面向Agent的分布式生產管理系統建模

喬東平，李 浩，肖艷秋

(鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002)

0 引言

在全球競爭環境下,傳統的生產管理系統通常采用集中式系統結構，具有柔性差、不易配置和集成、難修改和擴展的特點[1,2]，對于生產過程中的突發事件處理能力較弱。基于分布式決策和局部控制的分布式生產管理系統能夠較好滿足生產過程管理面臨的新挑戰，它通過松散耦合的問題解決者之間的協作為突發事件處理提供支持[3]。

伴隨著Agent技術的發展，Agent逐漸成為分布式問題求解的重要手段[4]，基于Agent技術在制造領域構建分布式應用的研究得到了廣泛的關注[5～7]，眾多的研究成果證明起源于分布式人工智能的Agent為構造靈活健壯的分布式生產管理系統提供了新的思路。本文針對裝備制造企業生產管理的特點，基于Agent技術建立分布式生產管理系統以滿足企業需要，在分析分布式生產管理系統結構的基礎上，采用擴展面向對象方法建立分布式生產管理系統模型，基于AUM L(Agent Unified M odeling Language)詳細分析了系統的建模過程，給出采用JADE(Java Agent DEvelopment Framework)的系統框架實現。

1 分布式生產管理系統結構

為了實現裝備制造企業生產過程的有效組織和管理，構建虛擬動態管理單元實現對參與生產過程的實體進行有效的單元劃分和組織[8]。虛擬動態管理單元用邏輯單元的概念實現參與生產過程實體的動態重組，使系統的控制具有自治和協作的雙重特性，增加了系統的柔性和適應性。參考典型的企業模型，基于虛擬動態管理單元將生產車間分為管理層、虛擬動態管理單元層和執行層，相關實體基于生產過程本體進行通信,其層次結構如圖1所示。

圖1 分布式生產管理系統層次結構

在生產管理過程中管理層、虛擬動態管理單元層和執行層之間存在遞階控制，同一層中的實體基于合同網的協商進行交互，屬于分布式控制。各層的詳細介紹如下：

1）管理層：是生產過程管理的最高管理層，主要負責生產任務的宏觀管理和后勤管理，如生產訂單管理等；負責虛擬動態管理單元的創建和消亡；對生產安排進行宏觀調控，當虛擬動態管理單元層發生沖突時由管理層依據生產實際做出決策；對于一些緊急任務，管理層可以強制進行安排，保證訂單按時交付。

2）虛擬動態管理單元層：由一組虛擬動態管理單元組成，是系統的局部管理者，不同的單元負責管理不同的制造實體，根據生產實際對單元內資源使用進行優化；負責對單元內的沖突進行解決協調，并將制造實體的狀態信息傳遞給管理層。

3）執行層：執行層處于系統的最底層，由眾多的制造實體構成，它們通過向不同虛擬動態管理單元注冊，實現資源的共享和充分利用。

生產過程本體為生產過程提供了無二義性的表達，相關實體可以用統一的方式進行信息和知識存儲，彼此之間可以相互理解，為實體之間通信提供語義層支持。

2 面向Agent的分布式生產管理系統模型

2.1 AUML[9]介紹

由FIPA(Foundation For Intelligence Physical Agent)和OMG(Object Management Group)聯合發布的Agent UML(AUML)[9]通過使用和擴展UML對面向Agent的建模提供支持。由于UML中定義的符號和規則用來描述Agent系統是不夠的，因此AUML的基本原則是：充分利用UM L已經定義的符號和規則，但不局限于此，在需要的時候創建新的符號或是借鑒其他領域的符號。AUM L通過擴展UML為面向Agent的系統建模和分析提供了統一的建模語言，采用一系列視圖從不同角度描述系統的靜態結構和動態行為，支持面向Agent的系統開發的整個生命周期的描述。AUML主要在順序視圖、類視圖和狀態視圖等方面對UML進行了擴展。

AUML將UML中的順序圖擴展后應用于Agent之間的交互描述,引入連接符表達在多個消息(或事件)中選擇一個或若干個以及多個消息(或事件)并發傳遞(執行)的情況，擴展后的順序圖是表達FIPA中交互協議規范的基礎。

AUM L中Agent類圖采用UM L衍型的方式定義，包括Agent類的名稱、角色名、狀態描述、內部行為、對外提供的服務和相關協議等，實現Agent內部狀態(屬性、規則和知識、信念、意圖和目標等)和動態行為(方法、自治行為、通信和推理行為等)的描述。

