喬東平，李 浩，肖艷秋

(鄭州輕工業(yè)學院 機電工程學院，鄭州 450002)

0 引言

在全球競爭環(huán)境下,傳統(tǒng)的生產管理系統(tǒng)通常采用集中式系統(tǒng)結構，具有柔性差、不易配置和集成、難修改和擴展的特點[1,2]，對于生產過程中的突發(fā)事件處理能力較弱?；诜植际經Q策和局部控制的分布式生產管理系統(tǒng)能夠較好滿足生產過程管理面臨的新挑戰(zhàn)，它通過松散耦合的問題解決者之間的協(xié)作為突發(fā)事件處理提供支持[3]。

伴隨著Agent技術的發(fā)展，Agent逐漸成為分布式問題求解的重要手段[4]，基于Agent技術在制造領域構建分布式應用的研究得到了廣泛的關注[5～7]，眾多的研究成果證明起源于分布式人工智能的Agent為構造靈活健壯的分布式生產管理系統(tǒng)提供了新的思路。本文針對裝備制造企業(yè)生產管理的特點，基于Agent技術建立分布式生產管理系統(tǒng)以滿足企業(yè)需要，在分析分布式生產管理系統(tǒng)結構的基礎上，采用擴展面向對象方法建立分布式生產管理系統(tǒng)模型，基于AUM L(Agent Unified M odeling Language)詳細分析了系統(tǒng)的建模過程，給出采用JADE(Java Agent DEvelopment Framework)的系統(tǒng)框架實現。

1 分布式生產管理系統(tǒng)結構

為了實現裝備制造企業(yè)生產過程的有效組織和管理，構建虛擬動態(tài)管理單元實現對參與生產過程的實體進行有效的單元劃分和組織[8]。虛擬動態(tài)管理單元用邏輯單元的概念實現參與生產過程實體的動態(tài)重組，使系統(tǒng)的控制具有自治和協(xié)作的雙重特性，增加了系統(tǒng)的柔性和適應性。參考典型的企業(yè)模型，基于虛擬動態(tài)管理單元將生產車間分為管理層、虛擬動態(tài)管理單元層和執(zhí)行層，相關實體基于生產過程本體進行通信,其層次結構如圖1所示。

圖1 分布式生產管理系統(tǒng)層次結構

在生產管理過程中管理層、虛擬動態(tài)管理單元層和執(zhí)行層之間存在遞階控制，同一層中的實體基于合同網的協(xié)商進行交互，屬于分布式控制。各層的詳細介紹如下：

1）管理層：是生產過程管理的最高管理層，主要負責生產任務的宏觀管理和后勤管理，如生產訂單管理等；負責虛擬動態(tài)管理單元的創(chuàng)建和消亡；對生產安排進行宏觀調控，當虛擬動態(tài)管理單元層發(fā)生沖突時由管理層依據生產實際做出決策；對于一些緊急任務，管理層可以強制進行安排，保證訂單按時交付。

2）虛擬動態(tài)管理單元層：由一組虛擬動態(tài)管理單元組成，是系統(tǒng)的局部管理者，不同的單元負責管理不同的制造實體，根據生產實際對單元內資源使用進行優(yōu)化；負責對單元內的沖突進行解決協(xié)調，并將制造實體的狀態(tài)信息傳遞給管理層。

3）執(zhí)行層：執(zhí)行層處于系統(tǒng)的最底層，由眾多的制造實體構成，它們通過向不同虛擬動態(tài)管理單元注冊，實現資源的共享和充分利用。

