基于多代理的智能CAPP系统体系结构研究

为了提高CAPP系统的柔性、可扩展性、可重用性和动态适应性，基于并行工程理念，采用多代理技术，提出了一种智能CAPP系统体系结构，研究了智能CAPP系统的工作机理，并时智能CAPP系统中各Agent的结构、功能以及相互之间的通讯机制进行了研究。

多代理系统*CAPP*体系结构*通讯机制

传统的计算机辅助工艺规划(computer aided process planning , CAPP)系统的通用性、可重用和动态适应性差，是影响CAPP系统推广应用的主要因素。究其原因，是因为CAPP系统受企业的制造技术、制造资源、产品结构等因素的影响非常大，针对不同的厂家就要开发不同的CAPP系统，开发出的系统功能和应用范围有限，缺乏适应生产环境变化的灵活性和动态适应性。

为了提高CAPP系统的通用性和重用性，国内外研究者在CAPP系统的开发方法、体系结构等方面作了大量努力，提出了多元化CAPP系统、基于原型系统的渐近式CAPP系统以及CAPP开发平台等，但实用系统少。例如对于多元化CAPP系统，混合设计策略的切换以及不同策略下知识库和数据库设计方法的研究距离实际应用还有很大差距;对于基于原型系统的渐近式LAPP系统，由于工艺设计对象的多样性和复杂性，对工艺规程原型的修改、补充和完善的算法过于复杂，难以在实际生产中得到应用。本人也研究过基于组件技术和面向对象技术的可重用CAPP系统，由于工艺决策间题的复杂性，尽管基于组件技术的LAPP系统在可重用性和适用性等方面有了较大的提高，但由于组件本身缺少自主性，没有自己的知识库以及自适应的推理能力，基于组件的CAPP系统在工艺路线的动态优化决策方面和传统的CAPP系统相比没有明显的改善。

基于上述原因，本文提出了一种基于多代理系统(multi-agent system,MAS)的智能CAPP系统体系结构，以提高CAPP系统的柔性、可重用性、可扩展性和动态适应性。

1基于多代理的智能CAPP系统体系结构

代理(Agent)是一种体现智力状态的实体，如信念(Belief)、能力(Capability )、选择( Choice)和承诺(Commitment)等，Agent具有自治性、开放性、反应性、主动性等特征。多代理系统(MAS)由多个Agent组成，每一个代理具有自己的知识库和推理机，各代理按照事先约定的协议进行通信和协作，共同解决复杂的问题。这样将充分利用整个系统的知识资源，可以克服单个专家系统知识库的单一性、有利于求解复杂的涉及多个领域的多层次的推理问题，同时利用推理的分布性，大大提高系统的并行性，提高系统的运行效率。MAS除了具有个体Agent的特性外，还具有社会性、自主性、协作性、开放性等特征。由于MAS具有分布式并行处理、自主性、动态适应性以及易维护性等特点，非常适合用于现代集成制造系统环境下的CAPP系统。

在现代集成制造模式下，要求CAPP系统具有:

(1)良好的柔性、可扩展性、可重用性、分布协同性、异构性和动态适应性;

(2)CAPP系统能够和CAD、PPC ( production planning and control)协同工作，产生适应车间具体生产状态的工艺计划，实现产品设计、制造、生产计划的全局优化。

为了满足现代集成制造系统的需要，本文提出了基于MAS的智能CAPP系统体系结构，如图1所示。该智能CAPP系统由若干代理构成，所有代理协同工作，产生一个完整的工艺计划。根据智能CAPP系统在实际应用环境中的要求，每一个代理可以分布在不同的计算机上或者同一个计算机上，本文提出的智能CAPP系统也支持面向动态联盟的协同工艺设计。

2智能CAPP系统中代理的通用模型

在智能CAPP系统中，我们所采用的Agent的通用结构如图2所示。它包括8个部分:代理控制器、应用库、推理机、执行器、应用程序、内部状态集、通讯管理器和人机交互接口。

