基于代理的合弄智能控制結構的理論研究

趙中敏

(淮海工學院工程訓練中心，江蘇連云港222005)

伴隨著全球統一大市場的逐漸形成，企業競爭的加劇，用戶需求的多樣化，市場環境的快速變化，傳統的、僵化的制造模式已經不能滿足制造業的需求。制造企業只有拋棄大批量生產方式，才能突破環境及經濟因素的限制［1］。于是人們探討一種能適應未來需要，對動態市場做出積極有效反應的新的制造模式。在日、美等國發起IMS計劃當中，合弄制造系統(Holonic Manufacturing System，HMS)是比較有影響的一種思想。它與敏捷制造的出發點基本是相同的，但敏捷制造更偏重于利用人工智能技術研究新的未來靈活制造模式，而HMS更側重于利用現有技術，強調人在企業制造系統中的能動協調作用，不但實現資源的集成，更重要的同樣是構建靈活的系統。兩者都十分重視人在制造系統中的作用，都強調如何把基于功能的系統構建方法遷移到基于過程、知識的方法上來。HMS關心的是如何有效形成企業的協作文化，而非泰勒的功能細分的方法，從而使制造業從“命令、服從”的模式解脫出來，轉向“合作、創新”的模式［2］。

1 制造系統控制結構的現狀和演變

制造系統主要有3種基本結構形式:集中控制結構(Centralized Form)、分層遞階控制結構(Proper Hierarchical Form)和協同控制結構(Heterarchical Form)，見圖1。

集中控制結構具有設備投資少、易于全局優化等優點，所以早期的控制系統大多采用這種結構;但它同時也存在著可靠性低、響應速度慢和可擴展性不好等缺點。目前的控制結構普遍采用分層遞階結構，在實現方法上采用自頂而下的結構化實現技術。用這種結構開發的系統大多為定制控制系統，當控制系統的需求發生變化時，這種控制系統大多必須重新開發。當前的計算機集成制造系統(CIMS)、柔性制造系統(FMS)大多采用這種結構，這是目前FMS和CIMS在推廣應用和進一步研究開發遇到的主要問題之一。另外一種是協同控制結構，在實現方法上大多采用面向對象或代理(Agent)技術來實現，雖然具有巨大的靈活性和可重組性，但它僅適應用于需求變化大、具有足夠同構資源的控制環境。由于這種控制結構在這方面的限制，所以很少在控制系統中應用。由此可見，上述各種控制結構很難實現“可重組”的性能指標。為了實現“可重組”必須采用新的控制結構。

在此，引入一種合弄控制結構(Holarchy)。所謂合弄(Holon)，它是指一種系統構造單元，相對于其上層組織具有協作特性的部分，相對于其下層組織具有自律特性的整體;一個合弄可以是另一個合弄的一部分，同時又可以是由其他一些合弄組成的。

合弄結構將遞階結構和協同結構的優點很好地結合在一起，體現在其控制的相對分散性和集中性上。集中控制和遞階控制方式過于剛性，很容易突然失靈;而協同控制結構方式過于分散、缺少整體優化性。在合弄控制中，由于合弄的相對自律性以及整個系統負責的系統協調機制的存在，控制既是相對分散的，又是相對集中的，由所有合弄共享，在系統的每層上都存在有管理控制功能。

因此，以這種控制結構形式的控制系統就像一個“魔方”，其功能組成單元就好像是魔方的一個個不同顏色的方塊，市場對控制系統的需求就像人們要求的魔方的目標，人們可以按市場需求重組控制系統各組成單元。控制系統中的每一個功能模塊既具有相對獨立性又和控制系統其它部分具有合作性，可隨時按市場需求構成所需的結構形式，實現可重組控制系統的目標。

2 合弄控制的產生及其特點

合弄及其相關概念來自匈牙利記者Koestler對社會組織和生物組織中的層次結構關系的研究。他發現絕對意義上的“整體”和“部分”在任何情況下是不存在的。Koestler將現實生活中具有“整體”、“部分”雙重特性的對象定義為Holon，將其譯成合弄，既是音譯又是意譯。同時，Koestler還將由合弄這種自相似單元組成的分層結構定義為合弄結構(Holarchy)。

合弄結構將遞階結構和協同結構的優點很好地結合在一起。一方面，合弄間相互協作以求達到全局目標;另一方面，合弄又表現為是具有智能和自適應特征的自律的、分布式的實體。例如，生物系統中的細胞，它既具有高度的自律性，又與其他細胞一起協商按照上一層組織的策略采取某種行動。

