面向网络化制造的中小企业协同管理平台研究,柔性制造系统

 互联网     |      2020-05-07

The Research on the Remote Monitoring and Diagnostic Systemof Manufacturing Devices Oriented to Network Manufacturing◎ 彭羽中刘强/北京航空航天大学 邹方/北京航空制造工程研究所结合面向服务架构的系统构成方法和多代理系统两者的优点,构造一种基于多代理技术和面向服务架构方法融合的新型远程网络化监控和故障诊断专家系统,并着重介绍了该系统的设计思想、组织结构和工作原理。基于Internet/Intranet的网络化制造是企业为应对知识经济和制造全球化的挑战,以快速响应市场需求和提高企业竞争力为主要目标而实施的一种先进制造模式。网络化制造体系中的一个重要发展方向是制造设备远程监控和诊断技术。由于许多高新技术在制造设备上的运用,设备复杂程度大大提高,并且许多分散的设备往往需要协同工作,对故障诊断的实时性、故障排除的快速性等要求不断提高。传统的现场故障检测、诊断技术已经不能满足工业和军事等方面的要求。远程监控和故障诊断系统能通过Internet/Intranet把不同地域的制造设备、现场工程师、 远程服务工程师、专家诊断系统和领域内的专家组织和联系起来,在设备与专家系统、设备与人、人与人之间实现快速的信息传递和共享,通过网络对制造设备进行专家级的诊断和维护,提高制造设备故障诊断的快速性、准确性,并且能够提供对制造设备的远程监测、调试、维护,以及对制造过程进行指导等功能。传统分布式网络化系统开发模式远程监控和故障诊断系统由分布在不同地域的一个或者若干个远程诊断中心,大量的制造设备,监控系统,数据库系统,设备设计者、制造者、维护者以及个人研究者组成。它是一个典型的架构于Internet上的广域分布式应用系统。分布式的应用程序软件开发经历了C/S、B/S模式,Web信息处理技术也经历了从采用中间件如CGI、API、MTS等传统的三层模式发展到广泛采用以CORBA、DCOM、EJB等构件技术为基础的基于组件开发的多层分布式模式。以上模式构成的系统有一个共同的缺陷,即它们不能方便地扩展到互联网上,它们要求服务客户端与系统提供的服务本身必须进行紧密耦合,即要求在服务器端和客户端都要配置明确的、同类型基本构架的对象模型协议。这样的系统往往十分脆弱,如果一端的执行机制发生变化,那么另一端便会崩溃。例如,服务器端运行的是DCOM程序,则所有的分布式客户端不得不运行于微软的操作平台上。CORBA 虽然可以运行于不同的平台,但CORBA的互操作性并没有在更高层的服务上进行扩展,如安全性和事务处理。DCOM和CORBA适合于服务器-服务器间的通信,但是对于客户端-服务器的通信十分脆弱,如果服务器应用程序的接口发生更改,那么客户端便会崩溃。随着Internet的发展,网络环境中异构问题日益突出。在制造业领域,设备、设备使用者、制造设备设计者、制造设备生产商、远程服务工程师、专家诊断系统之间也存在不同硬件平台、不同操作系统、不同数据库系统等异构问题。传统远程监控和诊断服务系统解决异构问题的办法是尽量让所有参与者都采用单一的体系结构,例如,所有成员都基于CORBA或者都基于DCOM,当两个体系结构之间需要进行交互的时候,引入COM/CORBA桥方式,但是,这种在两个已经很复杂的系统之间引入了一个新软件的方法存在许多问题,在CORBA的Internet Inter-ORB Protocol到DCOM的Object Remote Procedure Call之间,繁杂的双向转换将使得中间桥接软件变得很复杂,并且任何对IIOP协议和ORPC协议的修改都导致修改桥接软件。因此,采用单一的分布式体系结构建立的传统远程监控和诊断系统已难以满足网络化制造环境下新旧设备、设备使用者、设备设计者、设备生产商以及远程服务工程师和专家诊断系统之间异构性问题日益突出的要求,也难以达到网络化制造完全的无语言相关性、无平台相关性、无对象相关性等特点的要求。新型分布式网络化系统设计思想新型分布式网络化系统的设计融合了多代理系统思想和面向服务架构方法。1. 多Agent系统Agent的概念最初源于分布式人工智能领域,用以表达具有推理决策和问题求解能力的智能逻辑单元。随着Agent应用的扩展,其含义也得到了扩展和延伸,普遍认为Agent为一段软件实体,它具有自主性、反应性、自觉性、社交性等特性。Agent系统分为单Agent系统和多Agent系统(MAS,Multi-Agent System),Agent之间通过计算机网络互连,构成分布式多Agent系统。在多Agent系统中,每个Agent被认为是一个物理的实体或抽象,能作用于自身和环境,并能与其他Agent进行通信和相互合作共同完成任务。多Agent系统中的Agent既独立,又相互竞争,又协调合作,共享信息和资源,这种松散耦合结构为分布式问题的求解提供了一种理想的结构。多Agent系统具有以下特点。 知识和数据的分布存储在多Agent系统中,单个Agent仅仅包含特定于本结点的的知识和数据,对于一个规模较大的问题的求解往往需要各Agent共同协作来完成,可以通过向其他Agent提出服务请求来获取需要的信息。因此,多Agent系统中知识和数据的存储、决策的制定和任务的执行都表现出分布的特点。 并行处理各Agent选择有利于自己局部利益的控制策略和决策目标,独立做出决策和计划,自主安排任务的执行,表现出并行的特点。 易扩展性只要配置相应的通信协议和控制策略,以及相应的知识和数据,新的Agent就可以加入多Agent系统中并正常运行,原先的系统不需要作任何改动。多Agent技术的思想非常适用于基于Internet的分布式远程监控和故障诊断系统。2.面向服务架构系统构成方法包括CORBA、DCOM、EJB等在内的传统分布式中间件系统,在以往分布式网络化系统的构成和实现中取得了很大的成功,但是它们的实现都不是很完美的,在权衡交互性以及标准定制的可接受性方面总是存在着一些问题。