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全能制造执行系统
Valckenaers, P; Van Brussel, H
CIRP Annals - Manufacturing Technology, 2005, 卷 54, 期 1
本文翻译了原文从第一页到第四页中间部分
摘要：这篇文章提出了一种全能制造系统的设计方案。其中的一个设计实例则是参考了结构的增强协调和受自然系统启发的控制机制。即蚂蚁觅食行为的蚁群算法。研究的原型实现了多代理系统。主要的协调和控制机制确保了项目计划的正确执行、紧急预报生产资源的工作量以及交货时间和产品路线。这项设计赋予了产品实例推动自己生产的能力，协调也是分散的。与许多分散设计相比，制造业执行系统能预测未来的行为，并且主动采取措施从根本上防止一些即将发生的问题。一种社会机制确保产品实例能够充分地遵守他们的公然意义对保证足够的预测精度来说是必要的。这种设计一直应用于工业测试案例，并且本文也讨论了此案例的研究结果。
关键词：
全能的，代理，制造执行系统
1、简介
制造执行系统（MES）处理厂在操作时不仅监督过程控制系统，还决定产品生产体系遵循的路线，并决定何时何地启动操作。此外，它必须解决所有可能的处理结果，其中一些问题会干扰生产经营使其出现明显失败。文字制造控制通常表示任务由制造执行系统执行。
制造控制是一项艰巨的任务，因为底层生产系统的非线性性质和来自环境的不确定性生产过程，以及组合增长的决策空间。尽管已经做了巨大的努力，直到今天，基于规划的分层制造执行系统仍无法满意回答各种挑战，。计划和计划，源自于高水平制造组织的时间和计划，在工厂里几分钟之内就不起作用了。
研究一个创新的方法来解决这些关注问题，研究人员已经提出并发展分布式制造系统。在分布式系统中，智能产品和零部件自驱动与智能制造生产资源合作。然而，目前的分布式制造系统渴望能够提前计划好时间防止出现一些常规控制的缺点。
研究已经深入到全能制造系统地址和上述问题。随着分布式设计的推进，全能制造系统开始将高度分散的产品驱动的制造控制在组合智能设备中共享。相比之下，全能系统支持灵活的层次结构，可以形成动态聚集。此外，一些全能系统由规划师组成并作为系统组件（即混合设计）。然而，全能系统和分布式系统之间的区别大多是和本文讨论的内容不相关，这方面也符合分布式的设计。
本文首先讨论了研究的其他调查分布式制造系统的研究成果。接下来，它提出了全能MES系统设计，全能MES系统设计是一个预测单元制造系统，通过MES维护分布式系统的优点能预测出目前所设想的结果。最后，提出了一些工业案例研究的成果。
2、相关工作
早期工作：Duffie首创分布式制造控制。在那些早期的计算机网络中，产品零件通过制造系统路由自己不用太多规划或协调就能在工作站中进行处理，有点类似汽车交通运行的方式。
Duffie设计的关键优势是大量减少了系统中软件组件的曝光，那些自我管理的部分和加工站避免依赖自己范围之外的假设。软件在处理产品零件时，对配置在工厂的生产资源不作任何假设。更常规的方法普遍建立在不符合工厂条件现状的假设之下。早期设计的任何强化都应该保护这个系统架构模块曝光的重要属性。
市场/谈判为基础的生产控制系统构建模块的曝光。早期的工作在过去被批评是因为不能提供性能上的保证（像汽车交通）；Duffie最近的工作就是要解决这一问题。此外，更常规的可预测性设计现在也是一种被普遍接受的错误观念（弱化批评）。为了弥补这种在重点性能上的缺乏，研究人员已经开发出了更精心的设计，这些设计一般都是以市场机制和协商协议为基础的。
林和索伯格补充了市场机制，使有效生产能力能够得到更加优化的分配。AARIA 是一个综合框架，该框架是使用P协议谈判和定价，以便沿生产线分配生产能力。全能制造系统也已经包含了市场机制。 布斯曼还使用协商协议将工作件分配给工作站，但使用队列长度，缓冲空间和过程可用性取代了价格。另一种系统在现有的汽车工厂内执行。通常情况下所有这些系统使用的协议都是由众所周知的合同网协议演变而来的。
这些增强通常保持配置早期设计的能力，但性能提高增加的不是很多。价格（或者其它可以作为价格的东西）是无法捕捉到所有相关信息的，导致在条件不断变化时要对控制参数进行不断的调整。更重要的是，谈判协议不容易及时向前扩展，只有在当前的处理步骤将要完成时才会为分配下一个处理步骤提供服务。最后期限ES（超时）的使用使得协议变得沉重而缓慢。处理频繁取消的并发症，需要提前计划，才能彻底杜绝。
