基于多Agent的玻璃堆垛控制系統(tǒng)的建模與仿真

陳 薇, 金 晶, 李 鑫

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于多Agent的玻璃堆垛控制系統(tǒng)的建模與仿真

陳 薇, 金 晶, 李 鑫

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

針對(duì)現(xiàn)代制造系統(tǒng)生產(chǎn)控制過(guò)程的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性,文章提出了以多Agent系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)作為生產(chǎn)組織和運(yùn)行模式。基于多Agent的理論,建立了光伏玻璃自動(dòng)堆垛控制系統(tǒng)的模型,以及根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)理論對(duì)Agent進(jìn)行自動(dòng)機(jī)描述。通過(guò)Simulink/Stateflow對(duì)模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明,基于多Agent的光伏玻璃自動(dòng)堆垛控制系統(tǒng)能夠很好地滿足生產(chǎn)控制的動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性,對(duì)現(xiàn)代制造生產(chǎn)效率的提高具有重要意義。

生產(chǎn)控制;多Agent;有限狀態(tài)機(jī);Stateflow軟件

現(xiàn)代制造系統(tǒng)是高度分散的開(kāi)放式系統(tǒng),為了響應(yīng)市場(chǎng)需求的變化及制造系統(tǒng)本身內(nèi)部的一些不確定性因素,如突發(fā)的生產(chǎn)訂單、交貨期的提前與滯后、設(shè)備故障、某些資源的短缺和引入等,生產(chǎn)計(jì)劃與控制必須是動(dòng)態(tài)變化的[1]。多 Agent 技術(shù)是一種分布式的人工智能技術(shù),融合了諸如分布式計(jì)算、人工智能等先進(jìn)的理論技術(shù)。多Agent系統(tǒng)采用分布式的處理方式,能夠?qū)⒁粋€(gè)復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成幾個(gè)小問(wèn)題來(lái)處理,通過(guò)各Agent成員之間的共同協(xié)商,能夠動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程控制活動(dòng),自主調(diào)整制造系統(tǒng)中個(gè)體的行為,對(duì)產(chǎn)品變化、設(shè)備故障、生產(chǎn)節(jié)拍的改變等事件作出智能反應(yīng)[2]。同時(shí),基于多Agent的生產(chǎn)過(guò)程控制表現(xiàn)出連續(xù)和離散并存的混雜特性,本文采用有限狀態(tài)機(jī)理論從控制角度對(duì)Agent結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,得出其一系列受控性能,把Agent工作過(guò)程幾個(gè)不同的階段劃分出幾種不同的工作狀態(tài),并將這些狀態(tài)集成為一個(gè)具體的有限狀態(tài)機(jī),采用有限狀態(tài)機(jī)的圖形工具Stateflow實(shí)現(xiàn)基于多Agent的玻璃自動(dòng)堆垛控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程性能分析,方便獲得設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

1 Agent的結(jié)構(gòu)及自動(dòng)機(jī)描述

1.1 Agent的個(gè)體結(jié)構(gòu)

Agent可以指一個(gè)具有自治能力的、能夠自適應(yīng)的、以認(rèn)識(shí)與模擬人類某種智能行為為目標(biāo)的硬件、軟件或其他實(shí)體。作為智能體,應(yīng)具有自治能力、社交能力、反應(yīng)能力以及主動(dòng)性,能夠感知周?chē)沫h(huán)境,自治地運(yùn)行,并能夠影響和改變環(huán)境[3-4]。智能體由3個(gè)基本部分組成,如圖1所示。

圖1 Agent的個(gè)體結(jié)構(gòu)

Agent都有一個(gè)感知器來(lái)感知外部環(huán)境,能根據(jù)環(huán)境的狀態(tài)來(lái)改變自己的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部狀態(tài),同時(shí)通過(guò)一個(gè)效應(yīng)器作用于外部環(huán)境,改變外部環(huán)境的狀態(tài)。從Agent 的模型結(jié)構(gòu)可以看出,對(duì)于 Agent 的決策模塊部分,它實(shí)際上可以用帶狀態(tài)的Agent的計(jì)算結(jié)構(gòu)來(lái)描述,通過(guò)選取行為包含結(jié)構(gòu)模塊的計(jì)算結(jié)構(gòu)來(lái)開(kāi)發(fā) Agent 能夠產(chǎn)生行為的模塊,該模塊包含了增強(qiáng)的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的分布式網(wǎng)絡(luò),它可以執(zhí)行一個(gè)特定的行為并且能和其他模塊進(jìn)行通信。通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)可以得出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,因此涉及到有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的問(wèn)題。根據(jù)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的 RW 理論(自動(dòng)機(jī)及形式語(yǔ)言理論),把每一個(gè)Agent 可以看作一個(gè)有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī),從而可以用自動(dòng)機(jī)理論從控制角度對(duì) Agent 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,得出其一系列受控性能?；谏鲜鲫P(guān)系不僅可以對(duì)分布式制造提出功能需求,還可以通過(guò)自動(dòng)機(jī)理論和 RW 監(jiān)控理論來(lái)實(shí)現(xiàn)其控制需求,并把兩者緊密結(jié)合起來(lái),從而使所構(gòu)建的系統(tǒng)能同時(shí)滿足功能需求和控制需求,使系統(tǒng)具有優(yōu)化集成、快速重組、動(dòng)態(tài)調(diào)度等特點(diǎn)[5]。

