2.2　智能制造系統研究綜述

近年來，針對充滿不確定性隨機擾動的動態制造環境對現代制造系統提出的各種要求，國內外專家學者從不同的角度對制造控制系統進行了研究，并提出了很多新的智能制造的系統概念和模型，其主要包括基于幾何分形（Fractal）理論的分形制造系統、基于分布式多智能體（Agent）自治與協商機制的多智能體制造系統、基于復雜社會進化哲學觀點的合弄制造系統和基于生物自組織理論的生物型制造系統等。正是這些智能化的新概念制造系統的分布化、智能化、信息化等先進技術特性的應用，極大地提高了現代制造系統的柔性、可靠性、容錯性、敏捷性、穩健性和適應性等控制性能，為21世紀的下一代智能制造系統的研究和發展開辟了新的方向和思路。以下是對其比較詳細的總結與分析。

2.2.1　分形制造系統

分形（Fractal）用來描述幾何學中具有不規則構型的系統，主要是描述不規則系統的組成部分與整體在某些方面具有自相似性。分形思想主要包括被分形系統在形狀上的不規則性和內部結構上的自相似性。在自然界中的很多事物都具有這樣的分形特征，如云朵、雪花、陸地的海岸線等，甚至人類社會的很多組織系統也有此特征。分形理論實質上是通過自相似性的特征將不規則系統細分成不同層次上的子系統，體現了規則性與不規則性的良好結合，構成了分形系統所特有的遞歸機制，并由此促使系統結構可以產生各種變化，從而賦予系統強大的自組織和自相似特性，有機地將無序的形狀與有序的結構進行和諧的統一，因而使系統具有強大的生命力和結構穩定性。

在當今激烈的市場競爭中，制造系統的運行環境日趨動態化和復雜化，傳統的制造系統組織運行機制愈發難以適應現代制造系統的各種控制需求。若根據分形理論來重組傳統制造企業的組織管理結構，可以有效地增強制造系統的環境適應能力及動態響應能力。據此，德國人H.J.Warnecke對應用分形理論改造制造系統組織結構模型進行了研究，并于1992年提出了分形工廠（Fractal Factory）的概念，以便提高歐洲制造企業應對全球化市場競爭的動態響應能力。分形制造系統主要涉及制造系統的組織管理架構和運行控制層次，它將企業內部車間、管理部門、制造單元等制造系統中具有確定目標和某種程度自治能力功能單位，按照與企業功能自相似的特性分成若干分形單元，并借鑒“局部與整體具有相似特征，通過將類似的局部單元進行組合來有機地構成整體系統”的分形理論將其組合構成一個開放系統，模擬生物有機系統的組織運作模式，通過分形單元與外界進行信息、物質等方面的交互，體現了系統的自組織與自優化特性，實現分形公司對動態多變的市場環境的敏捷響應。

圖2.1所示為分形制造系統的概念結構模型，從圖中可以看出，分形制造系統實質上是通過將復雜的制造系統分解成低層次的分形單元，其在組織結構上以過程為中心，實現局部與整體的自相似特性，通過賦予底層分形單元足夠的自治能力，使其在任務目標上保持與企業任務目標一致，實現任務目標的自相似性，并在此基礎上，通過充分的協調合作將其組合成具有自組織和自優化特性的復雜系統。而這些分形制造單元所具有的智能自治協調能力使分形系統的動態重構能力有了實現基礎，從而使整個分形制造系統具備了能夠應對動態多變的制造系統內外環境的快速自我調整能力。

2.2.2　多智能體制造系統

隨著分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence，DAI）技術的迅猛發展，早在20世紀70年代就有部分研究者提出了智能體（Agent）的概念，但由于不同領域人們對智能體概念的認知不同，至今仍未形成一個統一的定義。而多智能體系統（Multi-Agent System，MAS）是在Agent概念的基礎上，利用Agent具有一定智能自治能力的特性，基于多個Agent協商合作的決策方式，使各Agent之間能夠通過自主協調合作的方式完成復雜環境里的各種任務或實現某些優化目標，從而使整個MAS具有優秀的智能性、自治性和自適應性等系統特性。

