基于MAS的玻璃原片加工調(diào)度系統(tǒng)

周輝

摘要：玻璃加工制造流程中加工設(shè)備受玻璃原片物料的規(guī)格限制，存在補(bǔ)料協(xié)調(diào)不佳，倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度效率低的問(wèn)題.本文引入多智能體（MAS）技術(shù)對(duì)加工倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備建模，在此基礎(chǔ)上結(jié)合信息熵理論提出一種基于歷史加工數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法，提升了加工設(shè)備的補(bǔ)料效率.通過(guò)實(shí)際加工數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與常規(guī)調(diào)度規(guī)則對(duì)比分析，證明了基于MAS的玻璃加工倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)的可行性，有效提升了玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率.

關(guān)鍵詞：多智能體;補(bǔ)料算法;信息熵;倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ171? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）06-0114-04

智能化倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度是現(xiàn)代工業(yè)制造的重要元素之一，生產(chǎn)設(shè)備與原料供應(yīng)之間的協(xié)同一致是倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的核心.智能化倉(cāng)儲(chǔ)以計(jì)算機(jī)控制為重要技術(shù)支持，以搬運(yùn)設(shè)備的自動(dòng)化為基礎(chǔ).由于生產(chǎn)過(guò)程控制和加工環(huán)境的復(fù)雜多變，增加了制造流程中的倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的難度.為適應(yīng)現(xiàn)今大批量生產(chǎn)調(diào)度的要求，滿(mǎn)足復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境中動(dòng)態(tài)任務(wù)的需求，倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度效率的優(yōu)化一直是研究的熱點(diǎn).楊文強(qiáng)等[1]提出一種改進(jìn)的布谷鳥(niǎo)算法優(yōu)化了組裝車(chē)間環(huán)境下倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率.段旭磊等[2]提出箱式緩存道的概念解決了產(chǎn)品種類(lèi)不同，批次不同的倉(cāng)儲(chǔ)存放問(wèn)題.柳賽男[3-4]在一般倉(cāng)儲(chǔ)分配策略的基礎(chǔ)上，提出一種基于云模型的物料分配策略，還基于Pareto最優(yōu)解結(jié)合遺傳算法優(yōu)化了倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率.陳璐等[5]提出一種混合整數(shù)規(guī)劃模型優(yōu)化了倉(cāng)儲(chǔ)位置分配和出入庫(kù)作業(yè)路徑.王罡等[6]結(jié)合優(yōu)化的蟻群算法求解中小規(guī)模倉(cāng)儲(chǔ)中貨物揀選路徑規(guī)劃問(wèn)題.彭小利等[7]設(shè)計(jì)了一種多規(guī)則的儲(chǔ)位分配模型，提升了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉(cāng)庫(kù)的出作業(yè)效率.上述研究為工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的智能化提供了理論支撐和研究方向，但由于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的離散性和隨機(jī)性，常規(guī)的調(diào)度優(yōu)化策略難以滿(mǎn)足其運(yùn)輸、補(bǔ)料等流程的實(shí)際需求.

本文基于多Agent系統(tǒng)（multi-agent system，MAS，簡(jiǎn)稱(chēng)MAS）[8]對(duì)玻璃原片加工的倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度這一具體流程深入分析，為保證倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的連續(xù)高效，構(gòu)建了具備自主智能規(guī)劃功能的倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng).由于玻璃加工業(yè)是傳統(tǒng)的高耗能產(chǎn)業(yè)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的閑置會(huì)造成資源浪費(fèi)影響企業(yè)的生產(chǎn)效益. 最大化提升加工設(shè)備的生產(chǎn)效用，縮短設(shè)備的空置等待時(shí)間是本文研究的主要目標(biāo).玻璃加工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度效率的高低取決于穿梭車(chē)的運(yùn)輸效率和補(bǔ)庫(kù)物料的分配策略，規(guī)劃好穿梭車(chē)的運(yùn)行軌跡并優(yōu)化物料的分配策略可提升倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)加工設(shè)備的供給效率.加工設(shè)備完成對(duì)緩存區(qū)物料的加工后，需要從倉(cāng)儲(chǔ)及時(shí)補(bǔ)料，由于設(shè)備加工規(guī)格的限制，若補(bǔ)入的原片物料距離補(bǔ)庫(kù)目標(biāo)位置過(guò)遠(yuǎn)，將增加設(shè)備的等待時(shí)間，影響連續(xù)的加工作業(yè)流程.針對(duì)此問(wèn)題，在構(gòu)建MAS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出一種基于歷史加工訂單數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法，節(jié)約加工設(shè)備的運(yùn)行成本;提高倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度過(guò)程對(duì)物料的分配效率.

