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基于供應鏈的協(xié)同生產(chǎn)調度研究
一、引言
知識經(jīng)濟時(shí)代國際競爭的日趨激化，使企業(yè)受到了前所未有的挑戰。企業(yè)間合作的重 要性日益凸顯，其組織邊界逐漸延伸到有業(yè)務(wù)關(guān)系的合作伙伴和客戶(hù)，形成了整個(gè)價(jià)值 鏈上企業(yè)內及企業(yè)間網(wǎng)絡(luò )的集成�，F在不斷出現的虛擬企業(yè)、敏捷制造、動(dòng)態(tài)聯(lián)盟等概 念都是強調了企業(yè)間的合作和優(yōu)勢互補，以提高制造系統的敏捷性。其實(shí)質(zhì)都是供應鏈 環(huán)境下的企業(yè)集成。
對于制造業(yè)來(lái)說(shuō)，面對日益激化的國際競爭，單個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)調度問(wèn)題的 解決已經(jīng)不能完全滿(mǎn)足現在供應鏈環(huán)境中企業(yè)協(xié)作生產(chǎn)的需要。多代理系統(Multi-Agent System，簡(jiǎn)稱(chēng)MAS)在供應鏈和生產(chǎn)調度方面的研究已經(jīng)成為當前的熱點(diǎn)之 一。但是大部分的研究局限在企業(yè)內部，考慮供應鏈環(huán)境下企業(yè)生產(chǎn)調度的論文相對較 少。而在現代化大生產(chǎn)中，企業(yè)已經(jīng)不單單是一個(gè)孤立的個(gè)體，而是供應鏈中的一個(gè)部 分，這是一個(gè)更加廣闊的企業(yè)級結構模式。
運用基于MAS對于充分發(fā)揮車(chē)間制造系統的功能、調度過(guò)程中完善調度策略、供應鏈環(huán) 境下多企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)以及生產(chǎn)過(guò)程的高效、穩定運行都是有很大幫助的。因此，為滿(mǎn)足 企業(yè)在國際化生產(chǎn)的前提下進(jìn)行合理的生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)調度，本文提出了基于供應鏈環(huán) 境下的兩層MAS體系結構，建構了解決企業(yè)在供應鏈環(huán)境下的動(dòng)態(tài)調度以及調度優(yōu)化問(wèn) 題的模型。
二、供應鏈下的協(xié)同生產(chǎn)調度
生產(chǎn)調度問(wèn)題可以描述為：在一定的時(shí)間范圍內為完成特定的生產(chǎn)任務(wù)而分配共享資 源，并使得預定的某些生產(chǎn)指標最優(yōu)[1]。傳統的生產(chǎn)調度問(wèn)題基本屬于一個(gè)企業(yè)內部 的生產(chǎn)調度。車(chē)間調度問(wèn)題有以下特點(diǎn)：(1)復雜性。由于車(chē)間調度問(wèn)題是在等式或不 等式約束下求性能指標的優(yōu)化，在計算量上往往是NP完全問(wèn)題，因而使得一些常規的最 優(yōu)化方法往往無(wú)能為力。(2)動(dòng)態(tài)隨機性。(3)多目標。實(shí)際的車(chē)間調度往往是多目標的 ，并且這些目標間可能發(fā)生沖突。調度目標一般分為基于作業(yè)交貨期的目標、基于作業(yè) 完成時(shí)間的目標、基于生產(chǎn)成本的目標三大類(lèi)。
生產(chǎn)制造車(chē)間的計劃與調度是一個(gè)非常復雜的、需要多方面知識與信息的決策過(guò)程， 近年來(lái)，人工智能技術(shù)、Agent技術(shù)在車(chē)間計劃與調度中得到廣泛應用，且應用的類(lèi)型 很多。Riyaz sikora等[2]介紹了在敏捷企業(yè)中，車(chē)間的生產(chǎn)組織方式發(fā)生變化，不再 是傳統的固定式階梯型方式，以及如何利用MAS來(lái)根據任務(wù)的變化對資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整 。Kap Hwan Kim等[3]介紹了一個(gè)用于制造系統調度與車(chē)間控制的框架結構�？蚣苤幸� 入了資源代理、零件代理、工程控制代理和事件管理代理。各類(lèi)代理間均存在錯綜復雜 的通信關(guān)系。Saad A等[4]分析研究了柔性制造系統中的分布式調度，建立了分布式調 度模型，在制造系統中建立了機床和工件智能代理，采用基于合同網(wǎng)協(xié)議的機制，將以 零件為中心的談判機制和以機床為中心的談判機制相結合。郭文勝等[5]提出了基于