生產過程本體為生產過程提供了無二義性的表達，相關實體可以用統(tǒng)一的方式進行信息和知識存儲，彼此之間可以相互理解，為實體之間通信提供語義層支持。

2 面向Agent的分布式生產管理系統(tǒng)模型

2.1 AUML[9]介紹

由FIPA(Foundation For Intelligence Physical Agent)和OMG(Object Management Group)聯合發(fā)布的Agent UML(AUML)[9]通過使用和擴展UML對面向Agent的建模提供支持。由于UML中定義的符號和規(guī)則用來描述Agent系統(tǒng)是不夠的，因此AUML的基本原則是：充分利用UM L已經定義的符號和規(guī)則，但不局限于此，在需要的時候創(chuàng)建新的符號或是借鑒其他領域的符號。AUM L通過擴展UML為面向Agent的系統(tǒng)建模和分析提供了統(tǒng)一的建模語言，采用一系列視圖從不同角度描述系統(tǒng)的靜態(tài)結構和動態(tài)行為，支持面向Agent的系統(tǒng)開發(fā)的整個生命周期的描述。AUML主要在順序視圖、類視圖和狀態(tài)視圖等方面對UML進行了擴展。

AUML將UML中的順序圖擴展后應用于Agent之間的交互描述,引入連接符表達在多個消息(或事件)中選擇一個或若干個以及多個消息(或事件)并發(fā)傳遞(執(zhí)行)的情況，擴展后的順序圖是表達FIPA中交互協(xié)議規(guī)范的基礎。

AUM L中Agent類圖采用UM L衍型的方式定義，包括Agent類的名稱、角色名、狀態(tài)描述、內部行為、對外提供的服務和相關協(xié)議等，實現Agent內部狀態(tài)(屬性、規(guī)則和知識、信念、意圖和目標等)和動態(tài)行為(方法、自治行為、通信和推理行為等)的描述。

AUM L將狀態(tài)圖和活動圖結合起來用于描述Agent之間交互的處理流程和推理行為，通過支持狀態(tài)圖的嵌套實現對Agent間交互和推理的支持。

2.2 面向Agent的分布式生產管理系統(tǒng)建模

采用面向Agent方法對分布式生產管理系統(tǒng)建模，主要是基于AUM L對系統(tǒng)進行分析和模型構建。由于系統(tǒng)包含的功能多且結構復雜，主要從以下七個方面對系統(tǒng)模型進行分析。

1）系統(tǒng)功能需求描述

在傳統(tǒng)的面向對象分析中通常根據系統(tǒng)的目標描述系統(tǒng)需求，進而對其功能進行分析，容易造成需求冗余和需求矛盾。因此面向Agent的建模中基于對生產過程應用場景分析，使用用例圖描述系統(tǒng)功能需求，從用戶的角度獲取系統(tǒng)功能，分布式生產管理系統(tǒng)功能需求描述用例圖如圖2所示。

圖2 功能需求描述用例圖

從圖中可以看出，系統(tǒng)的用戶主要包括：管理人員(factory manager)、計劃員(planner)、調度員(scheduler)、工段長(section chief)、工人(worker)、工藝員(technologist)和庫存管理員(storekeeper)，不同的用戶對系統(tǒng)的功能需求不同，如管理人員主要需要一些查詢功能，包括生產訂單查詢(production order find)和生產計劃查詢(production plan find)等。

2）Agent識別

識別系統(tǒng)中的Agent是構建面向Agent系統(tǒng)的基礎，其結果直接影響系統(tǒng)運行性能。通常依據經驗直接將系統(tǒng)中的物理實體或功能映射為Agent，前者會造成系統(tǒng)中Agent數量過多，運行中通信量大的問題；后者需要在Agent間共享大量的狀態(tài)變量，增加系統(tǒng)中Agent間的額外交互。綜合使用兩種方法識別分布式生產管理系統(tǒng)中的Agent，在執(zhí)行層將物理實體直接映射為Agent，方便管理其狀態(tài)；在虛擬動態(tài)管理單元層和管理層將功能模塊映射為Agent，通過共享功能模塊之間的狀態(tài)，減少Agent間交互。在基于AUML描述的模型中Agent是包含一組用例的包，將系統(tǒng)功能需求描述中獲得的用例進行組織，獲得的Agent與用例對應關系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)中Agent與用例的對應關系

