倪妍婷， 李羽晨， 姚　進(jìn)

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610106； 2.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都　610024)

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基于Multi-Agent的混流生產(chǎn)多工廠產(chǎn)能分配系統(tǒng)開發(fā)

倪妍婷1， 李羽晨2， 姚進(jìn)2

(1.成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都610106； 2.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都610024)

摘要：針對(duì)混流生產(chǎn)計(jì)劃分配過(guò)程中多產(chǎn)品、多工廠的產(chǎn)能平衡問(wèn)題，分析了混流生產(chǎn)多工廠計(jì)劃分配流程，構(gòu)建了多工廠產(chǎn)能系統(tǒng)模型，并討論了在產(chǎn)能平衡過(guò)程中的具體優(yōu)化算法.應(yīng)用分布式Multi-Agent技術(shù)和JADE平臺(tái)開發(fā)了混流生產(chǎn)系統(tǒng)多工廠產(chǎn)能分配系統(tǒng)，有效地協(xié)助混流生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃過(guò)程中的多工廠產(chǎn)能平衡.

關(guān)鍵詞：混流裝配生產(chǎn)；產(chǎn)能管理；Multi-Agent；JADE平臺(tái)

0引言

混流生產(chǎn)系統(tǒng)是基于JIT等生產(chǎn)模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型的生產(chǎn)模式.混流生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)線的產(chǎn)品通常是一種基型，之后再配備多種變型[1-2].各種類型的產(chǎn)品可以是大批量，也可以是小批量.因此，在其生產(chǎn)計(jì)劃的過(guò)程中，混流生產(chǎn)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的生產(chǎn)類型，其產(chǎn)能分配矩陣要復(fù)雜很多.同時(shí)，由于混流生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)集中在汽車、家電、半導(dǎo)體這種大規(guī)模性質(zhì)的生產(chǎn)中，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展的大背景下，這些生產(chǎn)企業(yè)多數(shù)采用多地域、多工廠的生產(chǎn)布局策略[3].這種分布式多工廠制造通過(guò)一定的協(xié)調(diào)機(jī)制對(duì)整個(gè)分布式制造系統(tǒng)資源進(jìn)行分配，可達(dá)到有效地協(xié)同.例如，在產(chǎn)能管理和優(yōu)化的研究中，郭永輝[4]提出了基于DBR理論的供應(yīng)鏈協(xié)同產(chǎn)能規(guī)劃方法，建立了協(xié)同產(chǎn)能規(guī)劃建模體系模型及具體實(shí)施步驟，并將其所提出的方法應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)鏈中，證明了所提出的方法的有效性；魯洪祥等[5]提出了基于產(chǎn)能的面向交貨期供應(yīng)鏈協(xié)同定價(jià)決策模型，分析了供應(yīng)商如何根據(jù)自身的交貨期和產(chǎn)能來(lái)確定產(chǎn)品的最適合售價(jià)，并通過(guò)數(shù)值分析，驗(yàn)證了該方法的合理性；辜志強(qiáng)等[6]構(gòu)建了基于產(chǎn)能柔性的裝飾布企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃模型，討論了提高裝飾布企業(yè)產(chǎn)能柔性方法，并給出了遺傳算法的具體求解步驟；葛紅玉等[7]提出了基于自由產(chǎn)能的固定節(jié)拍混流線平衡仿真方法，該方法采用自由產(chǎn)能的方式，并運(yùn)用flexsim軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證該方法能有效改善系統(tǒng)的性能.

在混流企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃過(guò)程中，從產(chǎn)品體系分解到需求分配及產(chǎn)能平衡是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及多種產(chǎn)品、多個(gè)工廠計(jì)劃分配及產(chǎn)能注冊(cè)等一系列問(wèn)題，存在多種變化因素，面臨再計(jì)劃和優(yōu)化反饋值的壓力.盡管已有研究對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃中的產(chǎn)能問(wèn)題進(jìn)行了分析和建模，但對(duì)于混流生產(chǎn)系統(tǒng)的這種復(fù)雜的產(chǎn)能分配過(guò)程，仍需要進(jìn)一步地深化研究；對(duì)于混流系統(tǒng)的多工廠、多產(chǎn)品的特性需要進(jìn)行針對(duì)性分析.同時(shí)，有必要建立輔助產(chǎn)能管理交互平臺(tái)，協(xié)助生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)能方面的管理工作.基于此，本研究構(gòu)建了混流生產(chǎn)多工廠產(chǎn)能系統(tǒng)模型，討論了在產(chǎn)能分配過(guò)程中的優(yōu)化算法，并應(yīng)用分布式Multi-Agent技術(shù)和JADE平臺(tái)開發(fā)了一種混流生產(chǎn)系統(tǒng)多工廠產(chǎn)能分配系統(tǒng)平臺(tái).

