劉明周　吳　坤　馬　靖　王　強(qiáng)　凌　琳

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

一種制造物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理方法

劉明周吳坤馬靖王強(qiáng)凌琳

合肥工業(yè)大學(xué),合肥,230009

針對傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品裝配過程的信息交互性差、裝配實(shí)時(shí)信息監(jiān)控困難等問題,提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建物物互聯(lián)的感知裝配環(huán)境和裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)裝配過程實(shí)時(shí)信息感知、傳輸和增值的目的。同時(shí)，結(jié)合Multi-Agent技術(shù)和KQML協(xié)議建立了具有開放性和可擴(kuò)展性的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)裝配過程數(shù)字化、可視化、一體化管控,以某皮卡廠的焊裝車間為例,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性。

制造物聯(lián)網(wǎng)；多智能體；裝配過程；運(yùn)行管理

0　引言

裝配是機(jī)械產(chǎn)品制造過程中的最后一個(gè)生產(chǎn)階段，具有工藝過程復(fù)雜、資源種類繁多等特點(diǎn)。復(fù)雜多變的市場環(huán)境和個(gè)性化多樣化的客戶需求促使裝配企業(yè)尋求更低的成本、更高的質(zhì)量以及更快的交貨速度來提高競爭力。由于缺乏裝配現(xiàn)場的實(shí)時(shí)精確信息，傳統(tǒng)的裝配過程猶如“黑箱作業(yè)”，管理人員難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過程的問題，生產(chǎn)效率有待提高；且由于缺乏實(shí)時(shí)的、可視化的在制品跟蹤，傳統(tǒng)的裝配企業(yè)需要維持較高的在制品庫存。因此,實(shí)時(shí)裝配過程運(yùn)行管理對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)競爭力有重要意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念在制造領(lǐng)域的滲透，制造企業(yè)的研制過程已由傳統(tǒng)的“黑箱”模式向“多維度、透明化泛在感知”[1]模式發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)的信息感知與網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)為裝配過程復(fù)雜制造信息的實(shí)時(shí)獲取與傳遞提供了有力的支撐。制造物聯(lián)網(wǎng)利用傳感器、射頻識別(RFID)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控和交互的制造資源或制造過程的信息，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，達(dá)到對制造資源和制造過程的智能化感知、識別與管理。姚錫凡等[2]通過分析制造業(yè)發(fā)展的方向,指出制造物聯(lián)網(wǎng)是推動制造業(yè)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)智能制造的技術(shù)之一，當(dāng)前仍處于發(fā)展的早期階段，主要是為了整合車間工廠和企業(yè)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地協(xié)調(diào)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高企業(yè)整體效率;Bi等[3]也指出,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)制造資源和制造過程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù),對企業(yè)管理的快速準(zhǔn)確決策具有十分重要的意義。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于裝配過程運(yùn)行管理,構(gòu)建“物物互聯(lián)，感知裝配”環(huán)境下具有自適應(yīng)能力的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程管控平臺，實(shí)現(xiàn)裝配活動中所需的包括物料、設(shè)備、人員在內(nèi)的所有裝配資源的智能化識別、實(shí)時(shí)跟蹤和一體化管控，可提升裝配過程管理與控制水平，從而改善生產(chǎn)組織、縮短生產(chǎn)周期、減少在制品數(shù)量，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和降低人力資源消耗，提高企業(yè)核心競爭力。目前，物聯(lián)網(wǎng)的部分技術(shù)已被一些學(xué)者應(yīng)用于生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理的體系研究和實(shí)踐中。劉衛(wèi)寧等[4]研究了基于射頻識別的離散制造業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；景熠等[5]將物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)應(yīng)用于變速器裝配線以實(shí)現(xiàn)裝配過程質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯；張映鋒等[6]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系構(gòu)架，包括制造資源物物互感、制造過程多源信息的主動感知與增值等技術(shù)。

