基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的多AGV調(diào)度研究

唐敦兵，陸曉春，鄭堃

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的多AGV調(diào)度研究

唐敦兵，陸曉春，鄭堃

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：為解決多AGV系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度及協(xié)調(diào)控制問題，受神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的啟發(fā)，結(jié)合混合區(qū)域控制模型，建立了任務(wù)、制造單元及AGV之間相互刺激的激素分泌模型，并在此基礎(chǔ)上提出了基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的多AGV任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制。結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：多AGV；任務(wù)調(diào)度；協(xié)調(diào)控制；神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制；仿真實(shí)驗(yàn)

Research on Multi-AGV Scheduling Based on Neuro-endocrine Coordination Mechanism

TANG Dunbing, LU Xiaochun, ZHENG Kun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics

and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:To solve the task scheduling and coordination problems in multi-AGV system, gaining enlightenment from the neure-endocrine coordination mechanism and combining the mixed regional control model, this paper build the hormone secretion model of the stimulation among task, manufacturing unit and AGV, then, proposes the multi-AGV task assignment and scheduling mechanism based on the neuro-endocrine coordination mechanism. The scheduling simulation experiments combined with specific examples are conducted and the feasibility and effectiveness of the proposed approach are verified.

Keywords:multi-AGV; task scheduling; coordination control; neuro-endocrine coordination mechanism; simulation

0引言

隨著現(xiàn)代制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對制造系統(tǒng)的柔性和魯棒性提出了更高的要求[1]。自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)(automated guided vehicle system， AGVS)作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)，以其特有的高度靈活性、柔性和高效性等顯著特點(diǎn)，極大地提高了現(xiàn)在制造系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、魯棒性，降低了生產(chǎn)成本等[2]。因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對多AGV開展了大量研究，主要集中在以下三個(gè)方面：多AGV任務(wù)調(diào)度、多AGV路徑規(guī)劃及多AGV協(xié)調(diào)控制。任務(wù)調(diào)度是AGV的基本問題之一，主要解決在考慮當(dāng)前約束下加工任務(wù)在多臺AGV上的分配及組合優(yōu)化問題[3]；路徑規(guī)劃主要解決在考慮當(dāng)前環(huán)境參數(shù)下，多AGV系統(tǒng)在得到新任務(wù)后，從任務(wù)起始點(diǎn)到任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)的路徑問題；協(xié)調(diào)控制是多AGV系統(tǒng)的最關(guān)鍵問題，主要解決在實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)多臺AGV可能出現(xiàn)的碰撞、死鎖等問題[4]。

由于多AGV系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)并發(fā)的系統(tǒng)，集中在線式的路徑規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制存在運(yùn)算時(shí)間長、控制滯后的問題，因此無法取得令人滿意的控制效果。

生物體在復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下有著很強(qiáng)的適應(yīng)能力和應(yīng)變能力，能夠針對內(nèi)外界環(huán)境的變化迅速對自身相關(guān)功能活動進(jìn)行協(xié)調(diào)，達(dá)到新的動態(tài)平衡狀態(tài)。神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制作為維持生物體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的重要生理機(jī)制，蘊(yùn)含著豐富而復(fù)雜的分布式信息處理與協(xié)調(diào)機(jī)制，體現(xiàn)出高度的自適應(yīng)和自組織性[5]。因此，文中在深入研究神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制在生物體內(nèi)重要作用的基礎(chǔ)上，借鑒神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的優(yōu)秀特性，將之應(yīng)用于多AGV系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度、協(xié)調(diào)控制中，并開展了相應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)。

1神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制

神經(jīng)系統(tǒng)是人體內(nèi)起主導(dǎo)作用的功能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，體內(nèi)各器官、系統(tǒng)的功能和各種生理過程等均受神經(jīng)系統(tǒng)的直接或間接調(diào)控，從而相互協(xié)調(diào)，共同完成機(jī)體的各項(xiàng)功能活動。

內(nèi)分泌系統(tǒng)作為人體另一重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由內(nèi)分泌腺、內(nèi)分泌細(xì)胞及激素組成。內(nèi)分泌系統(tǒng)作為機(jī)體重要的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過分泌激素來調(diào)節(jié)體內(nèi)各組織器官的功能。

神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)存在著廣泛的聯(lián)系和相互作用。一方面，神經(jīng)系統(tǒng)接受機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的各類刺激，將之轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動，刺激內(nèi)分泌腺的激素分泌，對內(nèi)分泌系統(tǒng)有著調(diào)控作用；另一方面，內(nèi)分泌系統(tǒng)可以通過分泌激素改變神經(jīng)系統(tǒng)對特定刺激的敏感度，從而影響神經(jīng)系統(tǒng)的活動。