在現代制造系統中，隨著自動化技術和信息技術的發展，生產設備自動化程度越來越高，這都為MAS技術應用于制造系統中提供了基礎條件。作為典型的分布式系統，現代制造系統中的各個不同的物理或邏輯單元（如生產任務、加工設備、物流小車、控制單元等）都是這個龐大而復雜系統的組成節點，其單個節點往往只具有各自不同的局部信息，在應對動態環境時，如果不具備合理的自治能力，則會影響整個系統的性能。因此，研究者在MAS技術的基礎上引入Agent的概念，賦予這些組成節點一定的智能自治特性，使其具有局部推理能力，并利用合理的協調機制使各個Agent可以快速地應對周圍環境的動態變化，從而使現代制造系統具備了應對復雜多變的市場環境時的動態自適應和自組織能力，提高了系統的動態控制性能。這種應用MAS思想的現代制造系統組織結構模式就是多智能體制造系統（Multi-Agent Manufacturing System，MAMS）。

在MAMS中，現代制造系統的各個不同生產控制節點均被看成Agent，它們具有一定的智能自治特性。各個不同的Agent（如產品任務分解、工藝路線制定、零部件生產及物流運輸等環節）通過某種協商機制進行協調合作，更有利于在復雜動態的制造環境中高效地完成各種任務或目標。MAMS在發揮個體靈活自治特性的同時，通過合理的協商決策機制，利用群體資源彌補個體Agent的局限，使整個MAMS表現出來的性能遠遠大于單個Agent能力的簡單相加。圖2.2所示為MAMS的生產控制示意圖。

2.2.3　Holonic制造系統

“合弄”一詞最初是匈牙利作家Arthur Koestler在其專著The Ghost in the Machine中針對社會群體結構中的“個體”與“整體”之間的關系進行探索時提出的，他專門構建了一個新詞“Holon”用于表達具有遞階結構的社會性整體系統中的個體必須具有“自治”與“分工協作”的特性，表征了“個體本身既是一個整體的同時，又是另一個整體的組成部分”。

早在1994年的科研計劃中，國際智能制造系統研究協會就已提出：為了應對現代制造系統所面臨的充滿各種不確定性隨機事件的動態運行環境，現代制造系統應嘗試將Koestler基于社會結構和生物組織現象的Holon概念應用到實際生產的組織管理和運行控制中，以便解決現代制造系統應當具備的敏捷、自適應和自組織等系統性能要求。1999年，我國學者唐任仲等人在其研究中第一次比較全面地對Holon概念進行了簡介，并將其音譯為“合弄”，這也成為我國大多研究者對“Holon”一詞的常用翻譯。

Holonic制造系統（Holonic Manufacturing System，HMS）的立意出發點，就是以自適應與進化的哲學觀點來構建現代制造系統中的各個要素，力圖將自然界中的群體性生物群落組織生存模式和人類社會中的各種復雜大系統所體現出來的高效的組織控制結構應用于現代制造系統的組織管理與運行控制中，以提高現代制造系統應對各種動態干擾的快速響應和穩定運行能力。在HMS中，其通常將生產設備、市場訂單、物流AGV和制造單元等各種邏輯實體和物理單位均構建為制造Holon，使其能夠具有自治與協作的雙重特性，并通過如圖2.3所示的組織結構形式對其進行管理，從而使整個系統可以通過個體Holon的自治獲得動態環境中的自適應特性，同時又可以通過不同Holon間的協調合作實現系統總體優化與自組織特性。

與前文所述的FrMS和MAMS一樣，HMS最終所要實現的系統性能目標也是要使現代制造系統具有適合分布式智能系統的決策機制，并能夠構建一種合理的自治與協調控制結構，從而改善制造系統的整體性能。在對HMS研究的過程中，很多學者將MAS的方法應用于其中，并取得了不錯的效果。基于Holon思想的制造系統研究一直是現代制造系統方面的一個研究熱點，國內外學者對HMS各方面的應用做了很多可行性研究，并取得了一些不錯的研究成果。

