一種多CPS協(xié)同機(jī)制的設(shè)計研究

（中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

CPS研究現(xiàn)狀

賽博物理系統(tǒng)又稱為信息物理融合系統(tǒng)，這個概念首先是在美國被提出的，2006年底，美國國家科學(xué)基金會（National Science Foundation,NSF）宣布該系統(tǒng)為國家科研核心課題。

信息物理融合系統(tǒng)被定義為具備物理輸入輸出且由可相互作用的元件組成的網(wǎng)絡(luò)，不同于未聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立設(shè)備，也不同于沒有物理輸入輸出的單純的網(wǎng)絡(luò)，它是一個計算過程與物理過程融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其通過計算、通信和控制的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)信息域和物理域的緊密結(jié)合[1-2]。

隨著新的計算、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，賽博物理系統(tǒng)已成為物理設(shè)備系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的發(fā)展的新趨勢[3]。賽博物理系統(tǒng)作為計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。賽博物理系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間遠(yuǎn)程地、可靠地、實(shí)時地、安全地、協(xié)作地操控一個物理實(shí)體[4-5]。賽博物理系統(tǒng)是將感控、計算和通信與物理對象在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高度集成的新型智能復(fù)雜系統(tǒng)[6]。

目前，賽博物理系統(tǒng)還是一個比較新的研究領(lǐng)域。

文獻(xiàn)[7]對賽博物理系統(tǒng)產(chǎn)生背景進(jìn)行了描述，賽博物理系統(tǒng)是在計算、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)日趨成熟的背景下得以發(fā)展，并提出了賽博物理系統(tǒng)的核心是通信、控制、計算的三者融合。

文獻(xiàn)[8]提出了一種CPS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，圍繞計算、通信、控制3個要素從系統(tǒng)、功能、技術(shù)3個視圖進(jìn)行設(shè)計研究。

文獻(xiàn)[9]基于SOA的思想提出了一種將CPS系統(tǒng)中軟硬件資源整合成服務(wù)的形式供各個任務(wù)進(jìn)行調(diào)用的體系框架。

文獻(xiàn)[10]按照實(shí)體到抽象、物理到信息的思想將CPS系統(tǒng)劃分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，并結(jié)合智能交通體系結(jié)構(gòu)對三層結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，充分體現(xiàn)了CPS系統(tǒng)內(nèi)部各個層次之間協(xié)同合作的特性。

多CPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

未來的各個智能體應(yīng)該在現(xiàn)有的單個業(yè)務(wù)系統(tǒng)上加入智能識別模塊，從而升級為帶智能Agent服務(wù)的業(yè)務(wù)模塊，類似于在局域網(wǎng)中注冊一個智能化的消息探頭，各個智能體模塊至少需要具備兩個基本功能，即發(fā)送本智能體正在發(fā)生的事件以及處理其他智能體發(fā)送過來的事件[11-13]。

多CPS系統(tǒng)的智能互聯(lián)是構(gòu)成當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)[14]。“智能”和“互聯(lián)”將賦予產(chǎn)品一系列新的功能和能力，從邏輯結(jié)構(gòu)上主要分為4類：監(jiān)測、控制、優(yōu)化和自動。

（1）監(jiān)測：通過傳感器和外部數(shù)據(jù)源，智能互聯(lián)產(chǎn)品能對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)測。在數(shù)據(jù)的幫助下，一旦環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)就會向用戶或相關(guān)方發(fā)出警告。

（2）控制：通過系統(tǒng)內(nèi)置或云服務(wù)中的指令和算法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。算法可以讓系統(tǒng)對狀態(tài)和環(huán)境的特定變化做出反應(yīng)。例如當(dāng)壓力過高時，自動關(guān)閉閥門，當(dāng)車庫流量達(dá)到一定級別時，打開指示燈。

（3）優(yōu)化：有了豐富的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)流，就可以用數(shù)據(jù)分析的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自優(yōu)化，過去由于數(shù)據(jù)缺失或者積累不夠，這些方法大多無法實(shí)現(xiàn)。通過對實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史記錄進(jìn)行挖掘分析，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行條件，解決和避免系統(tǒng)當(dāng)前存在的短板問題，從而大幅提高系統(tǒng)的產(chǎn)出比。

