CN106527372B - 面向智能制造的车间调度智能体组 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多智能体系统技术领域，特别涉及一种面向智能制造的车间调度智能体组。旨在解决现有多智能体系统结构单一，无法发挥多智能体分布式的优势的问题。为此目的，本发明的车间调度智能体组包括：总管智能体，其配置为能够接收生产计划信息，以及接收分管智能体上传的数据，从而实时监控车间的生产过程；分管智能体，其配置为能够接收总管智能体下放的生产任务，以及接收基本智能体上传的实时生产信息数据；基本智能体，其配置为能够接收并执行分管智能体发送的任务指令。在本发明的技术方案中，通过将生产任务分配给智能体组中的不同角色，通过各智能体相互协调配合完成生产任务，有利于提高生产效率，降低人力成本。
Description
技术领域
本发明属于多智能体系统技术领域，特别涉及一种面向智能制造的车间调度智能体组。
背景技术
制造业是国民经济的重要支柱产业，是国家综合国力的重要体现。2015年5月国务院出台制造强国中长期发展战略规划“中国制造2025”，加强“两化”融合，推进智能制造，智能化已经成为制造业新的发展趋势。车间调度是实现生产高效率、高柔性的关键，生产车间要求在设备自身智能化的基础上摆脱“信息孤岛”，生产数据能够在产品整个生命周期串通，成为智能化车间。
智能体是具有自适应性、学习能力、与环境和其他智能体进行交互的能力的个体，通过适当的结构将智能体组织起来就得到多智能体系统。多智能体系统中的每个智能体扮演着不同的角色，相互协调，相互配合以完成复杂的任务，同时不断收集环境信息，利用其学习能力扩充知识库，更新旧知识，提高适应环境的能力。
目前，在很多实际项目以及辅助车间生产和调度的研究中已经引入了多智能体系统，但大部分研究只关注调度方案的生成，而忽略了生产情况的检查、信息记录以及与物流系统之间的协调，使得多智能体系统结构比较单一，无法发挥多智能体分布式的优势。因此，本领域需要一种面向智能制造的车间调度智能体组来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有多智能体系统结构单一，无法发挥多智能体分布式的优势的问题，本发明提供了一种面向智能制造的车间调度智能体组。该车间调度智能体组包括该车间调度智能组包括总管智能体、分管智能体和基本智能体。
所述总管智能体，配置为能够接收生产计划信息，并下放生产任务给所述分管智能体，以及接收所述分管智能体上传的数据，从而实时监控车间的生产过程。
所述分管智能体，配置为能够接收所述总管智能体下放的生产任务，并下放任务指令给所述基本智能体，以及接收所述基本智能体上传的实时生产信息数据，并上传至所述总管智能体。
所述基本智能体，配置为能够接收并执行所述分管智能体发送的任务指令，以及获取车间内实时生产信息数据并上传到所述分管智能体。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述总管智能体包括总控制器和显示设备，所述总控制器，用于对接收的生产计划信息进行处理以及下放生产任务给所述分管智能体，并对接收的各个分管智能体上传的数据进行分析汇总；所述显示设备，用于显示所述总控制器分析汇总的各个分管智能体上传的数据。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述分管智能体包括工控机、通信模块和射频识别模块，所述工控机能够接收所述总管智能体发送的任务信息，以及根据接收的任务信息生成调度方案；所述通信模块用于实现与所述基本智能体和所述工控机的通信；所述射频识别模块用于实现对电子标签的读写。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述通信模块包括第一主控单元、第一无线通信单元和存储单元，其中，所述第一主控单元采用微控制器；所述第一无线通信单元用于实现所述通信模块之间以及与所述基本智能体的通信；所述存储单元用于暂存所述基本智能体发送的数据。