近年来,出现了一种被誉为下一代Web服务的基础架构,它就是面向服务架构,SOA系统构成方法试图排除传统中间件系统的缺陷。面向服务架构是用于构建分布式系统的设计方法,它的体系结构定义是 "一种应用程序体系结构,在这种体系结构中,所有功能都定义为独立的服务,这些服务带有定义明确的可调用接口,可以以定义好的顺序调用这些服务来形成业务流程"。在SOA架构下,应用系统中的每一项功能封装成为用于业务流程的可重用组件的应用程序函数,称之为服务,服务可以被其他服务或系统调用,一个服务是一个服务提供者为一个服务请求者获得其想要的最终结果的一个工作单元,服务者与请求者都以软件代理代表它们自己的角色。SOA与面向对象的概念有很多类似之处,其基本目标是实现软件的重用并使整个系统具有充分的灵活性。在一个SOA体系中,能够使用一种服务替换另一种服务,无需考虑接口问题。SOA系统的灵活性还表现为整合现有资产、遗留应用程序和数据库的能力,通过将它们扩展到SOA中,而非进行替换,使其成为整个系统解决方案的组成部分。这对于将以往建立的基于单一体系结构的网络化远程监控和诊断系统纳入新系统具有极为重要的意义。SOA成为新一代的企业应用架构,最大的推动因素是Web服务技术及其产品的快速发展。SOA是一种软件架构,不局限于某个技术的组合(如Web服务),它超越了技术范畴。而Web服务是一套技术体系,用来建立应用解决方案。实现SOA的最好途径就是Web服务。Web服务技术把分布在互联网上的各种资源封装成Web服务,并整合在特定的应用界面中。Web服务作为一种新型的接口组件,与过去编程中常常调用的API函数和面向对象系统中常用的部件接口类似,只不过API一般存在于单个程序的不同模块中,部件接口存在于相同机器的不同部件中,而Web服务所提供的服务可以分布在能够被Internet连接的世界上的任何地方。Web服务彼此松散耦合,连接中的任何一方均可更改执行机制,都不影响应用程序的正常运行。Web服务所采用的技术都是被广泛接受和支持的标准协议,如HTTP、SOAP、WSDL、UDDI、XML等。这就保证了由Web服务技术实现的SOA分布式网络化系统所提供服务的标准性和规范性。因此,SOA系统构成方法远远突破了以往分布式系统构成模式的局限性,从而使得系统中的各参与单位能够方便地提供服务或者使用已有的服务。远程监控和诊断实验系统构成本文介绍采用面向服务架构SOA的系统框架设计方法,结合多Agent系统在分布式远程监控和故障诊断领域中应用的优势,借助于"Web就是服务"的思想,建立北京航空航天大学与某研究所制造设备远程监控与诊断系统实验方案。该系统中包括一个远程诊断服务中心,连接制造设备、制造企业、研究者、现场工程师、远程服务工程师、专家诊断系统和领域内的专家等,将系统的所有功能都封装成为自描述的服务。下面分别说明各个Agent在该实验系统中的设计思想。设备Agent有下面三个功能。 作为一个普通软件智能体,实现制造现场监控系统功能,它与测量控制装置 通信,进行现场测量控制工作,并且将必要的历史数据、统计数据、工作日志等存入企业Agent管理的数据库中。 在整个远程服务系统中充当客户端角色,当设备发生故障需要技术支持的时候,向远程诊断中心申请远程诊断服务,并提供发生故障时的基本描述信息。 作为远程监控代理,接受远程服务工程师或者授权客户的监控请求,接收远程用户的命令和参数,并对这些命令进行解释执行,将远程客户所需的数据或者命令的执行结果反馈给远程客户。企业Agent作为企业或者科研单位设备的管理者有以下两个功能。 企业Agent是制造设备在远程监控和诊断系统中安全防护角色的扮演者。建立和管理远程用户和远程诊断中心之间的连接,根据访问企业设备用户的相应权限管理远程用户。 企业Agent集中管理各个设备的运行数据,充当故障诊断专家系统中知识工程师的角色,对设备运行中的故障维修数据进行整理和挖掘,并将这些知识提交给远程诊断中心的相应知识Agent做进一步分类和管理。1. 远程诊断中心系统Agent的功能描述 作为整个系统的服务器角色,响应设备使用方的远程诊断需求,并且根据设备分类的不同与相应的知识Agent建立联系,建立相应的服务线程。 作为远程诊断中心的管理者,建立包括远程诊断用户、制造设备、远程服务工程师、分布式专家系统等在内的所有系统成员的管理信息数据库和授权认证体系,允许系统成员动态的加入和离开。2. 知识Agent的功能描述 知识Agent在系统中是负责某一个设备专家系统或相关专业知识的处理,接收来自企业Agent的设备运行和故障维护信息,按照专家系统规划好的知识表达方式提取设备诊断知识,不断地丰富专家诊断知识库。知识Agent可以分布在Internet上不同的地方。 各个知识Agent可以独立地作为专家系统使用,处理相关设备的故障诊断,也可以与其他的知识Agent进行磋商合作。 知识Agent的添加和删除通过系统Agent在系统数据库中登记和注销来完成。 知识Agent提供新设备专家诊断数据库接入整个系统的开放式接口。北航与某研究所网络化制造设备远程监控与诊断实验系统以SOA框架构成方法为设计思想,运用Web服务开放的协议和开发技术为基础,充分利用Agent的自主性和社交性等特点,各Agent具有良好的封装性、统一的对外接口,能方便地实现系统集成,提供新的成员接入系统、知识Agent扩展专家诊断知识库以及设备Agent扩展新设备的能力。整个系统具有很好的开放性和可扩展性。结束语为了克服Internet环境下传统分布式系统构成模式的不足,解决传统网络化远程监控和诊断系统中存在的紧密耦合等弊端,本文采用新的计算机开发思想和技术,结合多Agent系统的优点,在现有制造设备资源和相关研究成果的基础上,构造了一种基于面向服务架构和多Agent系统融合的制造设备网络化远程监控和诊断系统。该系统能满足网络化制造环境下完全的无语言相关性、无平台相关性、无对象相关性等要求,弥补了当前大多数网络化服务系统在适用性、开放性、可扩展性等方面的不足,显示出了特有的应用优势。同时作为支持网络化制造技术研究和应用的一个平台,该系统对于进一步提高我国制造业网络化发展水平和相关技术的研究也具有一定的理论意义和实际应用价值。

