建 　　敏捷制造单元组建流程如图2所示。系统的单元控制器首先通过Internet搜索和寻找合作伙伴，配齐生产所需的制造资源。由图1知，智能代理是企业和网络的接口，通过智能代理完成资源搜索和接收。网络上的任何用户都可以作为搜索的请求者将需要寻找的资源内容交给智能代理，并由其转换成适当的信息查询请求格式，在网上发布或直接转发到相关的企业。当智能代理接收到信息查询请求时，激活本地数据库进行查询，并将查询结果和相关信息返回给发送请求的代理。 　　通过网络搜索将获得许多符合要求的资源信息，需要进行评估，选择最优的合作者。制造资源的筛选通过专家系统来完成。专家系统将根据合作者所提供的生产能力、加工费用、生产周期以及运输费用等进行归纳整理和对合作者排序。专家系统有良好的人机交互界面，能够根据需要方便地修改不同项目、不同资源和不同企业的权值，使具有良好合作记录的企业具有较高的得分。 　　动态联盟确认属于敏捷制造中管理层的职能，管理层位于制造单元的上层。单元控制器将排好序的拥有所需资源的预选合作者名单报送给管理层，由管理层同预选者进行动态联盟确认，签定诸如合作方式、资源使用限制、利润分配等协议。 　　合作者一旦确定，单元控制器通过智能代理下载相关的资源信息，并转换成与本地资源信息相一致的格式，同时把远程资源信息中相应的语义、分布映射信息等存入知识库。 　　敏捷制造单元动态重构特性，使系统的信息集成任务十分艰巨。采用面向对象的技术能够提高信息和软件的重用性，简化单元控制，并使单元重构更为容易。对象划分将资源信息转化为对象模式，按资源对象、加工对象和进程驱动对象进行分类。资源对象包括加工设备、辅助设备如机床、刀具、夹具等以及相关属性如加工能力、使用条件、使用费用等，加工对象则是对加工任务的抽象描述，包括车削、铣削等以及加工零件尺寸、材料和工时等;进程驱动对象反映系统状态变化而引起的操作变化规律，如加工任务完成、加工任务取消、机床故障等，体现系统从一个事件变化到另一个事件需要满足的条件和控制规律。对象分析是为了找出不同对象之间的共性和相互关系，进行对象一致性的分析和定义，消除冲突和冗余，提高对象封装凝聚度[3]。系统对制造资源进行封装，使对象之间相互依存性达到最小，保证对象的独立性。对象封装既能够为系统控制提供更为简明的信息，又使制造资源改变而对对象结构和操作实现方法进行修改时，不必对控制软件进行太大的修改。 　　在前述各项任务完成后，即可建立分布资源的连接，编制单元的控制软件，组建敏捷制造单元。 　　(2) 敏捷制造单元的控制结构 　　敏捷制造单元的控制结构如图3所示，这里弱化了分布资源控制器之间的横向联系(对敏捷制造单元的正常运转过程而言，该假定是正确的)，把敏捷制造单元划分为一个三层递阶控制结构。单元控制器主要功能包括： 　　①　确定单元的生产能力，识别分布资源互补性和可替换性。互补资源各自完成一定的任务，和其它资源间不能互相取代，从系统输入和输出的角度看，它是串联环节，机床利用率高，但可靠性和柔性降低;可替换资源表示可由其它资源替代，属于并联环节，系统柔性增加，但生产率较低。通常这两种类型资源同时存在于系统中[4]。 　　②　制定生产计划，为各分布资源合理地分配生产任务。设产品的交货时间为TL，任务要求完成时间的上限为TS，松弛时间为TF，有： 　　TL=max(Tpi Tti) 　　其中i=1，…，n代表各分布资源，Tpi为生产时间，包括从接受任务到开始生产的准备时间和生产所需的时间;Tti为分布资源将生产好的零件输送到交货地点所需要的时间。若TF=TS-TL为负值，则表示任务不能按时完成，需要进行调整。 　　资源控制器是控制结构的第二层，主要控制功能包括：a.为所管辖的资源作出优化调度，调度方法可以采用在柔性制造系统中广泛应用的诸如优化算法、专家系统、神经网络和遗传算法等;b.生产过程的实时控制;c.将生产过程中的动态数据及时采集，定时报告给单元控制器。 　　控制结构的第三层由各制造和物流设备的控制器组成，用于控制设备正确完成各种操作，并将设备状态信息及时反馈到资源控制器。 　　(3) 敏捷制造单元运行控制 　　敏捷制造单元的分布式结构，使单元控制系统也是一种分散控制结构。为更好实现敏捷制造单元的优化决策和控制，建立敏捷制造单元的虚拟模型。虚拟制造单元是现实制造单元在虚拟环境中的映射，它由虚拟信息系统和虚拟物理系统组成，分别对应现实信息系统和现实物理系统，其抽象模型与真实实体一一对应，并具有与真实实体相同的性能、行为和功能。利用面向对象技术组建敏捷制造单元时所用的对象信息模型能够直接应用于建立虚拟制造单元。虚拟制造单元的地域概念消失，可以采用现有的各种先进技术实现系统的优化决策和控制。同时可以利用虚拟制造单元进行仿真运行，检验计划和调度策略是否最优，对系统运行结果进行评估。 　　在单元的实际运行过程中，分布资源控制器对所属资源进行优化调度，并将有关的生产数据、系统状态和进展汇总到单元控制器。由于分布资源控制器管辖的资源可能还属于另外一个敏捷制造单元，资源控制器需要统一调度和控制，但必须将属于不同制造单元的加工信息分类汇总。单元控制器通过所有返回信息的组合来了解系统运行全貌。当发现某分布资源未能按照进度进行生产时，通过网络进行协商，并确定是否需要调整生产计划或重新分配生产任务。 　　敏捷制造单元控制器的生产控制功能结构如图4所示，其主要部分是知识库、数据库和智能决策系统。 　　知识库存放单元决策的知识，如推理规则、评判准则等。知识库中知识层次包括概念、事实、状态之间联系等领域层知识、决策触发控制、动态调度控制等控制层知识和系统优化目标、入选资源判别、运行结果评判等规划层知识。数据库包括基本生产数据、系统状态和现行生产数据以及组成系统的分布资源信息和生产计划和任务分配情况。其中系统状态和现行生产数据反映了系统的生产进程，来源于生产过程中的反馈信息。智能决策是单元控制核心，其最终目的是在按时完成生产任务的前提下，使制造单元控制达到全局最优。智能决策模块包括状态识别和优化控制两部分，前者是根据生产状态信息推导现行系统状态，并和预定的生产进行相比较，如果生产出现延误，则激活优化控制模块。 　　在制造过程中出现生产延误时，智能决策系统首先检查是否有可替代资源集中选出适当的替代资源，将被延误的生产任务转给替代资源处理。若没有替代资源，则启动资源搜索功能，寻找新的合作伙伴来完成被延误的工作。 　　4　结束语 　　敏捷制造单元控制是实现敏捷制造的重要技术之一。如何对跨地域的、由分布制造资源组成的敏捷制造单元进行有效和优化控制，是我们面临的新课题。本文通过对敏捷制造单元结构特点、单元特性进行分析，提出敏捷制造单元组建和控制结构和方法，为敏捷制造单元控制提供了新的途径。敏捷制造单元控制是前景广阔、富有挑战性的研究工作，我们已经迈出了重要的一步，但还有许多难题需要进一步研究解决，才能实现我们所提出的控制方法和技术。

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