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述分管智能体还包括第一报警模块和显示模块，所述第一报警模块配置为根据所述工控机的信息，发出提示信息；所述显示模块用于显示车间的生产过程信息。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述基本智能体包括电源单元、第二主控单元、第二无线通信单元、第二报警模块和数据传输接口，所述第二主控单元采用微控制器；所述第二无线通信单元用于实现所述基本智能体之间以及与所述第一无线通信单元的通信；所述第二报警模块配置为根据所述第二主控单元的信息，发出提示信息；所述数据传输接口用于使所述基本智能体读取车间生产工具在生产过程中产生的数据。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述基本智能体还包括显示模块和输入模块，所述显示模块用于显示所述基本智能体接收到的任务信息；所述输入模块用于输入信息到所述基本智能体。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述基本智能体通过连接件固定在生产工具上。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，在车间的网络拓扑结构中，所述分管智能体作为区域无线网络的中心节点和路由器节点；所述基本智能体作为区域无线网络的终端节点。
在上述车间调度智能体组的优选实施方式中，所述工控机与所述中心节点能够进行通信，所述中心节点与多个路由器节点能够进行通信，每个路由器节点之间以及与每个路由器节点与多个终端节点能够进行通信，并且每个终端节点之间能够进行通信。
本发明的有益效果如下：
1)本发明提出的智能体组分为总管智能体、分管智能体和基本智能体，作用分别是车间总管、现场管理和实际运行，基本智能体包括现场的工件、设备和物流工具，通过智能体之间的协调实现工件的自主调度、状态监控和故障处理；
2)本发明在车间组建网状无线网络，中心节点和路由器节点作为分管智能体，终端节点作为基本智能体，实现数据采集、传输和处理，发挥多智能体并行处理的优势；
3)本发明通过智能体相互通信和拓展数据采集接口以及外加采集手段解决当前工厂普遍存在的信息封闭问题，有利于对传统自动化及半自动化车间进行智能化改造。
附图说明
图1是本发明的车间调度智能体组的整体结构示意图；
图2是本发明的车间调度智能体组中的分管智能体的结构示意图；
图3是本发明的车间调度智能体组中的基本智能体的结构示意图；
图4是本发明的用于固定基本智能体的弹簧固定柱的结构示意图；
图5是本发明的车间调度智能体组的一种网络拓扑结构。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的面向智能制造的车间调度智能体组通过智能体组之间的相互配合和自学习能力整合车间现场资源，从而实现生产计划的接收、下放、调度和实施的自动运行和处理，进一步提高车间的智能化。通过本发明的技术方案还能够实时检测生产过程可能发生的故障，摆脱“信息孤岛”，实现车间内工件、设备和物流工具的互联互通，合理获取和处理数据，实现产品全生命周期管理。
参照图1，图1是本发明的车间调度智能体组的整体结构示意图。如图1所示，该车间调度智能组包括总管智能体100、分管智能体200和基本智能体300。其中，总管智能体100配置为能够接收生产计划信息，并下放生产任务给所述分管智能体，以及接收分管智能体200上传的数据，从而实时监控车间的生产过程；分管智能体200配置为能够接收总管智能体100下放的生产任务，并下放任务指令给基本智能体300，以及接收基本智能体300上传的实时生产信息数据，并上传至总管智能体100；基本智能体300配置为能够接收并执行分管智能体200发送的任务指令以及获取车间内实时生产信息数据并上传到分管智能体200。
具体而言，总管智能体100具有车间智能体组的最高管理权限，管理所有的分管智能体200，每个分管智能体200控制其所负责区域对应的基本智能体300。