1多工廠產(chǎn)能系統(tǒng)建模

1.1混流生產(chǎn)多工廠生產(chǎn)計(jì)劃分配流程

在計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展的大背景下，網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)日漸提上了日程.其利用計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將不同地理位置的工廠、設(shè)備、技術(shù)及人員連接成一個(gè)整體，提高了生產(chǎn)整體的柔性、動(dòng)態(tài)適應(yīng)性及分布式運(yùn)作， 從而降低了由單個(gè)節(jié)點(diǎn)問(wèn)題所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，提高了整體性能響應(yīng)度，降低了運(yùn)作、運(yùn)輸成本，并且最終實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)客戶需求，獲得了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).由于混流裝配系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，存在多產(chǎn)品、多工廠的性質(zhì).其生產(chǎn)計(jì)劃分配過(guò)程一般分為3個(gè)階段(見圖1).第一階段，在指定的周期內(nèi)，由市場(chǎng)戰(zhàn)略部門對(duì)訂單進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，得出一定的訂單預(yù)測(cè)數(shù)量；第二階段，總體規(guī)劃部門對(duì)市場(chǎng)預(yù)測(cè)情況進(jìn)行再分析，完成對(duì)訂單進(jìn)行產(chǎn)品體系的分解和重組，并轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)制造過(guò)程中的產(chǎn)品名稱和數(shù)量，初步形成總體需求預(yù)測(cè)表(Demand Forecast List)；第三階段，總體規(guī)劃部門根據(jù)最新的工廠注冊(cè)產(chǎn)能矩陣對(duì)總體需求預(yù)測(cè)數(shù)量進(jìn)行工廠劃分(Factory Split).

圖1多工廠環(huán)境下生產(chǎn)計(jì)劃分配流程示意圖

1.2多工廠產(chǎn)能分配模型

在模型建立之前，根據(jù)混流生產(chǎn)計(jì)劃的背景和界定的應(yīng)用范圍，首先設(shè)定以下幾項(xiàng)必要的假設(shè)條件.

1)假設(shè)每次進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃之前，都需要對(duì)單工廠的產(chǎn)能進(jìn)行重新評(píng)估；

2)假定原材料、人員及間接材料等資源都是無(wú)限充足的，不會(huì)成為模型的約束條件，且提前期假設(shè)為零；

3)產(chǎn)品存在生產(chǎn)凍結(jié)期(Frozen Week),凍結(jié)期內(nèi)的生產(chǎn)計(jì)劃不能改變；

4)多工廠需求分配(Factory Split)作為已知輸入條件，即作為模型投標(biāo)值進(jìn)行討論；

5)各個(gè)產(chǎn)品權(quán)重和最低需求反饋值(Drop Dead)給定，并作為反饋值約束條件.

在確定能力平衡目標(biāo)函數(shù)之前，本研究先定義如下關(guān)鍵參數(shù)的符號(hào)：

i=1,2,…，n；產(chǎn)品種類名稱.

k=1,2,…，K；計(jì)劃周期(一般以周為單位).

j=1,2,…，m；生產(chǎn)站點(diǎn)序列號(hào).

pi=產(chǎn)品權(quán)重(根據(jù)訂單的緊急程度給出).

Dik=第k周i產(chǎn)品的訂單需求.

Rik=計(jì)劃反饋需求值.

(1)

式(1)表示在多工廠制定生產(chǎn)計(jì)劃的產(chǎn)能平衡過(guò)程中，目標(biāo)是最小化每個(gè)單工廠需求和反饋的“差值”，最小化產(chǎn)能過(guò)剩和產(chǎn)能不足的情況.

2產(chǎn)能平衡優(yōu)化算法

通常，由于混流生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品的復(fù)雜性和多地域性，在產(chǎn)能分析過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：

1)客戶需求在不同階段產(chǎn)品矩陣(Product Mix)會(huì)不同，而相應(yīng)的不同時(shí)間段產(chǎn)能由于工廠內(nèi)部的活動(dòng)預(yù)期，比如新產(chǎn)品占用機(jī)器計(jì)劃，工程樣品測(cè)試時(shí)間等，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)能不均衡.

2)產(chǎn)能計(jì)算完畢存在某時(shí)間段產(chǎn)能剩余，某時(shí)間段產(chǎn)能不足.產(chǎn)能低于客戶需求，會(huì)造成訂單丟失的風(fēng)險(xiǎn).

