基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：傳統(tǒng)制造企業(yè)MES系統(tǒng)常面臨集成難、數(shù)據(jù)質(zhì)量差、成本高及靈活性不足等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)僵化、響應(yīng)慢。基于多Agent技術(shù)，構(gòu)建包含管理層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層的制造企業(yè)MES系統(tǒng)架構(gòu)。在系統(tǒng)功能上，利用RFID射頻技術(shù)設(shè)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能Agent。通過構(gòu)建并求解優(yōu)化模型設(shè)計(jì)生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度功能Agent。基于隨機(jī)森林算法設(shè)計(jì)生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能Agent。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)MES系統(tǒng)功能完善，可以為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造提供可行的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：多Agent系統(tǒng)；制造企業(yè)；MES系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)應(yīng)用

一、前言

制造企業(yè)的制造執(zhí)行（MES）系統(tǒng)，作為連接企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)與現(xiàn)場自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的橋梁，扮演著至關(guān)重要的角色。MES系統(tǒng)通過對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度與優(yōu)化，確保了生產(chǎn)計(jì)劃的有效執(zhí)行，是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，隨著制造環(huán)境日益復(fù)雜多變，傳統(tǒng)MES系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)。一方面，傳統(tǒng)MES系統(tǒng)多采用集中式控制架構(gòu)，難以適應(yīng)分布式、異構(gòu)的生產(chǎn)環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)靈活性不足，難以快速響應(yīng)生產(chǎn)需求的變化。另一方面，傳統(tǒng)MES系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理、決策支持與故障預(yù)警等方面的智能化水平有限，難以充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的深度優(yōu)化與預(yù)測性維護(hù)。在此背景下，多Agent系統(tǒng)作為人工智能領(lǐng)域的重要分支，以其分布式控制、自主決策、協(xié)同工作等特性，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的管理與優(yōu)化問題提供了新的視角。在多Agent系統(tǒng)中，每個(gè)Agent被視為具有一定智能的實(shí)體，能夠根據(jù)自身狀態(tài)、環(huán)境信息及與其他Agent的交互結(jié)果，自主做出決策并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境的適應(yīng)與優(yōu)化。

因此，設(shè)計(jì)并應(yīng)用基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)，以提升傳統(tǒng)系統(tǒng)的靈活性、智能化水平及綜合性能，成為當(dāng)前制造業(yè)信息化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

二、基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)制造企業(yè)MES系統(tǒng)大多采用集中式控制模式，難以適應(yīng)現(xiàn)代制造環(huán)境的動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性，所以引入多Agent技術(shù)，設(shè)計(jì)如圖1所示的制造企業(yè)MES系統(tǒng)架構(gòu)[1]。

如圖1所示，基于多Agent的MES系統(tǒng)架構(gòu)含管理層、協(xié)調(diào)層、執(zhí)行層[2]。管理層制定生產(chǎn)任務(wù)，執(zhí)行層直接參與生產(chǎn)。協(xié)調(diào)層則作為管理層與執(zhí)行層之間的橋梁，負(fù)責(zé)任務(wù)的分解、分配與協(xié)調(diào)，確保生產(chǎn)任務(wù)能夠順利下達(dá)到執(zhí)行層，并實(shí)時(shí)監(jiān)控執(zhí)行進(jìn)度，反饋生產(chǎn)狀態(tài)。執(zhí)行接口等Agent協(xié)作完成任務(wù)[3]。此設(shè)計(jì)提升了智能化、靈活性與響應(yīng)速度，助力智能制造轉(zhuǎn)型。

三、基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（一）生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能