总管智能体100包括车间管理计算机和显示设备。车间管理计算机能够接收生产计划，并检查该生产计划是否可行，在生产计划可行的情形下，对生产计划进行分解并下放到分管智能体200。车间管理计算机还能够获取分管智能体200上传的生产过程信息(如生产进度信息、设备当前状态信息和报警信息等)，并进行分析汇总后更新显示设备，车间管理人员可以通过显示设备获取车间内的生产过程信息。需要指出的是，分管智能体200获得的原始信息(如温度、湿度等)可以直接进行处理，而不需要上传到总管智能体100。
参照图2，图2是本发明的车间调度智能体组中的分管智能体的结构示意图。如图2所示，分管智能体200包括工控机201、通信模块202和射频识别模块203。优选地，分管智能体200还包括第一报警模块204和显示模块205。
通信模块202用于实现与基本智能体300和工控机201的通信。具体地，通信模块202包括第一主控单元2021、第一无线通信单元2022和存储单元2023。其中，第一主控单元2021采用微控制器，在一个可能的实施方式中，该微控制器可以是德州仪器(TI)的CC2530无线微控制器，CC2530无线微控制器是可用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统解决方案，能够以极低的网络成本建立强大的网络节点。第一无线通信单元2022用于实现通信模块202之间以及与基本智能体300的通信，主要由ZigBee通信模块外加射频天线组成，在一个可能的实施方式中，第一无线通信单元2022采用CC2530自带的ZigBee模块以及相应2.4GHz射频天线。存储单元2023采用Flash存储器，用于暂存基本智能体发送的数据。
射频识别模块203用于实现对电子标签的读写，其包括射频识别读写器和射频识别电子标签。通常情况下，射频识别模块203只存在于原料输入和产品输出两个生产子车间的分管智能体200分支中，当原料输入时，射频识别模块203读取事先写在原料电子标签中的物料信息数据；产品输出时，射频识别模块203将经过测量的产品相关参数写入产品对应的电子标签。
以简化的普通电池生产厂商的电芯生产车间为例，在该电芯生产车间，生产输入的车间包括混料搅拌车间和涂布车间，在原料袋上和集电体卷上分别贴有RFID标签，位于这两个车间的分管智能体200分支读取原料类型、数量、品质等信息。生产输出车间在分容化成车间，该车间的分管智能体200将从原料到电芯整个生命周期的数据，包括原料批次、编号、电芯检测数据(电压、容量、内阻等)写入电子标签。
第一报警模块204主要包括报警灯(如三色报警灯)和声音警报器(如工业报警扬声器)。具体地，三色报警灯一般分为红色、绿色和黄色三种颜色。当分管智能体200收到故障报警信息时，红色报警灯亮起并闪烁；当生产过程运转正常时，绿色报警灯亮起；其他情况，例如生产设备闲置、管理人员下达暂停生产命令等，黄色报警灯亮起。
显示模块205用于显示车间的生产过程信息，如生产计划、生产进度、故障报警类型和具体位置等信息。显示模块205可以是面向车间工作人员的电子看板。
工控机201能够接收总管智能体100发送的任务信息，以及根据接收的任务信息生成调度方案。具体地，工控机201可以通过以太网或RS232传输接口与通信模块202进行数据交换，通过相应的协议控制其他上述模块(射频识别模块203、第一报警模块204和显示设备205)，进而实现生产任务获取、调度方案生成、数据库读写以及分析数据进行故障报警和预警。
工控机201还是分管智能体200的数据处理核心。连接车间局域网，可以访问数据库中的信息，直接接收总管智能体100发来的任务信息和控制命令，从调度系统中获取调度策略并下达，汇总通信模块202上传的数据并发送给总管智能体100，实时更新电子看板的显示内容，控制射频识别模块203读写电子标签，控制第一报警模块204进行声光报警，利用数据驱动的方法建立故障分类模型，对数据进行实时检测和分类，挖掘其潜在的故障和隐患。
基本智能体300配置为能够接收并执行分管智能体200发送的任务指令以及获取车间内实时生产信息数据并上传到分管智能体200。参照图3，图3是本发明的车间调度智能体组中的基本智能体的结构示意图。如图3所示，基本智能体300包括电源单元301、第二主控单元302、第二无线通信单元303、第二报警模块304和数据传输接口305。
