研究MAS与Web服务的网络化集成制造技术

　　1引言

　　智能制造、协同制造、基于服务的制造等先进制造模式要求实现互联网上异构系统跨平台、跨地域的无缝集成和快速重构。近年来，虽有不少学者提出基于CORBA和Agent技术的企业信息基础架构的解决方案，以及基于Web Services和可扩展标记语言XML的信息集成方案，但这两者都各有其局限性。前者不能穿越防火墙，仅适合企业内部局域网使用，不能满足跨平台、语言独立、松散耦合的异构应用的交互和集成;后者虽实现了异构平台间的互操作，但由于缺乏必要的协调性和主动性，仍然属于静态的远程调用，智能性不强，因此也不适合在跨企业信息集成中应用。本文结合web Services的跨平台性、编程语言无关性、面向服务的封装方式等特点与MAS(Multi-Agent System)的自主性、智能性、协作性等特点，提出了基于Web服务和MAS的网络化集成制造框架模型，分析了其通信和协作过程，为网络化制造提供一种普遍的、开放的、可扩展的、松散耦合的集成系统框架结构，实现了跨平台、跨地域的无缝信息集成和快速重构。

　　2基于MAS与Web Services的网络化制造体系结构的构建

　　Web Services是W3C提出的一种软件体系结构，采用面向服务架构SOA的新型分布式计算模型，主要技术规范包括XML、SOAP、WSDL和UDDI等。与传统的CORBA/IIOP、DCOM/ORPC、EJB/RMI专用协议不同，Web Services采用标准XML作为服务界面和协议描述规范，完全屏蔽了系统平台的差异，利用开放标准和公共基础设施实现对象的描述、发现和访问来实现跨平台、跨语言的异构集成，具有良好的封装性和松散耦合的可集成性。而MAS(Multi-Agent System)是利用并行分布式处理技术和模块化设计思想，由多个可交互的自治运行Agent组成的、能相互协作地进行问题求解的、可随环境变化而主动适应的、松散耦合的分布式智能系统。MAS具备开放性、自主性、异构性、互操作性和分布性等特点，同时利用协作、谈判、竞争、招投标及任务调度等机制，可以方便地求解分布式问题，具有很强的伸缩性，非常适合企业分布式应用系统集成，而且它的松散耦合、知识管理、协作求解、问题描述自然等优点，更适合企业业务流程的柔性变化。

　　Web Services与MAS理论与技术的结合，为网络化制造的实现提供了有效的机制和理想的解决方案。而作为一种分布式、异构、松散耦合的制造系统，网络化制造系统彼此之间具有组织上的自治性和平等性，本质上可以看作是一个具有自主、分布和协作特性的智能化系统。在网络化制造企业中，存在大量独立自治的物理或逻辑实体，同时，在网络化制造的不同层次，功能实体的划分粒度有所不同。根据制造企业的特点和不同的Agent粒度，将网络化制造系统内企业、协作伙伴、知识元、企业内各部门、制造单元等不同实体分别抽象为Agent，基于不同视角，构造不同粒度的MAS系统，并运用Web Services技术进行功能描述与封装，从而建立基于Web Services的网络化制造Multi-Agent模型，可以为网络化制造提供一种普遍的、开放的、一致的框架结构，有利于网络化制造的研究与实现，提高网络化制造的智能水平。基于Web Services的网络化制造MAS体系结构如图1所示。

　　图1基于Web Services的网络化制造MAS体系结构

　　在该网络化制造体系结构中，企业的各功能实体Agent可通过基于可扩展标记语言XML的WSDL进行Web Services描述与封装(见图2)，并通过Internet/Intranet在UDDI注册中心进行发布，不同实体Agent间基于SOAP/XML进行消息传送，动态、按需地进行信息交互，SOAP通过封装知识查询及操作语言KQML规范的XML语义表达，使用HTTP和SMTP等作为传输协议，可以跨越防火墙，实现不同实体间跨平台的异构集成与通讯，最终实现企业内部与外部的集成。

　　图2基于Web Services的Agent描述与封装模型

　　3基于Web Services的MAS的通信实现

　　在分布式Multi-Agent系统中，Agent的通讯模式及交互策略是Agent实现协调与合作的基础，各Agent之间必须进行知识和语义层次上的通信，以保证每个Agent对系统领域知识理解一致和对Agent间交互行为的识别、理解和处理，这样才能实现相互之间的充分协商、协调与合作，实现系统问题的求解。在MAS中，各Agent采用知识查询及操作语言KQML进行通信，其消息可以分为通信原语层和通信内容层两个相对独立的层面。本文提出了基于Web Services的MAS通信机制，可以采用XML封装KQML通信行为原语消息和表述通信的内容，并通过SOAP与HTTP等普通协议的绑定进行消息传递，其中通信原语和通信内容的文档类型定义DTD/Schema分别由平台开发人员和用户完成。基于Web Services的MAS通信模型如图3所示。

