多agent智能制造系统中通信机制的研究.pdf

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1、收稿日期：!#$#!第!卷第%期计算机仿真!&年%!月文章编号：%#(&)*（!&）%#&+#&多!#$%智能制造系统中通信机制的研究杜玉强，王明哲（华中科技大学控制科学与工程系，湖北 武汉)&$)）摘要：在分析,-./0 和多,-./0 系统的特点的基础上，着重研究了基于多,-./0 的智能制造系统中的通信问题，提出了对话模式作为,-./0 之间的通信机制，并使用着色 1.023 网进行了校验。关键词：智能体；多智能体系统；对话模式；着色 1.023 网中图分类号：41%*文献标识码：5&引言随着信息技术的飞速发展和经济全球化趋势的不断加剧，制造业将不得不面对日益激烈的市场竞争。产品生命周期

2、的日益缩短、更新速度的不断加快和顾客对产品需求的日趋个性化、多样化，使得制造企业的生产模式和制造组织方式逐渐由面向产品转变为面向客户、面向需求和面向服务。为了赢得竞争，企业迫切需求一种具有良好柔性、快速反应性和具有容错能力的分布式网络合作化生产制造系统。这种制造系统应当能够在具备一定成本效益优势的情况下快速适应市场变化，根据不同的产品要求，迅速、经济地建立制造过程，并能动态地对整个制造过程进行自适应、自组织、自学习、自由化和自维护。分布式人工智能领域的研究成果表明，采用,-./0 技术建立的智能制造系统是最具潜力的发展方向。本文首先对,-./0 和多,-./0 系统的特点进行了介绍，然后提出了

3、一种基于对话模式的方法来设计,-./0 间的通信，并采用着色 1.023 网对其进行了校验。!#$%和多!#$%系统关于,-./0，至今还没有一个统一的定义，认为在没有人的干预下能够自主地完成给定任务的对象都可以称为,-./0。而现在比较普遍的观点是,-./0 应该具有三个重要的特征自治性、适应性和协作性。所谓自治性是在没有外界（人或其它软件）的干预下，能够积极主动地完成相应的任务；适应性是指,-./0 具有感知、适应外界环境的能力，并有自学习能力，通过学习不断提高自身适应变化的外界环境；协作性是多,-./0 系统的一个重要特征，在多,-./0 系统中，,-./0 相互协作共同完成一个任务。因

4、此多,-./0 系统的能力并不由单个,-./0 所具有的能力所决定，而是由,-./0 相互协作集体体现出来的智能所决定。,-./0 具有目标、知识、标识等基本属性，它由通讯模块、业务处理模块、推理模块、学习模块、消息传递等功能单元所组成（如图%所示）。从中可以看出，,-./0具有面向对象技术中的类的特征，如继承、封装、消息传递等，所以在实现的时候，可以用面向对象的技术来实现,-./0的功能。图&!#$%的组成结构,-./0 的具体组成结构如下：%）标识 是一个,-./0 区别于多,-./0 系统中其它,-./0 的一种属性特征，一般包括,-./0 的名称、地址等；!）目标,-./0 不断运行所

5、追求的具体目标，由目标确定,-./0 的责任和义务；&）知识 包括事实和规则，存储于,-./0 的知识库中；)）通讯模块 负责,-./0 的通讯、消息接受和发送，可以传递任务、运行结果和实现知识共享；+）推理模块 根据,-./0 的目标、知识和能力以及最新信息进行推理和决策，作用于消息处理、业务处理等，做出的决策必须有利于目标的实现；）业务处理模块 进行业务的处理，由业务处理方法构成，它是,-./0 实现目标的主体；$）学习模块 从,-./0 的运行过程中总结经验，为知识库增加新的知识，提高适应环境变化的能力；多,-./0 系统由一组在逻辑上或者物理位置上分布的许多,-./0 组成，它们通过网