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摘要:分析FMS的特点及其故障诊断的困难性。在综合大量文献的基础上,对国内外在该领域的主要研究内容、发展现状以及研究成果进行归纳和总结,指出当前研究工作的特点和已有研究存在的主要问题。对今后的发展进行了展望,指出集成诊断、多传感器信息融合、多方法综合应用的集成智能决策系统,以及网络化远程诊断服务是FMS诊断系统研究和发展的方向。关键词:柔性制造系统;故障诊断;智能诊断系统市场环境决定着企业的生产方式,制造企业需要以最快的上市速度,最好的质量、最低的成本、最优的服务及最清洁的环境来满足不同客户对产品的需求和社会可持续发展的要求。在这一目标的驱动下,多种先进制造技术被提出,并受到重点研究和发展。柔性制造系统是ATM发展的产物,受到了普遍的研究,并在制造企业得到大量应用。FMS通常包括若干数控设备、中央刀库、物料运输装置和计算机控制系统等子设备或子系统,由控制网络将多个设备有机联合,使各设备统一调度、相互协调共同完成生产加工任务,并可以根据制造任务或生产环境的变化进行灵活调整。这种灵活性即指系统的柔性,柔性是FMS的最大特点,其具有应变性好、生产率高,适应中、小批量生产等特点。1 FMS特点及其故障诊断的困难性柔性制造系统作为一类复杂的机电系统,其复杂程度、行为状态和工作环境等都与传统的制造系统有很大不同,比较明显的是:FMS是对多个异质系统在功能及结构上的有机集成,属于复杂大系统。系统强调高度自动化,智能程度要求较高。相对于自动化生产线,系统的动态行为更加复杂,刚性控制减弱,柔性更加明显。系统具有容错控制,当某一子设备或子系统发生故障时,系统的运行过程控制可以重构,以保证系统整体功能的不失性。单一设备或系统的自身行为或故障不再局限于其自身范围内,常常会影响在功能或地域上相关、相连的设备或系统。FMS系统所具有的上述特点,导致其故障诊断不仅有一般设备诊断的特点,而且表现的更复杂、更特殊。FMS的高度柔性,必然要求系统内部的高度灵活性和运行模式的多样性,负面的影响是增大了系统的不定因素和在模式转换过程中故障发生的高可能性。系统设备多样、复杂,加工以柔性多任务为目标,加工类型、过程、工况多样,因此,难以全面搜集各种正常与异常状态的先验样本和模式样本,即诊断知识获取困难。过程状态及故障的断续性、突发性、模糊性、关联性及时变性更加明显,致使故障征兆信息、设备状态信息的获取比较困难,故障的快速定位难度更大。加工设备各部件间的动态联动性、离散性致使故障的传播性、故障源的分散性更加明显。工件尺寸甚至误操作等随机干扰因素影响加大,使诊断系统的误诊、漏诊的可能性更大,诊断推理的精确性、结论的可信度都有所下降。加工过程中信息量大而繁杂,适合于监控、诊断与预警的信息资源需要挖掘,对监控策略、故障特征提取、诊断知识库管理等环节提出了挑战。FMS在运行过程中,更多情况下是缺乏人的现场监视,因此,故障难以早期发现;对现场故障的瞬时信息,特别是感官信息就往往无法捕捉,而此类信息对故障的快速定位是极有价值的。从实际的应用来看,诊断对象的复杂度增加,可能导致诊断系统的复杂度呈几何指数性增长。从多家FMS研究及应用单位的实际应用情况看,FMS的运行故障频发,且现有的诊断系统难以应付多种复杂的故障快速定位要求。2 当前的研究内容及发展状态作为FMS理论研究及实践应用的关键与瓶颈技术之一的故障诊断技术,受到了国内外制造领域的重点研究,并取得了一定的研究成果。分析和总结众多在不同研究方向上具有创新性的研究成果,归纳、分类形成如图1所示FMS诊断技术研究的基本方向。可以清楚的看出,围绕FMS这一具有复杂结构及组成的自动化制造系统,诊断技术的研究主要沿如下4个方向深入开展:诊断系统架构研究。智能诊断方法研究。FMS故障机理及故障模型研究。系统集成技术研究。基于上述4个大的研究方向,众多的研究又从不同的侧重点出发,最终形成了更细致的研究分支。整体而言,FMS诊断技术研究呈发散式向与诊断流程各个环节相关技术逐级深入。

0、引言21世纪,先进制造技术正在推动企业向网络化、协同化、敏捷化、智能化、集成化和虚拟化的方向发展。广义层面上的网络化制造,涵盖了利用网络技术支持企业制造全过程的所有环节。在网络化制造模式下,协同是现代企业进行竞争与合作的必然。在网络化制造环境下,企业协同技术的研究包括网络化制造的协同战略、模式、体系结构,产品协同开发原理和实施方法,信息系统协同化,协同质量管理,供应商协同评价系统以及分布式协同建模等内容。基于协作的制造策略,网络化制造使得中小制造企业需要加强与其他企业的协同合作,以应对新的机遇和挑战。目前中小企业的协作化程度还不高,不仅实力不强,缺乏资金和人才,而且缺乏一个能很好满足中小企业管理需求的、为其量身定制的协同管理平台。面向网络化的制造模式,在某种程度上限制了企业间的协同合作。信息化使得多数企业重点关注于内部的协同管理,面对激烈的市场竞争,中小企业强调快速反应和及时调整,充分注重企业和外部的协作。1、网络化制造协同联盟与协同管理模式1.1 网络化制造协同联盟网络化制造协同联盟(Networked Manufacturing Collaboration Alliance,NMCA)是网络化制造范式下的企业协同工作的功能实体集,是由核心企业和其临时或长期存在业务联系的功能实体成员组成的广义扩展组织(如图1),其目标是通过协同化管理,实现顾客价值。网络化制造环境下,制造企业与外部功能实体可根据机遇组成NMCA。