3)在客戶需求低于某一單一工廠產(chǎn)能的情況下，可能導(dǎo)致工廠產(chǎn)能浪費(fèi)，也帶來(lái)庫(kù)存過(guò)剩的風(fēng)險(xiǎn).

為解決以上問(wèn)題，本研究提出以下2種產(chǎn)能平衡的辦法.

1)逐段分配法.即通過(guò)提前或推后的方法，將不能滿足周期的需求放置到產(chǎn)能有冗余的周期內(nèi)，從而達(dá)到產(chǎn)能優(yōu)化，其約束條件是不使被提前的時(shí)間段出現(xiàn)新的超負(fù)荷.

設(shè)產(chǎn)品i從k時(shí)間段提前至k′的產(chǎn)品反饋數(shù)量為Xi,需要產(chǎn)能為CapXi，而k′時(shí)間段產(chǎn)能最大值為MCk′,產(chǎn)能空余量為θMCk′那么該種情況可以表示為，

CapXi≤θMCk′.

2)額外手段平衡法.即通過(guò)提高機(jī)器的可利用率，增加約束站點(diǎn)機(jī)器產(chǎn)能等管理模式.通過(guò)工廠內(nèi)部部門間的協(xié)同，提高自身性能從而達(dá)到提升產(chǎn)能的最終目的.常用的方式是將不能滿足的需求數(shù)量同一化成所需的產(chǎn)能，之后再對(duì)機(jī)器性能或其他方法進(jìn)行同一化處理，通過(guò)溝通最終實(shí)現(xiàn)額外產(chǎn)能的目標(biāo).

3系統(tǒng)功能分析與實(shí)現(xiàn)

在多工廠產(chǎn)能分配的過(guò)程中，存在大量數(shù)據(jù)信息交互的過(guò)程，考慮到Multi-Agent在分布式生產(chǎn)方面的廣泛應(yīng)用和成熟技術(shù)[8]，本研究將該方法應(yīng)用到所提出的產(chǎn)能管理系統(tǒng)中.

3.1系統(tǒng)功能分析

由于軟件開發(fā)平臺(tái)JADE目前被廣泛地應(yīng)用于多智能體的原型系統(tǒng)的開發(fā)，本研究的多工廠產(chǎn)能系統(tǒng)采用JADE和JAVA進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其架構(gòu)如圖2所示.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從下至上分為4層，依次為：提供網(wǎng)絡(luò)通信的TCP/IP協(xié)議層；WinXP操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)層提供了軟件運(yùn)行和數(shù)據(jù)訪問(wèn)環(huán)境；JAVA虛擬機(jī)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧層提供了JADE運(yùn)行環(huán)境和Agent之間消息通信服務(wù)；應(yīng)用層是基于JADE平臺(tái)的軟件控制系統(tǒng)主體，包括管理Agent和各個(gè)車間Agent，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃過(guò)程不同的需要進(jìn)行相應(yīng)地配置.

圖2基于JADE 的輔助平臺(tái)架構(gòu)示意圖

3.2系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)模擬了某混流裝配生產(chǎn)企業(yè)5個(gè)工廠產(chǎn)能分配過(guò)程，設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)5臺(tái)電腦上運(yùn)行，原型系統(tǒng)硬件環(huán)境如圖3所示.

圖3原型系統(tǒng)硬件環(huán)境示意圖

系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境為：操作系統(tǒng)為WinXP；JAVA版本為JDK 1.7；開發(fā)平臺(tái)為Eclipse 3.2；中間件為JADE；開發(fā)語(yǔ)言為JAVA；可視化軟件為Visual Editor 1.2.

3.3JADE平臺(tái)實(shí)現(xiàn)及其界面

在協(xié)商運(yùn)行前，需要對(duì)多工廠環(huán)境下各個(gè)車間Agent的產(chǎn)能進(jìn)行初始化，在運(yùn)行和交互之前各個(gè)Agent必須在管理Agent系統(tǒng)上注冊(cè)，注冊(cè)之后，由遠(yuǎn)程監(jiān)控Agent(RMA)實(shí)時(shí)管理.本研究在仿真時(shí)根據(jù)案例工廠的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)管理Agent和4個(gè)車間Agent之間的生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)商過(guò)程.平臺(tái)運(yùn)行初始化的界面如圖4所示，整個(gè)仿真開發(fā)環(huán)境界面如圖5所示.同時(shí)，將開發(fā)過(guò)程中所用的JADE軟件包中的XML add-on jar和基本jar庫(kù)導(dǎo)入所對(duì)應(yīng)的JAVA下，每次運(yùn)行時(shí)首先啟動(dòng)JADE平臺(tái)，各個(gè)Agent進(jìn)行相應(yīng)的注冊(cè).

