王昆鵬

（1.中石化石油機(jī)械股份有限公司研究院， 湖北 武漢 430205；2.中國(guó)石化石油機(jī)械裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430205）

引言

制造系統(tǒng)中存在的擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)致使系統(tǒng)性能水平失衡。一些研究人員提出應(yīng)對(duì)這些擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的方法，但他們更關(guān)注于解釋擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的起因，而很少確定擾動(dòng)或風(fēng)險(xiǎn)對(duì)系統(tǒng)期望性能的不利影響。這些方法通常在離線狀態(tài)下起作用，因此無(wú)法被用于分析實(shí)時(shí)變化的制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)。此外，這些研究人員也沒(méi)有設(shè)計(jì)用這些方法監(jiān)控?cái)_動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算機(jī)工具。最近幾年，研究人員受生物免疫機(jī)理啟發(fā)設(shè)計(jì)了一些用于制造系統(tǒng)故障檢測(cè)、診斷和恢復(fù)的人工免疫系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)制造系統(tǒng)擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)。與該系統(tǒng)相關(guān)的方法包括陽(yáng)性選擇算法[1]、陰性選擇算法[2]、基于雙信號(hào)的方法[3]和基于免疫網(wǎng)絡(luò)的方法[4]。在實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)、故障抽取、反應(yīng)和記憶的過(guò)程中，這些方法主要將注意力集中于擾動(dòng)的預(yù)測(cè)和檢測(cè)，但這些研究工作并沒(méi)有關(guān)注人工免疫本體的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及如何在制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Systems，以下簡(jiǎn)稱MES）中應(yīng)用這些本體實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)應(yīng)對(duì)擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的功能。

1 生物免疫相關(guān)概念和原理

在生物世界中，病原體（pathogen）可讓人或動(dòng)植物感染疾病?？乖╝ntigen）是存在于病原體表面的有毒微粒，描述了病原體的具體特征。為了保衛(wèi)病原體的宿主，生物免疫系統(tǒng)憑借抗原呈遞細(xì)胞（APC細(xì)胞）、B細(xì)胞等多種免疫細(xì)胞斗爭(zhēng)和清除抗原和病原體。APC細(xì)胞的一些表面受體可區(qū)分自體（屬于生物體的特征）和異體（例如病原體表面的抗原）。APC細(xì)胞在發(fā)現(xiàn)抗原后會(huì)通過(guò)激活專業(yè)的免疫細(xì)胞發(fā)起和引導(dǎo)免疫應(yīng)答。根據(jù)危險(xiǎn)理論（如圖1所示），病原體表面的抗原可能入侵生物體細(xì)胞。受傷的生物體細(xì)胞放出危險(xiǎn)信號(hào)，并在受傷的細(xì)胞周圍建立一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域，使大量流動(dòng)的免疫細(xì)胞被刺激和征集到感染的位置。在隨后的免疫應(yīng)答中，被危險(xiǎn)信號(hào)的B細(xì)胞增殖和釋放其表面的抗體，以消滅抗原和病原體。該理論啟發(fā)研究人員設(shè)計(jì)和研發(fā)了關(guān)于機(jī)器和過(guò)程異常的檢測(cè)算法。

圖1 危險(xiǎn)理論圖解

2 針對(duì)研究案例的故障樹(shù)分析

本文的研究案例是一個(gè)鋼管制造企業(yè)。研究人員已對(duì)鋼管制造過(guò)程中的各道工序開(kāi)展了故障樹(shù)分析，并將焊接工序識(shí)別為一個(gè)瓶頸工序。該工序可能產(chǎn)生很多擾動(dòng)。接下來(lái)將舉例描述這些擾動(dòng)及其引起的風(fēng)險(xiǎn)。