 
图2

(1)代理控制器。代理控制器初始化并且控制代理的行为，对运行的代理进行控制，监视各应用代理的运行状态，当满足某种约束条件时运行或终止等。

(2)应用库。应用库包括知识库和规则库，存储各种推理规则及系统中的各类数据，如Agent本身的工作能力、工作条件等，是推理机有效工作的基础。

(3)推理机。推理机是代理的核心部分，根据通讯模块接受来的消息和事实，利用数据库中的知识和规则进行逻辑推理，并把得到的结果作为新的规则保存在规则库中;

(4)执行器。执行器包括事件感知器、功能适配器和功能调用器。事件感知器根据通信模块传来的消息及自身状态来判断所发生事件，根据所发生事件，功能适配器确定采用什么功能来处理此事件，功能调用器则调用相应的应用程序执行相应功能。功能适配器是事件感知器和功能调用器的桥梁，它包括3个重要的部分:事件触发器、传感器和效应器。适配器通过产生触发事件促使推理机启动规则，并且提供在应用区域Agent完成自己工作所需要的行为。适配器具有3个基本功能事件触发、传递推理条件和执行被适配器决定和要求的动作。

(5)应用程序。应用程序在推理机和执行器的共同作用下，完成代理的相应任务。

(6)通讯管理器。通讯管理器是整个智能代理与外部环境进行信息交互的接口，主要包括接收器、发送器、群体成员表、出通信队列与人通信队列等几个部分。

(7)内部状态集合。通过定义不同类型的字段，可以表示Agent的种类、名称、不同状态特征(如信念、选择、承诺等)、状态值、推理活动等。

(8)人机交互接口。提供了一种手段，以便于用户能够和各Agent进行交流，也是Agent知识库获取知识的一种手段。

3智能CAPP系统各代理的模型

在智能CAPP系统中，由于每一个代理需要完成的任务不同，所以有不同的结构。下面将分别对工艺路线生成代理和协调代理的结构进行详细说明。

3.1工艺路线生成代理

工艺路线生成代理包括特征提取代理、特征排序代理、加工方法选择代理、机床选择代理、刀具选择代理、夹具选择代理、加工方法排序代理等，在工艺计划生成过程中，虽然各自的具体功能不同，但是它们的基本结构是相似的川。工艺路线生成代理的结构如图3所示。

图3 工艺路线生成代理的结构

从图3中可以看到，工艺路线生成代理的主要组成部分包括代理控制器、推理机、执行器、应用程序、通信管理器、状态集和知识库等，它的执行器包括数据库适配器、XML适配器、文件适配器、Internet /Intranet适配器等，除此之外，它还包括了计划产生适配器、建议产生适配器、冲突消解适配器，分别用于计划事件、产生建议和解决冲突。

3. 2协调代理

协调代理除了具有和工艺路线生成代理相同的适配器，如文件适配器、数据适配器等以外，它还具有数据区域适配器、存储适配器、通知适配器和协调适配器，如图4所示。

图4 协调代理的结构

(1)存储适配器。为每一个数据区域产生存储信号，数据区域适配器利用这些存储信号产生事件，例如存储和取出。

(2)协调适配器。利用协调代理的知识库所包含的控制规则和事实，对各工艺代理的行为进行控制，通过协调工艺路线生成代理之间的解决方案，以及对产生冲突的消解得到完整的工艺解决方案。

(3)通知适配器。通知相关信息给所有在协调代理内注册的工艺路线生成代理，所有的信息将通过Internet适配器传输到工艺路线生成代理。

(4)数据区域适配器。用于管理4个明确的数据区域(问题、建议、解决和冲突区域)。当一个工艺路线生成代理完成了要求的工作以后，产生所有相关的数据将被传输并存储在协调代理的数据区域。

