基于數(shù)字化人的柔性制造系統(tǒng)的研究

曹 斌 張 娟 董伯麟 王治森

（①合肥工業(yè)大學工業(yè)培訓中心，安徽合肥230601;②合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009）

柔性制造系統(tǒng)（FMS，F(xiàn)lexible Manufacturing System）標志著傳統(tǒng)的機械制造行業(yè)進入了一個發(fā)展變革的新時代，它不僅提高了勞動生產(chǎn)率，降低了生產(chǎn)成本，而且克服了傳統(tǒng)的剛性自動線只適用于大量生產(chǎn)的局限性，表現(xiàn)出對多品種、小批量生產(chǎn)制造自動化的適應(yīng)能力，滿足了社會對產(chǎn)品多樣化、低制造成本、短制造周期的要求。盡管FMS有許多優(yōu)點，但是工業(yè)實踐已經(jīng)證明發(fā)展FMS也有很多困難，這是因為［1］:

（1）傳統(tǒng)FMS中加工設(shè)備是數(shù)控機床或加工中心，但現(xiàn)實的情況是無論企業(yè)大小，車間中除了少數(shù)的數(shù)控機床，大部分還是與數(shù)字化無緣的普通設(shè)備。因此難于及時收集數(shù)據(jù)，造成車間信息化的盲區(qū)。

（2）FMS是自動化制造系統(tǒng)，數(shù)字化和信息化是實現(xiàn)信息集成的關(guān)鍵。而建設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)需要破墻掘地、穿線架管，費時費力，因此，除非設(shè)計和建造新的車間，否則很難在現(xiàn)有的生產(chǎn)現(xiàn)場進行有線網(wǎng)絡(luò)的布線聯(lián)網(wǎng)。

（3）車間本身是一個不確定型系統(tǒng)，其中存在著大量隨機的、不確定性事件及非常規(guī)信息，信息的傳遞和處理過程需要十分靈活，而FMS是一種無人化的全自動化生產(chǎn)模式，它是建立在確定型系統(tǒng)概念之上的，一切依賴于計算機控制，排斥了人的參與。因此，面對隨機擾動，系統(tǒng)的靈活性和可靠性很難得到保證。

綜上所述，傳統(tǒng)的FMS單純依靠計算機和自動化技術(shù)，排斥了人的參與，導致系統(tǒng)的“智能代價”很高［2］，魯棒性、可靠性較低。人是構(gòu)成生產(chǎn)力的第一要素，同時也是最活躍的要素，人在生產(chǎn)活動中具有巨大的靈活性［3］。在現(xiàn)實的FMS中，必須樹立以人為核心的理念，建立“人機一體化系統(tǒng)”［4－5］。這種人機一體化FMS應(yīng)該是基于移動計算的、充分發(fā)揮“人的智能”與“機器智能”的人機協(xié)同制造模式，由于“人的智能”，普通機床也能靈活組配到FMS中來。

1 人機協(xié)同的FMS整體方案

人機協(xié)同的FMS可行的最佳模式是把移動計算技術(shù)引進來，人能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)隨時隨地加入車間數(shù)字化制造環(huán)境，獲取信息并根據(jù)形象思維和經(jīng)驗作出判斷，并與基于精確推理和快速數(shù)據(jù)處理的機器智能無縫地結(jié)合起來，實現(xiàn)靈活快捷的最佳決策，從而有效地進行車間管理和生產(chǎn)控制。