神經(jīng)系統(tǒng)對機(jī)體的調(diào)節(jié)主要通過神經(jīng)調(diào)節(jié)進(jìn)行，神經(jīng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是反射弧，反射弧中傳導(dǎo)的是電信號，因此神經(jīng)調(diào)節(jié)的最大特點(diǎn)是調(diào)節(jié)迅速。神經(jīng)沖動可以由反射弧直接傳導(dǎo)至效應(yīng)器，調(diào)節(jié)范圍準(zhǔn)確。神經(jīng)遞質(zhì)在起作用后立刻被分解，因此作用時(shí)間很短暫。內(nèi)分泌調(diào)節(jié)則是通過血液、組織液等內(nèi)分泌循環(huán)將激素、CO2等化學(xué)物質(zhì)運(yùn)送至全身各處組織與器官，進(jìn)而調(diào)節(jié)各項(xiàng)生理活動，因此內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的速度相對緩慢。但全身組織、細(xì)胞只要由相應(yīng)的激素受體機(jī)體接受調(diào)控，調(diào)控范圍相當(dāng)廣泛；同時(shí)，激素在發(fā)揮作用后不會馬上消散，仍會存在一段時(shí)間，可以繼續(xù)對組織器官進(jìn)行調(diào)節(jié)，故內(nèi)分泌調(diào)節(jié)的作用時(shí)間較長。

神經(jīng)調(diào)節(jié)與內(nèi)分泌調(diào)節(jié)以其各自的特點(diǎn)，相互協(xié)調(diào)配合，在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)上發(fā)揮著重要作用。寒冷環(huán)境中機(jī)體體溫的恒定維持是神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制相互作用，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的一個(gè)典型例子，具體過程如圖1所示。

圖1　寒冷環(huán)境中機(jī)體體溫恒定維持示意圖

下丘腦在感受到寒冷刺激后，可以直接調(diào)節(jié)骨骼肌、腎上腺等組織器官的活動，同時(shí)也能控制垂體等內(nèi)分泌腺的激素分泌，從而減少散熱，增加產(chǎn)熱，維持機(jī)體體溫恒定。

2多AGV調(diào)度系統(tǒng)建模

2.1混合區(qū)域控制模型

混合區(qū)域控制模型[6]基于傳統(tǒng)的串聯(lián)區(qū)域控制模型，針對其若干缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，使其更適合于分布式控制?；诨旌蠀^(qū)域控制模型的多AGV調(diào)度系統(tǒng)路徑布局如圖2所示。

圖2　混合區(qū)域控制模型AGV路徑布局

混合區(qū)域控制模型中，多AGV調(diào)度系統(tǒng)由若干具有相同結(jié)構(gòu)，獨(dú)立且緊密聯(lián)系的制造單元控制區(qū)域組成，AGV在各個(gè)區(qū)域之間的運(yùn)行受各制造單元區(qū)域控制器控制，有利于發(fā)揮分布式控制的優(yōu)勢。

2.2激素調(diào)節(jié)規(guī)律

Farhy曾提出內(nèi)分泌激素通用調(diào)節(jié)規(guī)律[7]：激素的調(diào)節(jié)規(guī)律具有單調(diào)性和非負(fù)性，激素的上升及下降均遵循Hill函數(shù)規(guī)律，如式(1)及式(2)所示：

(1)

(2)

其中，G為函數(shù)自變量；T為閾值，且T>0；n為Hill系數(shù)，且n≥1。如果激素A受激素B調(diào)控，則激素A的分泌速率SA與激素B的濃度CB存在以下關(guān)系：

SA(CB)=aFup(down)(CB)+SA0

(3)

其中，a為常量系數(shù)，SA0為激素A的初始分泌速率。

2.3多AGV系統(tǒng)調(diào)度模型

根據(jù)激素調(diào)節(jié)規(guī)律對基于混合區(qū)域模型的多AGV調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行建模。

多AGV調(diào)度系統(tǒng)中，新生產(chǎn)任務(wù)的到來對各制造單元產(chǎn)生刺激，制造單元根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)中具體的工件工序、加工時(shí)間等信息按式(4)分泌制造單元激素，激素的濃度代表制造單元對某一工件工序的加工能力。

(4)

(5)

(6)