存储在协调代理上的工艺计划任务的公用信息被划分为4类:问题、建议、解决方案和冲突，它们被分别存储在4个相应的数据区域:问题区域、建议区域、问题解决区域和冲突区域。问题区域包含工艺计划任务的初始问题定义和工艺计划任务的全部需求;建议区域存储各工艺计划代理产生的部分或者完整建议;解决区域存储逐步完善的工艺计划模版，由各工艺路线生成代理产生的没有冲突的工艺计划解决方案被添加到此模版;冲突区域存储在工艺规划期间产生的冲突以及冲突解决方法，并且为产生冲突的有关工艺路线生成代理提供一种通讯方式。最后的解决方法被存贮在协调代理的问题解决区域。

4智能CAPP系统的通讯机制

在智能LAPP系统中，为了既保证代理间的通讯速度，又保证系统间的通讯负载不过于庞大，采用基于点对点方法的直接通讯方式和基于协调代理的辅助协作的混合通讯方式。当所需完成的工艺任务涉及的代理较少，且代理间的信息传递方向比较明确时，可以直接采取点对点的直接通讯方法，以加快系统反应时间，例如对于一个钻削操作，机床选择代理在进行工作时，可以直接向钻床工作中心代理发送要求，而不向铣床工作中心发出要求。在一个任务需要多个代理协作完成，且信息传递方向不明确时，采用基于协调代理的辅助协作通讯方式。智能CAPP系统的传递的信息分为3个部分:

(1)信息类型:在基于MAS的智能CAPP系统中，定义了3种消息类型:握手(Handclasp )、发布(Release )、通知(Inform)、请求(Request)、取消(Delete)。

(2)信息目标:消息传递的目标可以是一个代理，也可以是多个代理。

(3)信息内容:表示在代理间Release, Inform、Request ,Delete的信息内容。信息的定义如下:

在辅助协作通讯方法中，智能CAPP系统利用协调代理作为各工艺代理的协同和通讯介质。当各工艺路线生成代理执行工艺任务时，协调代理通过自身的控制机理，协调工艺路线生成代理之间的行为以及工艺活动，最终生成完整的工艺规划。

5结束语

在多代理系统(mufti-agent system,MAS)中，每个代理具有一定的独立解决问题的能力，每一个Agent都有自己独立的结构、推理机、知识库和问题求解策略，但每个Agent的资源、能力和信息都是有限的，它们通过彼此之间的协作，共同完成比较复杂的任务。基于MAS的智能CAPP系统，采用CDPS( cooperative distributed problem solving)方法，将复杂的工艺计划问题分解为一系列子问题，然后把每一个子问题交给一个代理解决，各个代理之间通过一定的合作和协调完成对整个工艺计划问题的求解。基于多代理的CAPP系统具有如下特点:

(1)每一个代理具有自己的推理机和知识库，可以进行独立地推理，在系统结构上具有可重构、可扩展的能力，可以根据用户的要求改变系统的结构。

(2)可以有效减小CAPP系统集成规划决策的规模、降低各集成功能之间的祸合性，而且有利于将铸、锻、焊接、热处理、装配等非机加工工艺规划与机加工工艺规划以分布方式有机地集成起来，如图1所示。

(3)通过一系列的分散代理使得系统模块化，系统的开发难度大大降低，并加强了系统的分布性以及对异构环境的适应性。

(4)采用分布式的工艺管理结构以及分布数据库的实施，可以将数据的管理缩小到子系统内，而整个系统之间只传送相应的接口信息。这样可以提高系统的数据传输率并通过只对关键数据进行镜像与双工操作，提高系统安全性。

(5)系统内的各个代理，可以协同工作解决复杂问题，并具有和相关应用系统集成并协同运作的能力，提高整个系统的动态适应性。

基于多代理的合理划分，CAPP系统被分解为处于不同代理级的若干个代理的组合，系统的功能模块化，并加强了系统的柔性、可扩展性、可重构性和动态适应性。