Multi-Agent的虛擬車(chē)間調度作業(yè)原理與算法，利用動(dòng)態(tài)形成Agent對資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整 。楊根科等[6]提出了在動(dòng)態(tài)聯(lián)盟下，從銷(xiāo)售代理的角度，研究供應鏈的最小成本制造 規劃的問(wèn)題。傅小華等[7]研究了現代生產(chǎn)作業(yè)調度的特殊要求，既要滿(mǎn)足系統整體目 標，也要注意各子系統的具體特征及局部目標的實(shí)現，以及MAS的運用。
而供應鏈下的協(xié)同生產(chǎn)計劃調度優(yōu)化過(guò)程是一個(gè)復雜的隨機、多目標、動(dòng)態(tài)調度問(wèn)題 ，不同于單個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)調度。供應鏈環(huán)境中，車(chē)間的生產(chǎn)組織方式發(fā)生了變化。隨著(zhù) 市場(chǎng)需求向小批量、多品種和短交貨期的發(fā)展及企業(yè)生產(chǎn)的橫向聯(lián)合，現代制造系統往 往具有異地分布和異構化的特征。供應鏈環(huán)境下進(jìn)行生產(chǎn)調度，要同時(shí)兼顧企業(yè)內部生 產(chǎn)調度的合理性以及供應鏈中各企業(yè)之間的生產(chǎn)銜接、利益分配等。
SCOR(Supply-Chain Operations Reference-model)是第一個(gè)標準的供應鏈流程參考模 型，是供應鏈的診斷工具，涵蓋所有行業(yè)。SCOR模型的第一層描述了五個(gè)基本流程：計 劃(Plan)，采購(Source)，生產(chǎn)(Make)，交貨(Deliver)和退貨(Return)，如圖1所示。 它定義了供應鏈運作參考模型的范圍和內容，并確定了企業(yè)競爭性能目標的基礎。我們 可以看到，供應鏈上游企業(yè)交貨直接影響到下游企業(yè)的生產(chǎn)計劃和調度，而現在的很多 企業(yè)供應鏈的設計，都是面向訂單進(jìn)行生產(chǎn)的。
三、基于Multi-Agent的體系結構
MAS是一個(gè)高度交叉的研究領(lǐng)域，對于A(yíng)gent，現在還沒(méi)有一個(gè)統一的定義，一般認為 ，Agent是由具有知識、信念、意向、期望等因素組成的一個(gè)實(shí)體[8]。但是Agent的核 心概念——自治性已經(jīng)被普遍接受。Michael Wooldridge[9]認為Agent是具有智能性、 自治性、理解力、學(xué)習能力、可以代替用戶(hù)完成特定功能的軟硬件系統。目前的Agent 研究主要在計算機軟件領(lǐng)域展開(kāi)，Agent是一個(gè)具有自治性的計算實(shí)體，能根據動(dòng)態(tài)變 化的環(huán)境信息做出決策。MAS利用Agent來(lái)表示制造中的各種資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )及Agent通 訊協(xié)議將它們連接成一個(gè)MAS，然后采用MAS的理論和方法對Agent進(jìn)行研究。而在大規 模定制生產(chǎn)方式下的供應鏈計劃調度優(yōu)化過(guò)程是典型的隨機、動(dòng)態(tài)、多目標優(yōu)化過(guò)程[1 0]，進(jìn)一步根據計劃進(jìn)行生產(chǎn)調度就更加復雜。根據Agent的特點(diǎn)，我們可以將
Multi-Agent技術(shù)運用在供應鏈環(huán)境下的生產(chǎn)調度中。
現在，MAS被認為是模擬和支持這些分布式的復雜系統和環(huán)境的一個(gè)比較好的方法。