在制造企業(yè)MES系統(tǒng)中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能對(duì)于生產(chǎn)調(diào)度和決策至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文在生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集Agent中引入RFID射頻技術(shù)[4]。具體來說，在生產(chǎn)現(xiàn)場的每個(gè)RFID讀寫器作為數(shù)據(jù)采集Agent，負(fù)責(zé)收集其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息。標(biāo)簽則附著在生產(chǎn)物料、員工和設(shè)備上，用于標(biāo)識(shí)和追蹤。當(dāng)帶有標(biāo)簽的物料、員工或設(shè)備經(jīng)過RFID讀寫器時(shí)，讀寫器會(huì)讀取標(biāo)簽中的信息，進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集[5]，在完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集后，將其傳輸并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫Agent中，以便其他Agent調(diào)用。

（二）生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度功能

在生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度Agent上，本文將調(diào)度轉(zhuǎn)為優(yōu)化問題，構(gòu)建并求解模型以實(shí)現(xiàn)調(diào)度[6]。在制造車間，產(chǎn)品需全部生產(chǎn)完才能進(jìn)行后續(xù)工作。為提高裝配效率，需縮短整批產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，即最小化完工時(shí)間。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)，關(guān)鍵是計(jì)算整批產(chǎn)品最晚完工時(shí)間。已知產(chǎn)品Pi的生產(chǎn)工序G最晚開始加工時(shí)間TPi，G為：

（1）

其中：

（2）

（3）

式中，mtn表示編號(hào)為n的生產(chǎn)設(shè)備的加工時(shí)間，m為生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量。SPi，G表示產(chǎn)品Pi的生產(chǎn)工序G的結(jié)束時(shí)間。T0表示使用設(shè)備G的生產(chǎn)時(shí)間。根據(jù)上述公式，即可確定完成最后一個(gè)產(chǎn)品的最后一道工序的最晚時(shí)間，并以此作為生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)，具體計(jì)算公式如式（4）：

（4）

式中，f表示最后一個(gè)產(chǎn)品的最后一道生產(chǎn)工序的最晚生產(chǎn)時(shí)間函數(shù)。上述建立的數(shù)學(xué)模型為車間調(diào)度問題提供了理論基礎(chǔ)。為了求解該模型，采用遺傳算法（GA），這是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的優(yōu)化算法，適用于解決復(fù)雜的組合優(yōu)化問題。隨機(jī)生成初始調(diào)度方案，計(jì)算適應(yīng)度值[7]。采用輪盤賭選擇父代，進(jìn)行單點(diǎn)交叉和變異操作生成子代，替換種群個(gè)體。重復(fù)至收斂，選擇最優(yōu)解作為最佳調(diào)度方案。在生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度Agent上，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并用遺傳算法求解，可最小化完工時(shí)間，從而提升生產(chǎn)效率。

（三）生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能

在生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控Agent上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)和模式識(shí)別，引入隨機(jī)森林算法[8]。在生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控中，隨機(jī)森林算法能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，識(shí)別出不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)特征，從而建立準(zhǔn)確的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模型。假設(shè)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集Agent獲取的制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)集為B={（x1，y1），（x2，y2），…，（xN，yN）}，x1，x2，…，xN為生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，y1，y2…，yN為對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)簽。利用該數(shù)據(jù)集訓(xùn)練生成決策樹，在決策樹生成過程中，節(jié)點(diǎn)分裂至關(guān)重要。本文以信息增益作為節(jié)點(diǎn)分裂的依據(jù)，其計(jì)算公式如式（5）：

（5）

其中：

（6）

式中，W（B，x）表示某一生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)x對(duì)數(shù)據(jù)集B進(jìn)行劃分時(shí)所獲取的信息增益，其值越大說明集合純度越高。H（B）表示數(shù)據(jù)集B的信息熵。Bl表示數(shù)據(jù)集B在數(shù)據(jù)x上編號(hào)為l的屬性上取值的樣本集合。L表示數(shù)據(jù)屬性集合。Zk表示第k個(gè)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)類別yk在數(shù)據(jù)集合B中所占比例。根據(jù)式（5）計(jì)算出全部數(shù)據(jù)的信息增益，從而選擇最大信息增益的數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分裂，直到全部決策樹節(jié)點(diǎn)的信息熵為0，完成節(jié)點(diǎn)分裂，生成決策樹。