鑒于機(jī)械產(chǎn)品裝配過程具有工藝復(fù)雜、異構(gòu)裝配資源繁多等特點(diǎn)，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品裝配過程物物互感的感知裝配環(huán)境，提出對裝配資源進(jìn)行監(jiān)控與管理的裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)；在此基礎(chǔ)上結(jié)合Multi-Agent技術(shù)和KQML(knowledge query manipulation language)協(xié)議構(gòu)建裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品裝配過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理,使裝配過程透明化,以提高裝配效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1　機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)

裝配資源具備互聯(lián)感知與交互能力是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配系統(tǒng)的重要特征。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，對傳統(tǒng)的裝配資源(如人員、物料、設(shè)備、工具等)配置各種信息感知元，使得裝配資源能夠主動感知周圍裝配環(huán)境的變化，或被動地由其他裝配資源感知，形成感知裝配資源。根據(jù)裝配資源配置的感知元的不同,可感知裝配資源可分為主動感知裝配資源(如配備位移傳感器、扭矩傳感器等的檢測設(shè)備、輸送設(shè)備等)和被動感知裝配資源(如配備RFID 電子標(biāo)簽的操作工、裝配對象、裝配物料和托盤等)?？筛兄b配資源通過由工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線及其他網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)構(gòu)成的物物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互連接，構(gòu)成感知裝配環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下機(jī)械產(chǎn)品裝配系統(tǒng)的典型硬件環(huán)境如圖1所示，主要分為三層：裝配執(zhí)行層是配備了各種感知元的加工設(shè)備與測試設(shè)備、RFID網(wǎng)關(guān)、報(bào)警燈、按鈕、拉桿、手持式掃描終端、工控機(jī)等裝配過程感知和執(zhí)行單元，各單元之間通過工業(yè)以太網(wǎng)、DP總線、串口總線等網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與交互；裝配過程管理層主要是打印設(shè)備、裝配過程可視化終端、信息發(fā)布LED屏和車間裝配過程管理工作站等，負(fù)責(zé)裝配指令的下發(fā)、裝配過程監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理層與車間現(xiàn)場信息流的流通與裝配過程可視化管控；應(yīng)用層主要提供服務(wù)器集群以及與企業(yè)其他異構(gòu)信息系統(tǒng)(ERP、SCM、CAPP等)的接口和Web服務(wù)接口等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息系統(tǒng)的集成和裝配過程遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品裝配硬件環(huán)境

針對裝配過程中裝配資源信息交互的特點(diǎn)，為了有效地實(shí)現(xiàn)裝配過程監(jiān)控與管理，使用面向?qū)ο蟮乃枷雽Ω兄b配資源的屬性和行為進(jìn)行封裝描述，將感知裝配資源抽象映射為感知裝配資源對象，通過異構(gòu)感知裝配資源對象群管理器和交互規(guī)則知識庫對感知裝配資源對象進(jìn)行組態(tài)與建模,從而智能選擇感知信息的感知方式、融合模型與處理方式，最終通過物物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境向匯聚節(jié)點(diǎn)反映多類型多態(tài)異構(gòu)裝配資源的運(yùn)行狀態(tài)和感知數(shù)據(jù)。裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)如圖2所示，分為物理感知層、網(wǎng)絡(luò)層、對象映射層、數(shù)據(jù)融合層和應(yīng)用層。

圖2　機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)

(1)物理感知層。對傳統(tǒng)的裝配資源配置感知元，如RIFD電子標(biāo)簽、一維/二維碼、接近開關(guān)、傳感器等，形成感知裝配資源，如帶有RFID電子標(biāo)簽的員工、物料、托盤以及配有RFID讀寫器的檢測設(shè)備、輸送設(shè)備等。

(2)網(wǎng)絡(luò)層?；谟芯€和無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建感知裝配資源之間的信息交互的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境，實(shí)現(xiàn)裝配資源的互聯(lián)感知，為數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)精確傳輸提供可靠的保證。物理感知層與網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成機(jī)械產(chǎn)品的感知裝配環(huán)境。

(3)對象映射層。采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想將感知裝配資源封裝映射為感知裝配資源對象，其中,感知裝配資源的數(shù)據(jù)感知能力封裝為感知裝配資源對象的數(shù)據(jù)感知服務(wù)，通過異構(gòu)感知裝配資源對象群管理器維護(hù)各感知裝配資源對象的基本信息和感知裝配資源對象之間的數(shù)據(jù)交互規(guī)則。

