2.4　基于生物啟發的智能制造系統協調模型

2.4.1　現代智能制造系統與有機生命系統之間的相似性

通過上述分析，我們不難看出，生物有機生命系統的生理活動和現代智能制造系統的生產活動在很多方面具有驚人的相似性。生命系統本身是一種動態的開放系統，由簡單的細胞逐漸形成具有某種功能的組織，再由相近功能的組織形成各種專門的器官，然后不同作用的器官組合在一起形成了復雜的生命系統，這種結構天然具有高度的分布性特點。生命系統能夠在大自然的各種不同環境中生存下來，說明其自身對于外界環境具有很強的自適應能力，同時還能夠通過自身的某些協調控制機制實現生命體的進化與群體之間的協作。現代智能制造系統與生命系統類似，也是一種分布式的動態開放系統，制造系統的運行也需要與外界保持物質交換，維持內部各種設備和部門運作的協調性。現代智能制造系統往往是由很多具有自治特性的智能生產設備、AGV、各種機械傳輸裝置、智能檢測設備及制造資源等，通過合理的協調控制組合而成的一個龐大而復雜的典型的分布式系統，在這樣一個系統中，可以借鑒生命系統中某些優秀的控制結構或協調機制。有研究者從生物控制論的角度解釋了人體的一些自適應控制機制和規律，并對生物系統中的子系統與工程控制中的一些系統結構與功能進行了對比，發現在很多方面兩者具有驚人的相似性，并且都可以通過相同或相似的組成部分來描述它們的控制機制。因此，在構建現代智能制造系統組織結構和控制協調模型時，嘗試賦予制造系統的組成基元或智能子系統更多的生命有機體的特性，適當增強個體的自治能力，同時模擬人體神經內分泌系統的內部協調控制機制進行調控，不僅可以簡化制造系統中各個功能單元之間復雜的耦合關系，還可以有效地對現代智能制造系統的智能性、自組織性、動態環境的自適應性和可重構性起到良好的促進作用。進入21世紀以后，現代智能制造系統不再是由一堆死板的、缺乏足夠自治能力的生產設備和各種物料組成的，其發展方向必然是希望制造設備或智能生產基元能夠獨立地根據實時的加工情況，按照其所能感知到的環境狀態和已設定的目標，自主地決策下一步的行為動作，更高效合理地完成各種制造任務。

隨著科技的發展，制造業的數字化、信息化趨勢愈發明顯，而生命科學也逐漸由單純的科學研究轉向了更全面的工程化應用，現代智能制造系統與生物系統之間的相似性也就愈發明顯和突出，其相互之間的可借鑒性也變得更加具有可行性。從生物控制論的研究成果中我們可以發現，在生物系統中，其整體控制呈現一種遞歸特性，而其中各個不同層次的子系統又均具有自協調、自組織的特性，都可以靈活地根據周邊環境的變化進行自我調節，使生物系統針對復雜多變的外部環境具有更多的靈活性和更強的適應性。比如，人體神經內分泌系統中的神經網絡可以感知外界刺激，并產生興奮或抑制某些生理活動的電信號，而后由內分泌系統接收這些信號，進而分泌出相應的激素物質，通過人體體液循環系統調節相應的器官或組織，從而協調控制人體某些生理活動。與此過程類似，借鑒生物自適應、自組織機制，現代智能制造系統應該能夠根據市場波動和市場訂單快速地克服各種意外干擾，高效地協調和控制自身各種生產活動，這樣就可以有效提升企業核心競爭力，迅速適應動態多變的市場，并在激烈的市場競爭中占據一席之地。

因此，在搭建復雜而龐大的現代智能制造系統模型時，參考模擬生物系統的結構形式，針對制造系統的組成實體或子系統給予一定程度的自治能力，不僅可以簡化系統各單元的耦合關系，有效提高系統的開放性、靈活性、可重組性和可擴展性，而且可以有效提高整個系統的智能自組織能力和對環境的動態自適應能力。