图1FMS诊断技术的研究方向及分类

图1 网络化制造协同联盟组成示意图

2.1 诊断系统架构针对FMS的特点,当前的诊断系统架构设计主要有两种形式:集中式和分布式。在两种基本方式的基础上为了兼顾诊断的实时性及诊断的精密性要求,系统又出现了在线实时诊断与离线精密诊断相结合的模块式结构。华中理工大学在诊断方法论、体系结构方面进行了开创性研究,并针对郑州纺织机械厂的FMS故障诊断开展进一步的研究;北京理工大学以长春BQ-FMS为研究对象,诊断系统采用简易实时诊断与离线精密诊断相结合的形式,该系统已应用于现场运行,但其总体架构仍是集中式结构。基于Internet的远程故障诊断技术是复杂设备故障诊断最新的发展动态,美国的斯坦福大学、新加坡的国立大学等一些研究机构已建立了开放式远程诊断及支持中心,在设备用户、研究机构及设备生产商之间形成了面向多用户、多设备的动态敏捷诊断通道,实现了诊断资源共享,大大提高了诊断效率、成功率及诊断结果的可信度。西安交通大学、上海交通大学和西北工业大学已先后建立了远程故障诊断服务中心,在大型复杂设备诊断远程网络化方面迈出了可喜的一步。当前,华中科技大学也已开展分布式远程协作诊断研究,已建立了一定功能的原型测试系统。Agent及MAS理论和方法是计算机软件工程最具革命性的成果之一,MAS理论应用于故障诊断希望解决两方面的问题,其中之一就是从分布式问题求解角度来建立分布式诊断架构。应用多Agent系统来构建具有灵活配置、高柔性、扩充性好的软件系统具有较大的优势。Maria-Athina等学者分析了在分布式设备故障管理中应用智能Agent技术的有关细节问题,并给出了简单的系统设计方法。德国的研究者在FMS的实时监测问题研究中,采用Multi-Agent机制解决了监测的分布式问题,并给出了监测Agent模型和功能封装。英国曼彻斯特大学针对典型FMS系统研究并设计了基于Multi-Agent的集成故障诊断系统,目前的研究正在逐渐深入。加拿大Edmonton大学的智能工程实验室提出了应用于复杂化工设备故障监测及诊断的集成化分布式智能系统结构,在基于MAS的集成框架下有效实现了多种诊断工具的综合利用,并对原有工具、系统可以方便集成。R.Khosla同样在电力供应系统监测中应用了Multi-Agent方法,其所提出的多层模型及多诊断算法Agent协同求解方法值得借鉴和采用。德国柏林技术大学的人机系统研究中心开发的商业化故障诊断软件ComPASS,系统完全基于Multi-Agent架构,具有良好的开放性,用户可以方便地通过API接口进行功能和知识的扩展,实现特定设备的故障诊断。新加坡国立大学的研究者提出并构建了基于Multi-Agent的远程故障诊断系统架构,给出了系统的自学习方法,并在Java环境中进行了两个案例测试。陆宝春等人建造了面向制造过程监控的分布式多Agent诊断系统结构,研究了多Agent模糊关联模型及基于此的诊断与决策问题;清华大学针对多Agent故障诊断原型系统,着重研究了基于多Agent理论的设备诊断问题分布式任务分解与控制策略及Agent间的协调合作机制,提出诊断任务的串行与并行以及混合控制策略。2.2 智能诊断方法目前,开展智能诊断是诊断领域的一个研究热点,相应的成果也非常多,图2对智能诊断方法的应用情况作了归纳。FMS故障诊断技术从总体而言,以智能诊断为主,特别是专家系统、人工神经网络以及它们与模糊理论的结合,此方面的研究和应用最为常见。国际先进技术中心的V.R.Mi-lacic等人开发了EXMAX专家系统模型,实现了对FMS机械系统的故障诊断和维修。北京航空航天大学与北京航空工艺研究所等单位合作,自行设计并建造了北京柔性制造系统实验中心,并初步研究和应用了适用的诊断专家系统。但专家系统所存在的知识获取“瓶颈”、规则“组合爆炸”、推理过程的低效率、对机器系统的依赖性强等缺陷限制了其更广泛、更完善的应用。故障诊断从根本上来说仍然是一个模式识别问题,人们成功的应用神经网络解决了许多实时状态监测、故障分类、故障预报等难题。

1.2 基于协同管理中心的企业协同管理模式网络化制造模式下,将制造企业同外部功能实体的联系视作一个整体,其协同管理的功能中心为一核心企业,可将其映射为网络化制造协同管理中心。其功能是实现核心企业的供应、制造、营销和数据信息处理等,是整个NMCA的协作决策中心、信息处理与交换中心、合作伙伴选择与匹配中心、调度运作中心,以及协同联盟信息系统访问控制中心。协同工程表达的管理思想主要体现在协同性上,即通过功能实体的协同管理,实现信息、技术、资源和人才等的共享,对NMCA中的工作流、信息流、物流及价值传递进行有效计划和协同控制,实现基于协同管理中心的企业间的协同管理模式(如图2)。该模式适用于以制造企业为核心的NMCA;适用于核心企业是供应商或销售商的协同联盟;还可适用于制造企业内部生产经营过程,此时管理中心是企业内部的一个起计划与协调作用的职能部门。