AUM L將狀態圖和活動圖結合起來用于描述Agent之間交互的處理流程和推理行為，通過支持狀態圖的嵌套實現對Agent間交互和推理的支持。

2.2 面向Agent的分布式生產管理系統建模

采用面向Agent方法對分布式生產管理系統建模，主要是基于AUM L對系統進行分析和模型構建。由于系統包含的功能多且結構復雜，主要從以下七個方面對系統模型進行分析。

1）系統功能需求描述

在傳統的面向對象分析中通常根據系統的目標描述系統需求，進而對其功能進行分析，容易造成需求冗余和需求矛盾。因此面向Agent的建模中基于對生產過程應用場景分析，使用用例圖描述系統功能需求，從用戶的角度獲取系統功能，分布式生產管理系統功能需求描述用例圖如圖2所示。

圖2 功能需求描述用例圖

從圖中可以看出，系統的用戶主要包括：管理人員(factory manager)、計劃員(planner)、調度員(scheduler)、工段長(section chief)、工人(worker)、工藝員(technologist)和庫存管理員(storekeeper)，不同的用戶對系統的功能需求不同，如管理人員主要需要一些查詢功能，包括生產訂單查詢(production order find)和生產計劃查詢(production plan find)等。

2）Agent識別

識別系統中的Agent是構建面向Agent系統的基礎，其結果直接影響系統運行性能。通常依據經驗直接將系統中的物理實體或功能映射為Agent，前者會造成系統中Agent數量過多，運行中通信量大的問題；后者需要在Agent間共享大量的狀態變量，增加系統中Agent間的額外交互。綜合使用兩種方法識別分布式生產管理系統中的Agent，在執行層將物理實體直接映射為Agent，方便管理其狀態；在虛擬動態管理單元層和管理層將功能模塊映射為Agent，通過共享功能模塊之間的狀態，減少Agent間交互。在基于AUML描述的模型中Agent是包含一組用例的包，將系統功能需求描述中獲得的用例進行組織，獲得的Agent與用例對應關系如圖3所示。

圖3 系統中Agent與用例的對應關系

系統中的Agent有：管理Agent(M anagement A gen t M A)、虛擬單元管理A gen t(V ir tua l Cell M anagem ent Agent VCM A)、資源管理Agent(Resource Management Agent ResMA)、任務管理Agent(Task M anagement Agent TMA)、資源Agent(Resource Agent RA)、庫房Agent(Warehouse Agent WA)和工藝規范管理Agent(Process Spec Management Agent PSMA)，其中管理Agent屬于管理層，虛擬單元管理Agent屬于虛擬動態管理單元層，其他Agent屬于執行層。

3）Agent角色識別

通過識別Agent在協同過程中扮演的不同角色，有助于理解Agent行為方式以及Agent之間的協同過程。在AUML中采用順序圖來表達Agent的協同過程，圖中的每一個對象代表一個Agent，通常采用＜角色名＞：＜Agent名＞的語法形式進行命名。管理人員通過管理Agent進行任務分派的交互過程中Agent的角色識別如圖4所示，在此過程中不同的Agent扮演不同的角色，如VCMA是任務分配的管理者，PSMA是工藝規范的提供者，RA是資源的提供者等，它們通過消息傳遞實現協同，完成任務分配。

4）任務分解

將系統功能圍繞Agent進行分解，將Agent執行的任務標識出來，從組織的角度將Agent承擔的任務進行劃分，有助于對Agent內部狀態和動態行為的描述，在AUM L中任務分解用活動圖表示。對任務管理Agent進行任務分解的活動圖如圖5所示，圖中右邊泳道中的活動代表任務管理Agent執行的主要任務，在同一泳道中的活動變遷表示其執行任務過程中的控制，而不同泳道中的活動變遷則是Agent在活動執行過程與其它Agent之間的交互。

圖4 任務分派過程中的角色識別

圖5 任務管理Agent的任務分解圖

5）Agent角色描述

從Agent在執行任務時的角色、彼此之間的交互和會話的角度對Agent生命過程進行建模，分析Agent在任務執行過程中扮演角色的具體行為。在AUM L中使用類圖來描述Agent承擔的角色，每個類代表一個角色，而Agent使用包含角色的包表示，通過對Agent承擔的角色進行行為描述一方面有助于理解其行為，同時還表達了Agen t承擔不同角色之間的關系以及角色之間的轉化關系，角色之間的關系主要有通信關系(Communications)、依賴關系(Dependencies)和角色轉換關系(Role changes)三種，其中依賴關系又分為服務(service)、資源(resource)、半服務/半資源(soft-service/ soft-resource) 依賴三種。

系統中Agent的角色描述如圖6所示，圖中描述了系統中Agent角色間的通信、依賴和角色轉換關系，如VCMA在進行單元管理時需要與單元內的TMA進行通信獲得單元內任務的狀態，因此二者之間具有通信關系。