1 基于MAS的玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)

MAS系統(tǒng)由多個(gè)離散并具備計(jì)算能力的Agent組成，各Agent間通過(guò)協(xié)商通信實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化.MAS系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)可分為：分布式控制，混合式控制和集中式控制，根據(jù)玻璃加工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的作業(yè)需求，采用分布式的控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃原片加工倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的優(yōu)化.玻璃加工原片物料調(diào)度系統(tǒng)的整體布局見(jiàn)圖1所示，系統(tǒng)由加工制造設(shè)備、穿梭車(chē)和倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備組成.

對(duì)玻璃加工制造流程中的倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、加工制造設(shè)備、和穿梭車(chē)采用物理映射的方式進(jìn)行Agent建模，各Agent間的協(xié)同合作能有效提升倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率.玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度MAS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示.

結(jié)合玻璃加工設(shè)備原片補(bǔ)料的實(shí)際需求，將系統(tǒng)分為以下3個(gè)Agent模塊，每個(gè)Agent模塊的動(dòng)作規(guī)則以及與其他Agent的關(guān)聯(lián)如下：

1.1 原片倉(cāng)儲(chǔ)Agent

作為倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)的核心模塊，倉(cāng)儲(chǔ)Agent從存儲(chǔ)中心補(bǔ)入物料分配給加工設(shè)備.通過(guò)撤架、上料、補(bǔ)庫(kù)三種動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)原片物料的存儲(chǔ)和分配.倉(cāng)儲(chǔ)Agent接收其他Agent設(shè)備的用料需求，向穿梭車(chē)Agent的提供原片物料，向固定料包存儲(chǔ)中心發(fā)出補(bǔ)庫(kù)操作指令.設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)包括消息等待、動(dòng)作規(guī)劃、料架運(yùn)送，倉(cāng)儲(chǔ)Agent的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示.

1.2 加工設(shè)備Agent

加工設(shè)備細(xì)分為玻璃切割機(jī)、緩存料架、磨片和掰片設(shè)備.運(yùn)行狀態(tài)包括：消息等待、取料、調(diào)度、加工.加工設(shè)備動(dòng)作包括完成緩存區(qū)物料加工，向倉(cāng)儲(chǔ)Agent發(fā)送物料請(qǐng)求，從緩存架取料，當(dāng)緩存區(qū)物料裝載飽和，向倉(cāng)儲(chǔ)Agent發(fā)出料架撤回的請(qǐng)求.

1.3 穿梭車(chē)Agent

玻璃加工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度一般采用單線往返式軌道引導(dǎo)車(chē)，穿梭車(chē)內(nèi)部狀態(tài)包括交互設(shè)備的Agent名稱(chēng)、Agent的運(yùn)行狀態(tài)和Agent的型號(hào).實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作規(guī)則包括對(duì)物料的取架、撤架.

玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)工作的主要工作方式如下：當(dāng)原片倉(cāng)儲(chǔ)Agent接收到加工設(shè)備Agent的用料請(qǐng)求后，發(fā)出對(duì)穿梭車(chē)Agent的調(diào)度指令，由穿梭車(chē)Agent完成對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)的取料.穿梭車(chē)根據(jù)調(diào)度指令生成運(yùn)行路線，將合適的物料調(diào)入該加工設(shè)備的物料緩存區(qū)，由加工設(shè)備Agent完成物料補(bǔ)入.若調(diào)入的原片物料無(wú)可操作工位或加工設(shè)備物料需求與補(bǔ)入物料不匹配，則加工設(shè)備Agent發(fā)出撤架請(qǐng)求，由穿梭車(chē)Agent撤下緩存區(qū)的玻璃原片料架，將玻璃原片物料運(yùn)回倉(cāng)儲(chǔ).上述過(guò)程體現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)玻璃原片加工倉(cāng)儲(chǔ)的分布式協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了玻璃加工流程中原片倉(cāng)儲(chǔ)的自主智能化調(diào)度.