2.2.4　生物型制造系統

生物型制造系統（Biological Manufacturing System，BMS）是由日本東京大學教授Kanji Ueda在1991年的研究中最早提出的一種現代制造系統的新概念，其主要學術思想受生物系統在漫長歲月的進化過程中所體現出來的優良特性啟發，認為當今制造系統在組織管理和生產運作過程中所遇到很多問題產生原因就是在制造過程中物質與信息之間的緊密聯系被人為割裂。例如，為了更好地發揮計算機信息處理能力，現代制造系統對產品的生產和相關信息的處理是分開進行的，但Kanji Ueda認為，正是這種將物質與信息進行刻意分離的行為阻礙了現代制造系統的發展。因此，BMS將生物系統中的各種優秀的運作模式應用到現代制造系統中，試圖通過模仿生物遺傳或自然進化等方面的機制來研究制造系統的各種動態控制行為，為解決現代制造系統的分布式協同智能控制、系統資源動態重組與自組織行為做出新貢獻。

BMS將現代制造系統生產的產品視作某種生物有機體，通過將制造系統中各種組成部分及其相互聯系與生物系統相對應，嘗試著用細胞、基因、酶及有機系統的多態性（Metamorphosis）、共生（symbiosis）等現象對現代制造系統內的運行和組織結構進行描述。如圖2.4所示，給出了BMS中的一種概念模型，將制造系統中的加工資源、物流小車、原材料、產品等看作生物有機系統自治的基礎組成部分。在該概念模型中，為了使BMS能夠具有生物系統在動態變化的內外環境中所體現出來的自適應、自生長、自優化及進化等功能，BMS將制造系統內部的物理或邏輯實體統一分成兩大類有機概念來進行歸納：一種是生物本身特征的基本表達，即DNA類信息，其主要表征產品特性（包含其所用原材料的特性）；另一種是生物有機體在其生命周期內所具有的各種不同行為的表達，即BN類信息（Brain and Neurons，BN），其主要表征了制造系統如何利用自身的設備“培育”出DNA所代表的產品。在BMS中，DNA類信息記錄了產品的基本特征，而BN類信息記錄了產品從原材料變為產品的所有過程。在面對動態的意外干擾時，系統可以很容易地根據DNA類信息和BN類信息對其進行自主處理，并將其作為經驗在DNA類信息中更新，以便下一代產品進行設計優化，也有利于進一步規劃合理的生產工藝。

在生物有機體應對環境變化的過程中，其生理系統都不是采用集中控制的模式，而是采用分層多級控制策略，其主導思想就是“單元自治，并行決策，共享信息，迭代趨優”。在BMS中，制造系統正是模仿這些高效的尋優、趨優策略，通過賦予待加工工件一定自治性，使其可以感知周邊生產設備的情況及運輸設備的位置，進而主動尋找合適的制造資源進行加工，自發進行任務與資源的合理分配。當制造系統受到干擾而導致其運行環境發生變化時，工件則可以自主協調工藝路徑與制造資源之間的關系，在新的制造環境中形成新的平衡，仿真實驗也驗證了BMS模式可以很好地滿足動態的市場變化對制造系統所提出的要求。

2.2.5　智能制造系統模式綜合分析

在前述章節中，對現有的智能制造系統常見模型進行了簡單的綜述和分析，從中可以看出，隨著制造系統運行環境的日趨復雜化和動態化，得益于分布式人工智能技術、網絡通信技術和自動控制技術等相關科學技術的快速發展，現代智能制造系統更多的是強調將復雜系統模塊化、分布化和扁平化，通過賦予各個模塊一定的智能自治能力及合理的協調決策機制，實現開放式的具有自組織、自適應特性的現代制造控制系統。其中，尤以MAMS、HMS、FrMS三種智能制造系統模型最為典型，甚至有些學者將這些思路相互借鑒，如有的研究是將FrMS中的獨立的分形單元以Agent的形式來表示，并對其基于CNP的控制協調機制進行了研究；有的研究則是對HMS中的基本合弄（訂單合弄、產品合弄和資源合弄等）以Agent的形式進行實現，并進一步基于此控制系統結構及協調機制進行對應的探討和研究。