1.2 Agent的自動(dòng)機(jī)模型

基于RW理論把每一個(gè)層次的 Agent 均作為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)進(jìn)行處理,從控制角度對(duì)Agent的內(nèi)部結(jié)構(gòu)用有限狀態(tài)機(jī)的模型來(lái)描述。

有限狀態(tài)機(jī) (finite state machine，F(xiàn)SM) 可以被稱為事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是指一個(gè)系統(tǒng)中存在有限個(gè)狀態(tài),當(dāng)有事件觸發(fā)時(shí),系統(tǒng)就會(huì)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)[6]。有限狀態(tài)機(jī)是一種思路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)清晰、設(shè)計(jì)靈活的方法,能解決復(fù)雜的監(jiān)控邏輯問(wèn)題,具有很強(qiáng)的事件驅(qū)動(dòng)控制能力。1個(gè)簡(jiǎn)單的有限狀態(tài)機(jī)示意圖如圖2所示。

圖2 有限狀態(tài)機(jī)示意圖

通常,1個(gè) FSM 包括有限狀態(tài)集、輸入集、輸出集和狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則集,可用數(shù)學(xué)模型表示為:

M=(S,I,O,F,G,S0),

SK+1=F(SK,IK),

OK=G(SK,IK)

(1)

其中,S為有限狀態(tài)集;I為輸入集;O為輸出集;F為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù);G為輸出函數(shù)，代表系統(tǒng)初始狀態(tài);SK、IK、OK分別為在K時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。由數(shù)學(xué)模型可知狀態(tài)變化由事件所觸發(fā),事件可以是系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)或外部輸入信號(hào)。當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)被事件觸發(fā)后,會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)的輸出由當(dāng)前的狀態(tài)和輸入決定,系統(tǒng)的輸出特性是通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出來(lái)的[7-8]。

1.3 多Agent系統(tǒng)的混合體系結(jié)構(gòu)

為了解決單個(gè)Agent不能解決的復(fù)雜問(wèn)題,多Agent系統(tǒng)是由多個(gè)Agent組成的一個(gè)多Agent聯(lián)邦,這些Agent成員之間相互協(xié)同、服務(wù),共同完成一個(gè)任務(wù)。各個(gè)Agent成員的活動(dòng)相對(duì)較為獨(dú)立,不受其他Agent限制,一個(gè)Agent出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)其他Agent的運(yùn)行影響較小[9]。多Agent的體系結(jié)構(gòu)主要有集中式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)以及混合式結(jié)構(gòu)。多Agent的混合式結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 多Agent系統(tǒng)的混合式體系結(jié)構(gòu)

每個(gè)管理Agent與其下面的執(zhí)行Agent構(gòu)成獨(dú)立的多Agent子系統(tǒng)進(jìn)行集中控制,各執(zhí)行Agent獨(dú)立運(yùn)行,單個(gè)執(zhí)行Agent的故障不影響其他執(zhí)行Agent的運(yùn)行,所有執(zhí)行Agent由所在系統(tǒng)的管理Agent統(tǒng)一控制。各多Agent子系統(tǒng)充分自治,只有上層Agent進(jìn)行交互,這樣大大減少了通信復(fù)雜度,混合多Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均衡了集中式與分布式控制的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 基于多Agent的光伏玻璃生產(chǎn)線模型

2.1 光伏玻璃原片生產(chǎn)工藝流程

光伏玻璃原片生產(chǎn)工藝復(fù)雜,由多個(gè)生產(chǎn)車(chē)間共同完成玻璃原片的生產(chǎn)任務(wù),主要流程如圖4所示。

圖4 玻璃原片生產(chǎn)工藝流程

2.2 光伏玻璃生產(chǎn)線的多Agent系統(tǒng)

Agent是一個(gè)運(yùn)行于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的具有自治性、社會(huì)能力、響應(yīng)能力和能動(dòng)性的智能實(shí)體,由于其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和對(duì)不完全信息的處理能力,使其具有能實(shí)時(shí)規(guī)劃、推理和搜索的能力,從而適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng)建模的需求。結(jié)合玻璃生產(chǎn)的工藝流程,采用多Agent混合式體系結(jié)構(gòu),構(gòu)造出的玻璃生產(chǎn)線的多Agent模型如圖5所示。玻璃生產(chǎn)線的多Agent系統(tǒng)模型將玻璃生產(chǎn)系統(tǒng)分為廠級(jí)Agent、車(chē)間級(jí)Agent、單元級(jí)Agent、執(zhí)行設(shè)備Agent。

