基于CORBA-MAS的裝配系統(tǒng)信息集成框架研究

嚴(yán)正峰，王　旭

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥　230009)

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基于CORBA-MAS的裝配系統(tǒng)信息集成框架研究

嚴(yán)正峰，王旭

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

針對產(chǎn)品裝配過程中多源異構(gòu)信息的集成問題，在分析產(chǎn)品裝配過程信息組織形式的基礎(chǔ)上，基于角色和功能對裝配過程進(jìn)行了分解，定義了制造單元映射、制造單元聯(lián)盟和制造單元合并的信息集成分類模型，引入了公共對象請求代理體系結(jié)構(gòu)(Common Object Request Broker Architecture, CORBA)和Agent技術(shù)，建立了MAS(Multi Agent System)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了基于CORBA-MAS的集成框架。通過建立MAS的協(xié)作模型，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言(XML)對信息進(jìn)行表達(dá)和封裝，有利于Agent之間的協(xié)作。基于上述理論開發(fā)了基于CORBA-MAS的資源信息集成原型系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于北京某汽車發(fā)動機(jī)裝配車間，驗(yàn)證了該信息集成框架的可行性和有效性。

制造單元；裝配過程；CORBA-MAS；信息集成

0　引言

隨著全球市場競爭的加劇，面對瞬息萬變的市場環(huán)境，企業(yè)決策層必須及時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的過程信息來合理分配資源。裝配系統(tǒng)日益規(guī)?；⒅圃爝^程不確定因素隨機(jī)多變，導(dǎo)致裝配過程中的信息呈現(xiàn)多源、海量、多層次等特性，易形成信息孤島導(dǎo)致信息流阻塞。信息集成通過同構(gòu)化處理屏蔽了各異構(gòu)數(shù)據(jù)間的差異，集成后的信息對用戶來說是一致的、無差異的[1]。Carsten等[2]在分析數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，建立了統(tǒng)一存取和集成的方法。McBurney和Omicini[3]提出基于智能體分布式數(shù)控系統(tǒng)。苗新剛等[4]針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件裝配系統(tǒng)進(jìn)行了多Agent建模。張函等[5]提出了基于MAS的開放式數(shù)控軟件。

以上研究主要在分析信息源的基礎(chǔ)上研究了信息集成，但從制造單元這個基本生產(chǎn)主體進(jìn)行信息集成方面研究的較少。本文在將MAS(Multi Agent System)和CORBA(Common Object Request Broker Architecture)技術(shù)進(jìn)行了融合，提出了一種基于CORBA-MAS的信息集成框架。MAS適合解決動態(tài)、開放環(huán)境中的協(xié)作問題，Agent類似于分枝干，銜接各應(yīng)用系統(tǒng)、制造單元的Agent，屏蔽了異構(gòu)的系統(tǒng)。通過對象請求(Object Request Broker，ORB)發(fā)送請求服務(wù)，MAS的協(xié)作求解過程實(shí)現(xiàn)了資源信息的集成。該框架利用Agent技術(shù)來包裝制造單元、應(yīng)用子系統(tǒng)，保證了這些制造單元、應(yīng)用子系統(tǒng)在集成過程中仍能保持原來的穩(wěn)定性；使用XML來表示和封裝不同單元、應(yīng)用之間的交互信息，具有良好的跨平臺性。

1　裝配系統(tǒng)的制造單元分析

1.1裝配系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程分析

裝配系統(tǒng)作為產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的最終執(zhí)行者和實(shí)時信息的采集者，裝配過程是決定發(fā)動機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝流程。產(chǎn)品裝配過程信息如圖1所示，從企業(yè)級資源管理系統(tǒng)(如ERP)中獲取生產(chǎn)訂單、出庫單、物料BOM等信息；從車間級資源管理系統(tǒng)中獲取物料消耗信息[6]；從裝配流水線上采集各種過程信息以及訂單完成進(jìn)度等信息。前兩類信息大部分屬于異構(gòu)信息，以結(jié)構(gòu)化的形式存在于數(shù)據(jù)庫中；而裝配線上的實(shí)時信息大部分是非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的信息，難以建立統(tǒng)一的信息模型[7]。生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時性很強(qiáng)，需要根據(jù)流水線上動態(tài)的生產(chǎn)過程信息敏捷的做出響應(yīng)，以提高生產(chǎn)效率。