MAS是一個(gè)包括若干個(gè)代理的、并以特定方式相互作用的復雜處理系統。MAS中的組織結 構主要有以下幾種：黑板結構、團體結構、合作規劃結構、基于合同網(wǎng)協(xié)議的組織結構 等。而基于合同網(wǎng)協(xié)議的結構在MAS被廣泛采用，它模擬了合同行為中的招標、投標、 中標者。合同網(wǎng)中的代理具有多個(gè)層次，可以既是下層代理的管理者，同時(shí)又是上層代 理的承包者。
因此，對于供應鏈下的各企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)調度，我們可以利用Agent來(lái)表示生產(chǎn)中的各類(lèi) 資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和協(xié)議組成一個(gè)MAS系統，并利用MAS的方法通過(guò)協(xié)議、合作來(lái)完成各個(gè) 企業(yè)的協(xié)同生產(chǎn)�；贛AS系統實(shí)現供應鏈企業(yè)協(xié)同生產(chǎn)的系統體系結構見(jiàn)圖2所示。
由于供應鏈下的企業(yè)生產(chǎn)調度關(guān)系到多企業(yè)、多車(chē)間調度策略的確定，因此，我們可 以把模型劃分成企業(yè)級和車(chē)間級進(jìn)行區分。企業(yè)級代表了整個(gè)企業(yè)進(jìn)入供應鏈的網(wǎng)絡(luò )， 與其他企業(yè)的Agent進(jìn)行協(xié)商、合作和調度。企業(yè)內部車(chē)間級別的Agent主要是在企業(yè)內 部發(fā)揮作用，保證了企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)調度的最終實(shí)現。進(jìn)行這種兩級劃分的好處是使得企 業(yè)可以靈活地選取需要的部分，在供應鏈環(huán)境下企業(yè)選擇兩級的Agent體系架構，保證 了供應鏈下的總生產(chǎn)計劃制定和各個(gè)企業(yè)根據總生產(chǎn)計劃進(jìn)行內部生產(chǎn)高度，為最終完 成生產(chǎn)計劃提供了有力的保證。而在單個(gè)企業(yè)中，也可以利用車(chē)間級別的Agent體系架 構進(jìn)行單個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)調度，完成生產(chǎn)訂單的生產(chǎn)。
Agent體系架構中企業(yè)級包括了計劃Agent、企業(yè)級資源Agent、物流Agent。車(chē)間級中 包括了訂單Agent、任務(wù)Agent、調度Agent、車(chē)間級資源Agent。本系統架構中，Agent 通過(guò)相互協(xié)作而達到全局目標實(shí)現。同時(shí)，Agent盡力獲取局部的自身利益，可以作為 一個(gè)自律的、自治的獨立實(shí)體存在于整個(gè)系統之中。在兩級資源Agent之間協(xié)作談判的 實(shí)現方法主要是采用仲裁機制和招投標機制相結合。各代理的含義和功能如下：(1)計劃Agent(企業(yè)級)
計劃Agent主要有對內和對外兩方面的職責。
對內職責：負責根據企業(yè)接到的生產(chǎn)訂單制訂生產(chǎn)計劃，并根據生產(chǎn)計劃產(chǎn)生一系列 的訂單下發(fā)到車(chē)間級的訂單Agent，根據企業(yè)知識庫和企業(yè)級的資源Agent信息將企業(yè)總 的生產(chǎn)計劃分解成車(chē)間級別的訂單下發(fā)到車(chē)間級。
對外職責：由于企業(yè)是處在供應鏈的環(huán)境之中，所以，企業(yè)的生產(chǎn)可能依賴(lài)于其他企 業(yè)的產(chǎn)品，因此，計劃Agent還要根據企業(yè)級資源Agent的信息對外招標，發(fā)出生產(chǎn)資料 的需求訂單給別的企業(yè)的計劃Agent，與別的企業(yè)的計劃Agent在合同網(wǎng)結構中進(jìn)行招標 、投標和協(xié)商。
企業(yè)級的計劃Agent的任務(wù)比較復雜，包括了對內生產(chǎn)計劃制定、生產(chǎn)計劃根據企業(yè)資 源細分訂單下發(fā)到車(chē)間訂單Agent，對外產(chǎn)生需求并進(jìn)行招標等等工作。因此，下一步 的工作中，可以考慮進(jìn)一步細分企業(yè)級計劃Agent的功能。
