基于供應鏈的協同生產調度研究

基于供應鏈的協同生產調度研究

　　

          一、引言

    知識經濟時代國際競爭的日趨激化，使企業受到了前所未有的挑戰。企業間合作的重 要性日益凸顯，其組織邊界逐漸延伸到有業務關系的合作伙伴和客戶，形成了整個價值 鏈上企業內及企業間網絡的集成�，F在不斷出現的虛擬企業、敏捷制造、動態聯盟等概 念都是強調了企業間的合作和優勢互補，以提高制造系統的敏捷性。其實質都是供應鏈 環境下的企業集成。
    對于制造業來說，面對日益激化的國際競爭，單個企業的生產計劃、生產調度問題的 解決已經不能完全滿足現在供應鏈環境中企業協作生產的需要。多代理系統(Multi-Agent System，簡稱MAS)在供應鏈和生產調度方面的研究已經成為當前的熱點之 一。但是大部分的研究局限在企業內部，考慮供應鏈環境下企業生產調度的論文相對較 少。而在現代化大生產中，企業已經不單單是一個孤立的個體，而是供應鏈中的一個部 分，這是一個更加廣闊的企業級結構模式。
    運用基于MAS對于充分發揮車間制造系統的功能、調度過程中完善調度策略、供應鏈環 境下多企業協同生產以及生產過程的高效、穩定運行都是有很大幫助的。因此，為滿足 企業在國際化生產的前提下進行合理的生產計劃和生產調度，本文提出了基于供應鏈環 境下的兩層MAS體系結構，建構了解決企業在供應鏈環境下的動態調度以及調度優化問 題的模型。

            二、供應鏈下的協同生產調度

    生產調度問題可以描述為：在一定的時間范圍內為完成特定的生產任務而分配共享資 源，并使得預定的某些生產指標最優[1]。傳統的生產調度問題基本屬于一個企業內部 的生產調度。車間調度問題有以下特點：(1)復雜性。由于車間調度問題是在等式或不 等式約束下求性能指標的優化，在計算量上往往是NP完全問題，因而使得一些常規的最 優化方法往往無能為力。(2)動態隨機性。(3)多目標。實際的車間調度往往是多目標的 ，并且這些目標間可能發生沖突。調度目標一般分為基于作業交貨期的目標、基于作業 完成時間的目標、基于生產成本的目標三大類。
    生產制造車間的計劃與調度是一個非常復雜的、需要多方面知識與信息的決策過程， 近年來，人工智能技術、Agent技術在車間計劃與調度中得到廣泛應用，且應用的類型 很多。Riyaz sikora等[2]介紹了在敏捷企業中，車間的生產組織方式發生變化，不再 是傳統的固定式階梯型方式，以及如何利用MAS來根據任務的變化對資源進行動態調整 。Kap Hwan Kim等[3]介紹了一個用于制造系統調度與車間控制的框架結構�？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。各類代理間均存在錯綜復雜 的通信關系。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，采用基于合同網協議的機制，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的虛擬車間調度作業原理與算法，利用動態形成Agent對資源進行動態調整 。楊根科等[6]提出了在動態聯盟下，從銷售代理的角度，研究供應鏈的最小成本制造 規劃的問題。傅小華等[7]研究了現代生產作業調度的特殊要求，既要滿足系統整體目 標，也要注意各子系統的具體特征及局部目標的實現，以及MAS的運用。
    而供應鏈下的協同生產計劃調度優化過程是一個復雜的隨機、多目標、動態調度問題 ，不同于單個企業的生產調度。供應鏈環境中，車間的生產組織方式發生了變化。隨著 市場需求向小批量、多品種和短交貨期的發展及企業生產的橫向聯合，現代制造系統往 往具有異地分布和異構化的特征。供應鏈環境下進行生產調度，要同時兼顧企業內部生 產調度的合理性以及供應鏈中各企業之間的生產銜接、利益分配等。
    SCOR(Supply-Chain Operations Reference-model)是第一個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。SCOR模型的第一層描述了五個基本流程：計 劃(Plan)，采購(Source)，生產(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，并確定了企業競爭性能目標的基礎。我們 可以看到，供應鏈上游企業交貨直接影響到下游企業的生產計劃和調度，而現在的很多 企業供應鏈的設計，都是面向訂單進行生產的。