合弄結構可以作為發展下一代制造系統控制結構的基本參考模型。以合弄結構為參考模型，結合制造系統控制結構的發展，可以導出合弄控制結構［3］，見圖2。

合弄控制結構由不同層次上的合弄構成，從底層往上看，它是一種合弄結構;從頂層往下看，它是一種分形結構。每一層次上的合弄既是自控制者，又是執行者，具有相對獨立性和穩定性，不怕干擾的影響，遇到意外事件時可以自己處理而不必向上層請示;同時它又是一種中間形式，受上層合弄的控制，通過通迅網絡系統與結構中的其他合弄協商協作共同完成某項更大的任務。合弄的任務不是由自己確定的，而是來自上層和系統。但是，如何完成任務則取決于自己。

3 合弄的開發

整個合弄制造系統HMS包含多個相互作用的合弄，如何開發每個具體的合弄是構造HMS的關鍵。目前合弄的開發大都采用Agent技術。20世紀80年代中后期，人工智能技術與分布式計算技術相結合，出現了分布式人工智能這個研究方向，從而催生了Agent。

Agent的基本特性:①自治性，即能夠在沒有人或別的Agent的干預下，主動地、自發地控制自身的行為和內部狀態，并且還有自己的目標或意圖;②響應性，即能夠感知環境，并通過行為改變環境;③適應性，即能根據目標、環境等的要求和制約做出行動計劃，并根據環境的變化，修改自己的目標和計劃;④社交性，即多個Agent在同一環境中協同工作。

多代理系統(Multi－agent Systems，MAS)是由若干個代理組成的系統。MAS與人類組織非常相似，任務的復雜性和不確定性決定了MAS的組織結構。其復雜性包括任務、信息、合作的復雜性，而不確定性則指算法、環境、信息、行為的不確定。MAS的環境與人類社會相似，系統中的代理相互交流、相互作用，而不是單獨地進行推理、采取行動。另外，不同的代理可通過共享屬性和服務的方法，進一步封裝為一個更為復雜的代理。

3.1 集成代理的合弄結構

基本的制造合弄包括人員、智能控制系統、制造設備三個部分以及對外的人員、信息、物料三個接口。人員與物理實物是合弄的實體資源，而合弄中的Agent和人員所具有的智能則是合弄的智力資源。物理實物可以是訂單、貨物、加工中心、自動機床等等，它們在不同的環境、不同的合弄中與外界進行實物和信息的“交換”;人員是根據不同的合弄的配置要求配備的，包括計劃員、編程人員、操作工、維修工等等，他們在與其他合弄保持溝通的情況下高效地完成自己的任務。在HMS中，合弄利用了Agent的作用，Agent是合弄中最智能的部分，它根據不同合弄的要求形成不同信息，并加以記錄;同時可以智能地得出對應的決策方案，進行設備操控與監測、制訂對外協作方案;對各種資源進行調度;同時負責對外協作等等。其基本制造合弄結構如圖3所示［4］。

3.2 合弄中的Agent的內部構成

集成了代理的合弄具有相當廣泛的通用性，可以在各種制造企業環境中結合實際情況實施，其中的代理是合弄的技術關鍵。在HMS中，Agent的結構設計是非常重要的。為了更好地實現它的智能性，在它的結構中加入了智能人機接口、知識庫管理系統和推理機，具體結構設計如圖4所示，這樣既實現了Agent的智能信息處理與調度，又實現了決策的智能化，同時極大地方便了人機的交互。

其中通訊模塊是這里面的通訊中心，通過它與外界的合弄進行溝通［5－6］。智能人機接口是采用AI方法和技術實現的為進行人機交互所需要的物理設備和軟件，使用戶可以通過以自然語言或類似自然語言的方式描述決策問題和決策目標。推理機和知識庫管理系統是智能的核心，知識庫是用來存放決策經驗和決策知識，或是某一領域專家提供的進行問題求解的經驗和知識;而推理機的操作對象主要是知識庫，其根據一定的推理策略從知識庫中選擇知識，對它的“用戶”提供相應的推理結果。智能控制模塊是根據得到的指令進行智能的控制，包括命令的實施、監督和反饋。計劃、調度優化與投標模塊是Agent智能計劃、調度優化和投標的關鍵模塊，通過各個數據庫和得到的信息，進行自動設計并發出指令，實現Agent的智能處理。