电源单元电源模块301可以采用3.6V可充电锂离子电池。
第二主控单元302同样采用微控制器。在一个可能的实施方式中，该微控制器可以是德州仪器(TI)的CC2530无线微控制器，CC2530无线微控制器是可用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统解决方案，能够以极低的网络成本建立强大的网络节点。
第二无线通信单元303用于实现基本智能体300之间以及与第一无线通信单元2022的通信。第二无线通信单元303主要由ZigBee通信模块外加射频天线组成。在一个可能的实施方式中，第一无线通信单元2022采用CC2530自带的ZigBee模块以及相应2.4GHz射频天线。
第二报警模块304包含LED报警灯和蜂鸣器。
数据传输接口305用于使基本智能体300(基本智能体300内的第二主控单元302)与车间生产工具(主要包括工件、设备和物流工具等)进行数据传输以读取车间生产工具在生产过程中产生的数据。由于生产现场的设备和物流工具复杂多样，来源广泛，采用的通信标准不同，部分设备只提供显示界面，没有提供数据接口，需要通过不同的数据传输接口以及额外的数据采集手段获取生产过程中的数据。
在一个可能的实施方式中，车间生产工具提供USB接口，部分提供以太网接口，少数提供RS232接口，对应这三部分设备的基本智能体300分别添加USB接口、以太网接口和RS232接口和对应的通信协议，从而直接将生产工具内的数据读取出来。此外，在不提供任何接口，只有显示屏的情形下，无法通过数据接口直接将数据读取出来，此时，采用增加额外的数据采集手段，如获取PLC与生产工具之间的通信协议，进行数据变换，间接地从PLC中将数据取出。
在一个可能的实施方式中，当车间的物流主要依靠人工实现时，为了让人与其他基本智能体300相互通信，还可以在基本智能体300上拓展显示模块和输入模块，形成以基本智能体300为核心的手持设备用于工件物流操作。具体地，当工件需要移动到加工设备上进行加工时，工作人员通过手持设备的显示模块看到任务信息，进而按照要求将工件进行移动，操作完毕后通过输入模块录入信息，当物流操作出现问题(如移动位置错误或长时间未响应)时，对应加工设备和工件的基本智能体300通过对比信息和检查时间进行核查，上传报警信息并现场报警。
为了使每个基本智能体300与生产工具相对应，本实施例中通过连接件将基本智能体300固定在生产工具上。例如，可以通过弹簧固定柱和黏胶等固定方式，或者以夹持或吸附的方式实现基本智能体300在车间生产工具上的固定。下面对上述固定方式进行详细说明。
参照图4，图4是本发明的用于固定基本智能体的弹簧固定柱的结构示意图。如图4所示，该弹簧固定柱包括外壳401、内壳402、弹簧403、压板404和卡槽405。未使用情形下，压板404受弹簧403形变力的作用被压到与卡槽405下端对齐的位置。在使用时，将压板404向上抬起，把卡头放入卡槽中405并松开压板404，将卡头固定。其中，卡头形状为与该卡槽405相匹配的T型，其可以是基本智能体300的电路板的一部分，以方便直接将电路板卡到固定柱内。该弹簧固定柱根据所固定的工件承载物做拓展，可添加带螺纹的顶端等方便固定，在此不再详细说明。
胶粘和夹持的方式应用于表面平整及边缘明显的工件承载物，可将基本智能体300固定在其边缘、表面或内部。
吸附方式具体表现为磁性吸附，使用磁性吸盘实现，应用于铁磁性工件承载物上，吸盘的大小根据实际工件进行选取，上方直接与基本智能体300连接。
仍然以简化的普通电池生产厂商的电芯生产车间为例，基本智能体300通过胶粘方式固定在运料桶和经分切后的电极卷中心短轴上；通过夹子夹紧的方式固定在集电体(铜箔、铝箔)原料卷、涂布后电极卷的卷轴上和同一分切电极卷经过卷绕后制成的电芯半成品盛装盒上；通过螺丝固定在混料搅拌机、涂布机、辊压机、分切机、卷绕机和分选化成机组上，烘干机组受所处环境温度和湿度的影响，此时，将基本智能体300固定在机组外部。
下面说明本发明的车间调度智能体组在车间的网络拓扑结构。