讨论：总体而言，这些制造系统的类型设计是有限的,这样更便于他们有效的管理。通常情况下，他们通过一个具有相互等价处理站和支持灵活的路由的工厂来管理单一部件的移动。基本上，这些都是近乎可以接近最优决策的系统。本文依然是在介绍一种预测分布式设计，保留早期系统有限暴光的特性。
3、预测全能制造
本节讨论预测系统。通过讨论预测协调机制介绍了嵌入式分布式系统。
3.1、全能制造控制
制造控制系统采用标准的分布式设计方法，这种方法可以使得制造系统中的每一个相关的实体都能在控制系统软件得以体现。例如，机器和产品部件在控制系统中都有相应的计算代理。分布式子系统实现了PROSA的参考架构。沿着这一架构设计的系统包括三种类型的基本代理：订单代理，产品代理和资源代理。这些基本的代理制定了使用面向对象的概念，如聚合和专业化。就像在人类组织中一样，可以使用可选的工作人员用专业知识来增加协调管理（如调度）。
这个参考架构推广了标准的分布式架构，而标准分布式架构又是依据在制造系统中反映更抽象的概念来设计的。特别的，订单代理反映的任务，不一定对应于制造系统中一个特定的产品的一部分（例如，订单代理处理的预防性维护）。
PROSA也关注分离技术和物流问题。产品代理对应于产品类型，而订货代理对应于产品实例。充分讨论PROSA及其优点超出了本文的范围。读者参考[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]以了解更详细的资料和深入的讨论。
协同机制的基础设施：基本PROSA设计已经扩展到支持协同机制。格拉斯介绍了这个词并用它来描述社会性昆虫是如何利用环境中的符号代替直接沟通来协调活动的。在商店陈列的商品的价格标签就是一个例子；道路标志是协同机制的另一个例子。
支持协同机制，信息空间是附属于基本的PROSA代理。在目前的情况下，只有信息空间与资源代理相关相关。任何代理熟悉资源代理的代理人，都能够在其附加信息空间上放置、检索和修改软件对象，有点类似于使用剪贴板附加到病床的的医务人员。资源代理对其他代理的信息空间没有明确的控制或责任。任何软件对象及其相关的检索键都可以放置在面板上。请注意，这是从任何软件维护要求，从它的访问者（有限的接触）等方面来保护资源代理。
这些面板上的信息寿命都是有限的。当信息存在了他的给定年龄时，它就被丢弃。如果他们想保持可用的空间给其他代理商观察信息空间，那他们必须尽快刷新这些板上的信息，这是一个通用的处理变化的机制：当它过时了，任何不陈旧的信息都会消失。信息被刷新的频率和它的生命周期上的上限决定了系统将以多快的速度观察变化。因此，系统设计人员在作出沟通和计算等努力后，已经解决了这种延迟的问题。
蚂蚁代理：从历史上看，全能MES的设计源于自然的灵感。更具体地说，通过蚂蚁觅食的协同机制迸发出的设计步骤，于是诞生了当前的序列设计。然而，这样的设计已经有了明显的变化，目前，随着社会昆虫类比混淆，已经不能有助于讨论了。尽管如此，这个术语仍然反映了灵感的来源。在一个蚁群，其环境中的蚂蚁沉积的信息（信息素）可以通知其他蚂蚁远处的事情（如何找到食物）。PROSA创建了类似用途的代理（即全系统的协调；见下文）。这些代理在本文的其余部分被称为蚂蚁代理或简单蚂蚁。
在当前的设计中，蚂蚁代理连接到他们当前的位置的资源代理。蚂蚁代理能查询他们的资源代理和与其相连的附近的资源代理，通过制造系统几乎就可以做到，更准确地通过网络的资源代理反映制造系统。蚂蚁代理获得了他们的初始创建位置。蚂蚁代理通常起源于基本PROSA代理，并对PROSA代理执行信息检索和传播工作。蚂蚁代理被创建在给定的速率，其他的则在信息空间中刷新那些尚未过期的信息。3.2节将要讨论两种具有MES预测的蚂蚁代理。首先，可行性蚂蚁，另一种类型的蚂蚁代理。
可行性的蚂蚁构成在分布式MES第一蚂蚁代理的类型。可行性蚂蚁把路标放在信息空间上，使订单代理可以选择本地路由选项供他们使用。当蚂蚁收集资源处理能力的信息时，他们已经开始在工厂的出入口遍历网络的资源代理。在机会路由中，此信息是本地信息空间中可用信息合并得来的。此活动是在一个固定的频率下进行的，这样的变化成为整个系统中可见的一个小的延迟（例如10秒）。在[ 14 ]中给出了更详细的论述。
3.2 分布式全能制造控制
本节论述分布式制造控制系统如何能在不久的将来体现价值。订单代理，资源代理和他们的蚂蚁代理从短期预测中执行一个编排。