圖1　車間生產(chǎn)過程信息

1.2裝配系統(tǒng)的制造單元分解

根據(jù)粒度大小的不同可以把裝配線分成是多個組織單元，且不同的組織單元之間有一定的依賴關(guān)系，車間由裝配線組成、裝配線由若干個制造單元組成。將產(chǎn)品的裝配任務(wù)進(jìn)行分解，每個制造單元承擔(dān)不同的裝配任務(wù)。產(chǎn)品總成的分解包括基于功能和基于角色的分解，如圖2所示。

圖2　發(fā)動機(jī)整體分解關(guān)系圖

基于功能的分解，可以將產(chǎn)品分解為多個子功能系統(tǒng)，如發(fā)動機(jī)可分為活塞連桿系統(tǒng)、連桿曲軸系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等多子功能系統(tǒng)?；诮巧梢詫⑷蝿?wù)分解，得出由不同角色(如制造單元)的生產(chǎn)任務(wù)。

1.3制造單元的資源信息集成分類

分布在裝配線上彼此獨(dú)立的制造單元，它們之間必須建立一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)信息的集成。按照制造單元集成程度的不同，參考本體論中的本體集成分類方法，將制造單元集成分為制造單元映射、制造單元結(jié)盟和制造單元合并三類。上述三種形式的集成程度不同，單元映射屬于松散集成、單元結(jié)盟屬于關(guān)聯(lián)集成、單元合并屬于緊密集成，如圖3所示。

圖3　制造單元信息集成分類

定義1：制造單元映射(Manufacturing Unit Mapping, MUM)。制造單元映射指在不同制造單元之間根據(jù)生產(chǎn)關(guān)系建立連接，這些連接能夠?qū)蓚€或多個不同的制造單元的關(guān)系對應(yīng)起來，在建立映射的過程中制造單元自身并不改變。制造單元映射對制造單元信息集成的程度較低，屬于松散集成。

定義2：制造單元結(jié)盟(Manufacturing Unit Alignment, MUA)。制造單元結(jié)盟指不同的制造單元之間保持某種生產(chǎn)依賴關(guān)系，在建立映射的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)不同制造單元之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。制造單元結(jié)盟適用于原有應(yīng)用不發(fā)生變化的情況，是獨(dú)立運(yùn)行的，協(xié)調(diào)關(guān)系可以通過接口形式體現(xiàn)。

定義3：制造單元合并(Manufacturing Unit Combining, MUC)。制造單元合并是將不同的制造單元合并為一個制造單元整體，集成程度高，可以集成了多個制造單元，屏蔽了制造單元間的異構(gòu)性，適用于多個制造單元的集成，屬于緊密集成的關(guān)系。

2　CORBA-MAS的信息集成框架

采用Agent分析方法，對不同區(qū)域制造單元、不同層次的應(yīng)用子系統(tǒng)，可以選擇不同的Agent。制造單元集成程度不同，依據(jù)制造單元信息集成分類模型，選擇不同粒度的單元Agent和子系統(tǒng)Agent，當(dāng)進(jìn)行信息集成時，面對的是一個整體清晰大粒度的Agent系統(tǒng)[8]。多個Agent組成MAS，將請求和任務(wù)進(jìn)行解析和分解，由Agent完成分解后的子任務(wù)。提出了基于CORBA-MAS的信息交互框架，該平臺具有通訊效率高、可兼容性強(qiáng)、低耦合等特性，適合在動態(tài)、開放的環(huán)境下不同對象間進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的交互。將車間內(nèi)的相關(guān)異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)和制造單元的資源信息包裝為Agent，通過建立應(yīng)用Agent、控制Agent、集成Agent和協(xié)作Agent之間的通信機(jī)制，使得它們之間協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)車間信息資源的優(yōu)化整合。

