顧 曦，張 鑫，唐秋華

（武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430081）

煉鋼－連鑄是鋼鐵制造的重要工藝流程之一，由于各鋼種工藝路徑的差異、不同加工工藝上并行機(jī)的存在以及生產(chǎn)中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，使煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度同時(shí)具有復(fù)雜性、分布性和動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn).這些特點(diǎn)使得煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)同時(shí)具備靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，也使得系統(tǒng)中的功能結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間有著密不可分的聯(lián)系［1］，各功能模塊及數(shù)據(jù)庫之間的交互關(guān)系顯得尤為重要.文獻(xiàn)［2］為連鑄－熱軋過程建立多Agent系統(tǒng)，利用Agent的特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱軋、板坯庫和連鑄之間的消息傳遞.文獻(xiàn)［3］將生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)按照功能劃分為不同的Agent，形成分層分布式系統(tǒng)模型，并建立Agent之間的協(xié)商機(jī)制，采用擴(kuò)展的合同網(wǎng)機(jī)制進(jìn)行型號任務(wù)分配.但是，很少有文獻(xiàn)為煉鋼－連鑄生產(chǎn)過程建立多Agent系統(tǒng).然而由于Agent與對象還是存在諸多的區(qū)別，如Agent具有自治性，具有關(guān)于環(huán)境的知識，而不僅僅是對象的屬性和方法那么簡單［4］，采用傳統(tǒng)的UML無法為多Agent系統(tǒng)建模，需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，以適應(yīng)Agent的特性.

1 面向MAS的UML擴(kuò)展分析

1.1 Agent的特性及目標(biāo)

關(guān)于Agent目前比較容易接受的是 Wooldridge等給出的定義：“智能體是一個(gè)滿足特定設(shè)計(jì)需求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng).它位于特定的環(huán)境中，具有高度的靈活性和自治性”［5］.單個(gè)Agent最基本的特性應(yīng)當(dāng)包括：反應(yīng)性、自治性、面向?qū)ο笮?、移?dòng)性、自適應(yīng)性、通信能力（包括協(xié)商、協(xié)作等能力）、理性、持續(xù)性或時(shí)間連續(xù)性和自動(dòng)性等.單個(gè)Agent的研究目標(biāo)是認(rèn)識與模擬人工智能行為［6］.多智能體系統(tǒng)（Multi－Agent System，MAS）是指多個(gè) Agent通過協(xié)作以完成某些任務(wù)或達(dá)到某些目標(biāo)的計(jì)算系統(tǒng)［7］.多Agent系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)各個(gè)Agent的知識、目標(biāo)、技能、規(guī)劃，并產(chǎn)生出相應(yīng)的行為，以解決問題.

1.2 UML基本建模方法

面向?qū)ο螅∣bject－Oriented，OO）是一種當(dāng)前比較通用的軟件開發(fā)方法.統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是在多種面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)方法融合的基礎(chǔ)上形成的，是一種專用于系統(tǒng)建模的語言，主要以圖形的方式對系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì).利用UML為系統(tǒng)建模，不僅可以詳細(xì)描述系統(tǒng)框架，且易于編程人員的理解.從系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，UML模型中最主要的部分可以分為以下3大類：

用例圖：是從系統(tǒng)外部用戶的角度對系統(tǒng)功能進(jìn)行的描述，刻畫系統(tǒng)用戶和外部系統(tǒng)與本系統(tǒng)的交互，可直觀反映用戶對功能的要求.

有關(guān)靜態(tài)結(jié)構(gòu)的圖：靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖主要用于定義系統(tǒng)中具有重要意義的各種對象和實(shí)現(xiàn)，以及它們之間的關(guān)系，它們是定義系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)，主要包括類圖、對象圖、包圖等.