1.1 數(shù)字化人基本理論

數(shù)字化人［6］是一種具備了移動計算功能的人，即自然人與移動設(shè)備的結(jié)合。它擴展了人的信息獲取能力，為人增加了原來沒有的數(shù)字化通道，使人能夠加入到數(shù)字化系統(tǒng)運行當中去;同時，移動智能計算設(shè)備的高速計算能力、邏輯推理能力、海量存儲能力與人腦的形象思維等人類所特有的能力相結(jié)合，在保持人的自然性的同時，延伸人的信息處理能力;同時，由于移動技術(shù)的特點，自然人可以隨時隨地接入到數(shù)字系統(tǒng)中，保持了人的高度靈活移動性。圖1所示為數(shù)字化人與環(huán)境的交互。可見，數(shù)字化人的引入，不僅可以使人與人之間通過移動數(shù)字通道進行數(shù)據(jù)信息交互，提高人與人的交互能力，而且它將傳統(tǒng)FMS的結(jié)構(gòu)改變?yōu)閿?shù)字化人－機協(xié)同系統(tǒng)（如圖2），大大地提高了車間組織結(jié)構(gòu)的靈活性。數(shù)字化人概念的提出為人機協(xié)同制造模式奠定了基礎(chǔ)。

1.2 基于數(shù)字化人的FMS的結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)實的制造環(huán)境下，通過引入數(shù)字化人的概念，將人作為重要環(huán)節(jié)引入數(shù)字化制造環(huán)境中去，形成以人為中心、以計算機和移動技術(shù)為核心、以各種先進制造技術(shù)為載體的人機協(xié)同F(xiàn)MS。這種新型FMS具有較高程度的集成智能，通過無線移動網(wǎng)絡(luò)，能感知車間內(nèi)外部環(huán)境的變化并自動處理信息;自身的結(jié)構(gòu)能自我調(diào)整以適應(yīng)制造環(huán)境的變化，使車間系統(tǒng)能夠動態(tài)地快速重構(gòu)，響應(yīng)制造環(huán)境的變化［7］。圖3所示為基于數(shù)字化人的人機協(xié)同制造車間的總體結(jié)構(gòu)，圖4是基于數(shù)字化人的FMS結(jié)構(gòu)。

基于數(shù)字化人的FMS是一個以移動數(shù)控、移動計算、自組網(wǎng)等核心技術(shù)為基礎(chǔ)的人機協(xié)同數(shù)字化制造系統(tǒng)。在正常生產(chǎn)條件下，人機協(xié)同F(xiàn)MS按常規(guī)調(diào)度算法自動運行，數(shù)字化操作者只用于完成單元內(nèi)各臺設(shè)備的調(diào)整和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，并在加工過程中對機床實行監(jiān)控。當車間的內(nèi)外部環(huán)境發(fā)生變化時（如:緊急加工任務(wù)、設(shè)備故障等），數(shù)字化操作者就可以通過移動計算設(shè)備和其他職能的數(shù)字化人（如車間現(xiàn)場調(diào)度、車間現(xiàn)場檢驗等）以及數(shù)控機床組成臨時的Ad－Hoc自組網(wǎng)絡(luò)，對人機協(xié)同F(xiàn)MS快速地分析判斷和決策、調(diào)整，與此同時還可以利用企業(yè)IntranetInternet獲得遠程支持。

為了實現(xiàn)人機協(xié)同F(xiàn)MS中數(shù)字化人與自動化設(shè)備的協(xié)同，需要在傳統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備上構(gòu)造新型控制系統(tǒng)，使其支持與數(shù)字化人之間的信息交互;而自動化設(shè)備與數(shù)字化人以及數(shù)字化人與數(shù)字化人之間的信息協(xié)同則需要移動自組網(wǎng)技術(shù)的支持;在數(shù)字化人的概念中，移動計算設(shè)備不僅是外界環(huán)境與人交互的通道，而且還具有移動計算功能，能輔助、協(xié)同人腦工作，這種移動計算技術(shù)是實現(xiàn)移動設(shè)備與人腦協(xié)同的關(guān)鍵。

1.3 基于數(shù)字化人的FMS的關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 支持數(shù)字化人的新型嵌入式控制系統(tǒng)