但是，這種基于智能自治實體的控制方法在實際應用過程中還存在一些缺陷。由于單個智能自治實體在制造系統中的布局是分布的，相互之間沒有主從關系，缺乏全局信息，導致其對系統整體狀態的掌握、總體任務的完成及其他資源意圖的理解可能不一致。因此，當單個智能自治實體依據其本身所獲得的局部信息進行決策時，其結果在對系統性能的優化上通常無法起到正面作用，甚至可能因為多個智能自治實體的決策相互矛盾而發生沖突現象。同時，由于此類分布式制造控制系統多數都缺乏一些類似中央控制的機制，導致系統的總體控制和決策在具體實施中往往無法達到最優效果，并且在系統協調過程中還不可避免地存在決策沖突（Conflict）和死鎖（Deadlock）現象。特別是在制造系統規模越來越大、結構越來越復雜的情況下，系統中的智能自治實體通常是處于各種信息不斷變化的一種高度紊亂的通信環境中，其決策與其他智能自治實體發生沖突的概率也會逐漸變大。并且在復雜系統中，沖突的發生有其自催化的特性，由于各個智能自治實體對全局問題的求解是通過不斷交換相互之間對局部問題解答的動態迭代過程來完成的，結果是成倍地增大了求解的復雜性，從而導致出現不可控甚至混沌現象，其后果是巨大的通信量和不確定的控制，系統中的各制造智能自治實體也會因此經常處于開環運行或等待狀態。因此，對現代制造系統而言，除了需要將全局問題分解為多個局部控制，還需要尋找一些合理、有效的控制結構及相應的協調策略來解決沖突，優化全局控制，提高系統整體效率。

生物有機體經過長達幾十億年的自然進化所形成的很多優良特性，為解決現代智能制造系統中的種種難題提供極佳的參考方案，其系統功能、結構及其控制機制的多樣性、適應性、可靠性和高效性等許多方面對制造系統建模及其協調控制機制研究等方面具有良好的啟發性，值得研究者借鑒和參考。有的學者針對BMS及其仿生制造進行了相關研究，在探討其模型概念的同時，對BMS的基礎理論也進行了一定研究。在研究BMS時，大多數學者采用的基本思路還是基于Agent的角度來提高制造系統的生產性能，其存在的不足與之前分析的MAMS系統類似。BMS雖然在自組織、自適應等方面有著良好的表現，但是，它研究的思路是從進化的角度去描述制造系統中產品設計和制造過程，其優點是對制造系統中的產品設計優化等問題上可以取得良好的結果，而在制造系統的總體協調控制上卻沒有體現出生物體的優勢。由此不難發現，雖然國內外研究者在對BMS進行研究時取得了很多不錯的成果，但仍存在以下幾個問題：（1）不少研究者依然按照基于Agent的思路來對BMS的組織模型及其控制協調機制等方面進行研究；（2）現有的很多針對BMS的研究大都無法滿足實際生產過程的基本要求，多數還處于概念解釋階段，研究成果不夠成熟；（3）現有的很多關于BMS的研究還主要集中在從生物基因進化遺傳的角度對制造系統的產品開發、生產控制及制造過程等進行模仿和描述，而生物有機體內部已存在的最有效的協調控制機制（如神經內分泌調節機理等）卻沒有被很好地運用到復雜的自適應制造系統的協調控制中。因此，如何合理地將生物有機體中優秀的控制協調機制應用到制造系統中，對現代智能制造系統中控制結構與協調機制的研究將具有重要意義。