6、络连接，共享资源，为完成共同的任务而组成一个有组织的群体。一般认为多,-./0 系统特别适用于那些能根据空间、时间或功能进行分解和划分的应用问题，在这些应用中采用多,-./0 系统将带来如下优点：由于处理的并行化，系统的运行速度将加快；由于对信息的处理是在信息源的附近进行的，所以对通讯带宽的要求较低；由于某一个,-./0 出错不会影响整个系统的运行，因此，系统具有较高的可靠性；由于感知、处理和动作紧密相伴，系统具有+&较高的反应速度。!#$%&之间的通信机制 对话模式在多!#$%系统中，!#$%之间的协调和协作是解决问题的关键。因此，!#$%之间必须要通过通信来交换信息，这些信息包括目标、意图

7、、结果和状态等。对话（&$(#)*!%+$）是这种信息交流中的最有效最直接的一种方式。对话是指两个或两个以上的!#$%为了达到特定的目的而传递的一系列消息的行为。通信的必备条件是在异类的!#$%之间能够进行可靠的和灵活的交互，并且，!不存在可能的矛盾和死锁；对话会伴随着!#$%间活动的结束而中止；为了简化!#$%间通信模块的设计，需要有一套通信规则：对话策略（&$(#)*!%+$,-+&+#*，./*）来降低!#$%通信的复杂程度，下面将采用基于模式的方法来设计面向!#$%的生产系统中的通信和对话模块。!0(需求分析所要设计的对话模块主要有以下要求：!它应该是面向任务的。这是因为对话通常发生在

8、!#$%需要实现特定目标或是完成特定任务时，这与一般的通信协议有很大不同。对话模块应当和对话的语义联系起来。#通信模块必须允许通信内容的提取。$通信模块能提供错误修复。%它应该具备可复用性和可扩展性。&它能够按照需求自动装载。对话模式的构建要从对所有对话主题的确认开始，然后把单独的通信行为收集起来加以分类，形成模式。这些模式的集合可以用./1 来检查是否存在矛盾和死锁。通过分类、实例化、继承和聚合从而得到一组模式类和模式实例，图 2给出了对话模式的构建过程。图)对话模型的构建过程!0)对话主题的确定对话通常集中于一个或多个主题。主题包括一系列的属性。因此，一旦知道了!#$%的目标或任务，我们就

9、能定义它与其它!#$%的对话主题，进而定义它们的对话行为。对话的主题可以用一些变量来描述，这些变量在!#$%间进行对话的时候会被赋予特定的值。对话主题（3,+&，3/）可以如下定义：3/4（3/56；789:;13=）。3/56 指的是主题的标识，789:;3!)；.?*%)#)，.?*%，&，66，/)+&#）（2）3/A：（;B.*%；C!&%)D)#)，66，.*%）（A）（2）式中对话主题/)E3!)描述了在后勤!#$%和生产计划!#$%之间对生产目标进行的对话：运输货物 7 以/)+&#的价位在 66 日送到&地点的客户.?*%)#)手中。（A）式中对话主题;B&*%描述了生产计划!

10、#$%和生产!#$%之间对生产成本进行的对话：对于订单 C!&%)D)#)在 66 日完成的生产成本.*%0这些主题通过一系列的对话来确定切实可行的生产目标和最优的生产完成日期。由上可知，对话主题只是在较抽象的层次上定义了信息的交互，并没有讨论例如通信时机等具体问题。!0!对话模式的定义对话模式是面向目标的对话方法和模块化的对话策略。定义：.$(*&F#G!4（9!-，3!*H，3,+&*，7#$%D,#*，=?I=&F#G!%!，7&%*，=%!%#*，C-J*）其中 9!-：参与对话的!#$%要实现的目标；3!*H：参与对话的!#$%要执行的任务；3D,#*4 7%2，7%A，7%G（G

11、K L）：参与对话和提供所需服务的!#$%的类型；=?IM=&F#G!%!4=?I=&F#G!2，=?I=&F#G!A，=?I=&F#G!*（*K 4 L）：组成对话模式的子模式；7&%*4 7&%2，7&%A，7&%$（$K L）：所有参与对话的!#$%的行为的集合；=%!%#*4 =%!2，=%!A，=%!（K L）：每个!#$%的对应状态的变化；C-J*4 7&%*N=%!%#*!=%!%#*N 7&%*：7&%*和=%!%#*之间的关系；3/*4 3,2，3,A，3,H（HK L）：对话主题的集合；对话模式分为原子模式和复合模式两类。复合模式可以是几种模式的组合，而原子模式则不可以。举