系統(tǒng)中的Agent有：管理Agent(M anagement A gen t M A)、虛擬單元管理A gen t(V ir tua l Cell M anagem ent Agent VCM A)、資源管理Agent(Resource Management Agent ResMA)、任務管理Agent(Task M anagement Agent TMA)、資源Agent(Resource Agent RA)、庫房Agent(Warehouse Agent WA)和工藝規(guī)范管理Agent(Process Spec Management Agent PSMA)，其中管理Agent屬于管理層，虛擬單元管理Agent屬于虛擬動態(tài)管理單元層，其他Agent屬于執(zhí)行層。

3）Agent角色識別

通過識別Agent在協(xié)同過程中扮演的不同角色，有助于理解Agent行為方式以及Agent之間的協(xié)同過程。在AUML中采用順序圖來表達Agent的協(xié)同過程，圖中的每一個對象代表一個Agent，通常采用＜角色名＞：＜Agent名＞的語法形式進行命名。管理人員通過管理Agent進行任務分派的交互過程中Agent的角色識別如圖4所示，在此過程中不同的Agent扮演不同的角色，如VCMA是任務分配的管理者，PSMA是工藝規(guī)范的提供者，RA是資源的提供者等，它們通過消息傳遞實現協(xié)同，完成任務分配。

4）任務分解

將系統(tǒng)功能圍繞Agent進行分解，將Agent執(zhí)行的任務標識出來，從組織的角度將Agent承擔的任務進行劃分，有助于對Agent內部狀態(tài)和動態(tài)行為的描述，在AUM L中任務分解用活動圖表示。對任務管理Agent進行任務分解的活動圖如圖5所示，圖中右邊泳道中的活動代表任務管理Agent執(zhí)行的主要任務，在同一泳道中的活動變遷表示其執(zhí)行任務過程中的控制，而不同泳道中的活動變遷則是Agent在活動執(zhí)行過程與其它Agent之間的交互。

圖4 任務分派過程中的角色識別

圖5 任務管理Agent的任務分解圖

5）Agent角色描述

從Agent在執(zhí)行任務時的角色、彼此之間的交互和會話的角度對Agent生命過程進行建模，分析Agent在任務執(zhí)行過程中扮演角色的具體行為。在AUM L中使用類圖來描述Agent承擔的角色，每個類代表一個角色，而Agent使用包含角色的包表示，通過對Agent承擔的角色進行行為描述一方面有助于理解其行為，同時還表達了Agen t承擔不同角色之間的關系以及角色之間的轉化關系，角色之間的關系主要有通信關系(Communications)、依賴關系(Dependencies)和角色轉換關系(Role changes)三種，其中依賴關系又分為服務(service)、資源(resource)、半服務/半資源(soft-service/ soft-resource) 依賴三種。

系統(tǒng)中Agent的角色描述如圖6所示，圖中描述了系統(tǒng)中Agent角色間的通信、依賴和角色轉換關系，如VCMA在進行單元管理時需要與單元內的TMA進行通信獲得單元內任務的狀態(tài)，因此二者之間具有通信關系。

圖6 系統(tǒng)中Agent角色描述

6）Agent交互協(xié)議描述

系統(tǒng)運行過程中Agent之間的交互要遵循標準的協(xié)議，分布式生產管理系統(tǒng)中Agent的通信基于FIPA提出的合同網協(xié)議實現，在AUM L中采用擴展的UM L順序圖對其描述?；诤贤W描述的生產過程中ResMA向RA分配任務的交互協(xié)議如圖7所示。在此過程中，ResMA首先向RA發(fā)送分配任務的消息，如果RA能夠按要求將任務安排，則將任務安排信息發(fā)送給ResMA，否則發(fā)送調整自身任務需求的消息或者非空閑消息;當ResMA接收到調整請求，根據當前的狀況，可以取消分配或者允許調整，RA接收到允許調整消息，將調整任務隊列，并對任務做出安排，將安排信息發(fā)送給ResMA；當ResMA接收到非空閑消息，可以向RA發(fā)送取消任務消息，通過取消其他任務使當前任務獲得安排，當RA接收到取消任務信息后，對任務隊列中的任務進行取消操作，將任務安排信息發(fā)送到ResMA。