(2)資源Agent(企業(yè)級)
企業(yè)級的資源Agent代表了企業(yè)的生產(chǎn)資料和生產(chǎn)能力，可以代表企業(yè)進(jìn)行計劃Agent 之間的投標、協(xié)商工作。橫向可以與其他企業(yè)進(jìn)行任務(wù)的轉包，具有很大的靈活性。
企業(yè)級的資源Agent與車(chē)間級的資源Agent相互通訊，代表了企業(yè)車(chē)間的總生產(chǎn)資料和 生產(chǎn)能力，并根據車(chē)間級資源的變動(dòng)而變動(dòng)。同時(shí)根據計劃Agent進(jìn)行任務(wù)分配的協(xié)商 ，來(lái)分配企業(yè)級粗粒度的任務(wù)調度。
(3)物流Agent(企業(yè)級)
物流Agent作為供應鏈的一個(gè)環(huán)節，負責把生產(chǎn)出的產(chǎn)品在適當的時(shí)間，以適當的數量 ，運送到適當的地點(diǎn)。如果企業(yè)不是制造型企業(yè)，那可能就只需要計劃Agent、資源
Agent、運輸Agent，不需要車(chē)間級的各類(lèi)Agent。
(4)訂單Agent(車(chē)間級)
訂單Agent處理企業(yè)級計劃Agent發(fā)出的計劃，并根據計劃以及企業(yè)車(chē)間的情況進(jìn)行任 務(wù)劃分，根據車(chē)間資源對接到的訂單計劃細分成一系列任務(wù)，發(fā)到任務(wù)隊列等待調度和 處理。
訂單Agent進(jìn)行處理的時(shí)候，必須和其它車(chē)間級的Agent進(jìn)行協(xié)商，進(jìn)行分配，而且需 要接受調度Agent因實(shí)時(shí)監控中產(chǎn)生異常信息而對任務(wù)的分配進(jìn)行必要的調整。
(5)任務(wù)Agent(車(chē)間級)
任務(wù)Agent在車(chē)間級Agent中是比較重要的環(huán)節，主要包括兩方面的任務(wù)。一方面，任 務(wù)Agent負責利用Agent組織結構中的合同網(wǎng)協(xié)議的結構向企業(yè)級的資源Agent進(jìn)行招標 ，并進(jìn)行投標的處理和決策，確定參與完成每個(gè)任務(wù)的資源Agent的集合，并利用與資 源Agent之間的通訊，決定資源Agent空閑的能力。
另一方面，任務(wù)Agent需要監督和管理任務(wù)執行的全過(guò)程，如果任務(wù)完成過(guò)程有問(wèn)題， 或者有緊急訂單下達，需要和資源Agent、調度Agent進(jìn)行協(xié)商，并進(jìn)行任務(wù)的重新調度 。
(6)調度Agent(車(chē)間級)
具體實(shí)現車(chē)間的生產(chǎn)調度計劃。主要根據下發(fā)任務(wù)的開(kāi)始、截止時(shí)間和約束關(guān)系作為 初始條件，調用調度的算法庫選擇合適的調度算法，最后輸出合理的工序進(jìn)程隊列。同 時(shí)，調度Agent還要完成實(shí)時(shí)的車(chē)間控制，檢測工作實(shí)時(shí)完成的狀況，如果不能完成， 或者出現問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行反饋和錯誤輸出。根據異常情況進(jìn)行再調度。
(7)資源Agent(車(chē)間級)
資源Agent直接代表了生產(chǎn)資料，根據生產(chǎn)資料的運行狀態(tài)跟外界進(jìn)行協(xié)商和談判。對 于任務(wù)Agent發(fā)出的任務(wù)按照自身的能力進(jìn)行投標。資源Agent之間也可以進(jìn)行協(xié)商和談 判以解決相互之間的沖突。而且通過(guò)Agent之間橫向的協(xié)商，可以進(jìn)行任務(wù)的轉包。
車(chē)間級別的Agent與企業(yè)級別Agent進(jìn)行通訊，反饋本車(chē)間的生產(chǎn)資料狀況和生產(chǎn)能力 。
四、合同網(wǎng)協(xié)議的決策方法
為了選擇執行特定子任務(wù)的Agent，必須按照一組相關(guān)的屬性和判斷標準對投標的