图2智能诊断方法的应用情况

图2 基于协同管理中心的企业协同管理模式

从大量的应用来看,ANN只是作为一种信息软处理的工具,在局部问题处理上优势明显,但从一切系统行为的指标上,还没有全部占优的报道。与ES一样,ANN同样也存在缺陷:推理过程的不可解释性、知识补充及修改的困难性、模型的僵化及脆弱性等等。ES与ANN的集成应用为人们克服两者的缺陷开辟了新的途径,在具体应用中表现出更大的优越性。基于神经网络的专家系统的实现方式主要有两种:直接用神经网络构造专家系统和两者以简单的功能组合形式。前者仍然难以克服ANN的缺点,因此,人们正把注意力放在符号推理与数值运算的更高级集成上。第二种结合方式,其本质是将整个系统中易于用符号表达的规则编码于专家系统的知识库中,而将不易于用符号或复杂逻辑表达,需要并行、模糊、实时处理的规则编码于神经网络之中,通过功能互补提高系统的整体能力。印度S.N.Gupta开发的工况监测维修专家系统,在知识的获取方法上,使用了神经网络以解决专家系统知识获取困难的弊端。模糊逻辑、ANN与专家系统结合的诊断模型是最具发展前景的,也是目前人工智能领域的研究热点之一,相应的诊断技术正在蓬勃开展。北京理工大学在其所开发的FMS诊断系统中将模糊数学方法与神经网络、专家系统相结合进行了综合应用,给出了具体的模糊推理算法,同时就模糊性诊断规则的归纳和总结及知识库的建立做出了较为全面的研究。MAS理论应用于故障诊断希望解决的另一个问题就是将诊断功能模块拟人化封装,表现出社会化的群体智能,不仅使诊断系统更智能、更可靠,而且诊断决策成功的可能性大大提高。如果说,专家系统和神经网络是以实现系统单一手段的智能化为目标的话,MAS则是以提高系统整体问题求解的智能化为目标。智能体理论引入故障诊断领域已有一段时间,有关的研究正在深入进行。在应用方面,日本的T.Nagata实现了基于Multi-Agent的供电系统监测及紧急恢复项目的实施,对多智能体的协商机制和消息通讯机制进行了实践检验。南京理工大学首先将分布式人工智能理论引入FMS智能检测与故障诊断系统研究中,并指出Agent的融合、协调和控制方法,知识表示与推理机制是实现该系统的关键;东南大学的钟秉林教授及其学生提出了基于行为的多代理故障诊断方法,并给出了系统的实现策略,对问题求解采用“自下而上”的推理方法;南京理工大学的研究者用模糊集理论和定义决策相似度的方法建立了多监控Agent求解结果的一致性判断算法,将求解结果一致性融合问题转换为群决策环境下的梯形模糊数表示的模糊意见的综合问题。2.3 FMS故障机理及故障模型分析FMS故障机理,以最有效的方法获取反映FMS设备状态、运行状态的特征量或诊断知识,并据此建立合适的故障模型是该部分的研究内容。相关的研究集中在3个方面:以FMS的具体设备或部件为对象,如刀具切削状态监测与预警、加工主轴振动监测与诊断、主轴伺服系统监测与诊断、加工工件的质量监测等等,相应的诊断方法以传感器技术、信号处理及分析技术、多传感器信息融合技术为主,通过一定的监控诊断模型实现状态判定与故障预报,也有依靠数学模型来分析诊断对象的某种动态特性的尝试,但应用的并不成功。从全局制造过程出发,建立过程仿真模型,注重状态的变迁及原因和结果之间的联系,如Petri网、有限状态机、有向图模型的应用。从分析诊断对象的功能、原理、结构等方面入手,并结合人类专家经验,以建立诊断知识库为目标,诊断过程以知识推理为主,机理模型、功能模型、故障树模型是常用的方法。Wu和Joshi就故障分类、故障知识表达及故障恢复3个方面的关键问题进行了研究,强调系统的执行故障对FMS运行的影响。Monostori对机床与制造单元提出了知识基递阶状态监控与故障诊断模型。Kuo等人从FMS运行过程的行为角度出发,使用着色赋时Petri网建模实现对FMS的状态监测及故障诊断。新加坡南洋理工大学在分析FMS子设备及设备的子部件之间的故障传播关联性的基础上,提出模糊图模型诊断方法,诊断推理沿着节点之间的最坏路径逐级搜索,该方法在缺乏先验诊断样本的情况下,能解决其它诊断模型应用的困难性,但模糊隶属函数的确定有一定的主观性。华中理工大学针对具体的FMS系统,深入研究了故障树层次诊断模型,提出扩展故障树建模方法,并给出了基于此的框架知识表达和诊断推理策略,并采用了多模型故障诊断方法。2.4 诊断系统集成技术从诊断技术的发展阶段看,集成智能诊断是当前智能诊断的研究热点及将来的发展趋势。所谓集成诊断就是把涉及诊断的不同侧面的理论和方法组合起来,并以系统对问题求解的高效性、有效性、成功性为目的。集成包含多方面的内容,可以参考图1所示。从宏观角度而言,FMS诊断系统的集成技术体现在4个方面:诊断流程各个环节的集成直至向上集成至企业资源管理的一部分,可以称之为过程集成。不同诊断数据、诊断知识及其相应的表达方法的合理综合应用,可以称之为信息集成,由于监控系统中还包含硬件设备,如传感器、PLC、NC、CNC等,但其是服务于监控及诊断的底层数据获取,因此,可以把硬件集成归属于信息集成中。多种故障模型、诊断推理策略或方法的组合应用,以及系统对多种智能方法的集成,包括人的集成,可以称之为功能方法集成。从现场诊断到远程诊断服务中心的网络化、多资源共享集成,可以称之为网络化集成。从学科交叉的角度,系统集成意味着多种学科在某种目标下的交叉、衔接、渗透和综合。由FMS特点及其故障诊断的困难性看出,要建立有效、可靠的诊断系统,集成诊断势在必行。W.Hu所提出的集成诊断系统强调模块化及可重构性,并将故障树划分为3类:功能化故障树、原理性故障树和规则化故障树,在诊断过程中三者紧密联系,共同实现故障推理过程,并基于PLC监控信号提出了逻辑诊断和控制命令序列诊断模型。