新型嵌入式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別在于通過構(gòu)造新型設(shè)備，使系統(tǒng)支持無線移動通信。為此，提出了一種基于Web服務(wù)技術(shù)和移動技術(shù)，支持人機協(xié)同控制的分布式數(shù)控系統(tǒng)，如圖5所示，由移動控制器和設(shè)備控制器組成。移動控制器即數(shù)字化人中的移動手持設(shè)備，它為設(shè)備控制器提供人機界面，完成設(shè)備的設(shè)置、調(diào)整、手工操作;運行程序的編制、下傳/上載、示教和仿真;設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和分析處理、報警響應(yīng)，對機床控制器的診斷與維護等一系列工作。設(shè)備控制器是一種嵌入到傳統(tǒng)設(shè)備上的數(shù)字化控制系統(tǒng)，它能完成對設(shè)備的自動控制;同時，設(shè)備控制器是一個Web服務(wù)器，它能接受數(shù)字化人的訪問，向數(shù)字化人和遠程客戶端提供服務(wù)。圖6是新型嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的原型。

這種新型嵌入式控制系統(tǒng)有很多優(yōu)點。首先，它支持分布系統(tǒng)的無縫集成，Web服務(wù)是基于HTTP、XML、SOAP、MSDL和UDDI等全球通用的互聯(lián)網(wǎng)標準的分布式軟件技術(shù)，因此能支持互聯(lián)網(wǎng)上異構(gòu)系統(tǒng)的跨平臺、跨地域無縫集成，具有很高的自動化程度和動態(tài)實時性。其次，數(shù)控系統(tǒng)的人機界面和很大一部分管理功能被轉(zhuǎn)移到移動控制器上，操作者不再被約束在機器面前，而是更加友好和人性化，真正實現(xiàn)了以人為中心的人機協(xié)同F(xiàn)MS。最后，由于Web服務(wù)是一種面向?qū)ο蟮目芍赜媒M件，因此能更好地支持車間設(shè)備的快速開發(fā)和重組。操作系統(tǒng)可以控制和管理系統(tǒng)內(nèi)各種硬件和軟件資源、合理有效地組織系統(tǒng)工作，提供通信協(xié)議等，因此，選擇一種功能強大、實時性和可靠性好的操作系統(tǒng)是十分重要的。Windows CE.NET是一種實時性較強的嵌入式操作系統(tǒng)，兼?zhèn)銬OS和Windows的優(yōu)點，是完全開放的模塊化體系結(jié)構(gòu)，支持藍牙和802.11x無線通信協(xié)議且具有友好的圖形界面，是一種很理想的選擇。

1.3.2 FMS 的自組網(wǎng)技術(shù)

Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年來快速發(fā)展起來的技術(shù)，主要指的是由若干個無線移動設(shè)備構(gòu)成的分布式無線分組網(wǎng)絡(luò)。它具有以下特點:（1）分布式移動自組織網(wǎng)絡(luò)中沒有集中的控制中心，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點處于相同的地位，通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此的行為。（2）自組織、自配置移動自組織網(wǎng)絡(luò)可以在任何時間任何地方快速組建而無需人工配置和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。（3）網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能以任意方式在網(wǎng)中移動，并可以隨時進出。隨著節(jié)點的加入、離開和移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化。

應(yīng)用于Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)有很多種（如802.11系列、藍牙、GSM等），由于藍牙的成本低、性能穩(wěn)定、穿透障礙能力強等優(yōu)點，藍牙Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)特別適合于車間生產(chǎn)環(huán)境。因此，在人機協(xié)同的柔性制造系統(tǒng)中，數(shù)字化人和設(shè)備控制器間可以采用藍牙Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)進行無線通信。藍牙移動自組織網(wǎng)絡(luò)是以藍牙個域網(wǎng)為基礎(chǔ)的。從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度上看，藍牙個域網(wǎng)也被稱為藍牙微微網(wǎng)（Piconet）。每個Piconet是由主設(shè)備（Master）與從設(shè)備（Slave）組成的星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，藍牙Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)由多個獨立的藍牙微微網(wǎng)組成，網(wǎng)內(nèi)每個節(jié)點都有唯一的設(shè)備ID。圖7所示為藍牙移動自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