(4)數(shù)據(jù)融合層。針對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、特征分析和數(shù)據(jù)路由，并根據(jù)數(shù)據(jù)路由類型智能地選擇數(shù)據(jù)清洗方式和數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行綜合處理以獲取確定性信息，將實(shí)時(shí)感知的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行信息匯聚、存儲。

(5)應(yīng)用層。根據(jù)裝配過程運(yùn)行管理的需要，對存儲的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行增值處理，構(gòu)建裝配過程實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理模塊，如裝配過程可視化監(jiān)控、在制品跟蹤、設(shè)備監(jiān)控、物料配送管理、生產(chǎn)調(diào)度管理、ANDON管理、裝配質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控診斷等，以及與企業(yè)其他信息管理系統(tǒng)的接口。

2　機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)

根據(jù)上述物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu),構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：從企業(yè)上層管理系統(tǒng)(如ERP)下發(fā)主生產(chǎn)計(jì)劃開始，直到所需的在制品或成品生產(chǎn)完成，對裝配資源和裝配過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)裝配過程透明化管理。

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品裝配過程呈現(xiàn)出數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化和柔性化等特征,對裝配過程監(jiān)控與管理提出了新的挑戰(zhàn)。Agent技術(shù)[7-9]借鑒了計(jì)算機(jī)科學(xué)、社會學(xué)、組織學(xué)等多個(gè)學(xué)科的思想與科技成果，具有對現(xiàn)實(shí)應(yīng)用要求的廣泛適應(yīng)性、設(shè)計(jì)的簡單性和良好的系統(tǒng)性。利用Agent具有的自處理、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，構(gòu)建基于Agent技術(shù)的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)，使得系統(tǒng)具有更高的智能性。

在現(xiàn)代制造領(lǐng)域里，Agent可理解為一個(gè)具有一定智能行為、自主能力和學(xué)習(xí)能力的信息處理單元或物理實(shí)體，能夠通過感知周圍環(huán)境的變化或接收來自其他Agent的消息，根據(jù)自身所具有的資源、狀態(tài)、行為能力以及知識和知識規(guī)則等，通過內(nèi)部的推理、運(yùn)算、組織、規(guī)劃和決策實(shí)現(xiàn)對問題的求解，對外部環(huán)境作出正確的響應(yīng)，自主完成一定的任務(wù)并達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。Multi-Agent系統(tǒng)[10]是多個(gè)Agent的集合，每個(gè)Agent擁有不同領(lǐng)域和不同程度的任務(wù)處理能力，Agent之間相互通信、協(xié)商和協(xié)作,能完成單個(gè)Agent無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。

基于Multi-Agent技術(shù),將裝配過程運(yùn)行管理過程拆分為功能不同的裝配過程運(yùn)行管理Agent(assembly process operation management agent,APOM-Agent),建立各Agent的本體模型,在一定抽象層次上描述Agent組織結(jié)構(gòu)、知識構(gòu)成與運(yùn)行機(jī)制，并采用OWL(Web ontology language)語言對其進(jìn)行描述；采用KQML建立基于本體的Agent通信機(jī)制，構(gòu)建由低耦合、異構(gòu)異質(zhì)模塊集成的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)。

2.1基于本體的裝配過程運(yùn)行管理Agent元模型和通信機(jī)制

本體論[11]為明確描述特定問題域中的應(yīng)用模型提供了通用詞匯表，為知識獲取、表示和處理提供了輔助機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成，同時(shí)具有良好的擴(kuò)展機(jī)制。建立裝配過程運(yùn)行管理Agent的本體，用以實(shí)現(xiàn)制造過程運(yùn)行管理任務(wù)與服務(wù)的語義描述及服務(wù)匹配，從而為裝配過程運(yùn)行管理建模和分析提供元模型，是構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

裝配過程運(yùn)行管理Agent是機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理中的服務(wù)和任務(wù)的集合體,它可形式化表達(dá)為一個(gè)多元組：

AM=(AgentInfo,AgentStatus,AgentProperties,AgentServices,AgentTasks)