可構(gòu)建隨機(jī)森林，輸入設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)得到監(jiān)控結(jié)果，幫助檢修維護(hù)。本文基于多Agent的MES系統(tǒng)，在主體上分別實(shí)現(xiàn)采集、調(diào)度、監(jiān)控功能，保障企業(yè)智能化管理。

四、實(shí)際應(yīng)用

（一）應(yīng)用準(zhǔn)備

完成基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)的架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)后，在我國某液壓元件制造企業(yè)內(nèi)應(yīng)用該系統(tǒng)，展開系統(tǒng)功能測試。首先，在該液壓元件制造企業(yè)中，配置系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的參數(shù)，見表1。

基于上表所示環(huán)境，開發(fā)基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)，并將其部署在生產(chǎn)車間內(nèi)，一一進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度功能、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能的驗(yàn)證，確保各功能模塊正常運(yùn)行。

（二）生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能驗(yàn)證

針對(duì)基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能，以液壓元件制造企業(yè)車間內(nèi)某型號(hào)的數(shù)控機(jī)床作為測試對(duì)象，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)擊設(shè)備按鈕，即可顯示對(duì)應(yīng)機(jī)床的詳細(xì)加工狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖2所示。

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集機(jī)床狀態(tài)、工序、報(bào)警等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免人工錯(cuò)誤與遺漏，為生產(chǎn)管理和維護(hù)提供準(zhǔn)確信息，驗(yàn)證了多Agent MES系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集功能的有效性。

（三）生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度功能驗(yàn)證

針對(duì)基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度功能，基于液壓元件制造企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)置100個(gè)不同的元件生產(chǎn)任務(wù)，分別在不應(yīng)用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)和應(yīng)用MES系統(tǒng)的情況下，進(jìn)行100個(gè)液壓元件生產(chǎn)任務(wù)的調(diào)度，記錄并比較最大完工時(shí)間，如圖3所示。

隨著液壓元件生產(chǎn)任務(wù)增加，未用本系統(tǒng)時(shí)最大完工時(shí)間近似線性增長，而用本系統(tǒng)時(shí)增長幅度小，表明處理多任務(wù)效率高。在所有任務(wù)量下，使用本系統(tǒng)的最大完工時(shí)間均顯著縮短，生產(chǎn)效率提升。因此，本文設(shè)計(jì)的多Agent MES系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)度功能可行、可靠。

（四）生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能驗(yàn)證

針對(duì)基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能，在上述數(shù)控機(jī)床設(shè)備運(yùn)行過程中，模擬正常、警戒、異常、故障這四種不同的運(yùn)行狀態(tài)，每種狀態(tài)下各采集20組設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行該數(shù)控機(jī)床設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，記錄監(jiān)控結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別制造企業(yè)生產(chǎn)車間中數(shù)控機(jī)床設(shè)備的正常、警戒、異常、故障狀態(tài)，識(shí)別正確率高達(dá)97.5%，說明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控功能良好。綜上所述，通過本次實(shí)際應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了基于多Agent的制造企業(yè)MES系統(tǒng)的功能完善，可以為制造企業(yè)提供更全面的管理支持。

五、結(jié)語

本研究聚焦多Agent技術(shù)的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了智能化、可擴(kuò)展的MES原型，涵蓋數(shù)據(jù)采集、調(diào)度優(yōu)化、設(shè)備監(jiān)控等。實(shí)驗(yàn)顯示系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)、功能完善。未來，將進(jìn)一步探索AI算法與多Agent系統(tǒng)的深度融合，以期在預(yù)測性維護(hù)、質(zhì)量控制等領(lǐng)域取得更多突破，推動(dòng)制造業(yè)向更高層次的智能制造邁進(jìn)。

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作者單位：上海南洋萬邦軟件技術(shù)有限公司

■ 責(zé)任編輯：王穎振 鄭凱津