有關(guān)動(dòng)態(tài)行為的圖：動(dòng)態(tài)行為圖主要用于定義對象在時(shí)間上的的歷史，以及對象之間為達(dá)到一定目標(biāo)所進(jìn)行的通信，即描述系統(tǒng)中的對象在執(zhí)行期間不同時(shí)間點(diǎn)是如何動(dòng)態(tài)交互的，主要包括狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、順序圖等.

這3類模型反映了客觀事物及對象的一些共性規(guī)律，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)展這3類模型，可以用來進(jìn)行多A－gent系統(tǒng)的分析和建模［8］.

1.3 面向Agent的UML擴(kuò)展

對象和Agent都是對客觀世界的抽象，兩者有一定的相似性，但是兩者還有一定的差異，主要表現(xiàn)在：對象封裝了實(shí)體的屬性、方法和事件，而Agent除了封裝這些外，還包括對思維和決策能力的封裝，表現(xiàn)出更高的自治性；Agent能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的變化作出響應(yīng)，而對象不能自主感知外部世界；Agent在運(yùn)行過程中，可以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)不斷改善自己對同一問題的求解能力，而對象的方法是不變的；Agent之間可以進(jìn)行通訊，相互協(xié)調(diào)，從而提高解決問題的能力.因此，UML為Agent系統(tǒng)建模時(shí)，需要對UML進(jìn)行擴(kuò)展，包括關(guān)系的擴(kuò)展和消息模式的擴(kuò)展等.在UML的類圖關(guān)系中，類與類之間的關(guān)系通常有4種：關(guān)聯(lián)、繼承、依賴和精化，而Agent組織中的角色關(guān)系還包括控制關(guān)系、平等關(guān)系等.另外由于Agent處理復(fù)雜問題的能力，如對多個(gè)消息或事件的并發(fā)處理，將消息模式擴(kuò)展為可以同時(shí)發(fā)布消息、在多條路徑中選擇一條或多條路徑發(fā)布消息等等.

2 煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度的多Agent結(jié)構(gòu)分析

2.1 煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度

生產(chǎn)調(diào)度就是組織執(zhí)行生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃的工作.現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，協(xié)作關(guān)系復(fù)雜，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，情況變化快，某一局部發(fā)生故障，或某一措施沒有按期實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)波及整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行.因此，加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度工作，對于及時(shí)了解、掌握生產(chǎn)進(jìn)度，研究分析影響生產(chǎn)的各種因素，根據(jù)不同情況采取相應(yīng)對策，使差距縮小或恢復(fù)正常是非常重要的.具體到煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度過程，涉及到煉鋼（LD）、爐外精煉（包括真空處理RH和鋼包處理LF）和連鑄（CC）3個(gè)關(guān)鍵工序的協(xié)調(diào)組織.由于煉鋼－連鑄生產(chǎn)過程中復(fù)雜的物理和化學(xué)過程交織，原料、半成品和成品間的溫度、化學(xué)成分及物理形態(tài)在各工序都截然不同，因此各種突變和不確定性因素變動(dòng)比較大，從而加劇了煉鋼－連鑄調(diào)度作業(yè)的難度［9］.

2.2 基于多Agent的調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

按照煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)功能的定義，將煉鋼－連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)劃分為任務(wù)Agent、調(diào)度A－gent、工藝Agent、設(shè)備Agent、執(zhí)行Agent和管理Agent.系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫包括工藝數(shù)據(jù)庫、規(guī)則數(shù)據(jù)庫、原料數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)庫和工具數(shù)據(jù)庫等.

各Agent的工作功能和業(yè)務(wù)流程如圖1所示.

圖1 各Agent之間的消息傳遞

1）任務(wù)Agent接收日生產(chǎn)計(jì)劃，包括生產(chǎn)鋼種、規(guī)格、數(shù)量和交貨期等，并下發(fā)至調(diào)度Agent.

2）調(diào)度Agent將日計(jì)劃分解為批次計(jì)劃.下發(fā)至工藝數(shù)據(jù)庫，并允許工藝Agent進(jìn)行投標(biāo).篩選標(biāo)書后生成生產(chǎn)調(diào)度表，并發(fā)送至執(zhí)行Agent.