Agent進(jìn)行對比評價(jià)，可以考慮采用決策矩陣的構造和使用合適的決策規則。
決策矩陣構造：A = (a[,ij])[,i×j](i = 1，2，…，n；j = 1，2，…，m)，其中， 行表示候選的Agent，而列表示屬性或者判別準則。每個(gè)元素a[,ij]表示第i個(gè)Agent對 應判決準則j的屬性值。
決策規則：決策規則用以選擇最佳的候選Agent，以決定中標的Agent完成子項目的任 務(wù)。我們可以設置被評價(jià)
五、MAS系統實(shí)現
MAS各Agent單元之間采用KQML語(yǔ)言作為通訊語(yǔ)言，KQML是基于消息的Agent通信語(yǔ)言， KQML對信息定義了公共的格式。KQML的消息可以大致認為是一個(gè)對象，每條消息有一個(gè) 語(yǔ)用詞以及多個(gè)參數[9]。KQML支持Agent之間高層次的通訊，并且可以根據實(shí)際MAS系 統的需要對原語(yǔ)進(jìn)行擴充。
當某個(gè)Agent需要與其他Agent進(jìn)行通訊時(shí)，利用KQML協(xié)議，把實(shí)際的信息封裝在KQML 消息中發(fā)送給其他Agent進(jìn)行數據交換。使用CORBA獨立于各種編程語(yǔ)言的IDL語(yǔ)言來(lái)定 義出統一的接口。利用CORBA和KQML的完美結合，使得分布式的多Agent系統易于使用、 擴展而且有很好的柔性。
系統可以采用JAVA語(yǔ)言實(shí)現，系統通訊的底層采用TCP/IP協(xié)議，以支持Internet范圍 的通信和協(xié)作。MAS中的組織結構采用合同網(wǎng)協(xié)議的組織結構，Agent之間的協(xié)調可以基 于多種方式：基于對策論、基于協(xié)商、基于規則。在實(shí)際系統中我們可以采用協(xié)商和仲 裁相結合的方式。
具體原型系統的實(shí)現可以參考一些Internet上基于A(yíng)gent，而且開(kāi)放源代碼的項目�，F 在提供基于JAVA的Agent體系結構的項目有很多，主要可以考慮采用的開(kāi)源代碼項目主 要有以下幾個(gè)：
(1)Cougaar是一個(gè)基于JAVA體系結構的開(kāi)源項目，用于構造大型的、分布式的多Agent 系統。即能夠支持小規模的系統，也能支持大規模、分布式的Agent系統。Cougaar包括 了一套先進(jìn)的核心架構、多樣的中間件支持開(kāi)發(fā)、可視化、以及對于復雜的分布式系統 的管理工具。
(2)JADE是一個(gè)完全由JAVA實(shí)現的軟件架構，它提供了一些系列的完全符合FIPA規范的 中間件，能夠簡(jiǎn)化多Agent系統的實(shí)現，還提供了一系列的調試和發(fā)布的工具。而且JAD E平臺能夠分布在多種不同的系統上。
(3)英國電信基于JAVA的項目ZEUS，ZEUS為快速地開(kāi)發(fā)以及發(fā)布Agent系統提供了軟件 包。包括了Agent的控件包、Agent建立工具以及可視化的工具。
六、結束語(yǔ)
本文提出了兩層的MAS模型，同時(shí)考慮了粗粒度和細粒度的信息處理的需要，進(jìn)一步細 分了企業(yè)級各Agent和車(chē)間級各Agent之間的任務(wù)和協(xié)作。這種松耦合、分布式動(dòng)態(tài)調度 的控制結構很好地適應了供應鏈環(huán)境下企業(yè)之間以及企業(yè)內部車(chē)間生產(chǎn)制造單元之間的 分布自治、協(xié)同合作的特性，為解決供應鏈的環(huán)境下企業(yè)之間以及企業(yè)內部各個(gè)車(chē)間的 動(dòng)態(tài)分布問(wèn)題提出了一個(gè)可操作的體系架構模型和技術(shù)基礎。當然，在供應鏈管理下進(jìn) 行多企業(yè)的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)調度，影響的因素非常多，情況也非常復雜，要開(kāi)發(fā)出真正 適用的系統還要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
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