新型數(shù)控及人機協(xié)同的制造單元中，主要設(shè)備是機床控制器和移動控制器，這兩種節(jié)點設(shè)備在藍牙移動自組織網(wǎng)絡(luò)中所代表的類型為從設(shè)備和主設(shè)備。在嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE.NET中構(gòu)建好主設(shè)備和從設(shè)備后，由于每個節(jié)點都具有唯一的ID，藍牙設(shè)備開機后便會自動搜索范圍內(nèi)的節(jié)點并組成Piconet，多個Piconet可以組成多跳路由的Ad－Hoc網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)更大范圍的藍牙移動自組網(wǎng)。

當數(shù)字化人需要與某一數(shù)控設(shè)備通信時，它只需要選擇該設(shè)備的ID，發(fā)送一個查詢和尋呼消息，便可實現(xiàn)與該數(shù)控設(shè)備連接，從而進行數(shù)據(jù)的上傳和下載。

1.3.3 FMS 中移動計算智能

車間自動化管理層是一個龐大的、由不同功能軟件組成的自動化管理系統(tǒng)，一般是指現(xiàn)有車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Execution System），它的成功實施和運行必須要有車間人員的有效參與。而傳統(tǒng)FMS中更多注重的是自動化管理和調(diào)度，由于生產(chǎn)現(xiàn)場制造活動的復雜性和動態(tài)性，車間中存在著大量的不確定、不完備的非常規(guī)信息，利用這些非常規(guī)信息進行自動化管理調(diào)度必然會影響調(diào)度的效率和可靠性，同時會大大增加MES的開發(fā)利用成本。因此，充分利用數(shù)字化人的知識、經(jīng)驗和技能，實現(xiàn)人機協(xié)同管理調(diào)度是解決問題的良好途徑。這種人機協(xié)同調(diào)度的原則是，利用計算機算法程序根據(jù)常規(guī)信息解決確定性調(diào)度問題，讓調(diào)度人員利用自身的經(jīng)驗、知識和技巧解決非常規(guī)信息情況下的不確定性調(diào)度問題［8］。

數(shù)字化人概念中的移動設(shè)備是實現(xiàn)人機協(xié)同管理調(diào)度的關(guān)鍵，它不僅是人與外界環(huán)境交互的通道，還應(yīng)當能夠輔助、協(xié)同人腦工作。這種智能特性是由依附于手持設(shè)備上的移動Agent系統(tǒng)來支持和實現(xiàn)的。A-gent一詞在人工智能領(lǐng)域，被稱之為“智能代理體”，指的是一種實體，而且是具有智能的實體，這種實體可以是智能軟件、智能設(shè)備、智能機器人或智能計算機系統(tǒng)等，甚至也可以是人，能代表用戶或其他程序，以主動服務(wù)的方式完成一項工作。Agent技術(shù)是人工智能和計算機軟件領(lǐng)域的一個重要分支和熱門課題。A-gent的抽象模型是具有傳感器和效應(yīng)器，處于某一環(huán)境中的智能實體，它通過傳感器感知環(huán)境，通過效應(yīng)器作用于環(huán)境，它能運用自己所擁有的知識進行問題的求解，還能與其它Agent進行信息交流并協(xié)同工作。因此，Agent具有如下基本特性:（1）自治性，即能夠在沒有人或別的Agent的干預(yù)下，主動地自發(fā)地控制自身的行為和內(nèi)部狀態(tài)，并且還有自己的目標或意圖;（2）反應(yīng)性，即能夠感知環(huán)境，并通過行為改變環(huán)境;（3）適應(yīng)性，即能根據(jù)目標、環(huán)境等的要求和制約作出行動計劃，并根據(jù)環(huán)境的變化，修改自己的目標和計劃;（4）社會性，一個Agent一般不能在環(huán)境中單獨存在，而要與其他Agent在同一環(huán)境中協(xié)同工作，即要進行相互通信。