其中,AgentInfo表示Agent的基本信息，包括AgentType(Agent所屬類別)、AgentName(Agent名稱)、AgentId(Agent標(biāo)識ID),即AgentInfo=(AgentType,AgentName,AgentId)；AgentStatus表示Agent的狀態(tài),AgentStatus∈{占用,可用,空閑,故障,退出,…}；AgentProperties表示Agent的屬性集合,是一個(gè)AgentProperty數(shù)組。每個(gè)Agent屬性由AgentPropertyType(Agent屬性類型)、AgentPropertyName(Agent屬性名稱)、AgentPropertyValue(Agent屬性值)構(gòu)成，即AgentProperty=(AgentPropertyType,AgentPropertyName,AgentPropertyValue)；AgentServices表示Agent所提供的功能服務(wù)集合，每一個(gè)AgentService包括前置輸入信息、操作集合和服務(wù)效果，即AgentService=(AgentServiceInput,AgentServiceOperations,AgentServiceOutput);AgentTasks表示Agent收到的各種任務(wù)列表信息，包括任務(wù)基本信息、任務(wù)優(yōu)先級、輸入信息,即AgentTask=(AgentTaskInfo,AgentTaskPriority,AgentTaskInput)。

Agent之間良好的通信機(jī)制是Multi-Agent系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提保證,為此需要建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問與通信機(jī)制。Agent通信中廣泛使用的通信語言是KQML,其思想建立在言語行為理論上,獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制、內(nèi)容語言和內(nèi)容實(shí)體。KQML的內(nèi)容語言有多種,如KIL、XML、RDF、OWL等，其中OWL[12]是W3C(world wide web consortium)組織推薦的國際通用的標(biāo)準(zhǔn)本體描述語言。OWL以XML/RDF等為基礎(chǔ)，定義了基于邏輯描述的語義原語來描述和構(gòu)建本體，具有可判定推理能力和較強(qiáng)的語義表達(dá)能力。因此，選用OWL作為KQML的內(nèi)容語言。Agent之間的底層物理通信是利用TCP/IP和UDP Socket等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的?；贙QML的Agent通信消息結(jié)構(gòu)如下：

(performative//消息名稱

:sender//消息發(fā)送者

:receiver//消息接收者

:reply-with//消息發(fā)送者期望的回執(zhí)標(biāo)簽

:in-reply-to//回執(zhí)標(biāo)簽

:language//消息內(nèi)容的表示語言名稱

:ontology//消息內(nèi)容使用的本體名稱

:content//消息內(nèi)容

)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求及KQML規(guī)范擴(kuò)展Agent間的通信原語，包括Agent之間傳遞消息的標(biāo)準(zhǔn)語法和通信動作等，以實(shí)現(xiàn)Agent之間的富語義交互。擴(kuò)充的通信原語主要有:inquire,即由發(fā)送Agent向接收Agent發(fā)送一條消息,詢問有關(guān)其相關(guān)服務(wù)的可用情況;request,即由發(fā)送Agent向接收Agent發(fā)送一條請求消息;result,即由發(fā)送Agent向接收Agent發(fā)送某請求的結(jié)果消息;cancel,即由發(fā)送Agent向接收Agent發(fā)送一條取消請求消息;reject,即指示接收Agent拒絕回答該請求消息;error,即指示消息格式不正確;sorry,即指示接收Agent能夠理解消息內(nèi)容,但是無法提供具體回答。

2.2基于Multi-Agent技術(shù)的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)功能模型

基于機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu),結(jié)合裝配過程運(yùn)行管理Agent的本體模型和基于擴(kuò)展KQML語言的通信機(jī)制,構(gòu)建裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)。將物理感知層的感知裝配資源映射為單元設(shè)備Agent、服務(wù)資源Agent、裝配對象Agent，基于中間件技術(shù)構(gòu)建RFID讀寫Agent和設(shè)備接口Agent,實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)硬件環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集與交互； 通過工作站和車間各類Agent之間的協(xié)作實(shí)現(xiàn)對裝配實(shí)時(shí)信息進(jìn)行不同層面的篩選、融合以及信息流在裝配現(xiàn)場、車間管理層、企業(yè)管理層之間的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)裝配過程監(jiān)控與管理； Agent管理器作為Agent交互規(guī)則知識庫，統(tǒng)一負(fù)責(zé)對所有Agent的注冊與管理。