2.1裝配系統(tǒng)信息集成需求

信息集成系統(tǒng)應(yīng)滿足：①信息集成不是制造單元、子系統(tǒng)之間的簡單互連，而是為了支持裝配系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需信息的交互融合；②集成過程中不能影響子系統(tǒng)、制造單元的功能；③信息集成主要是針對原有子系統(tǒng)、制造單元功能的擴(kuò)展和延伸[8]；④不能影響原有系統(tǒng)的功能。

2.2CORBA-MAS的裝配系統(tǒng)信息集成框架

裝配系統(tǒng)中分布在裝配線上各個制造單元的設(shè)備、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝的不同導(dǎo)致松散耦合單元間的信息難以有效共享。信息集成框架目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)各制造單元、應(yīng)用子系統(tǒng)的信息集成，保證集成后不影響原有制造單元、子系統(tǒng)的正常運(yùn)行?；贑ORBA-MAS的裝配系統(tǒng)信息集成框架如圖4所示。

圖4　基于CORBA-MAS的裝配系統(tǒng)信息集成框架

將信息集成問題轉(zhuǎn)化為MAS的協(xié)作問題[10]，通過MAS的協(xié)作，構(gòu)成了系統(tǒng)的群體活動實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體功能，降低了信息集成難度、使得集成框架具有良好的可擴(kuò)展性。

2.3MAS的協(xié)作模型

MAS包括：①應(yīng)用Agent：實(shí)現(xiàn)用戶對信息的訪問；②控制Agent：管理制造單元和子系統(tǒng)的訪問；③集成Agent：對信息進(jìn)行分析處理；④協(xié)作Agent：管理Agent的活動。具體步驟如下：

Step 1：當(dāng)某一子系統(tǒng)或制造單元因業(yè)務(wù)需求，向控制Agent發(fā)送請求；

Step 2：控制Agent收到請求后，通過ORB查找和定位該請求所標(biāo)識的集成Agent；

Step 3： 集成Agent收到請求后進(jìn)行解碼，分解為若干制造單元可執(zhí)行的子任務(wù)；

Step 4：分解后的子任務(wù)通過ORB向協(xié)作Agent請求提供句柄[9]；

Step 5：應(yīng)用子系統(tǒng)或制造單元完成任務(wù)后反饋給協(xié)作Agent；

圖7　基于制造單元的資源信息集成平臺的實(shí)現(xiàn)

Step 6：集成Agent對句柄進(jìn)行分析整理，并向控制Agent反饋結(jié)果；

Step 7：用戶通過應(yīng)用Agent實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的訪問；具體過程如圖5所示。

圖5　基于多Agent的協(xié)作模型

2.4MAS的通信機(jī)制

MAS進(jìn)行協(xié)作的前提是暢通的通信機(jī)制，在信息集成框架中需要做出如下假設(shè)：

假設(shè)1：在車間信息交互框架中不同的Agent能夠被唯一標(biāo)識。

假設(shè)2：MAS內(nèi)的通信協(xié)議要保持一致，而不同Agent間的通信語言可以是異構(gòu)的。

KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)用于Agent間的通信。XML語言可以用來表示和交換數(shù)據(jù)，MAS采用KQML進(jìn)行通信，XML既可用來表述通信的內(nèi)容又可以用來封裝消息，從而保證語義的一致性。用XML封裝KQML消息的優(yōu)點(diǎn)有：①降低了通信的復(fù)雜性；②有利于信息的交互；③有利于Agent之間的協(xié)作。MAS的通信如圖6所示。

圖6　MAS通信機(jī)制

當(dāng)Agent A通過ORB向Agent B發(fā)送請求時將內(nèi)容嵌入到KQML的內(nèi)容層；經(jīng)過XML解析/封裝過程生成XML文檔；通過KQML執(zhí)行請求，如查詢、連接其他應(yīng)用等；輸出的消息經(jīng)過XML解析/封裝過程生成XML文檔，發(fā)送到通信接口。

3　平臺的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1平臺的實(shí)現(xiàn)