网络结构有星型、树形和网状三种基本的拓扑结构。星型拓扑由一个中心节点和多个终端节点构成，终端节点直接与中心节点进行通信；树形拓扑由一个中心节点、多个路由器节点和多个终端节点构成，中心节点和路由器节点都可以有自己的子节点，子节点可以是路由器节点或者终端节点，节点只能和其父节点或者子节点进行通信，相同父节点的节点之间不允许通信；网状拓扑由一个中心节点、多个路由器节点和多个终端节点构成，相对树型结构，通信方式更加自由，路由器之间可以自由通信。
参照图5，图5是本发明的车间调度智能体组的一种网络拓扑结构。如图5所示，分管智能体200作为区域无线网络的中心节点和路由器节点。换言之，分管智能体200由所负责区域无线网络的中心节点和路由器节点组成，管理终端节点的加入和退出，路由器节点根据区域的空间长度和数据复杂性添加保证无线通信的可靠性。生产车间环境错综复杂，一条生产线通常不会处于单独一个生产车间，而是将工序分组划分为不同的子车间，子车间的生产环境各不相同，距离可能较远，子车间位于几层或者考虑工艺的要求直接处于其他车间，同时数据的复杂性也加剧了中心节点的负担，添加路由器节点一是为了扩大网络范围，二是为了降低中心节点的处理难度。其中，路由器节点和中心节点同属于分管智能体200。
基本智能体300作为区域无线网络的终端节点，采集实时生产信息数据上传到分管智能体200负责该部分的路由器。具体而言，在车间生产过程中，终端节点采集原始信息，分析信息最大最小值等统计信息，对比数据容许范围，出现超限数据进行声光报警并发送报警信息，上述信息按照如下格式发送：[源地址目标地址信息类型信息内容]；车间之间通过物流工具进行生产对接时，要有一个循环确认的过程，源车间路由器发送对接信息给终端节点，成功对接后终端节点提交信息给目标车间路由器，目标车间路由器确认后反传给源车间路由器再次进行确认，保证对接的顺利实施。
综上所述，总管智能体与工控机能够进行通信，工控机与中心节点能够进行通信，中心节点与多个路由器节点能够进行通信，每个路由器节点之间以及与每个路由器节点与多个终端节点能够进行通信，并且每个终端节点之间能够进行通信。
还以简化的普通电池生产厂商的电芯生产车间为例，由于生产设备较多，个别设备体积较大，需要在网络中添加路由器节点，扩大网络的范围，同时协助中心节点处理数据和事件，路由器节点之间需要相互通信，进行数据交换，因此网络结构采用网状拓扑；电芯生产车间中，中心节点位于从涂布到卷绕后装盒的核心生产车间，混料搅拌机和分选化成机组均是单独子车间，加工机器数量较多，需要添加路由器节点；核心生产车间中各个生产工序不是在一个车间连续的，而是分散在不同车间，一般来讲，涂布机和烘干机组是分别单独隔离出来，辊压和分切机处在同一子车间，卷绕机或者实现相同功能的人工生产线处于单独一个子车间，根据子车间之间的距离以及生产工序的复杂程度考虑需要在每个子车间添加一个路由器节点。
中心节点位于核心生产车间构建网状网络结构，由中心节点建立网络，添加周围的路由器节点，再由路由器节点连接其他路由器节点和终端节点；中心节点位于辊压-分切车间，首先由其将混料搅拌车间、涂布烘干车间、辊压分切车间、卷绕车间和化成分容车间的路由器节点加入网络，各路由器节点再将固定在机组和工件及其承载物上的终端节点加入网络。
生产过程从混料和搅拌开始，车间路由器节点通过RFID读写器读原料袋上贴的RFID标签，获取原料批次等信息，混料搅拌机和运料桶上各自附着着对应的基本智能体(103)终端节点，将原料量、各成分含量、正在进行的步骤、产生的问题(成分含量不达标、原料投放错误等)上传给负责的路由器节点；运料桶填装完毕后，上传完成消息给路由器节点，路由器节点发送运输消息给运输人员的手持终端，运输人员确认消息，运输原料桶到涂布车间，提交运输成功消息给涂布车间的路由器节点，涂布车间和混料搅拌车间的路由器节点进行通信，确认运输成功信息；涂布车间的路由器节点管理运料桶和集电体原料卷轴上的终端节点，按照相似的步骤，记录涂布进度、原料剩余量等信息；到烘干车间，记录温湿度信息；到辊压分切车间，记录电极卷厚度、分切卷宽度和进度等信息；到卷绕车间，记录从分切后的电极卷到电芯半成品之间的各种检测参数、生产进度等信息；最后是化成分容车间，记录电芯的电压、容量等信息，将电芯参数、对应的原料批次、时间、操作人员和设备等写入RFID标签，完成生产过程，通过智能体组的协同工作实现电芯生产的全生命周期管理。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，该车间调度智能体组包括总管智能体、分管智能体和基本智能体，其中，