該系統(tǒng)的主要功能模型如圖3所示，主要分為應(yīng)用層、車間管理層、工作站管理層、設(shè)備接口層。應(yīng)用層通過Web Service實(shí)現(xiàn)與企業(yè)其他異構(gòu)信息系統(tǒng)(如ERP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的無縫集成，獲取主生產(chǎn)計(jì)劃、裝配參數(shù)、裝配工藝要求、在線作業(yè)指導(dǎo)文件等信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)向管理人員提供裝配過程的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理與報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。車間管理層銜接應(yīng)用層與工作站管理層，對上層的主生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化分析和排程，生成詳細(xì)的裝配工單，并將裝配工單和裝配參數(shù)、裝配工藝要求等發(fā)布至工作站，主要實(shí)現(xiàn)車間裝配過程的可視化監(jiān)控、ANDON呼叫管理、物料配送管理等。工作站管理層根據(jù)車間管理層下發(fā)的生產(chǎn)指令，通過設(shè)備接口層與工作站內(nèi)的輸送設(shè)備、機(jī)器人等進(jìn)行通信，完成裝配活動，同時(shí)實(shí)時(shí)感知裝配過程信息、物料呼叫信息等并反饋至車間管理層。

圖3　Multi-Agent裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)功能模型

在裝配活動執(zhí)行方面,首先裝配計(jì)劃Agent從上層系統(tǒng)獲取生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行分解與排程，生成詳細(xì)的裝配工單；車間管理Agent根據(jù)裝配工單向各工作站Agent下達(dá)裝配任務(wù)和裝配參數(shù)等要求以及來自上層管理人員的特殊裝配指令等；工作站控制Agent是半自動化的、面向服務(wù)的Agent，接收到裝配任務(wù)和裝配要求后，通過設(shè)備接口Agent協(xié)調(diào)單元設(shè)備Agent完成裝配活動；單元設(shè)備通過RFID讀寫Agent感知并識別服務(wù)資源Agent和裝配對象Agent，依據(jù)預(yù)定的內(nèi)部邏輯或工作站控制Agent下發(fā)的裝配參數(shù)等完成目標(biāo)裝配活動，并將裝配過程檢測參數(shù)以及裝配是否合格等信息通過RFID讀寫Agent寫入裝配對象Agent的電子標(biāo)簽中。

在裝配過程監(jiān)控方面，工作站監(jiān)控Agent通過設(shè)備接口Agent與RFID讀寫Agent實(shí)時(shí)獲取單元設(shè)備Agent、服務(wù)資源Agent和裝配對象Agent的裝配過程信息，如正在裝配的在制品信息、工作站物料信息、員工信息、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)與報(bào)警信息等，在工作站監(jiān)控中心的可視化界面上展示出來，并將裝配過程信息同步至車間監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中；車間監(jiān)控Agent接收并顯示工作站監(jiān)控Agent、質(zhì)量ANDON Agent發(fā)送的裝配過程實(shí)時(shí)信息與異常事件報(bào)警。

在物料配送方面，物料配送Agent根據(jù)知識庫中配置每種物料的配送單位、最大配送數(shù)量、工作站最大庫存等信息，按配送需求計(jì)算配送數(shù)量，組織配送，對物料的出入庫信息進(jìn)行管理；工作站的物料拉動Agent根據(jù)裝配過程實(shí)時(shí)計(jì)算剩余物料的數(shù)量，當(dāng)剩余量低至工作站安全庫存時(shí)，主動向物料配送Agent發(fā)出配送物料的請求；員工也可以通過物料ANDON Agent向物料配送Agent發(fā)出特殊的物料配送請求。