（4）自動：將檢測、控制和優(yōu)化功能融合到一起，顯著提高系統(tǒng)自動化程度。基于自身運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，系統(tǒng)最終將實(shí)現(xiàn)完全自動運(yùn)行。

在物理結(jié)構(gòu)上，多智能體之間的協(xié)同類似于現(xiàn)在的局域網(wǎng)部署，有兩種結(jié)構(gòu)。

（1）總線型結(jié)構(gòu)：有一個智能體注冊及服務(wù)處理中心，消息都向中心發(fā)送，中心再向其他智能體廣播消息。

（2）星型結(jié)構(gòu)：無智能體服務(wù)中心，通過廣播等手段自動向所有被探知的智能體發(fā)送消息。

總線型結(jié)構(gòu)，采取統(tǒng)一注冊、統(tǒng)一控制，而星型結(jié)構(gòu)無服務(wù)中心，采取自探測、自識別機(jī)制?？偩€型統(tǒng)一控制簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，方便接口設(shè)計，易于擴(kuò)展，同時在系統(tǒng)故障診斷方面具有先天性優(yōu)勢。因此，本文重點(diǎn)研究了總線型結(jié)構(gòu)下多CPS系統(tǒng)協(xié)同處理機(jī)制[15]。

協(xié)同處理功能設(shè)計

總線型多CPS系統(tǒng)協(xié)同處理模塊的關(guān)鍵部分在Agent功能設(shè)計，分為Agent客戶端和Agent服務(wù)端兩部分，承擔(dān)著多個CPS系統(tǒng)與服務(wù)端消息的發(fā)送、接收和識別功能。功能模塊如圖1所示，其核心為客戶端的消息注冊以及服務(wù)器端的消息處理。其運(yùn)行機(jī)制如圖2所示，其中Agent客戶端是各個CPS系統(tǒng)都應(yīng)具有的消息智能探頭，或者可將公用的Agent客戶端作為消息探頭，完成各個CPS系統(tǒng)與Agent服務(wù)中心的CPS系統(tǒng)注冊、實(shí)時消息發(fā)送、接收、識別及處理等功能。Agent服務(wù)中心是消息服務(wù)中心，完成各個CPS系統(tǒng)的認(rèn)證、注冊、消息的接收、過濾、二次處理及按需轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能。

圖1 總線型多CPS協(xié)同處理模塊功能結(jié)構(gòu)Fig.1 Function structure diagram of bus type multi-CPS collaborative processing module

圖2 總線型多CPS協(xié)同機(jī)制運(yùn)行示意Fig.2 Schematic diagram of bus type multi-CPS collaborative mechanism

1 Agent客戶端實(shí)現(xiàn)

按照上述設(shè)計，客戶端主要完成客戶端CPS應(yīng)用注冊、所關(guān)注的消息類注冊、發(fā)送客戶端事件消息、接受服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過來的感興趣的消息，最后處理所接受的消息。因此，在客戶端實(shí)現(xiàn)中，需要一個TIDCPSERVER端口偵聽Agent服務(wù)中心所轉(zhuǎn)發(fā)的消息，同時需要一個IDCPCLIENT，完成與Agent服務(wù)中心的連接、注冊、發(fā)送事件消息[16]。實(shí)現(xiàn)上述功能的主要代碼如下：

（1）連接Agent服務(wù)中心并發(fā)送消息。該方法是一個通用方法，供注冊等方法調(diào)用。TfrmMSGClient.tcpsendandRecvmsg（msg:string;var re cvmsg,sErrmsg:string）:BOOLEAN。

（2）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，發(fā)起客戶端的注冊，同時返回本CPS系統(tǒng)的唯一令牌。TfrmMSGClient.ClientRegister（myserverport,mySYSNA ME:STRING）:string。

（3）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，發(fā)起客戶端CPS對感興趣的消息類注冊。TfrmMSGClient.Client Message Register（mytoken:string;recvmsglx:array of string）:BOOLEAN。

（4）調(diào)用通用消息發(fā)送方法，向Agent服務(wù)中心發(fā)送客戶端CPS的各類的事件消息。TfrmMSGClient.sendClientMessage（sendmsglx:string;m ytoken:string;msgContent:string）:BOOLE AN。

（5）處理所接受到的Agent服務(wù)中心轉(zhuǎn)發(fā)過來的感興趣的消息。TfrmMSGClient.ProcessServerMessage（recvtoken:string;recvmsglx,msg:string）:BOOLEAN。