12、一个原子模式的例子：!#$%7 对!#$%O 有一个业务请求：8P:=3，可以表示为对话模式：8P:#，&!$E&#-），（*?IG+%#，B!+-#，*?&#），（&$%#$%）。表示的意思为两类!#$%7 和 O，7 向 O 请求的对话过程分为七个子模式：发出请求（)#Q?#*%），继续等待（&$%+$?#），请求修理（)#,!+)），接受请求（)#Q!&H），接受修理请求（)#Q)#E,!+)），确认请求（!&H$J-#），对话结束（&!$&#-）。对话的状态有三种：提交（*?IG+%#），失败（B!+-#），成功（*?&#）。!0*对话模式的./1 建模/#%)+网是描述具有分布、并发

13、、异步特征的离散事件动态系统的有效工具，它用四种元素为系统模型建模：库所（/-!&#）、变迁（3)!$*+%+$）、弧（7)&）和令牌（3H#$），它用库所、变迁、弧的连接标识系统的静态结构，通过变迁的激发和令牌的移动描述系统的动态行为。着色/#%)+网（.-)#/#%)+1#%*，./1）作为一种高级的/#%)+网模型，通过对库所和令牌加以颜色类型的标定，对变迁和弧加上发生条件的约束，使得建模功能大大增强。正是因为着色,#%)+网的以上优点，所以采取它作为对话模式的建模分析工具。R0S02原子模式的构建TR对话模式中的行为或子模式可以用!#中的变迁表示，模式的状态用库所表示，消息用令牌来持有

14、。下面是模式的构建步骤：第一步：根据对话主题区分$%&(的种类、属性和状态；第二步：对于每一个$%&(的种类，模式中的每一种行为用变迁来表示，同一种$%&(对应的多个行为的变迁水平排列；第三步：在变迁之间添加库所和弧。通过这种方式，为每个$%&(之间发生的信息交换建立了模型；第四步：为对话主题添加被状态库所描绘的信息交换；第五步：建立外部接口。下面对对话模式)*+,*-.进行构建：图!对话模式#$%#&的构建./0 )&12&3(，)&1$45，!6(72&，)&8$79.:0 !6(72&，)&8$79，!$4&;.0 )&1)&8$79，)&8$79，=45.?0 )&8;A:复合模式的构

15、建复合模式有很多种构建方法，如分层的!#表示法和面向对象的分析和设计方法等。复合模式可以通过对一些原子模式的整合而得到，整合的方法主要有两种：聚合和连接。聚合这种方法能够充分利用着色&(97 网的特性进行仿真。例如把)*+,*-.、)*BC 和=!D 三种原子模式聚合为复合模式：7E6F 6G($77%，!#的图形分析如图 所示。变迁中的颜色集定义如下：./0.:0)*+,*-.（“7(&(”，“H$($7E6A”）图(对话模式)*+,-,./0)*)*1 的构建.0)*BC（“7(&(”，“9&32;(7E6A”）.?0=!D（9&32;(I7E6）库所中的颜色集定义如下：!（8/）0!（8

16、:）0!（8J）0 K!23L9H&9，B6%73(74I3=%&(M，K N$4L9H&9，96H24(76;$7%=%&(M，K OE%L9H&9，N$4(69=%&(!（8?）0!（8P）0 K B=!/，!23L9H&9 M，K B=!:，N$4L9H&9M，K OE%L9H&9，N$4(69=%&(M!（8/Q）0 K 96H24(76;$7%=%&(M，K 96H24(O6HI&;M，K N&$(29&O6H&;M!（8）0 K B=!/M，K B=!:M，K B=!M!（8S）0 K D=/M，K D=:M，K D=M(结束语在多$%&(智能制造系统中，问题的解决是一个渐进的多步

17、的过程，其中每一步都存在$%&(之间的对话。本文着重分析了系统中$%&(之间通信的特点，提出了一种基于对话模式的通信机制，并用着色&(97 进行了验证，得到了较满意的结果。参考文献：/D.!T2%$H!U V2 AW$X74$;-4T&H2;7%Y7(T 7(&;7%&($%&(!AO&(9$=88;74$(76#6(&/Q?，O&(9$，$;6=;(6，!=，/PPJA:N)B7，Z Y.$H O -T$YA O2;(7$%&(&(&98973&X6H&;7%A629$;6E L9%$7$(76$;!6X82(7%$H*;&4(9674!6XX&94&，/PPP，P（/）：J F:A)$9H