在質(zhì)量管控方面，工作站的SPC Agent根據(jù)實(shí)時(shí)感知的裝配過程裝配結(jié)果繪制各類控制圖，如直方圖、均值極差控制圖、均值標(biāo)準(zhǔn)差控制圖、不合格率控制圖、不合格數(shù)控制圖、工序能力分析圖等，進(jìn)行在線裝配質(zhì)量監(jiān)測與診斷；員工也可以手動觸發(fā)質(zhì)量ANDON Agent的呼叫事件，及時(shí)向上層管理人員反饋裝配現(xiàn)場存在的或潛在的質(zhì)量問題。

物物互聯(lián)的感知裝配環(huán)境使得裝配過程全面主動感知和在線監(jiān)控成為可能，通過多源信息增值實(shí)現(xiàn)對裝配過程的全方位、主動監(jiān)控與管理，Multi-Agent技術(shù)使得裝配過程運(yùn)行管理模塊化，兩者相結(jié)合，構(gòu)建的裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)具有更好的自主性、智能性、開放性、可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性。

3　實(shí)例驗(yàn)證

基于上述思想，以某皮卡裝配廠的焊裝車間為背景，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐?NET平臺下開發(fā)了皮卡焊裝車間運(yùn)行管理系統(tǒng)的原型，以驗(yàn)證上述裝配過程運(yùn)行管理方法的可行性和有效性。

該焊裝車間配備了具有以太網(wǎng)接口的自動化設(shè)備、焊裝機(jī)器人、輸送機(jī)構(gòu)等，通過在關(guān)鍵工位配備RFID讀寫頭和工控機(jī)等，同時(shí)在車間現(xiàn)場配置LED/LCD可視化看板，則經(jīng)過組態(tài)后，可令該車間具備感知裝配的條件。

車身的焊裝流程主要如下：在發(fā)動機(jī)艙裝配線(ER線)上，員工操作手動焊槍完成發(fā)動機(jī)艙的拼裝，拼裝好的發(fā)動機(jī)艙由EMS吊裝到底部預(yù)裝線(UB線)，由焊接機(jī)器人自動識別車型并選取前后地板完成底部預(yù)裝，之后經(jīng)過主焊線(MB線)依次焊接后圍、車門、通風(fēng)蓋板、頂蓋等。在此過程中，員工需要根據(jù)發(fā)動機(jī)艙上線順序進(jìn)行前后地板、后圍、車門、通風(fēng)蓋板、頂蓋等組件的拉動式物料配送。之后經(jīng)過二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行人工補(bǔ)焊后，車身進(jìn)入調(diào)整線(MF線)進(jìn)行人工調(diào)整以及裝配發(fā)動機(jī)艙蓋、翼子板、尾門、貨廂等零部件，最后進(jìn)入白車身存儲區(qū)(WBS)緩存。

為了實(shí)現(xiàn)對車身焊裝過程的實(shí)施監(jiān)控與管理，構(gòu)建焊裝車間運(yùn)行管理系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)艙上線工位(ER010)實(shí)時(shí)下載生產(chǎn)計(jì)劃，并將車身信息與RFID電子標(biāo)簽綁定，計(jì)劃上線后發(fā)出物料配送請求，實(shí)現(xiàn)物料拉動；各工位的監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)到位車身的識別以及設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)與報(bào)警信息監(jiān)控；在車間通過可視化終端實(shí)時(shí)顯示物料需求信息、設(shè)備監(jiān)控信息以及車身隊(duì)列信息等。

采用上述OWL語言建立所有Agent元模型的本體描述，在擴(kuò)展KQML原語的基礎(chǔ)上，采用KQML/OWL定義了Agent之間的通信消息模板，如GetPlan、ReadRFID、WriteRFID、MaterialAndonRequest等，以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃下載、RFID讀電子標(biāo)簽、RFID寫電子標(biāo)簽、物料ANDON請求等功能。以焊裝車間MB020地板上線合拼工位的工作站控制Agent向RFID讀寫Agent發(fā)送車身信息并寫入RFID標(biāo)簽這一消息為例，其消息描述部分內(nèi)容如下：

(WriteRFID_MB020//消息名稱：MB020工位RFID寫電子標(biāo)簽

:sender WorkCenterControlAgent_MB020

//消息發(fā)送者：MB020工位的工作站控制Agent

:receiver RfidOperateAgent_MB020

//消息接收者：MB020工位的RFID讀寫Agent

:language OWL//消息內(nèi)容的表示語言：OWL語言

:request WriteRFID

:content (//消息內(nèi)容：以O(shè)WL語言描述的消息內(nèi)容體

//引入本體

//聲明Vehicle實(shí)例，傳遞參數(shù)給消息接收Agent

…

…

)