圖7 ResMA向RA分配任務的交互協(xié)議

7）Agent結構定義

在AUML中使用類圖來表示Agent結構，類代表系統(tǒng)中的Agent，類的屬性表示Agent的知識，操作表示Agent的行為，類之間的關系表示Agent之間的通信。Agent的結構圖通常有多Agent結構圖和單個Agent結構圖兩種。前者從整體上對系統(tǒng)中Agent之間的關系進行描述，包含了系統(tǒng)中所有Agent、外部用戶以及它們之間的交互關系，分布式生產管理系統(tǒng)的多Agent結構圖如圖8(a)所示,從整體的角度給出相關Agent的主要知識、行為以及彼此之間的通信關系；后者是在前者的基礎上結合Agent實現技術獲得的單個Agent的結構圖。ResMA的結構圖如圖8(b)、8(c)所示，圖8(b)是ResMA實現的主類結構圖，圖8(c)是ResMA主要的行為類結構圖。

圖8 Agent結構定義圖

根據以上分析，將系統(tǒng)中的單個Agent構建為一個類，Agent的行為根據需要組織為一個或多個類，最后基于AUML構建的系統(tǒng)主要類視圖如圖9所示，圖中Agent之間的關聯關系代表彼此之間的通信。

圖9 系統(tǒng)中Agnet類視圖

3 面向Agent的分布式生產管理系統(tǒng)實現

依據構建的系統(tǒng)模型，采用意大利電信實驗室主持開發(fā)的Agent開發(fā)平臺JADE實現的面向Agent的分布式生產管理系統(tǒng)框架如圖10所示，框架被分為三個層次。

圖10 基于JADE實現的系統(tǒng)框架結構

處于最底層的是JADE分布式Agent平臺和數據庫，前者為系統(tǒng)的運行提供基礎服務，是分布式生產管理系統(tǒng)中Agent平臺的軟件實現，其中消息傳遞系統(tǒng)完成Agent通信管理功能，平臺管理系統(tǒng)功能主要由AMS(Agent Management System)、RMA(Remote Management Agent)和DF(Directory Facilitator)三個代理組成，分別負責系統(tǒng)中Agent管理、Agent界面管理和“黃頁”服務等基本功能，通過擴展JADE平臺提供的功能實現；數據庫中存儲了Agent運行時所必須的數據、知識和規(guī)則，系統(tǒng)運行結果也保存在數據庫中，通過JDBC(Java DataBase Connectivity)與系統(tǒng)中的業(yè)務Agent連接。

處于中間層的是本體組件和Agent組件，其中本體組件是生產管理過程本體的軟件實現，將相關的本體對象組織在一個java包，它們向JADE平臺注冊后可以直接作為系統(tǒng)中代理之間通信內容使用，同時也為業(yè)務Agent內部知識和信息的存儲提供方便；Agent組件是框架中業(yè)務Agent組的軟件實現，是整個框架的業(yè)務核心，它們繼承了JADE開發(fā)工具集中提供的類，運行在不同的JADE容器中，形成分布式應用。

最頂層是界面層，提供方便的人機交互，管理人員可以通過發(fā)送消息干涉Agent的運行和查看其運行結果。該層次的開發(fā)繼承了JADE中提供的圖形界面通用類（jade.gui包），同時使用圖形化的任務顯示工具建立可視化的人機交互環(huán)境。

4 結束語

由于Agent具有自治性、協(xié)同性和社會性等特點，其在分布式系統(tǒng)構建中具有不可替代的優(yōu)勢，但是如何對面向Agent的系統(tǒng)建模，詳細描述Agent自身的屬性、知識、行為以及在多Agent環(huán)境下的組織形態(tài)和動態(tài)交互是系統(tǒng)構建中要解決的重要問題。AUM L通過擴展UML提供了統(tǒng)一的面向Agent的系統(tǒng)建模語言，使得面向對象的思想可以直接應用于面向Agent的系統(tǒng)建模中，為面向Agent系統(tǒng)的建模和分析提供了便利。本文基于AUM L詳細分析了面向Agent的分布式生產管理系統(tǒng)的建模過程，并給出了系統(tǒng)的實現框架。

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