3）執(zhí)行Agent收到生產(chǎn)調(diào)度表后，組織設(shè)備資源進(jìn)行生產(chǎn).

4）管理Agent收集實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括任務(wù)完成情況、設(shè)備狀況、原料及工具準(zhǔn)備狀況等，并對收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)與調(diào)度Agent協(xié)調(diào)，解決各種生產(chǎn)故障，必要時(shí)對生產(chǎn)調(diào)度表進(jìn)行更新.

為了保證鋼坯能按時(shí)交貨，基于拉式生產(chǎn)思想，在招投標(biāo)過程中，先確定連鑄工藝的加工設(shè)備號和加工時(shí)間，然后是真空或鋼包處理，最后是煉鋼.例如，假設(shè)某鋼種的加工工藝路徑是LD－LF－RH－CC，調(diào)度Agent將批次計(jì)劃先下發(fā)到工藝Agent CC，由CC組織設(shè)備Agent的CC1、CC2、CC3進(jìn)行投標(biāo).調(diào)度Agent確定連鑄調(diào)度表后，將連鑄計(jì)劃發(fā)送至工藝Agent RH，RH組織設(shè)備Agent中的RH1和RH2進(jìn)行投標(biāo)，調(diào)度Agent再確定真空處理計(jì)劃表，并下發(fā)至工藝Agent LF，依此類推.在整個(gè)招投標(biāo)過程中，鋼種各個(gè)工藝的招投標(biāo)順序是按照工藝路徑的反向路徑進(jìn)行的（圖2）.

圖2 招投標(biāo)順序示意圖

3 用戶需求分析及建模

煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的主要用戶是計(jì)劃人員和執(zhí)行人員，主要完成的工作包括任務(wù)Agent接收上級計(jì)劃，將計(jì)劃下發(fā)至調(diào)度Agent；調(diào)度Agent將計(jì)劃分解為批次計(jì)劃，下發(fā)至工藝Agent和設(shè)備Agent進(jìn)行招投標(biāo)，確定生產(chǎn)調(diào)度表；執(zhí)行Agent接收生產(chǎn)調(diào)度表組織生產(chǎn)；管理Agent收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)并分析，及時(shí)解決生產(chǎn)中的各種故障.總體而言，系統(tǒng)包括的功能主要有：生成生產(chǎn)調(diào)度表、組織生產(chǎn)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集并分析.

用例圖是從用戶角度來描述系統(tǒng)功能的，所以在進(jìn)行需求分析時(shí)，使用用例圖可以很好地描述系統(tǒng)所具備的功能，表達(dá)參與者與用例圖的連接關(guān)系.圖3為系統(tǒng)的用例圖.

圖3 系統(tǒng)用例圖

4 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)建模

靜態(tài)模型視圖主要通過類及其相互關(guān)系來反映系統(tǒng)的基本框架，而類本身的屬性和操作則完成用例圖中所表達(dá)的系統(tǒng)功能需求.圖4為系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型.

圖4 系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)主要使用的類定義有：

1）任務(wù)Agent類 主要負(fù)責(zé)接收日生產(chǎn)計(jì)劃，并發(fā)送至調(diào)度Agent，同時(shí)向上級系統(tǒng)反饋生產(chǎn)調(diào)度表，資源不足需要補(bǔ)充，設(shè)備故障需要檢修等.

調(diào)度Agent類 接收日生產(chǎn)計(jì)劃，查詢工藝路徑和規(guī)則信息，分解為批次計(jì)劃，向工藝Agent發(fā)布計(jì)劃，允許投標(biāo)，評估標(biāo)書，生成生產(chǎn)調(diào)度表.當(dāng)管理Agent反饋生產(chǎn)異常時(shí)，及時(shí)更新生產(chǎn)調(diào)度表.