（6）啟動偵聽服務(wù)，以接受Agent服務(wù)中心轉(zhuǎn)發(fā)過來的所感興趣的消息并調(diào)用消息處理主體。TfrmMSGClient.IdTCPServer1Execute（AThread: TIdPeerThread）。

2 Agent服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端主要接受來自各個CPS客戶端的消息，以實(shí)現(xiàn)CPS應(yīng)用注冊、所關(guān)注的消息類注冊，同時接受客戶端的各類消息，并且向各個客戶端轉(zhuǎn)發(fā)、發(fā)送服務(wù)端消息。因此，在服務(wù)端實(shí)現(xiàn)中，需要一個TIDTCPSERVER服務(wù)在指定端口以偵聽Agent客戶端所發(fā)送的消息，在接收到消息后，放入到消息隊列中，通過一個線程TTransferMsgThread不斷取出消息，依據(jù)各個CPS客戶端已注冊的消息類，使用IDTCPCLIENT來連接CPS客戶端，實(shí)現(xiàn)消息分發(fā)到對應(yīng)的客戶端。

如圖3所示，將上述功能實(shí)現(xiàn)的主要代碼如下：

圖3 Agent服務(wù)中心方法調(diào)用關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of agent service center method call

（1）接收到各個CPS客戶端的消息后，通過該轉(zhuǎn)發(fā)線程，執(zhí)行消息分檢及轉(zhuǎn)發(fā)。TTransferMsgThread.Execute。

（2）接受CPS客戶端注冊，并產(chǎn)生客戶端實(shí)例。TfrmMsgSrv.Accept Client Register（amyip,amyserver port,amySYSNAME:STRING）:string。

（3）接收CPS客戶端感興趣的消息類注冊。TfrmMsgSrv.Accept Client Message Register（mytoken:string;recvmsglx:string）:BOOLEAN。

（4）依據(jù)各個客戶端注冊的消息類，分發(fā)待發(fā)送消息到各個客戶端實(shí)例。TfrmMsgSrv.Transfer Client Message（sendtoken,toTo ken:string;sendmsglx:string;msg:string）:B OOLEAN。

（5）TCP服務(wù)的主體線程代碼，接收并處理客戶端的所有通信。TfrmMsgSrv.IdTCP Server1 Execute（AThread: TIdPeerThread）。

總線型協(xié)同機(jī)制驗(yàn)證

在數(shù)字化車間中，總線型多CPS協(xié)同處理模型將制造車間各個復(fù)雜的制造要素接入到車間層的CPS系統(tǒng)中，將整個制造過程顯性化，依據(jù)該模型能很清晰地知道整個制造過程的瓶頸環(huán)節(jié)，并進(jìn)行優(yōu)化處理。為了方便理解，下面將對制造過程進(jìn)行簡化抽象建模，描述各個智能體之間協(xié)作過程及通信原理。

根據(jù)CPS協(xié)同機(jī)制的設(shè)計方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，下面將以總線型結(jié)構(gòu)來描述中航工業(yè)成飛數(shù)控廠未來的航空結(jié)構(gòu)件加工應(yīng)用場景。航空結(jié)構(gòu)件加工車間一般包含有材料站、刀具站、工裝庫、檢驗(yàn)平臺、工藝知識庫、庫房、測量機(jī)房、物流調(diào)度中心、機(jī)床等制造要素。車間所有CPS均已注冊，當(dāng)計劃CPS感知到ERP計劃出現(xiàn)新的制造需求后，就發(fā)送一條新任務(wù)的消息到Agent服務(wù)中心，服務(wù)中心將此消息分發(fā)到各個CPS，材料CPS會發(fā)送材料的消息，工藝CPS會發(fā)送加工程序的消息，設(shè)備CPS會發(fā)送設(shè)備相關(guān)狀態(tài)消息，工裝CPS會發(fā)送工裝狀態(tài)消息，這些消息通過Agent服務(wù)中心消息隊列處理后分發(fā)出去，當(dāng)調(diào)度CPS接收到各資源狀態(tài)就緒的消息后，向物流發(fā)出加工任務(wù)的消息，物流CPS依據(jù)該消息去材料站取回原材料及相應(yīng)資源，并反饋消息，保證各個制造資源及時到位，物流業(yè)務(wù)完成后發(fā)送加工開始的消息，機(jī)床CPS收到加工開始的消息后就可以進(jìn)行加工了。這樣通過Agent客戶端發(fā)送接收業(yè)務(wù)消息，Agent服務(wù)中心處理并分發(fā)消息后，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)任務(wù)開始加工的業(yè)務(wù)協(xié)同工作。