          三、基于Multi-Agent的體系結構

    MAS是一個高度交叉的研究領域，對于Agent，現在還沒有一個統一的定義，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實體[8]。但是Agent的核 心概念——自治性已經被普遍接受。Michael Wooldridge[9]認為Agent是具有智能性、 自治性、理解力、學習能力、可以代替用戶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域展開，Agent是一個具有自治性的計算實體，能根據動態變 化的環境信息做出決策。MAS利用Agent來表示制造中的各種資源，通過網絡及Agent通 訊協議將它們連接成一個MAS，然后采用MAS的理論和方法對Agent進行研究。而在大規 模定制生產方式下的供應鏈計劃調度優化過程是典型的隨機、動態、多目標優化過程[1 0]，進一步根據計劃進行生產調度就更加復雜。根據Agent的特點，我們可以將
Multi-Agent技術運用在供應鏈環境下的生產調度中。
    現在，MAS被認為是模擬和支持這些分布式的復雜系統和環境的一個比較好的方法。
MAS是一個包括若干個代理的、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、基于合同網協議的組織結構 等。而基于合同網協議的結構在MAS被廣泛采用，它模擬了合同行為中的招標、投標、 中標者。合同網中的代理具有多個層次，可以既是下層代理的管理者，同時又是上層代 理的承包者。
    因此，對于供應鏈下的各企業協同生產調度，我們可以利用Agent來表示生產中的各類 資源，通過網絡和協議組成一個MAS系統，并利用MAS的方法通過協議、合作來完成各個 企業的協同生產�；�于MAS系統實現供應鏈企業協同生產的系統體系結構見圖2所示。

    由于供應鏈下的企業生產調度關系到多企業、多車間調度策略的確定，因此，我們可 以把模型劃分成企業級和車間級進行區分。企業級代表了整個企業進入供應鏈的網絡， 與其他企業的Agent進行協商、合作和調度。企業內部車間級別的Agent主要是在企業內 部發揮作用，保證了企業優化生產調度的最終實現。進行這種兩級劃分的好處是使得企 業可以靈活地選取需要的部分，在供應鏈環境下企業選擇兩級的Agent體系架構，保證 了供應鏈下的總生產計劃制定和各個企業根據總生產計劃進行內部生產高度，為最終完 成生產計劃提供了有力的保證。而在單個企業中，也可以利用車間級別的Agent體系架 構進行單個企業的生產調度，完成生產訂單的生產。

    Agent體系架構中企業級包括了計劃Agent、企業級資源Agent、物流Agent。車間級中 包括了訂單Agent、任務Agent、調度Agent、車間級資源Agent。本系統架構中，Agent 通過相互協作而達到全局目標實現。同時，Agent盡力獲取局部的自身利益，可以作為 一個自律的、自治的獨立實體存在于整個系統之中。在兩級資源Agent之間協作談判的 實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：負責根據企業接到的生產訂單制訂生產計劃，并根據生產計劃產生一系列 的訂單下發到車間級的訂單Agent，根據企業知識庫和企業級的資源Agent信息將企業總 的生產計劃分解成車間級別的訂單下發到車間級。
    對外職責：由于企業是處在供應鏈的環境之中，所以，企業的生產可能依賴于其他企 業的產品，因此，計劃Agent還要根據企業級資源Agent的信息對外招標，發出生產資料 的需求訂單給別的企業的計劃Agent，與別的企業的計劃Agent在合同網結構中進行招標 、投標和協商。
    企業級的計劃Agent的任務比較復雜，包括了對內生產計劃制定、生產計劃根據企業資 源細分訂單下發到車間訂單Agent，對外產生需求并進行招標等等工作。因此，下一步 的工作中，可以考慮進一步細分企業級計劃Agent的功能。
    (2)資源Agent(企業級)
    企業級的資源Agent代表了企業的生產資料和生產能力，可以代表企業進行計劃Agent 之間的投標、協商工作。橫向可以與其他企業進行任務的轉包，具有很大的靈活性。
    企業級的資源Agent與車間級的資源Agent相互通訊，代表了企業車間的總生產資料和 生產能力，并根據車間級資源的變動而變動。同時根據計劃Agent進行任務分配的協商 ，來分配企業級粗粒度的任務調度。
    (3)物流Agent(企業級)
    物流Agent作為供應鏈的一個環節，負責把生產出的產品在適當的時間，以適當的數量 ，運送到適當的地點。如果企業不是制造型企業，那可能就只需要計劃Agent、資源
Agent、運輸Agent，不需要車間級的各類Agent。
    (4)訂單Agent(車間級)
    訂單Agent處理企業級計劃Agent發出的計劃，并根據計劃以及企業車間的情況進行任 務劃分，根據車間資源對接到的訂單計劃細分成一系列任務，發到任務隊列等待調度和 處理。
    訂單Agent進行處理的時候，必須和其它車間級的Agent進行協商，進行分配，而且需 要接受調度Agent因實時監控中產生異常信息而對任務的分配進行必要的調整。
    (5)任務Agent(車間級)
    任務Agent在車間級Agent中是比較重要的環節，主要包括兩方面的任務。一方面，任 務Agent負責利用Agent組織結構中的合同網協議的結構向企業級的資源Agent進行招標 ，并進行投標的處理和決策，確定參與完成每個任務的資源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Agent需要監督和管理任務執行的全過程，如果任務完成過程有問題， 或者有緊急訂單下達，需要和資源Agent、調度Agent進行協商，并進行任務的重新調度 。
    (6)調度Agent(車間級)
    具體實現車間的生產調度計劃。主要根據下發任務的開始、截止時間和約束關系作為 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程隊列。同 時，調度Agent還要完成實時的車間控制，檢測工作實時完成的狀況，如果不能完成， 或者出現問題，及時進行反饋和錯誤輸出。根據異常情況進行再調度。
    (7)資源Agent(車間級)
    資源Agent直接代表了生產資料，根據生產資料的運行狀態跟外界進行協商和談判。對 于任務Agent發出的任務按照自身的能力進行投標。資源Agent之間也可以進行協商和談 判以解決相互之間的沖突。而且通過Agent之間橫向的協商，可以進行任務的轉包。
    車間級別的Agent與企業級別Agent進行通訊，反饋本車間的生產資料狀況和生產能力 。