2 基于信息熵的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法及相關(guān)定義

本文提出一種基于信息熵的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法策略，將設(shè)備利用率和最小完工時(shí)間（makespan）作為算法的評(píng)估目標(biāo).

2.1 信息熵

信息熵可度量某個(gè)隨機(jī)事件發(fā)生的不確定性，熵值計(jì)算定義如下：

wj=-pijlog2（pij）? （1）

式（1）中wj表示上片位j的熵值;i…n表示倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)所支持的不同加工設(shè)備（流水線）.pij表示對(duì)于上片位j，設(shè)備i所使用當(dāng)前補(bǔ)庫(kù)物料的概率.

2.2 基于信息熵的補(bǔ)庫(kù)庫(kù)位決策方法

對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)料的依據(jù)是：當(dāng)前補(bǔ)庫(kù)位置的熵越小，則該補(bǔ)庫(kù)位置提供的補(bǔ)庫(kù)決策信息量越大，反之，則不進(jìn)行補(bǔ)庫(kù)策略選擇，而是選定距離補(bǔ)庫(kù)位置最近的空位置進(jìn)行補(bǔ)庫(kù).

2.3 設(shè)備利用率

設(shè)備利用率表示設(shè)備在玻璃原片加工流程中占總運(yùn)行時(shí)間的比例，用于評(píng)估設(shè)備在倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)中的運(yùn)行效率.設(shè)UA為設(shè)備利用率，Tsum為調(diào)度系統(tǒng)的整體運(yùn)行時(shí)間，TA表示具體設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，表示方式如下：

UA=? （2）

2.4 最小完工時(shí)間

玻璃加工設(shè)備的物料補(bǔ)入受加工任務(wù)數(shù)量的制約，設(shè)備處理的任務(wù)數(shù)不同所需的最小完工時(shí)間即（Makespan）不同，Makespan表示設(shè)備完成工件加工花費(fèi)的最短時(shí)間，可用于評(píng)估設(shè)備的加工效率. 設(shè)完成子序列所需的時(shí)間為t（A），指令分組數(shù)為K，最小完工時(shí)間的計(jì)算方式如下：

Makespan=t（A）? （3）

2.5 預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法

倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備對(duì)加工設(shè)備補(bǔ)入的原片物料需滿(mǎn)足加工設(shè)備的規(guī)格需求，實(shí)際生產(chǎn)中由人工完成物料分配操作效率不高，導(dǎo)致運(yùn)行中的加工設(shè)備等待補(bǔ)料的時(shí)間過(guò)長(zhǎng).為縮短加工設(shè)備的用料等待時(shí)間，提升倉(cāng)儲(chǔ)Agent對(duì)加工設(shè)備Agent的補(bǔ)料精度.倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)上片位置補(bǔ)入物料的歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算并比較各上片位置使用補(bǔ)入原片物料的熵值.若上片位置對(duì)某規(guī)格原片補(bǔ)入的熵小于閥值T，則采用預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法，選取該上片位置附近的緩存位存放該規(guī)格物料，若各上片位置的熵值分布穩(wěn)定，表示各上片位置的用料需求分布相對(duì)穩(wěn)定，則選擇距補(bǔ)庫(kù)位近的緩存位存放.

算法步驟如下：

Step1：將加工訂單序列初始化，設(shè)置一個(gè)臨界值T，并初始化補(bǔ)庫(kù)目標(biāo)位;通過(guò)公式（3）得出各設(shè)備的利用率.若利用率大于零，則根據(jù)公式（1）計(jì)算該設(shè)備的熵值.