　　图3基于Web Services的MAS通信模型

　　当Agent A就某问题向Agent B询问时，它根据自己的知识库(KB)，经过计算或推理，选用合适的标准词汇集生成相应的请求，然后将它嵌入KQML的内容层;接着使用XML封装器生成XML文档;最后通过Web Services平台SOAP向Agent B传送这一文档。Agent B在接收到该文档时，使用XML解析器，从中分离出KQML消息，并试图理解它;然后根据自己的知识库进行推理或计算，得出内部结果，并选择标准词汇集生成应答;接着与Agent A类似，生成KQML消息，再与通信内容一起封装成XML文档;最后也通过通信服务器向A传回XML文档。

　　4基于Web Services的M_AS协作功能的实现

　　MAS中存在着多个松散耦合的Agent，每个Agent独立自治又相互协作，当加工能力与加工任务发生冲突时，本文通过基于Web Services的MAS合同网协议进行协作，实现任务与设备的动态调度与协调。基于Web Services的MAS合同网协议模型如图4所示。模型中主要包括合同网的管理者、投标者和中介智能体等。合同网中的管理者和投标者、每个智能体内部都包含任务处理模块、合同处理模块和知识库等相应的规划模块，对整个生产过程进行规划，并协调完成整个生产任务。任务处理模块负责任务的处理和求解，它从合同处理模块接受所要求解的任务，利用本地知识库进行求解，并将结果送到合同处理模块。知识库中存储本地结点的历史知识、当前状态和问题求解过程的信息。合同处理模块判断投标所提供的任务，发送标书和确认合同，并分析和解释到达的消息，协调全部结点的活动。UDDI相当于中介智能(facilitator)，负责处理系统中的网络通信服务，建立从智能体功能到名字的映射，以便快速查找合适的智能体并与之交互。

　　图4基于Web Services的MAS合同网协议模型

　　在该MAS合同网协议模型中，各Agent可以基于Web Services技术进行描述自包含并封装成服务，在UDDI服务注册中心进行注册发布，当一个待分配任务到达管理Agent后，管理Agent将其分解为若干子任务，并向UDDI提交请求，可以由UDDI服务中心获得其它Agent的信息，同时查询能够胜任的Agent及其URI与接口，确定任务发布的范围，并向符合条件的Agent发出基于XML表述的KQML行为原语的招标任务信息，每一个接到竞标信息的Agent根据自身状态和知识库的信息，对收到的任务进行评估，计算加工时段和标值，形成投标消息传送回管理Agent，以对管理Agent的招标消息做出应答。管理Agent对所有Agent投标情况进行判定，选出最好的标值，并向此Agent发出中标消息，同时向其余竞标失败的Agent发出落标消息。收到中标消息的Agent将此任务加入任务队列中，在适当时间执行此项任务。Agent完成某项任务后，发任务完成信息返回管理Agent。管理Agent将该作业任务归人完成队列中，同时检测是否另有条件成熟的作业任务可以进行招标。对可以进行招标的作业任务，管理Agent分析其加工所需能力与要求，并从UDDI中心进行查询，确定招标范围，评估后发出任务消息，再次进行招标。其中，管理Agent发布的消息是基于XML表述的KQML行为原语，例如：

　　XMLSchema-instance”

　　xsi:noNamespaceSchemaLocation=”KQML.

　　xsd”>

　　announce

　　Manager

　　Agent001

　　Manager-agent00

　　KQML

　　KQML-ONTOLOGY

　　准双曲面齿轮小轮齿

　　坯

　　铣齿加工

　　name

　　……

　　该合同网模型借助于UDDI，对MAS系统内Agend信息与状态进行动态监控与管理，很好地解决了传统合同网招/投标模式带来的信息闭塞与广播负载问题。另外，基于XML的KQML行为原语的表达实现与表达，使消息表述灵活、结构清晰、数据具有一致性，XML实现与KQML规范都是基于字符流的表达，便于实现;同时，XML还提供强劲的语义支持，可读性强，便于基于知识的程序进行识别与交互。

　　5结语

　　资源共享和优化配置是实施网络化制造的基础和前提。本文结合信息技术和网络技术，提出的这种基于MAS和web服务相结合的网络化集成制造技术，将为实现信息技术、制造技术、生产管理和制造控制的融合集成提供整体解决方案，可以真正实现各异构系统动态、松散、跨平台的无缝信息交互和共享，为企业解决网络化环境中制造信息孤岛问题，优化配置资源，实现全局协同运作提供良好的信息基础环境，同时也为更深入地进行网络化制造模式的研究和推广提供有价值的参考。