Abdoul等人将FMS的故障诊断及故障情况下加工任务的重新调度联系在一起进行研究,建立了FG及OAG模型,系统以FG模型为基础进行故障推理,以OAG模型为基础实现生产任务的重新调度,这一过程是紧密联系、协作完成的。国内,国防科技大学在“863”计划项目中,对FMS监控系统的总体设计和关键技术作了大量的预研工作,研究了系统安全、工件流、刀具流、加工设备等检测监控子系统的初步集成及统一协调处理问题。为了实现多种诊断方法的综合应用和集成,从软件设计方法上就要求一种更好的适用机制,多种信号检测、处理及分析方法、诊断方法、知识处理方法通过智能Agent封装,实现系统的总体集成。3 研究的特点及存在的问题3.1 研究的特点监控及诊断系统多为集中式结构,诊断系统总体架构按FMS的层次结构设计,呈递阶控制方式;考虑监控及诊断的实时性需要,采用简单的阀值判定和推理迅速的简易专家系统,并利用神经网络数值运算的快速性,来处理局部信息的状态识别问题;诊断系统结构由集中式向分布式、网络化方向发展,相关的研究已经起步。相关学科的新技术、新方法迅速应用于FMS诊断,但更多的是针对FMS的子设备或某一设备的子部件进行试验性研究,偏重于原理性探讨和应用的试探,特别是围绕知识处理问题,采用新型信息处理技术,力求建造实用性更高的专家系统;诊断方法、策略不断智能化,如模糊数学、人工智能的应用,智能诊断方法逐渐占据主导地位。软硬件系统的模块化、可扩展、可重构式结构已逐步得到采用,系统的组建以图形化组态方式进行。用户可以运用基本的、标准的部件,各模块单元根据诊断对象的不同,经特征优化及细节设计实现通用而又专业的系统;监控系统的体系与布局与复杂制造系统的结构相适应,采取不同的系统层对应不同的监控与诊断模块,即故障诊断的层次模型,形成分布式信息拾取与处理,并逐级向上集成形成全局的状态检测与故障诊断系统,即“万能”、“柔性”、“可集成”系统。集成诊断开始受到重视,如多信息、诊断技术及方法的综合运用与集成,但显得零零散散,更多研究的出发点是就某一局部问题,将几种诊断方法相结合加以应用。3.2 存在的问题从国内外研究现状可以看出,现有的研究仍有许多不足:集成化诊断思想还不成熟,缺乏合理的集成架构,基于MAS理论建造诊断系统,已有的研究不够深入,表现在Agent功能角色划分不明确,粒度太粗,以及缺乏如何从系统的角度去实现这一集成架构等等方面;状态监控与故障诊断系统的通用型智能化设计与实施方法研究还未形成明确的研究目标。诊断信息的传递及共享缺乏一个通用化、标准化的交互机制,传统的方法是通过应用程序接口按一一对应的关系进行参数传递,该方法僵硬死板,其协议的不透明性导致系统的开放性受限制。已应用的诊断系统缺乏开放性和柔性,功能子模块之间采用“紧耦合”方式,表现为:当监测环境改变时,诊断系统难以适应;对诊断系统作局部调整时,牵扯的改动面太大,开发性是现代软件系统的发展方向;软件的重用、重构性不理想导致开发和维护困难。实时监测、故障诊断、趋势预报有脱节形象,特别是在FMS实时运行过程中,忽视了应用设备内部的信息,对PLC、CNC内部实时数据没有开发利用,而此类信息对故障的早期发现及“事后”诊断极有价值。就多种智能诊断方法的集成应用还需要作进一步的深入研究,有限的研究与实际应用还有一定的距离,特别体现在国内该领域的发展状况上。总体而言,由于国内FMS的发展和应用相对滞后于国外,导致FMS故障诊断技术的研究也相对粗浅和缺乏。4 发展趋势多传感器信息拾取与融合的综合智能决策系统。诊断系统的智能程度、决策方法更加趋近于人类专家在处理诊断问题时的综合决策方式。自动地对未遇到过的或无法预计的加工状态及异常、故障状态进行分析、处理、监控;敏锐的捕获突发故障的能力。先进的组态化、高度“柔性”的诊断系统结构。这是诊断系统灵活性、易用性的要求,状态监控与故障诊断系统的通用型智能化设计与实施系统研究。监控设备的“积木式”组合方式,同时提供软件的通用化标准接口及监测设备的自诊断、自适应功能模块。用户可以运用基本的、标准的各模块单元简单而快速的搭建适用的诊断系统,并最终实现软硬件系统的高度集成应用。面向领域问题的特点,进一步分析、探讨FMS诊断系统的体系结构、原理、组成、监控策略、功能要求等问题,并引入相关学科的新观点、新方法、新思维、新技术不断提高诊断系统的可靠性、灵活性、易用性、实用性、实时性及精确性。远程网络化诊断服务中心的建设,这是实现“产校联合”,推进应用与研究共同发展的有效途径;服务中心的仿真教学为企业培养急需的高素质维修人员,同时,通过广阔的信息来源丰富诊断数据库和教学素材。[参考文献][ 1 ] 谭益智. 柔性制造系统[M ]. 兵器工业出版社, 1996[ 2 ] Hu W, Starr A G, Leung A Y T. 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2、协同管理平台体系框架网络化制造协同管理中心是集成平台框架的核心,是企业协同管理平台的核心系统,是协同功能层、过程管理层和数据服务层的具体实现,设计上可采用3层浏览器/服务器(Brower/server,B/S)结构来进行系统的架构,以实现NMCA的用户交互。协同管理中心的功能比较丰富、完整,而且很复杂,通过对多家中小型企业的调查,从企业协同工程、系统工程适用性角度出发,可适当简化和重组其功能结构,以建立一种以核心制造企业为协同管理中心,包括协同规划、选择与匹配、信息交换以及访问控制管理等在内的协同化的集成平台系统(如图3)。重组后的协同中心,将保持企业协同管理和价值链管理的核心思想,也可增强集成平台的适用性和可操作性。