18、A E6-B&2(T：$%&(G$3&H 3&X$(74 7(&%9$(76 6E 7E69IX$(76：7 68&$H H$X74&_796X&(3!A964&H7%6E(T&=!O-ZOLW!6E&9&4&6 O$%&X&(6E W$($A/PPJ：/P?F:Q?A（下转第:页）J容错机制。本文分析了基于!#$%的分布离散时间仿真平台中的容错措施，并给出了解决方案，提高了系统的可用性，也提高了仿真的效率。参考文献：&()*+,-./01)23%345,-,66#6,$.7)8%-)90%#.:)206,%)3$;45-3*#.?)$%#-:)206,%)3$;3$=#-#$*#4 魏晓辉，

19、鞠九滨4分布式系统中的检查点算法 A 4计算机学报，&B4 CDE 金士尧等4复杂系统计算机仿真的研究与设计 A 4中国工程科学，第 C 卷第 C 期，FF G C：H G HIDC 金士尧，胡华平，李宏亮4具有容错结构的高可用计算机双系统研究 A 4中国工程科学，&4EDH A)#?0 著，高传善译4分布式系统设计 4机械工业出版社，FF&D作者简介杨涛（&I G），男（汉族），山东泰安人，硕士研究生，主要研究方向：分布与并行仿真、分布式系统中的容错技术。李宏亮（&IJ G），男（汉族），湖南浏阳人，博士，主要研究方向：分布与并行仿真、容错系统等。叶超群（&IH G），男（汉族），安徽黄山人

20、，博士生，主要研究方向：复杂系统仿真、集群服务器系统。金士尧（&EI G），男（汉族），江苏苏州人，博士生导师，主要研究方向：计算机仿真、计算机性能评价、计算机容错等。!#$%&()*+,&-%G%)-#.,/0#1/%#23#/%G 4,5#615%.14&%#$17&-,%1)/)*8)79-#:$(5%#7K!LM N,3，OP Q3$G 6),$，KR;+,3 G S0$，APL:+)G T,3（L,%)3$,6 O,93-,%3-T=3-5,-,66#6,$.7)8%-)90%#.5-3*#88)$，;32U0%#-;366#，%+#L,%)3$,6 V$)W#-8)%T 3=7#=

21、#$8#N#*+$363T，;+,$8+,Q0$,$C&FFIE，;+)$,）2;$!?A6$：!#$%；7)8%-)90%#.8)206,%)3$；!/,06%G%36#-,$*#（上接第 EI 页）C Q Z-088#6，A?T$8，5 Z,6*#$,#-8，O 3$,#-%8 5 5#%#-84(#=#-#$*#,-*+)%#*%0-#=3-+363$)*2,$0=,*%0-)$8T8%#28：5(:!4;32B：HH G IC4H 刘大有，杨鲲，陈建中4!#$%研究现状和发展趋势 A 4 软件学报，FFF，&（E）：E&H G E&D作者简介杜玉强（&IB4&G），男（汉族），山东曹县

22、人，华中科技大学控制科学与工程系在校硕士研究生，主要研究方向：RG,$0=,*%0-#，管理控制一体化。王明哲（&CB4&G），男，（汉族），浙江临海人，华中科技大学控制科学与工程系(3*Y#66 实验室主任，教授，主要研究：自动控制，离散事件系统。!#5#,.0)*8)77&/10,%1)/1/B&-%1 G 23#/%B,/&*,0%&.1/3$(5%#77V K0 G S),$，?!LM)$G _+#（Q0,_+3$V$)W#-8)%T 3=:*)#$*#,$.N#*+$363T，;3$%-36:*)#$*#,$.N#*+$363T 7#U,-%2#$%，?0+,$Q09#)CEFFIC，;+)$,）2;$!?A6$：!#$%；06%)G!#$%8T8%#2；;3$W#-8,%)3$:*+#2,%,；;363-#.5#%-)L#%8E