2）工藝Agent類和設(shè)備Agent類 負(fù)責(zé)競標(biāo).同時(shí)工藝Agent按照設(shè)備負(fù)載均衡的原則對標(biāo)書進(jìn)行初步篩選，將結(jié)果發(fā)送至調(diào)度Agent.設(shè)備A－gent還負(fù)責(zé)生產(chǎn).

執(zhí)行Agent類 負(fù)責(zé)組織生產(chǎn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)劃完成情況，并上報(bào)，保證資源合理分配，生產(chǎn)順利進(jìn)行.

3）管理Agent類 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息收集.實(shí)時(shí)收集資源信息和設(shè)備狀態(tài)，下面還有一個(gè)子類問題分析，對生產(chǎn)中發(fā)生的異常進(jìn)行分析，及時(shí)解決生產(chǎn)故障，當(dāng)發(fā)生生產(chǎn)中斷時(shí)，向調(diào)度Agent反饋.

5 動(dòng)態(tài)交互建模

動(dòng)態(tài)行為建模主要用于描述Agent組織中角色間的動(dòng)態(tài)行為，也是Agent社會(huì)性的重要體現(xiàn)，是組織中角色關(guān)系的動(dòng)態(tài)反應(yīng).這也是煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性決定的，系統(tǒng)必須在保證時(shí)間嚴(yán)格性、可靠性的前提下進(jìn)行.在系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)建模主要是對于消息序列的描述，包括消息的發(fā)送和接收.

順序圖是UML中交互圖的重要組成部分，順序圖用一個(gè)二維圖描述系統(tǒng)中各個(gè)對象之間的交互關(guān)系.其中，縱軸是時(shí)間軸，橫軸代表了參與相互作用的對象.當(dāng)對象存在時(shí)，生命線是一條虛線表示，當(dāng)對象的過程處于激活狀態(tài)時(shí)，生命線是一雙道線.消息是從一個(gè)對象到另一個(gè)對象生命線的箭頭表示.箭頭以時(shí)間順序在圖中從上到下排列.

由于Agent與對象之間的差異，在用UML中的順序圖為Agent之間的交互關(guān)系建模時(shí)，需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展.首先是將順序圖中對象的概念擴(kuò)展到Agent，然后是消息格式的擴(kuò)展，允許Agent在多條消息路徑中進(jìn)行選擇，以增強(qiáng)對復(fù)雜情況的應(yīng)對能力.

5.1 生成生產(chǎn)調(diào)度表

圖5為任務(wù)Agent生成生產(chǎn)調(diào)度表順序圖.首先是任務(wù)Agent接收二級機(jī)下發(fā)的日生產(chǎn)計(jì)劃，然后將生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)至調(diào)度Agent，調(diào)度Agent向工藝數(shù)據(jù)庫請求鋼種的工藝路線數(shù)據(jù)，向規(guī)則數(shù)據(jù)庫請求規(guī)則信息，例如有的鋼種需要在特定的鑄機(jī)上加工.將計(jì)劃分解為批次計(jì)劃后，發(fā)送至工藝A－gent，工藝Agent再發(fā)送至設(shè)備Agent，允許設(shè)備Agent進(jìn)行招投標(biāo).這里本文引入文獻(xiàn)［3］中提出的擴(kuò)展UML消息連接圖符表示設(shè)備Agent對批次計(jì)劃的選擇，選擇投標(biāo)或選擇拒絕.工藝Agent對設(shè)備Agent的標(biāo)書進(jìn)行初步評估，在滿足設(shè)備負(fù)載均衡的約束下，將初步篩選的標(biāo)書發(fā)送至調(diào)度Agent，調(diào)度Agent根據(jù)最早加工時(shí)間優(yōu)先的原則選擇任務(wù)合適的設(shè)備和時(shí)間進(jìn)行加工，生成生產(chǎn)調(diào)度表.調(diào)度Agent再將生產(chǎn)調(diào)度表發(fā)送至執(zhí)行Agent、管理Agent和任務(wù)Agent.