以玻璃堆垛子系統(tǒng)分析,該子系統(tǒng)主要完成玻璃的堆垛,及時(shí)取走輥道上的玻璃。主要執(zhí)行設(shè)備有提升機(jī)、行車(chē)、小車(chē)1和小車(chē)2,由提升機(jī)、行車(chē)控制玻璃堆垛過(guò)程中的位置移動(dòng),小車(chē)裝載運(yùn)輸玻璃,小車(chē)1上堆垛的玻璃片數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)退出堆垛區(qū)回到等待位進(jìn)行卸載,處于另一等待位的小車(chē)2立刻行至堆垛區(qū)繼續(xù)裝載玻璃。根據(jù)面向Agent的建模方法,將各執(zhí)行設(shè)備一一映射為提升Agent、行車(chē)Agent、小車(chē)1Agent、小車(chē)2Agent4種反應(yīng)型Agent。同時(shí)建立一個(gè)慎思型堆垛單元Agent作為控制Agent,根據(jù)內(nèi)部的控制算法和對(duì)外部環(huán)境的感知,統(tǒng)一控制與管理堆垛子系統(tǒng)中的各執(zhí)行設(shè)備Agent,并且該堆垛單元Agent與冷端車(chē)間的其他單元Agent相互協(xié)作,共同完成冷端車(chē)間Agent分配的任務(wù)。

圖5 光伏玻璃生產(chǎn)線的多Agent系統(tǒng)

2.3 玻璃堆垛系統(tǒng)的Agent自動(dòng)機(jī)模型

前面提到根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)理論對(duì)Agent進(jìn)行自動(dòng)機(jī)描述,以行車(chē)Agent為例用有限狀態(tài)機(jī)的模型來(lái)描述,行車(chē)Agent的自動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性描述如圖6所示。

由Agent的自動(dòng)機(jī)模型可知,行車(chē)Agent的狀態(tài)變化由事件所觸發(fā),事件可以是行車(chē)Agent的內(nèi)部信號(hào)或外部輸入信號(hào)。當(dāng)前狀態(tài)被事件觸發(fā)后,會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。行車(chē)Agent的輸出由當(dāng)前的狀態(tài)和輸入決定,行車(chē)Agent的輸出特性是通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)出來(lái)的。其他Agent的自動(dòng)機(jī)模型同理,在這里就不一一詳細(xì)描述。

(a)(b)圖6 行車(chē)Agent的自動(dòng)機(jī)模型描述

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 基于Stateflow的仿真搭建

根據(jù)RW理論把每一個(gè)層次的Agent均作為1個(gè)有限狀態(tài)機(jī)來(lái)進(jìn)行處理。Stateflow是有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的圖形工具,因而可以利用Stateflow實(shí)現(xiàn)多Agent系統(tǒng)的仿真分析。它可以用于解決復(fù)雜的邏輯問(wèn)題,用戶可以通過(guò)圖形化工具實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。在StateFlow的仿真窗口中,允許用戶建立有限個(gè)狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件與事件,從而可以繪制出有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)系統(tǒng),這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的仿真。StateFlow的仿真框圖一般都會(huì)嵌入到Simulink仿真模型中,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件或事件即可以取自StateFlow仿真框圖,也可以來(lái)自Simulink仿真模型[10]。

本文對(duì)光伏玻璃冷端車(chē)間的自動(dòng)堆垛單元Agent子系統(tǒng)的進(jìn)行仿真，模型如圖7所示。該子系統(tǒng)分別構(gòu)建了堆垛單元Agent、提升機(jī)Agent、行車(chē)Agent、小車(chē)1Agent、小車(chē)2Agent模型。堆垛單元Agent作為控制Agent,初始化提升機(jī)Agent、行車(chē)Agent的等待位、抓取位、卸料位等位置坐標(biāo),根據(jù)自身的決策模塊以及來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)送來(lái)的玻璃到位節(jié)拍,對(duì)提升機(jī)Agent、行車(chē)Agent、小車(chē)1Agent、小車(chē)2Agent進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)時(shí)調(diào)度與控制。4個(gè)執(zhí)行Agent聽(tīng)從堆垛單元Agent的調(diào)度,并實(shí)時(shí)向其反饋?zhàn)约旱倪\(yùn)行狀態(tài)。

圖7 自動(dòng)堆垛單元Agent子系統(tǒng)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果