3.3 代理型合弄之間的協作方式

在完成任務的過程中，合弄之間要進行協作，相互補充，增強個體和整體的競爭能力。例如［7］，若干基本制造合弄組成一個虛擬企業等等。(虛擬單元、虛擬車間、虛擬企業本身也是合弄，屬于復合型合弄)。但是，合弄之間的協作并非嚴格按照遞階層次，例如［8］，一個虛擬制造單元一級的合弄可以與一個虛擬車間一級的合弄開展協作。合弄之間的協作如圖5所示。

圖中，最小的方框代表基本合弄(如基本制造合弄)，稍大一些的方框代表虛擬單元一級的合弄，再大一些的方框代表虛擬車間一級的合弄，最大的方框代表虛擬企業一級的合弄。從上往下看，合弄是一個具有自律特征的整體，它有著分形的組織結構特征;從下往上看，合弄是具有協作屬性的個體，有著“子—全/部分”［3］的特征(即holon的結構形式)。系統及各層次上的單元可以動態變化，通過重整組合，充分利用各地的資源，以迅速響應市場變化。合弄的這種組織形式與動態聯盟的概念相似。在圖5中所畫出的基本合弄不僅包括制造合弄，還包括運輸合弄、設計合弄、儲存合弄等。所有類型的基本合弄通過協作共同組成了先進的企業級動態聯盟。合弄之間的信息傳遞主要依靠網絡來進行，如通過因特網、內特網、外特網等等。

合弄內的代理可以處理與其他合弄的合作，因此合弄之間的合作方式可以引用MAS的方法來進行。MAS的基本合作模式有任務共擔和結果共享兩種，而合作的策略主要有4種:協商法、FA/C法、多代理規劃法和聯合責任法［5］。

3.4 合弄間的交互

Agent的開發平臺是 JADE(Java Agent Development Framework，JADE)提供了一組完全遵從 FIPA(Foundation for Intelligent Physical Agents)規范的系統服務和代理，包括命名服務、黃頁服務、消息傳遞和FIPA交互協議包，簡化了多代理系統的開發。

合弄的協作能力是合弄控制系統的關鍵，系統的總體目標是通過不同合弄的協作來完成的。合弄間的協作是基于合弄間的信息交流，而信息交流必須解決3個關鍵問題，分別為交流語言、交互協議和Ontology。合弄間的交流語言主要包括KLMN和FIPA，交互協議主要有合同網協議，Ontology描述了合弄生存、活動的環境，通過Ontology，合弄之間才可以理解彼此交流的信息［9］。

4 結語

盡管Agent與Holon規范及它們的結合在制造領域的應用是近幾年的事，但是它們建立了適應新一代制造系統要求的控制哲理，指明了滿足制造業競爭挑戰的可行發展方向。隨著科學技術的發展和社會需求的變化，制造系統的控制結構在不斷進化。Agent和Holon的自治、合作能力使它們成為構建開放的、柔性控制結構的最卓越的技術規范，并可能擴展到整個先進制造的過程集成、信息集成、企業集成及其它系統應用領域。

從基于Agent的控制結構與Holon制造的研究和應用現狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內研究和實踐的重點:①從系統的角度對Agent系統、Holon系統及兩者結合的控制系統進行深入的理論研究，制定嚴格、規范的定義、描述和建模方法。②研究控制結構的實現機制。其中包括將Agent和Holon映射到面向分布式對象環境、進行對象化包裝的實現方法，以及支持異構自治體間信息交互的通信機制、協議和支撐平臺的研究和開發等。③選擇典型車間、工廠、企業進行有成效的試點應用。

［1］Tomiyama T.A manufacturing paradigm toward the 21st century［J］.Integrated Computer Aided Engineering，1997，4(3):159 －178.

［2］王成恩，程凱.基于自治及合作的整子制造系統［J］.信息與控制，1999(6):190－196.

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［4］袁紅兵.Holonic制造系統模型及控制技術研究［D］.南京:南京理工大學，2002.

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［7］唐任仲，等.基于合弄制造原理低成本自動化制造技術［J］.中國機械工程，1998(6):22－24.

［8］毛寧，等.敏捷制造模式下的單元化制造［J］.中國機械工程，1998，(6):25－27.

［9］趙普，鄭力，劉大成，等.基于代理的合弄控制系統的設計與開發［J］.制造技術與機床，2006(2):54－57.