Step2：對(duì)比各上片位置的熵值，選擇熵值最小的設(shè)備進(jìn)行迭代，若該設(shè)備的熵小于臨界值T，進(jìn)行Step3，否則，采用貪心策略對(duì)距離該設(shè)備較近的倉(cāng)儲(chǔ)位進(jìn)行補(bǔ)料.

Step3：將倉(cāng)儲(chǔ)緩存的第一個(gè)位置初始為最近的補(bǔ)料位置，遍歷迭代符合設(shè)備需求的緩存位，遍歷中發(fā)現(xiàn)其他緩存位比當(dāng)前位置更近，則將該位置更新為最近的補(bǔ)料位置.

Step4：檢測(cè)是否存在剩余緩存位，若完成，停止算法，將預(yù)測(cè)的補(bǔ)料位置結(jié)果輸出，若未完成，重復(fù)執(zhí)行Step2～Step3.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為：matlab2010b Intel（R） Pentium（R） CPU G3220 3GHz， and 10 GB of RAM.采用均勻縱向布局設(shè)置4臺(tái)玻璃加工設(shè)備，分別表示為加工設(shè)備A、加工設(shè)備B、加工設(shè)備C、加工設(shè)備D，對(duì)每一加工設(shè)備分配8個(gè)緩存位.設(shè)置兩臺(tái)穿梭車(chē)設(shè)備，初始化穿梭車(chē)的速度為10m/min，取架、撤架動(dòng)作所需的時(shí)間記為2min，倉(cāng)儲(chǔ)位設(shè)置100個(gè)物料架，且每個(gè)物料架含有原片物料的數(shù)目固定，儲(chǔ)料情況結(jié)合真實(shí)的工程數(shù)據(jù).仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比選取三種常規(guī)的調(diào)度規(guī)則：SPT規(guī)則、EDD規(guī)則和ATC規(guī)則[9].

3.1 常規(guī)調(diào)度規(guī)則

3.2 結(jié)果分析

下面通過(guò)分配不同的任務(wù)數(shù)對(duì)基于Agent的玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證.表1為200個(gè)加工任務(wù)條件下，對(duì)設(shè)備指令分組數(shù)m分別取1，5，9，10，11，15，20的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出當(dāng)m取10可以看出系統(tǒng)運(yùn)行的性能最佳，故下列對(duì)比實(shí)驗(yàn)取m為固定值10，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖4中展示了各算法性能隨任務(wù)數(shù)增加makespan的變化曲線，對(duì)比其他方法可以看出基于多Agent倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法性能最優(yōu)，并且隨著任務(wù)數(shù)的增加該算法的穩(wěn)定性越好.通過(guò)表2～表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可直觀地反映出，在任務(wù)數(shù)相同的條件下，相對(duì)于一般按順序倉(cāng)儲(chǔ)位檢索方法（CM）和常規(guī)的SPT、EDD、ATC調(diào)度規(guī)則，預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法的效率更高.從表6中的結(jié)果可以看出緊急任務(wù)介入對(duì)預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法和CM方法的影響，預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法的下降趨勢(shì)較CM方法更緩慢，算法的魯棒性更優(yōu).可以看出基于歷史加工數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法可以提升玻璃玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率，增強(qiáng)調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠保障玻璃加工制造生產(chǎn)的連續(xù)性.

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)玻璃制造流程中加工設(shè)備補(bǔ)料效率低的問(wèn)題，綜合考慮生產(chǎn)流程中設(shè)備的運(yùn)行成本和時(shí)間成本，本文設(shè)計(jì)了基于多Agent的玻璃加工原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出一種結(jié)合信息熵理論的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法策略，利用實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)matlab平臺(tái)進(jìn)行多次對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在加工任務(wù)數(shù)增加，指令分組數(shù)不同和緊急任務(wù)介入的條件下，預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法性能的優(yōu)越性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于歷史加工數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)補(bǔ)料算法可提高玻璃原片倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度的效率，增強(qiáng)倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明了該算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性. 由于算法僅根據(jù)加工設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，缺乏對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的加工環(huán)境下其他影響因素的考慮，算法的適應(yīng)度有待進(jìn)一步提升.

參考文獻(xiàn)：

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