圖5 生成生產(chǎn)調(diào)度表順序圖

5.2 組織生產(chǎn)

圖6 為組織生產(chǎn)的順序圖.執(zhí)行Agent收到生產(chǎn)調(diào)度表后，向管理Agent查詢設(shè)備狀態(tài)和資源信息，保證生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃能按時(shí)實(shí)施.然后向設(shè)備A－gent發(fā)出生產(chǎn)指令，設(shè)備Agent向執(zhí)行Agent發(fā)出資源請求，執(zhí)行Agent根據(jù)資源狀況向資源控制器發(fā)出資源請求.設(shè)備Agent收到所需資源后，開始生產(chǎn).在生產(chǎn)過程中，及時(shí)向執(zhí)行Agent反饋計(jì)劃完成狀況，執(zhí)行Agent再將計(jì)劃完成情況反饋至管理A－gent.

5.3 信息收集與數(shù)據(jù)分析

圖7為信息收集與數(shù)據(jù)分析順序圖.管理A－gent會(huì)定時(shí)及在每次執(zhí)行生產(chǎn)計(jì)劃之前向數(shù)據(jù)庫請求資源信息和設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生資源不足或設(shè)備故障時(shí)向任務(wù)Agent反饋，由任務(wù)Agent向上級系統(tǒng)反饋，及時(shí)解決問題.每個(gè)爐次計(jì)劃完成后，執(zhí)行A－gent都會(huì)向管理Agent反饋計(jì)劃完成情況，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)與生產(chǎn)調(diào)度表發(fā)生較大出入時(shí)，管理Agent根據(jù)收集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行原因分析，及時(shí)解決出現(xiàn)的問題，當(dāng)需要對生產(chǎn)調(diào)度表進(jìn)行調(diào)整時(shí)，管理Agent向調(diào)度Agent提出生產(chǎn)調(diào)度表更新請求.每天管理Agent都要向任務(wù)Agent反饋日計(jì)劃完成計(jì)劃，以 便及時(shí)分析原因并調(diào)整第二天的生產(chǎn)計(jì)劃.

6 結(jié)束語

煉鋼－連鑄是鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，由于實(shí)際生產(chǎn)中存在各種動(dòng)態(tài)干擾，在為煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建模時(shí)必須考慮系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性.本文首先構(gòu)建了基于多Agent的煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度組織結(jié)構(gòu)，按照功能分為了若干Agent，再結(jié)合UML描述了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)交互模型，既保證了系統(tǒng)整體的緊湊型，又保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性.

［1］劉 偉，李鐵克.基于UML煉鋼–連鑄車間生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)建模［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（6）：532－536.

［2］Ouelhadj D，Petrovic S，Cowling P I，Meisels A.Interagent cooperation and communication for agent－based robust dynamic scheduling in steel production［J］.Ad－vanced Engineering Informatics，2004，18（3）：161－172.

［3］李敬花，劉文劍.基于多Agent的多型號生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造，2006，12（4）：573－578

［4］高 陽，江資斌.基于擴(kuò)展UML的虛擬企業(yè)多Agent協(xié)作建模研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2006，（2）：108－111.

［5］Wooldridge M，Jennings N R.Intelligent agents：theory and practice［J］.The Knowledge Engineering Review，1995，10（2）：115－152.

［6］劉大有，楊 鯤.Agent研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.軟件學(xué)報(bào)，2000，11（3）：315－321.

［7］Sabar M，Montreuil B，F(xiàn)rayret J M.A multi－agentbased approach for personnel scheduling in assembly centers［J］.Engineering Applications of Articial Intelligence，2009，22（7）：1 080－1 088.

［8］游曉明，帥典勛.基于擴(kuò)展UML的Agent建模語言的設(shè)計(jì)與研究［J］.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2006，27（3）：534－537.

［9］唐秋華，陳偉明.基于JIT的煉鋼－連鑄生產(chǎn)調(diào)度模型研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（1）：78－82.