所述总管智能体，配置为能够接收生产计划信息，并下放生产任务给所述分管智能体，以及接收所述分管智能体上传的数据，从而实时监控车间的生产过程；
所述分管智能体，配置为能够接收所述总管智能体下放的生产任务，并下放任务指令给所述基本智能体，以及接收所述基本智能体上传的实时生产信息数据，并上传至所述总管智能体；
所述基本智能体，配置为能够接收并执行所述分管智能体发送的任务指令，以及获取车间内实时生产信息数据并上传到所述分管智能体；
其中，所述分管智能体包括工控机、通信模块和射频识别模块，所述工控机能够接收所述总管智能体发送的任务信息，以及根据接收的任务信息生成调度方案；所述通信模块用于实现与所述基本智能体和所述工控机的通信；所述射频识别模块用于实现对电子标签的读写。
2.根据权利要求1所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述总管智能体包括总控制器和显示设备，
所述总控制器，用于对接收的生产计划信息进行处理以及下放生产任务给所述分管智能体，并对接收的各个分管智能体上传的数据进行分析汇总；
所述显示设备，用于显示所述总控制器分析汇总的各个分管智能体上传的数据。
3.根据权利要求1所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述通信模块包括第一主控单元、第一无线通信单元和存储单元，其中，
所述第一主控单元为微控制器，用于对数据进行处理；
所述第一无线通信单元用于实现所述通信模块之间以及与所述基本智能体的通信；
所述存储单元用于暂存所述基本智能体发送的数据。
4.根据权利要求3所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述分管智能体还包括第一报警模块和显示模块，
所述第一报警模块配置为根据所述工控机的信息，发出提示信息；
所述显示模块用于显示车间的生产过程信息。
5.根据权利要求3所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述基本智能体包括电源单元、第二主控单元、第二无线通信单元、第二报警模块和数据传输接口，
所述第二主控单元为微控制器，用于对数据进行处理；
所述第二无线通信单元用于实现所述基本智能体之间以及与所述第一无线通信单元的通信；
所述第二报警模块配置为根据所述第二主控单元的信息，发出提示信息；
所述数据传输接口用于使所述基本智能体读取车间生产工具在生产过程中产生的数据。
6.根据权利要求5所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述基本智能体还包括显示模块和输入模块，
所述显示模块用于显示所述基本智能体接收到的任务信息；
所述输入模块用于输入信息到所述基本智能体。
7.根据权利要求6所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述基本智能体通过连接件固定在生产工具上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，在车间的网络拓扑结构中，
所述分管智能体作为区域无线网络的中心节点和路由器节点；
所述基本智能体作为区域无线网络的终端节点。
9.根据权利要求8所述的面向智能制造的车间调度智能体组，其特征在于，所述工控机与所述中心节点能够进行通信，所述中心节点与多个路由器节点能够进行通信，每个路由器节点之间以及与每个路由器节点与多个终端节点能够进行通信，并且每个终端节点之间能够进行通信。
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