图3 面向网络化制造的中小企业协同管理平台体系结构

从技术和管理角度,中小型企业协同管理平台系统的特征包括:覆盖NMCA的设计、制造、组织、资源和过程管理等环节中的关键业务,实现组织、产品、过程和资源的协同管理;具有功能简化、模块通用化、易于配置和定制的特点,实施周期短;采用先进管理思想和技术手段,如可扩展标记语言(extensible Markup Language,XML)、供应链管理(Supply Chain Management,SCM)和Web等思想技术;作为一种平台系统,注重主要功能的实现,以开发环境和组件技术等保证系统的可扩充和开放性。针对中小型企业,为满足NMCA对企业协同管理平台的要求,从主要组件构成或系统的组成层次角度出发,企业协同管理平台以协同管理中心为核心,由协同功能层、过程管理层、数据服务层、基础环境层和应用层组成5层逻辑结构。(1) 协同功能层 是平台系统的顶层,包括企业协同规划组件、选择与匹配组件(供应商、协作厂、客户等)、信息交换组件和访问控制组件4个功能组件。(2) 过程管理层 包含工作流过程管理控制组件,协调控制协同管理中心和各成员业务功能代理的业务活动。(3) 数据服务层 是网络化制造环境下的数据信息通信接口,包括基于公共对象请求代理体系结构(Common Object Request Broker Architecture,CORBA)的信息接口代理(客户服务接口Agent、计划接口Agent、设计接口Agent、供应接口Agent、生产接口Agent、库存接口Agent)和基于XML的信息接口代理(信息交换接口Agent)。(4) 基础环境层 以局域网(Local Area Network,LAN)、虚拟专用网络(Virtual Private Network,VPN)、Internet/Extranet Intranet为基础,采用网络化的对象分布技术,基于XML技术实现NMCA成员间的协同信息交换与集成;采用CORBA技术,通过对象请求代理(Object Request Broke,ORB)实现企业异构系统间的互操作。(5)应用层 通过协同管理中心的调控实现具体业务的处理。协同管理中心扮演信息交换和系统集成中心的角色。它是NMCA成员信息系统公共功能和服务的提供者,也是公共信息的管理者,以及对成员的应用系统和数据库访问、交互和互操作所需接口的提供者。2.1 协同规划市场机遇、核心能力和顾客价值监控NMC建立和运行的关键,也是协同规划的出发点,其主要任务是修改调整和监控NMCA的具体操作。通过优化企业价值链,共享NMCA内的产品、采购、生产和库存等主要信息,成员企业提出要求,核心企业汇总,从价值网的全局角度与NMCA成员进行协商、规划。遵循合理的利益和风险分配策略,建立合理的利益和风险分配格局,从而实现/利益共享,风险共担。2.2 协同合作伙伴选择与匹配核心制造企业根据顾客需求和其他市场信息做出市场预测;根据预测信息和顾客订单制定出需求计划;根据计划中关于产品的时间、质量、成本、服务、管理和能力等要求,量化成对供应商、协作厂及客户等协同合作伙伴的多层次、分阶段的评价指标根据指标进行评审,从协作伙伴档案信息库中获取最佳伙伴,组成NMCA,其中包括建立过程、运行过程以及运行后的评价等3个阶段,主要实现综合评价指标体系的建立、多指标综合评价、模糊选择模型和算法实现等。2.3 协同信息交换协同管理平台位于NMCA的核心企业,其他成员利用信息传送通道,实现其应用系统与平台的协同信息交换。协同信息交换主要可以分为信息表达和信息传输交换两个方面,在平台中具有一个由信息接口Agent维护管理的基于XML的信息交换岛,通过它从协同平台的单一产品数据源(Single Source of Product Data,SSPD)环境提取数据,或把外界数据加载到协同管理平台上,如图4所示。

图4 协同信息交换

2.4 协同访问控制访问控制以用户认证为前提,对合法用户访问信息的能力和范围进行限制,决定协同用户主体是否被授权对客体进行某种操作。由于存在一些依靠社交协议,由用户自己协调进行访问控制或者赋予同等权限的系统,会导致存取错误、冲突、不一致和非授权访问等诸多问题。NMCA成员具有不同的身份、专业特长和任务分工,不同的数据信息具有不同的共享范围、协同需求和安全性要求,因此,需要制定对协同管理平台的访问控制策略。访问控制依赖于对主体合法化的识别,将主体与成员关系和特权相联系,允许经授权用户根据其权限大小访问特定信息。目前的访问控制策略主要有自主访问控制(Mandatory Access Control,MAC)、强制访问控制(Discretionary Access Control,DAC)及基于角色的访问控制(Role-based Access Control,RBAC3种。第三种方式便于授权管理、角色划分、职责分担、目标分级和赋予最小特权,是访问控制发展的趋势。在协同管理平台系统中采用基于用户-角色的信息共享访问控制策略,建立用户信息表systbUT、角色表systbl_RT、信息节点表systbl_PT、用户角色关系表systbl_UT_RT_Relation及角色权限关系表systbl_RT_PT_Relation等基本关系表。图5列出了表的主要字段名及关系。其中,用户信息表用于记录NMCA各成员用户的代码、名称等;角色表用于记录角色的名称、编号等;信息节点表用于记录系统内所建立的基本表和各视图的名称信息等。由于用户和角色、角色和权限的多对多的关系,用户角色关系表用于记录某一角色已授予的用户;角色权限关系表用于记录角色与基本表权限的对应关系。由此实现访问控制策略。