運(yùn)行該系統(tǒng)模型后,可以實(shí)時(shí)觀察到各Agent的運(yùn)行狀態(tài)。小車(chē)1Agent各傳感器到位信號(hào)以及當(dāng)前玻璃堆垛片數(shù)如圖8所示。

玻璃生產(chǎn)節(jié)拍為15s/片時(shí)的行車(chē)、提升的實(shí)時(shí)位置與玻璃到位信號(hào)如圖9所示。從圖9中可以看出,提升、行車(chē)的動(dòng)作節(jié)拍滿足玻璃生產(chǎn)節(jié)拍,能夠及時(shí)將輥道上的玻璃取走。

訂單突然增加,玻璃生產(chǎn)節(jié)拍改為6s/片,玻璃生產(chǎn)節(jié)拍6s/片時(shí)重調(diào)度前運(yùn)行狀態(tài)如圖10a所示。從圖10a中可以看出,行車(chē)與提升如果按照之前的動(dòng)作節(jié)拍運(yùn)行,玻璃到位信號(hào)出現(xiàn)2次,提升機(jī)和行車(chē)只堆垛了1次,這樣會(huì)出現(xiàn)玻璃堆積,來(lái)不及抓取的現(xiàn)象。為了適應(yīng)當(dāng)前的玻璃生產(chǎn)節(jié)拍,堆垛單元Agent根據(jù)下面的提升Agent和行車(chē)Agent的反饋數(shù)據(jù)以及從外界接收的玻璃的生產(chǎn)節(jié)拍,通過(guò)自身的決策模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)其執(zhí)行Agent的實(shí)時(shí)調(diào)度。通過(guò)修改提升Agent和行車(chē)Agent各個(gè)動(dòng)作節(jié)拍,最終滿足了系統(tǒng)要求,如圖10b所示。

圖8 小車(chē)上各傳感器信號(hào)及玻璃堆垛片數(shù)

圖9 玻璃生產(chǎn)節(jié)拍為15 s/片時(shí)運(yùn)行狀態(tài)

圖10 玻璃生產(chǎn)節(jié)拍6 s/片時(shí)重調(diào)度前、后運(yùn)行狀態(tài)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,基于多Agent的玻璃自動(dòng)堆垛控制系統(tǒng)能夠很好地滿足生產(chǎn)控制的動(dòng)態(tài)性、實(shí)時(shí)性,基于有限狀態(tài)機(jī)的堆垛單元Agent模型能夠?qū)τ|發(fā)事件做出相應(yīng)的處理而且能夠?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,證明了本文采用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)多Agent的建模方法是正確可行的。當(dāng)事件發(fā)生時(shí),狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)既迅速又精準(zhǔn),參數(shù)和生產(chǎn)節(jié)拍可以根據(jù)使用者需求隨意設(shè)定,大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制能力和通用性。

4 結(jié) 論

現(xiàn)代制造系統(tǒng)呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化和柔性化等特征,是Agent技術(shù)的最佳應(yīng)用對(duì)象?；贏gent技術(shù)的現(xiàn)代制造系統(tǒng),利用Agent具有的自處理、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力,通過(guò)多個(gè)Agent的共同協(xié)商和通信,解決生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)作策略與沖突消解等問(wèn)題。最后通過(guò)Simulink/Stateflow模塊構(gòu)建了一個(gè)基于FSM的堆垛單元Agent模型,系統(tǒng)模型的仿真得以實(shí)現(xiàn),仿真結(jié)果看出基于多Agent的自動(dòng)堆垛控制系統(tǒng)具有很好的適應(yīng)性。模型復(fù)雜度適中,通過(guò)修改系統(tǒng)模型的參數(shù)值,可以讓使用者進(jìn)行虛擬測(cè)試,以便模型適用于特定的系統(tǒng),大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性和穩(wěn)定性以及自動(dòng)控制能力。

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Modelingandsimulationofglassstackingcontrolsystembasedonmulti-Agent

CHEN Wei, JIN Jing, LI Xin

(School of Electric Engineering and Automation， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

In view of the complexity and dynamic of the production control process of the modern manufacturing system， the distributed structure of multi-Agent system is presented as the production organization and operation mode. Based on the theory of multi-Agent， the model of the automatic control system of photovoltaic glass stacking is established， and the Agent is described by the finite state machine theory. The model is simulated through Simulink/Stateflow and the simulation results show that the photovoltaic glass automatic stacking control system based on multi-Agent can well satisfy the dynamic and real-time demand of the production control， which is valuable for improving the production efficiency of modern manufacturing.

production control; multi-Agent; finite state machine; Stateflow software

2016-04-29

安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(1501021057)

陳 薇(1981-),女,安徽銅陵人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師;

金 晶(1991-),女,安徽安慶人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生,通訊作者,E-mail:13075521289@163.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.12.009

TP391

A

1003-5060(2017)12-1624-06

(責(zé)任編輯張 镅)