圖4平臺(tái)初始化界面

圖5仿真開發(fā)環(huán)境界面

在基于JADE的多工廠產(chǎn)能分配過(guò)程中，主要包括任務(wù)公布“Publish"(招標(biāo)者招標(biāo))，車間投標(biāo)“Response",管理Agent投標(biāo)集成處理、協(xié)調(diào)、再發(fā)布，車間Agent確認(rèn)再發(fā)布計(jì)劃信息，再次“Response"，最后管理Agent確認(rèn)并最終“Confirm"，代表這次協(xié)商結(jié)束.

下面以某混流裝配工廠某周生產(chǎn)計(jì)劃協(xié)商為例來(lái)展現(xiàn)本仿真系統(tǒng)的具體功能和界面.

系統(tǒng)初始化之后(見圖6)，各個(gè)車間Agent與管理Agent連接“Connected",管理Agent發(fā)布“Publish"生產(chǎn)計(jì)劃信息給各個(gè)Agent，各個(gè)車間Agent已經(jīng)處于連接等待的狀態(tài).經(jīng)過(guò)“產(chǎn)能初始化"之后，準(zhǔn)備發(fā)送給各個(gè)車間Agent每個(gè)月的產(chǎn)品需求信息.之后，管理Agent進(jìn)行信息發(fā)布，計(jì)劃信息傳送到各個(gè)車間Agent界面.車間Agent接收到管理Agent分派給自己的產(chǎn)品計(jì)劃信息之后，工廠內(nèi)部進(jìn)行產(chǎn)能評(píng)估.多Agent之間的信息注冊(cè)、鏈接，生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)布，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第一次信息反饋(見圖7)，管理Agent將反饋回來(lái)的不同車間計(jì)劃值進(jìn)行評(píng)估、分析，并將為完成的計(jì)劃進(jìn)行協(xié)調(diào)并再次“Publish"，車間Agent將最終確認(rèn)的計(jì)劃值反饋后(見圖8)，MA確認(rèn)并公布最終生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)，協(xié)商結(jié)束“Finalized"(見圖9).JADE平臺(tái)還提供了“Sniffer Agent”的界面，通過(guò)該界面，可以追蹤到Agent間的通信歷史(見圖10)，利用“Sniffer Agent"可以追蹤該系統(tǒng)多Agent的交互過(guò)程.

圖6多工廠生產(chǎn)計(jì)劃信息公布

圖7第一次車間Agent產(chǎn)能確認(rèn)投標(biāo)

圖8車間Agent反饋確認(rèn)狀態(tài)顯示

圖9　投標(biāo)結(jié)束

圖10Sniffer Agent追蹤交互過(guò)程

4結(jié)論

針對(duì)混流生產(chǎn)系統(tǒng)的多產(chǎn)品、多工廠特點(diǎn)，本研究分析了生產(chǎn)計(jì)劃分配過(guò)程中存在的產(chǎn)品、地域復(fù)雜性和多樣性問(wèn)題，構(gòu)建了多工廠產(chǎn)能平衡模型，并提出了在產(chǎn)能平衡過(guò)程中的具體優(yōu)化算法，從而進(jìn)行復(fù)雜生產(chǎn)計(jì)劃模式下的產(chǎn)能平衡.應(yīng)用分布式Multi-Agent技術(shù)和JADE平臺(tái)，通過(guò)對(duì)某混流生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃過(guò)程中的調(diào)研，開發(fā)了多工廠模式下的產(chǎn)能管理輔助系統(tǒng)平臺(tái).仿真運(yùn)行表明，本系統(tǒng)能有效地協(xié)助混流生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃過(guò)程中的產(chǎn)能管理和分配.

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Multi-factory Capacity Allocation System Development of Mixed Assembly Production Based on Multi-Agent System

NIYanting1，LIYuchen2，YAOJin2

(1.School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China;2.School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610024, China)

Abstract:Aiming at the problems of multi-product and multi-factory capacity balance during mixed assembly production allocation process,the paper analyzes the production planning allocation process in mixed assembly multi-factories.The multi-factory model is established,and the optimization algorithm is discussed during the capacity balance process.The multi-agent technique and JADE platform are employed to develop the multi-factory capacity allocation system for mixed assembly production system.This system can assist mixed assembly production enterprises to manage multi-factory capacity balance effectively.

Key words:mixed assembly production;capacity management;Multi-Agent;JADE platform

中圖分類號(hào)：TH166；TH186

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：倪妍婷(1980 — )， 女， 博士， 講師， 從事制造過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51505042)資助項(xiàng)目.

收稿日期：2015-12-25.

文章編號(hào)：1004-5422(2016)01-0073-05