移動Agent是一種特殊的Agent，它除了具有A-gent的基本屬性以外，移動性是其最重要的特點，它可以從一臺機器通過網(wǎng)絡(luò)移動到另外一臺機器運行。由于移動設(shè)備的軟硬件能力有限，利用MicroFIPA－OS系統(tǒng)［9－10］，在移動設(shè)備上構(gòu)建一個移動 Agent系統(tǒng)，使其適用于數(shù)字化環(huán)境下數(shù)字化人的智能協(xié)同工作，在分布計算方面，便可以指定任務(wù)在遠程節(jié)點中功能強大的機器上進行具體的計算和運行。

MicroFIPA－OS系統(tǒng)是芬蘭Helsinki大學針對手持移動設(shè)備開發(fā)的多Agent軟件集成開發(fā)平臺，采用消息服務(wù)機制實現(xiàn)Agent之間的對話以及與外部數(shù)字信息的交互，通過Agent對話監(jiān)聽器及任務(wù)管理器組織、調(diào)度多個Agent協(xié)同工作。

數(shù)字化人中的Agent分為任務(wù)Agent和人機接口Agent兩大類，其中任務(wù)Agent又分為管理Agent、檢驗Agent、操作Agent等，數(shù)字化人的實現(xiàn)形式如圖8所示。在生產(chǎn)現(xiàn)場無線局域網(wǎng)環(huán)境中，操作員通過人機接口Agent，實現(xiàn)人與設(shè)備的數(shù)字化交互，獲得有關(guān)任務(wù)、設(shè)備等信息，并根據(jù)這些信息，利用人的經(jīng)驗、知識、技巧以及任務(wù)Agent所提供的計算分析、邏輯推理等支持，完成相應(yīng)的制造任務(wù)。

2 實例實現(xiàn)

基于以上理論研究，以實驗室為依托，對上述關(guān)鍵技術(shù)進行電機軸加工用柔性制造系統(tǒng)實例化研究。

加工對象:各品種小批量生產(chǎn)的電機軸，直徑15～55 mm，長度160～650 mm。加工工藝流程:棒料預(yù)先經(jīng)過銑端面打中心孔后，送入柔性線內(nèi)，經(jīng)過車削、銑鍵槽和磨削等工序，加工成電機軸。系統(tǒng)概要:該FMS由2臺數(shù)控車床、1臺普通車床、1臺數(shù)控銑床、1臺數(shù)控磨床、2臺工業(yè)機器人、AGV小車、自動化倉庫以及群機控制裝置等組成，如圖9。機床是按工藝流程配置的。

遇到非常規(guī)信息時，要進行人機交互調(diào)度，如圖10。

實驗效果:在傳統(tǒng)FMS中引入數(shù)字化人后，普通車床也能很好地融入到FMS中來，提高了機床利用率，提高了制造的效率，同時，數(shù)字化人能參與到系統(tǒng)的管理調(diào)度過程中，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性。

3 結(jié)語

盡管FMS有許多優(yōu)點，但它排斥人的參與，導致普通機床很難融入到柔性系統(tǒng)中，同時，車間布線問題以及可靠的管理調(diào)度技術(shù)也是制約FMS在工業(yè)生產(chǎn)中大力發(fā)展的重要因素。FMS是一個不確定型的系統(tǒng)，單純依靠計算機和自動化技術(shù)來實現(xiàn)車間的數(shù)字化制造是不現(xiàn)實的。只有創(chuàng)造條件，將人和無線移動通信技術(shù)引進來，構(gòu)建人機協(xié)同F(xiàn)MS，才是最佳的途徑。基于Web服務(wù)技術(shù)和移動技術(shù)的新型控制系統(tǒng)、藍牙移動自組網(wǎng)技術(shù)以及基于多Agent移動計算的人機協(xié)同管理調(diào)度技術(shù)，為實現(xiàn)人機協(xié)同F(xiàn)MS打下了堅實的基礎(chǔ)。

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