圖6 系統中Agent角色描述

6）Agent交互協議描述

系統運行過程中Agent之間的交互要遵循標準的協議，分布式生產管理系統中Agent的通信基于FIPA提出的合同網協議實現，在AUM L中采用擴展的UM L順序圖對其描述?；诤贤W描述的生產過程中ResMA向RA分配任務的交互協議如圖7所示。在此過程中，ResMA首先向RA發送分配任務的消息，如果RA能夠按要求將任務安排，則將任務安排信息發送給ResMA，否則發送調整自身任務需求的消息或者非空閑消息;當ResMA接收到調整請求，根據當前的狀況，可以取消分配或者允許調整，RA接收到允許調整消息，將調整任務隊列，并對任務做出安排，將安排信息發送給ResMA；當ResMA接收到非空閑消息，可以向RA發送取消任務消息，通過取消其他任務使當前任務獲得安排，當RA接收到取消任務信息后，對任務隊列中的任務進行取消操作，將任務安排信息發送到ResMA。

圖7 ResMA向RA分配任務的交互協議

7）Agent結構定義

在AUML中使用類圖來表示Agent結構，類代表系統中的Agent，類的屬性表示Agent的知識，操作表示Agent的行為，類之間的關系表示Agent之間的通信。Agent的結構圖通常有多Agent結構圖和單個Agent結構圖兩種。前者從整體上對系統中Agent之間的關系進行描述，包含了系統中所有Agent、外部用戶以及它們之間的交互關系，分布式生產管理系統的多Agent結構圖如圖8(a)所示,從整體的角度給出相關Agent的主要知識、行為以及彼此之間的通信關系；后者是在前者的基礎上結合Agent實現技術獲得的單個Agent的結構圖。ResMA的結構圖如圖8(b)、8(c)所示，圖8(b)是ResMA實現的主類結構圖，圖8(c)是ResMA主要的行為類結構圖。

圖8 Agent結構定義圖

根據以上分析，將系統中的單個Agent構建為一個類，Agent的行為根據需要組織為一個或多個類，最后基于AUML構建的系統主要類視圖如圖9所示，圖中Agent之間的關聯關系代表彼此之間的通信。

圖9 系統中Agnet類視圖

3 面向Agent的分布式生產管理系統實現

依據構建的系統模型，采用意大利電信實驗室主持開發的Agent開發平臺JADE實現的面向Agent的分布式生產管理系統框架如圖10所示，框架被分為三個層次。

圖10 基于JADE實現的系統框架結構

處于最底層的是JADE分布式Agent平臺和數據庫，前者為系統的運行提供基礎服務，是分布式生產管理系統中Agent平臺的軟件實現，其中消息傳遞系統完成Agent通信管理功能，平臺管理系統功能主要由AMS(Agent Management System)、RMA(Remote Management Agent)和DF(Directory Facilitator)三個代理組成，分別負責系統中Agent管理、Agent界面管理和“黃頁”服務等基本功能，通過擴展JADE平臺提供的功能實現；數據庫中存儲了Agent運行時所必須的數據、知識和規則，系統運行結果也保存在數據庫中，通過JDBC(Java DataBase Connectivity)與系統中的業務Agent連接。

處于中間層的是本體組件和Agent組件，其中本體組件是生產管理過程本體的軟件實現，將相關的本體對象組織在一個java包，它們向JADE平臺注冊后可以直接作為系統中代理之間通信內容使用，同時也為業務Agent內部知識和信息的存儲提供方便；Agent組件是框架中業務Agent組的軟件實現，是整個框架的業務核心，它們繼承了JADE開發工具集中提供的類，運行在不同的JADE容器中，形成分布式應用。

最頂層是界面層，提供方便的人機交互，管理人員可以通過發送消息干涉Agent的運行和查看其運行結果。該層次的開發繼承了JADE中提供的圖形界面通用類（jade.gui包），同時使用圖形化的任務顯示工具建立可視化的人機交互環境。

4 結束語

由于Agent具有自治性、協同性和社會性等特點，其在分布式系統構建中具有不可替代的優勢，但是如何對面向Agent的系統建模，詳細描述Agent自身的屬性、知識、行為以及在多Agent環境下的組織形態和動態交互是系統構建中要解決的重要問題。AUM L通過擴展UML提供了統一的面向Agent的系統建模語言，使得面向對象的思想可以直接應用于面向Agent的系統建模中，為面向Agent系統的建模和分析提供了便利。本文基于AUM L詳細分析了面向Agent的分布式生產管理系統的建模過程，并給出了系統的實現框架。

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