(7)

制造單元接受到系統(tǒng)中各AGV分泌的激素刺激后，選擇其中激素濃度最大的AGV來執(zhí)行本單元的工件運(yùn)輸任務(wù)，這樣就可以保證每次的工件運(yùn)輸任務(wù)都由最佳的AGV來執(zhí)行，縮短了系統(tǒng)的總體運(yùn)行時(shí)間，提高了系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

3基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制

為了提高系統(tǒng)中各機(jī)床的利用效率、減少AGV的空閑等待時(shí)間，并提出基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制，以提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

基于神經(jīng)-內(nèi)分泌的任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制主要解決生產(chǎn)任務(wù)在各個(gè)制造單元的分配、組合優(yōu)化以及各工件運(yùn)輸任務(wù)在AGV上的分配問題，使系統(tǒng)能夠達(dá)到一個(gè)相對較優(yōu)的生產(chǎn)狀態(tài)，維持在較高的生產(chǎn)水平。

5) 循環(huán)執(zhí)行步驟1)～4)直至所有工件工序得到分配，則停止對新生產(chǎn)任務(wù)的分配和調(diào)度，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

采用此任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制，可以在生產(chǎn)任務(wù)到來時(shí)，通過制造單元之間、制造單元與AGV之間的相互協(xié)調(diào)，為每個(gè)具體的工件工序加工任務(wù)分配最合適的加工設(shè)備及AGV，從而提高系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

4多AGV調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)及驗(yàn)證

4.1多AGV調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)平臺

根據(jù)神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制開發(fā)的多AGV調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示，主要由AGV、制造單元、監(jiān)控終端等模塊組成，其中，制造單元又由機(jī)床、工件緩沖區(qū)、機(jī)械手等組成。

圖3　多AGV調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

4.2多AGV調(diào)度仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)有一生產(chǎn)任務(wù)W由三個(gè)工件組成，其中每個(gè)工件具有三道工序需要加工，每道工序均需在相應(yīng)機(jī)床上加工一定時(shí)間，具體的任務(wù)參數(shù)如表1所示。

表1　生產(chǎn)任務(wù)參數(shù)表

系統(tǒng)中有6臺不同類型的機(jī)床，其中有2臺車床、2臺銑床、1臺磨床、1臺鉆床，具體機(jī)床參數(shù)如表2所示。

表2　機(jī)床參數(shù)表

生產(chǎn)任務(wù)產(chǎn)生后，根據(jù)神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的任務(wù)分配機(jī)制進(jìn)行任務(wù)分配，分配完成的任務(wù)加工序列如表3所示，對應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖如圖4所示。

表3　任務(wù)加工序列表

圖4　生產(chǎn)任務(wù)甘特圖

AGV根據(jù)此任務(wù)加工序列，在基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的任務(wù)調(diào)度機(jī)制調(diào)度下，完成工件的出庫、機(jī)床間運(yùn)輸、入庫等操作，最終執(zhí)行完所有任務(wù)，返回初始位置。由此得到的AGV運(yùn)行及等待具體時(shí)間如圖5所示。

圖5　AGV工作時(shí)間圖

統(tǒng)計(jì)AGV的總體運(yùn)行時(shí)間、有效運(yùn)行時(shí)間及空閑等待時(shí)間，具體的各類時(shí)間參數(shù)如圖6所示。

圖6　AGV運(yùn)行時(shí)間參數(shù)圖

由此可以得到1號和2號AGV的總體運(yùn)行效率η1，η2：

進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：針對具體的生產(chǎn)任務(wù)，基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制可以根據(jù)系統(tǒng)中各機(jī)床的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)分配，得到當(dāng)前狀態(tài)下的較優(yōu)任務(wù)加工序列。同時(shí)，能夠根據(jù)AGV的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，最大化AGV的運(yùn)行效率，從而提高系統(tǒng)的整體效率。

5結(jié)語

針對多AGV系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性，借鑒維持生物體內(nèi)環(huán)境的神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制，提出了基于神經(jīng)-內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的多AGV任務(wù)分配及調(diào)度機(jī)制，解決了多AGV系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度及協(xié)調(diào)控制問題，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的可行性及有效性，結(jié)果表明該方法可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

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收稿日期：2014-01-13

中圖分類號：TP183

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)04-0112-04

作者簡介：唐敦兵(1972-)，男，湖北仙桃人，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄苤圃臁?/p>

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175262)；江蘇省杰出青年基金(BK2012010111)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研基金(BY201220116)