            四、合同網協議的決策方法

    為了選擇執行特定子任務的Agent，必須按照一組相關的屬性和判斷標準對投標的
Agent進行對比評價，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。每個元素a[,ij]表示第i個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。我們可以設置被評價

          五、MAS系統實現

    MAS各Agent單元之間采用KQML語言作為通訊語言，KQML是基于消息的Agent通信語言， 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對象，每條消息有一個 語用詞以及多個參數[9]。KQML支持Agent之間高層次的通訊，并且可以根據實際MAS系 統的需要對原語進行擴充。
    當某個Agent需要與其他Agent進行通訊時，利用KQML協議，把實際的信息封裝在KQML 消息中發送給其他Agent進行數據交換。使用CORBA獨立于各種編程語言的IDL語言來定 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語言實現，系統通訊的底層采用TCP/IP協議，以支持Internet范圍 的通信和協作。MAS中的組織結構采用合同網協議的組織結構，Agent之間的協調可以基 于多種方式：基于對策論、基于協商、基于規則。在實際系統中我們可以采用協商和仲 裁相結合的方式。
    具體原型系統的實現可以參考一些Internet上基于Agent，而且開放源代碼的項目�，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源代碼項目主 要有以下幾個：
    (1)Cougaar是一個基于JAVA體系結構的開源項目，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 了一套先進的核心架構、多樣的中間件支持開發、可視化、以及對于復雜的分布式系統 的管理工具。
    (2)JADE是一個完全由JAVA實現的軟件架構，它提供了一些系列的完全符合FIPA規范的 中間件，能夠簡化多Agent系統的實現，還提供了一系列的調試和發布的工具。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為快速地開發以及發布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
    本文提出了兩層的MAS模型，同時考慮了粗粒度和細粒度的信息處理的需要，進一步細 分了企業級各Agent和車間級各Agent之間的任務和協作。這種松耦合、分布式動態調度 的控制結構很好地適應了供應鏈環境下企業之間以及企業內部車間生產制造單元之間的 分布自治、協同合作的特性，為解決供應鏈的環境下企業之間以及企業內部各個車間的 動態分布問題提出了一個可操作的體系架構模型和技術基礎。當然，在供應鏈管理下進 行多企業的生產管理和生產調度，影響的因素非常多，情況也非常復雜，要開發出真正 適用的系統還要進行進一步的研究。
 
【參考文獻】:
    [1]張佐，謝東，吳秋峰，韓曾晉.一般生產調度問題的統一結構[J].清華大學學報(自 然科學版)，1997，37(4).
    [2]Riyaz Sikora,Michael J Shaw.Coordination Mechanisms for Mutli-Agent
Manufacturing Systems:Applications to Integrated Manufacturing Scheduling[J] .IEEE Transactions Engineering Management,1997,4(2):175～187.
    [3]Kap Hwan Kim,Jong Wook Bae.Distributed scheduling and shop floor control  method[J].Computers and Industrial Engineering,1996,31(34):583～5861.
    [4]Saad A,Kawamura K,Biswas G.Evaluating a contract netbased heterarchical  scheduling approach for flexible manufacturing[J].IEEE International
Symposium on Assembly and Task Planning,1995,8(3):147～152.
    [5]郭文勝，殷國富，胡曉兵.基于Multi-Agent的虛擬車間調度作業原理與算法[J].中 國機械工程，2001，12(12).
    [6]楊根科，吳智銘.基于動態聯盟供應鏈的敏捷生產規劃[J].上海交通大學學報，200 1，35(2).
    [7]傅小華，黎志成.基于多主體的智能調度系統研究[J].華中科技大學學報，2001，2 9(10).
    [8]周興斌，李平.基于Agent的生產優化調度系統[J].計算機工程，2002，28(3).
    [9]Michael Wooldridge.多Agent系統引論[M].北京：電子工業出版社，2003.
    [10]姚建明，周國華.大規模定制模式下供應鏈計劃調度優化分析[J].管理科學學報， 2003，6(5).

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