基于上述研究，在北京某汽車廠構(gòu)建了信息集成平臺，如圖7所示。

該集成平臺采用基于.NET構(gòu)架開發(fā)。上線單元產(chǎn)生唯一標(biāo)記一臺發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品出生證，并和缸體二維碼信息綁定；在后邊的制造單元記錄各個單元的裝配信息并記錄物料消耗信息?；贑ORBA-MAS的信息集成框架對采集上來的源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，得到目標(biāo)數(shù)據(jù)。如：訂單推進(jìn)科可以根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況調(diào)整計劃；質(zhì)量管理部門可以在線分析發(fā)動機(jī)的質(zhì)量是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；物管部門可以對車間的物料進(jìn)行調(diào)整；設(shè)備管理科可以根據(jù)數(shù)據(jù)檢測車間內(nèi)的設(shè)備是否正常；總裝部可以對車間不同生產(chǎn)線的裝配過程進(jìn)行可視化監(jiān)控。

3.2平臺的驗(yàn)證

通過課題組參與的實(shí)際項目，在北京某汽車發(fā)動機(jī)廠進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖8所示。通過集成應(yīng)用系統(tǒng)，可以實(shí)時查看車間設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況；在計劃模塊可以查看當(dāng)前進(jìn)行訂單的信息；在質(zhì)量分析模塊可以對采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，判斷發(fā)動機(jī)質(zhì)量是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；工藝部門可以導(dǎo)入工藝路線；通過物料配送模塊，可以查看當(dāng)前物料消耗情況，當(dāng)小于安全物料值時發(fā)出警報，物料配送部門根據(jù)缺料信息對現(xiàn)場進(jìn)行配送。信息集成平臺屏蔽了各制造單元異構(gòu)數(shù)據(jù)間的差異，因此對不同層次的人員來說數(shù)據(jù)信息是統(tǒng)一無差異的，能夠?qū)崿F(xiàn)對企業(yè)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和可視化監(jiān)控。

圖8　基于CORBA-MAS的資源信息集成平臺應(yīng)用

4　結(jié)束語

本文為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程中異構(gòu)信息的有效集成，建立了基于CORBA-MAS的資源信息集成框架。信息集成框架及平臺的提出，將為實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造技術(shù)、車間生產(chǎn)管理和企業(yè)信息技術(shù)的融合集成提供可行的

解決方案。通過課題組參與的實(shí)際項目，在北京某汽車廠構(gòu)建了基于CORBA-MAS的資源信息集成平臺，企業(yè)管理人員可以及時根據(jù)車間生產(chǎn)過程信息來及時調(diào)整資源，并合理分配，從而提高企業(yè)的市場響應(yīng)能力。

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(編輯李秀敏)

Information Integration Framework Research of Assembly System Based on CORBA-MAS

YAN Zheng-feng, WANG Xu

(School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to integrate multi-source heterogeneous information effectively in the product assembly process, this paper analyzes the role and function of the assembly process based on the analysis of product assembly process information organization form. Then define the information integration classification model of manufacturing unit mapping, manufacturing unit alliances and manufacturing unit merging. This paper introduces Common Object Request Broker Architecture, CORBA and Agent technology, establishes MAS system ,on the basis of which, proposing integrated framework based on CORBA-MAS. Through establishing of the MAS collaboration model ,the paper uses Extensible Markup Language (XML) to express and package information, which is benefit to the collaboration between Agents. On the basis of the Theory above, the Paper develops a Resource information integration prototype system based on CORBA-MAS, applied to a Beijing automobile engine assembly plant successfully and verifies the feasibility and effectiveness of the information integration framework.

manufacturingunit; assembly process; CORBA-MAS; information integration

1001-2265(2015)11-0153-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.042

2014-12-29；

2015-02-02

嚴(yán)正峰(1969—)，男，湖北黃梅人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵O(shè)施規(guī)劃及優(yōu)化，(E-mail)mryz@yeah.net；通訊作者：王旭(1990—)，男，寧夏中衛(wèi)人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橹圃爝^程監(jiān)測與控制，(E-mail)wangxu640321@126.com。

TH166；TG506

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