當(dāng)工人加工完成某個零件某個工序后，機(jī)床CPS向Agent服務(wù)中心自動發(fā)送一條事件信息，告知“某設(shè)備已經(jīng)加工完成了某個質(zhì)量編號的某工序的零件”，Agent服務(wù)中心收到該消息后，向所有注冊的CPS廣播該消息。

當(dāng)測量CPS收到消息后，檢查FO中測量工藝，發(fā)現(xiàn)該工序需要測量，根據(jù)目前測量機(jī)房資源準(zhǔn)備情況自動決策，然后向Agent服務(wù)中心自動發(fā)送一條事件信息，告知“某設(shè)備某個質(zhì)量編號的某工序的零件需要到某測量機(jī)房的某測量機(jī)上測量”，Agent服務(wù)中心收到該消息后，將向所有CPS廣播該消息。

當(dāng)物流CPS收到測量CPS的消息后，會根據(jù)物流資源使用情況以及該質(zhì)量編號的零件形狀大小，自動決策委派某個物流小車去運(yùn)送零件。同時向Agent服務(wù)中心發(fā)送“已委派某車輛去某設(shè)備上運(yùn)送零件到某個測量房”的消息。其他CPS收到消息后，若未注冊對于該類消息的處理服務(wù)，則不對該消息進(jìn)行處理。機(jī)床CPS收到物流智能體及測量CPS的消息后，將等待物流CPS委派的物流小車的到達(dá)。

圖4 生產(chǎn)任務(wù)開始加工的多CPS協(xié)同F(xiàn)ig.4 Multi-CPS collaboration of the beginning of production

圖5 生產(chǎn)物流的多CPS協(xié)同F(xiàn)ig.5 Multi-CPS collaboration of production logistics

圖4～5是上述應(yīng)用場景的描繪，各個CPS通過Agent服務(wù)中心將云消息廣播到各個CPS。

以上場景和技術(shù)在中航工業(yè)成飛數(shù)控廠的各個MES子系統(tǒng)（材料站、物流、刀具、調(diào)度）中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，加裝該Agent探頭的各個CPS子系統(tǒng)已經(jīng)能夠充分實(shí)現(xiàn)彼此的互聯(lián)互通互動，實(shí)現(xiàn)從自動協(xié)同計劃安排、機(jī)床加工過程自動監(jiān)控到加工完成自動物流搬運(yùn)的數(shù)控加工過程全流程協(xié)同，證明了設(shè)計方法的科學(xué)性。相對于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)集成的MES子系統(tǒng)，加裝了Agent客戶端探頭的MES子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率大大提高，從而提高了生產(chǎn)效率，證明了總線型多CPS協(xié)同機(jī)制在工程實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性。

綜上，表明未來在CPS的構(gòu)建上，將采取松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)各個Agent的通信，采取可插拔基于SOA的總體技術(shù)架構(gòu)。在該模式下，各個智能體的消息處理服務(wù)同樣是可插拔。各個智能體可以相互獨(dú)立地聯(lián)入到車間層的CPS系統(tǒng)中，任何一個智能體從CPS系統(tǒng)中去掉不會影響其他智能體的運(yùn)作；同時各個智能體之間又能通過消息互聯(lián)互通。

結(jié)束語

以VS2010為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了基于TCP/IP模式下的各個CPS系統(tǒng)間的協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)并在MES系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證?？偩€結(jié)構(gòu)的多CPS協(xié)同機(jī)制具有消息動態(tài)注冊、消息類動態(tài)擴(kuò)展、Agent探頭可熱插拔等優(yōu)點(diǎn)，在目前國內(nèi)外對CPS的研究還停留在理論階段的現(xiàn)狀下具有重大實(shí)踐意義。

必須指出的是，這是一種通過TCP/IP協(xié)議的Agent來實(shí)現(xiàn)各個CPS系統(tǒng)間的協(xié)同方案，該方案適合支持TCP/IP通信的CPS系統(tǒng)協(xié)同，但對有嵌入式系統(tǒng)的CPS不適合。

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