探究蚂蚁：订单代理是在一个寻找所有可能解决方案的普通的频率蚂蚁代理基础上创建的。一个探索中的蚂蚁，当他通过工厂的旅行时，产生一个可行的解决方案，并使资源代理执行几乎所需的处理步骤。蚂蚁是在它的订单代理的位置创建的。它查询正在进行的活动的相关资源代理。例如，命令是在传送带上排队，当命令到达传送带末端时，传送带代理报告估计的时间。蚂蚁移动到传送带的末端，并将它的虚拟时钟向这个估计的时间发展。在传送带末端，探索蚂蚁检索路标，蚂蚁放置的可行性，并将其提供给相关的产品代理以了解可用的路由选择。探索蚂蚁选择一个可用的选项，并继续其虚拟之旅（参见图1）。当探索蚂蚁到达处理单元时，它会从资源代理中检索处理能力，并将它们呈现给产品代理，以发现可以执行哪些处理步骤。此外，路标信息被用来决定是否离开处理单元已经是一个选项了。另外，蚂蚁代理选择并实际上执行一个可供选择的选项。
探索蚂蚁的选择机制是MES的一个插件，它是一个软件组件，是MES的核心的外部（即不属于研究贡献的一部分）。这部分的控制系统很可能是系统特定的，并会定期维护。还要注意精心设计的订单代理无疑将产生各种选择机制（蚂蚁探索冒险，自信，遵循计划）。同时，探索代理可以使用协同机制基础设施来协调彼此之间的探索以及资源的代理。
更重要的是，探索蚂蚁要依靠资源代理提供的对运输和处理步骤的持续时间的合理估计。为此，资源代理有一个保留部门，用于回答能力可用性的查询。请注意，资源代理主要需要自觉向潜在游客提供预订服务。任何自我资源调度的决策必须是插件。然而，在对未来的使用没有一个明智的估计时，这个保留部门并不能正确地回答查询，它需要未来的游客预订（预约）。意图蚂蚁将执行此任务。
意图蚂蚁：当一个正在探索的蚂蚁找到一个解决方案时，它将返回到订单代理。此订单代理对这种解决方案的性能进行评估（如订单排名解决方案，则根据其整理时间进行评估）。再者，这个评价机制是一个插件，在单一系统中的代理商无疑将使用多种机制（为紧急订单，正常订单，维修订单）。每一个订单代理都会保持一个有吸引力的解决方案的小集合。这个集合是基于解决方案的性能和互补性选择。探索中的蚂蚁会定期刷新这些候选解决方案。
某个特定的时刻，再次选择插件，以代理选择成为其意向的最有吸引力的解决方案，并开始在一个固定的频率创造意图（参见图2）蚂蚁。意图蚂蚁与探索蚂蚁的行为方式除了两个方面不同之外其他都一样。首先，选择机制是遵循顺序的意图。当意图蚂蚁报告回来，订单代理观察到的系统任何变化的后果（如机器故障）。其次，蚂蚁通知资源代理的顺序意图的旅程。也就是说，它对资源的容量有要求。反过来，资源代理获得必要的信息来计算他们短期预测的利用率。这使资源代理通过探索和意图蚂蚁的查询，给出准确的答案。重要的是，预订必须定期更新，否则的话，保留被丢弃，还会被其他用户使用。
本文结合探索蚂蚁和意图蚂蚁提供的订单代理和资源代理的短期预测，使预测递阶控制。这种编排可以确保代理有限的曝光（做最小的假设），维护分布式设计的优点。在规划为基础的系统中没有曝光典型就得到这些预测，是本文研究的核心贡献。
社会可接受行为：如果订单代理充分坚持宣布意向代理，那么上述的相互作用能够产生唯一一个可靠的预测。为了确保这一点，MES在其代理的社会成员中推行可接受社会行为。更具体地说，订单代理只能在一个受控的方式下改变意图。
首先,如果认为改善是显著的,则代理只改变他们的意图,。此外，这种对阈值感知的改善使意图与未来更直接的相关了。这与人类在会议、工作等方面坚守自己的承诺类似。
第二，订单代理改变他们的意图概率。例如，当一台机器发生故障时，所有受影响的订单代理商都想换一台机器。然而，这些代理将在下一个刷新周期时，只会改变一些概率。作为结果，只有一小部分有选择的改变。随着更多的刷新周期过去，在替代机器前面积聚的队列变得可见，并在一段时间后，订单代理检测，等待修复已成为他们的最佳选择。这种机制防止中断造成踩踏事件。
与规划系统合作：当系统享受一个良好的规划系统的存在时[ 15 ]，订单代理试图以三种方式执行计划。首先，探索代理的一个重要部分将简单的探讨方案的计划。其次，坚持计划是绩效评估标准的一部分，如果有一个显著的好处，订单将只会偏离计划的一部分。三，订单代理认为，该计划是其初衷，通过上述的社会可以接受的行为，触发抵抗偏离计划。
相反，全能制造执行系统（ME
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