以焊機(jī)為例，焊接工序需要設(shè)置焊機(jī)的一些參數(shù)值，例如焊接速度值、焊接電流值、焊接電壓值等等。如果焊機(jī)的工藝參數(shù)值偏離了工藝要求規(guī)定值或值域，那么焊機(jī)的零部件可能出現(xiàn)故障。本文對(duì)焊機(jī)進(jìn)行了故障樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，以下簡(jiǎn)寫為FTA）。下頁(yè)圖2顯示了FTA的部分結(jié)果。如下頁(yè)圖2所示，焊接工序故障的原因可能是焊接參數(shù)設(shè)置值不符合工藝要求，也可能是焊接速度值不符合工藝要求。焊接速度值過(guò)大和過(guò)小均表現(xiàn)為焊接速度測(cè)量值不在工藝要求值域內(nèi)。

圖2 焊機(jī)故障樹(shù)分析

除工序外，制造系統(tǒng)中也會(huì)出現(xiàn)與物料、訂單、資源等物理或邏輯實(shí)體相關(guān)的擾動(dòng)。研究人員已進(jìn)行了關(guān)于這些物理或邏輯實(shí)體的故障樹(shù)分析，本節(jié)不做贅述。

3 人工免疫本體的設(shè)計(jì)

對(duì)制造系統(tǒng)中物理或邏輯實(shí)體的故障樹(shù)分析結(jié)果是設(shè)計(jì)人工免疫本體時(shí)必須利用的重要知識(shí)。本節(jié)結(jié)合案例企業(yè)的故障樹(shù)分析結(jié)果，描述了用本體設(shè)計(jì)工具Protégé設(shè)計(jì)人工免疫本體的過(guò)程。

3.1 自體類

自體類相當(dāng)于制造系統(tǒng)的正常（可容忍的、可接受的）運(yùn)行狀態(tài)。自體類可分解為描述時(shí)間、數(shù)量、質(zhì)量、成本和性能規(guī)格相關(guān)知識(shí)的子類（如圖3所示）。自體類子類能連接現(xiàn)有的企業(yè)信息系統(tǒng)和軟件，例如設(shè)計(jì)工具、制造和過(guò)程規(guī)劃工具等等。

3.2 抗原類

抗原類相當(dāng)于擾動(dòng)的特征值，例如對(duì)工藝要求的過(guò)度偏離或者錯(cuò)誤的參數(shù)值。設(shè)計(jì)抗原類是為了獲取擾動(dòng)癥狀知識(shí)。為了動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)工藝要求的偏離，本文用語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言（Semantic Web Rule Language，以下簡(jiǎn)寫為SWRL）編寫了一些規(guī)則。這些規(guī)則允許我們將被監(jiān)視參數(shù)的采集值（例如MES提供的采集值）與自體類中存儲(chǔ)的工藝要求值作比較。圖4列舉了焊接速度測(cè)量值偏離工藝要求值域的兩項(xiàng)推理出抗原類實(shí)例的規(guī)則。與抗原類相關(guān)的這些規(guī)則允許用FTA圖推理出異?？赡芤呀?jīng)發(fā)生。

3.3 病原體類

病原體類代表擾動(dòng)。病原體類子類說(shuō)明了與制造系統(tǒng)物理或邏輯實(shí)體（例如物料、操作、訂單和資源相關(guān)的可能擾動(dòng)的種類（參見(jiàn)3.5節(jié)）。

為了根據(jù)已檢測(cè)到的偏離確定擾動(dòng)類型，我們依賴病原體類相關(guān)的本體約束條件。約束條件允許根據(jù)實(shí)例屬性自動(dòng)分類實(shí)例。圖5列舉了關(guān)于PMachine類的約束條件。這些約束條件規(guī)定，對(duì)“意外發(fā)生的未知情況可被視為PMachine類擾動(dòng)”而言，任何已檢測(cè)到的關(guān)于焊接速度、電流或電壓的偏離都是其必要和充分條件。