图5 协同访问控制关系表

2.5 协同过程管理控制在网络化制造模式下,业务流程的运作并不局限于一个企业,而是NMCA成员企业部门之间的协同运作。工作流技术将合理地把企业内、外的各种信息资源组织起来,提供对群体协同工作的支持,提高企业运作效率。因此,必须采用工作流技术来实现NMCA的业务流程的协调和监控。为满足NMCA对工作流管理的灵活性、可用性、伸缩性、柔性化、可嵌套及对动态应用的支持,基于工作流管理的协同过程管理控制系统结构以过程管理控制引擎为核心,支持NMCA成员的协同工作,实现对企业业务过程的全程支持,主要包括过程模型定义、过程管理控制引擎、全局任务协同监控服务、统一用户界面、应用程序/数据接口、外部应用程序、外部数据库、过程管理数据库、客户和服务器等。(1) 过程模型定义 用于建立计算机可识别的过程管理的定义信息,包括任务、过程、活动、活动间的关联及各种任务、过程、活动的约束条件(如任务操作权限、活动处理时限)等。(2) 过程管理控制引擎 负责引用过程模型、解释过程模型、实例化任务、分解与调度子过程/任务、创建客户工作项任务列表、进行活动模板创建、创建客户活动空间、确定被调用应用程序和工具以及记录执行情况等工作。(3) 全局任务协同监控服务 监控整个工作流的执行、任务的分解与调度、通信代理组件的通信服务。(4) 统一用户界面 为基于角色的用户提供工作环境,包含一个或多个工作空间,为协同建模工具、任务列表处理器等提供接口。(5) 应用程序/数据接口是协同过程管理控制系统与应用程序之间交换信息的通道。协同工作团队成员依据一组定义规则及已指定的共同目标,进行基于协同访问控制策略之下的项目或任务信息的协同交换,实现协同过程管理控制。3、协同管理平台总体技术结构实现方案企业协同管理平台的总体技术结构实现方案如图6所示。

图6 企业协同管理平台的总体技术结构

3.1 基于CORBA和Web的系统封装在NMCA的核心企业内存在多种应用服务器(如协同联盟管理、ERP、CRM和协同过程管理等应用服务),应用服务器通过CORBA服务器与Web服务器建立联系。CORBA Agent驻留在应用服务器端,Web Agent驻留在Web服务器端。首先对应用服务器交互应用需求进行分析,对服务功能进行数据类型和服务接口的接口定义语言(Interface Defining Language,IDL)描述定义,通过CORBA软件总线系统提供的IDL编译器工具转换得到服务器架构文件将调用应用系统的内部接口或其他方式描述实现具体服务功能的实现代码与服务器架构代码联合编译得到的软构件,注册到总线支持环境中,供CORB客户端系统通过ORB调用和访问。用户通过W浏览器访问Web服务器,在Web服务器中调用CORBA客户端,进而获得CORBA的封装服务Web服务器提供相应的协同工具,如电子白板、视频会议、在线交谈和文件共享等。这样,用户通过W浏览器调用CORBA服务,可屏蔽掉CORBA复杂的调用细节。3.2 基于Agent的移动通信网络化制造模式下,NMCA成员企业应用系统的分布性更加明显。采用Agent技术实现分布式应用系统的移动通信。通信模式可以分为消息传递、方案传递和黑板模式等。 通信Agent在平台系统中表现为一种软件模块,驻扎在NMCA的系统中。图7是通信Agent的结构。核心企业成员将信息交给本地通信Agent,本地通信Agent通过协议编码器将信息发送给经过注册处理的另一成员通信Agent并向对方监听代理发出信息发送的消息,对方监听代理监听到信息到达后,将本地通信Age接收的信息经过协议解码器传送给应用系统使用。

图7 通信Agent的结构

4、企业协同管理平台原型系统和应用图8所示是某容器制造企业组成的NMCA,依据其生产和营销特点,建立了一个以该容器制造企业为协同管理中心的企业协同管理平台的原型系统。根据实际需求,分为协同合作伙伴的选择与评价分系统、协同过程管理控制分系统、NMCA的协同建模分系统、信息中心和系统管理。协同合作伙伴的选择与评价分系统为实现顾客需求选择与匹配伙伴。通过多视图方法,协同建模分系统对NMC进行分析描述、归纳总结,实现NMCA模型规划是分析、优化以此容器制造企业为核心企业建立的NMCA的功能、过程、活动和行为的基础。协同过程管理控制分系统采用工作流技术来实现NMC业务过程的协调和监控。系统管理为协同管理平台系统的运行提供必要的环境设置,如基于用户-角色的系统访问控制设置、功能定制等。信息中心对各个系统所需的基础信息进行维护、管理及实现协同信息交换。平台系统采用B/S/D结构,编程语言采用JS(Java server pages),Java bean和Visual C++,基于因特网和采用BRI(basic rate interface)接口的综合数字业务网(Integrated Services Digital Network,ISDN)与因特网相连的企业内部网,依据CORBA和Web的系统封装方法,在平台中集成和封装NMCA管理、Agent管理和协同过程管理等分系统,以及AutoCAD,UG,SRM,ADAMS和ANSYS等软件,采用消息传递的Agent通信方式。以协同过程管理控制分系统为例,主要实现任务管理协同过程建模管理、工作空间管理和过程管理等功能。任务管理进行任务分解、调度、发布、执行、跟踪通信代理组件的通信服务。协同过程建模管理实现协同过程建模、模型管理、仿真分析和模型转换等功能。工作空间管理是为成员用户本身及其所在用户组建立不同的工作空间,用户在用户组工作空间可以实时看到同一用户组成员的工作情况。过程管理包括语法检查、过程实例管理、过程监控和资源调用等功能。在核心企业生产计划部下达采购任务后,采购合同的跟踪与异步维护过程由核心企业及其供应商的任务执行Agent共同控制。任务执行Agent登录到协同管理平台系统,依据自身分配权限进行货物状态维护操作。通过这一协同控制,使得核心企业计划部门及时掌控货物状态,为企业资源计划(Enterprise Resource Planning,ERP)系统生产计划的合理制定和安排提供相应的保障。依靠协同管理平台,促进了企业实现敏捷化运作,快速响应市场需求变化,满足企业经营的国际化、规模化和现代化的发展需求。5、结束语面对进入NMCA的中小企业,可使其共享NMCA内的资源,来完成只凭借企业自身的优势无法完成的工作。在当前竞争激烈的市场中,中小企业对协同化信息管理的需求有较大的差异。面向网络化制造模式,如何科学、有效地对中小企业进行协同管理是十分现实的问题。本文针对这一问题提出了一种面向中小型制造企业的协同管理平台的体系结构,并确定了平台构成的关键技术及其解决方案依据原型系统的实现,对网络化制造模式下中小企业的协同技术进行了有益的探索。(end)