)

圖4～圖7所示為焊裝車間運(yùn)行管理系統(tǒng)的部分界面。其中，圖4為ER010工作站裝配過程監(jiān)控與管理終端界面，該工作站為計(jì)劃上線點(diǎn)，負(fù)責(zé)從裝配計(jì)劃Agent下載實(shí)時(shí)的裝配計(jì)劃，人工確認(rèn)符合上線條件后，向RFID讀寫Agent發(fā)送請求RFID寫入車身信息動作，同時(shí)該終端負(fù)責(zé)接收該工作站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息。圖5和圖6為車間裝配資源監(jiān)控終端部分界面，主要顯示由工作站監(jiān)控Agent采集到的關(guān)鍵設(shè)備的連接狀態(tài)、實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息和設(shè)備正在處理的車身信息等。圖7為車間裝配過程可視化監(jiān)控總覽界面，利用可視化技術(shù)實(shí)時(shí)向管理人員展示裝配過程的實(shí)時(shí)狀況，如在制品裝配隊(duì)列、設(shè)備狀態(tài)、線邊物料信息、白車身存儲區(qū)(WBS)車身隊(duì)列等。

圖4　工作站裝配過程監(jiān)控與管理界面

圖5　車間裝配資源信息明細(xì)界面

圖6　車間裝配資源信息總覽界面

圖7　車間裝配過程可視化監(jiān)控界面

該系統(tǒng)的運(yùn)用使焊裝車間能夠自動及時(shí)地響應(yīng)上層的生產(chǎn)指令,同時(shí)管理人員能夠?qū)崟r(shí)地掌握焊裝車間的物料、在制品及設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài),提高企業(yè)管理水平以及決策的時(shí)效性，有效地改善焊裝車間的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4　總結(jié)

本文針對機(jī)械產(chǎn)品傳統(tǒng)裝配模式下信息交互性差、生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控困難等問題，利用制造物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了感知裝配環(huán)境以實(shí)現(xiàn)對裝配資源的智能識別與實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提出了機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理體系架構(gòu)，對裝配過程信息進(jìn)行感知與處理；結(jié)合Multi-Agent技術(shù)和KQML/OWL構(gòu)建了具有開放性、可擴(kuò)展性和可重構(gòu)性的機(jī)械產(chǎn)品裝配過程運(yùn)行管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對裝配過程的信息采集與數(shù)字化、可視化、一體化管控；最后，開發(fā)出原型系統(tǒng)，應(yīng)用于某皮卡廠焊裝車間，有效地提高了裝配過程的管理水平，其管理思想可為制造企業(yè)信息化建設(shè)提供參考和支持。

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(編輯蘇衛(wèi)國 )

A Assembly Process Operation Management Method of Mechanical Products Based on Internet of Manufacturing Things

Liu MingzhouWu KunMa JingWang QiangLing Lin

Hefei University of Technology,Hefei,230009

To solve the traditional mechanical product assembly process problems such as poor information interactivity and difficulty in assembly real-time information monitoring,this paper established the sensible assembly environment based on the IoMT,and proposed the assembly process operation management system structure to achieve the acquisition,communication and value-added for the assembly process real-time information.Then combining with multi-Agent and KQML technology, an open and extensible operation management system of assembly process was developed, to implement the digitalization, visualization, and integration control on the assembly process.Finally,the proposed system was applied in a pickup truck’s welding workshop to verify the feasibility and effectiveness of the system.

Internet of manufacturing things (IoMT);multi-Agent;assembly process;operation management

2014-11-25

TH186DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.010

劉明周,男,1968年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橹圃爝^程監(jiān)測與控制、制造系統(tǒng)建模與仿真和CIMS等。吳坤(通信作者),男,1991年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。馬靖，男，1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。王強(qiáng),男,1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院博士研究生。凌琳，女，1987年生。合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院講師。