圖3 自體類家譜

圖4 推理出抗原類實(shí)例的規(guī)則

圖5 推理出抗原類實(shí)例意味著推理出相應(yīng)的病原體類實(shí)例

3.4 危險(xiǎn)信號(hào)類

危險(xiǎn)理論提供推理以建立制造系統(tǒng)中擾動(dòng)傳播的模型。一個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)相當(dāng)于對(duì)擾動(dòng)影響的評(píng)估。設(shè)計(jì)危險(xiǎn)信號(hào)類是為了獲取關(guān)于制造系統(tǒng)物理和邏輯實(shí)體上可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的知識(shí)。

3.5 細(xì)胞類

細(xì)胞類相當(dāng)于下面兩種實(shí)體。

1）制造系統(tǒng)物理實(shí)體，例如原料、零件、產(chǎn)品和資源（資源例如機(jī)器、工具等）

2）制造系統(tǒng)邏輯實(shí)體，例如訂單（例如供應(yīng)、工作和交通），路線、物料清單等等。

圖6顯示了細(xì)胞類家譜。

圖6 細(xì)胞類家譜

圖7展示了一個(gè)細(xì)胞類實(shí)例（Welding_01）。該實(shí)例表示一項(xiàng)焊接工序。該工序的特征是已創(chuàng)建的速度、電壓和電流自體類實(shí)例。DqualityWeldDefect_01表示焊機(jī)故障對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。

圖7 細(xì)胞類實(shí)例

3.2.7 B細(xì)胞類

B細(xì)胞與監(jiān)控工具和算法（例如計(jì)劃、調(diào)度和排序）有關(guān)。這些監(jiān)控工具和算法能被用于制訂應(yīng)對(duì)決策（即抗體類）以應(yīng)對(duì)擾動(dòng)或其直接和潛在風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)B細(xì)胞類是為了列舉和分類能控制每種擾動(dòng)或風(fēng)險(xiǎn)的決策。圖6展示了B細(xì)胞類家譜。

3.3 人工免疫本體在MES中的應(yīng)用

上述人工免疫本體已在3.1節(jié)中所述鋼管制造企業(yè)實(shí)施的MES中得到應(yīng)用。研究人員在MES中植入了一些具有通用特征的agent，以支持在線應(yīng)對(duì)未被預(yù)測(cè)和不可被預(yù)測(cè)的事件。agent可利用本體中存儲(chǔ)的具有數(shù)據(jù)、規(guī)則和約束條件形式的知識(shí)。本體使agent能用推理機(jī)推理出新的事實(shí)。本文用Pellet2作為推理機(jī)。該推理機(jī)具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型推理能力以及對(duì)SWRL規(guī)則的支持。圖8舉例說(shuō)明了多個(gè)agent如何利用本體協(xié)作完成制造系統(tǒng)擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。

B agent運(yùn)用推理機(jī)以及關(guān)于每個(gè)B細(xì)胞類實(shí)例的約束條件推理出一組應(yīng)對(duì)決策。決策人審閱這些被建議的決策，選擇合適的決策并在連貫的應(yīng)對(duì)策略中協(xié)調(diào)這些決策。圖8的第4部分對(duì)此作了說(shuō)明。應(yīng)對(duì)決策的建議也直接顯示在MES的終端界面上。圖9展示了預(yù)焊崗位的MES終端（一臺(tái)平板電腦）的界面。圖中紅字即MES通過(guò)應(yīng)用人工免疫本體提出的應(yīng)對(duì)決策建議，供崗位工人或生產(chǎn)管理人員考慮。

圖8 利用人工免疫本體推理出應(yīng)對(duì)決策實(shí)例的過(guò)程

圖9 預(yù)焊崗位的MES終端界面（數(shù)據(jù)保密處理）

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于知識(shí)監(jiān)控制造系統(tǒng)中擾動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的方法，描述了一個(gè)人工免疫本體的設(shè)計(jì)過(guò)程，賦予MES利用本體和多agent系統(tǒng)監(jiān)控?cái)_動(dòng)和風(fēng)險(xiǎn)的功能，結(jié)合一個(gè)鋼管制造企業(yè)的案例展示了MES如何利用本體檢測(cè)擾動(dòng)、識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)以及提出應(yīng)對(duì)決策的建議。