2.4.2　類生物化智能制造系統協調模型

隨著人類社會的不斷進步和市場經濟的不斷發展，現代制造系統的組織結構變得愈發龐大，其制造過程也愈發精細。面對制造系統不斷增強的復雜程度，從自然界的各種生命現象中學習其協調與控制復雜系統的原理與機制，是解決當前制造業中所出現的眾多疑難雜癥的一條有效的、甚至是必然的出路。如果現代智能制造系統想要能夠快速地滿足復雜的系統運行環境中的各種要求，應模擬生物有機體的調控機制，不僅在靜態時需要能夠快速地安排優化常規動作（任務），還需要能夠具有與生物有機體類似的組織控制結構，以便在制造系統運行環境發生動態變化時能夠具有及時響應并快速協調的能力。這種模擬生物機體的自適應與自調節的能力不僅可以在智能基元內部運作，而且還可以在智能基元之間發揮作用，如此，現代智能制造系統才可能在一定程度上體現出生物智能性，更多地發揮出系統的實際制造能力。

通過前文中對現代智能制造系統的分析與類比，以及受到神經內分泌系統及其優越的生物協調控制機制的啟發，首先構建類生物化智能自治基元的構成及其控制器的結構，并探討了其有機特性。在此基礎上，針對現代智能制造系統靜態任務分配、制造資源動態協調及生產物流中在制品動態庫存控制的問題，本章闡述了一個類生物化智能制造系統控制協調模型，從內分泌系統的激素分泌與協調及多重反饋控制結構等方面來研究類生物化智能制造系統中信息流的協調機制與物質流的控制原理。

1. 類生物化智能自治基元

基于現代智能制造系統的分析和受生物體內分泌系統調節機制的啟發，我們首先對基于內分泌調節機制的類生物化智能制造系統的基本組成—智能自治基元進行了構建，其地位就相當于機體內分泌系統中的某種細胞組織或腺體器官，類生物化自治基元的基本結構如圖2.8所示，它是一個由感知器、控制器、執行器及數據信息庫等多模塊組成的具有自組織和自適應功能的自治實體。

在現代智能制造系統中，其與生命有機系統類似，都必須通過不斷地與外界進行物質、能量及信息等方面的交換來實現自身系統的正常運行與生存進化，以便更好地適應周圍環境的改變。同樣，作為類生物化智能制造系統的基本組成部分，智能自治基元也必須具備相應的功能，其通過感知器獲取制造系統運行環境中的各種信息，并通過控制器結合數據信息庫進行決策判斷，選擇合適的行為通過執行器輸出。與生物有機體所處的自然環境一樣，類生物化智能制造基元所處的制造環境也分為內環境和外環境兩類，前者主要與智能基元的資源構成和內部控制結構有關，其表現形式是控制的實時性；而后者主要是與智能基元運作的周圍環境中的變化相關，其表現形式是突發的波動性和控制的滯后性。類生物化智能自治基元由感知器來收集內外環境中的信息，控制并決定如何對內外環境中的各種變化進行平衡，由執行器來處理由內外環境變化所帶來的制造過程中的復雜性。而現代智能制造系統的運行環境與市場需求、原料采購、新品開發和工藝更新等多種因素具有密切關系，而這些因素均存在著一定的不可控性，正是這些不可控的因素引起了制造系統運行環境的動態多變。如果現代智能制造系統的運行環境沒有這些不可控因素，那么類生物化智能自治基元的控制和協調機制就會變得沒有意義。基元的設計與構建就是為了尋求一種更合理、更快捷的途徑來處理制造系統這些動態變化的基本構成。

從圖2.8中可以看出，類生物化智能自治基元具有與生物體類似的結構，它可以通過自身的感知和知識，決定應對突發事件的處理方式，具有應對動態多邊的制造系統運行環境的快速響應能力和自適應的處理能力，可以通過感知器與周圍的其他基元進行協調合作，體現出生物特有的對環境的感知性、對變化的適應性和對處理結果的學習性的特點。在智能自治基元所能夠表現出來的各種類生物特性中，其遞歸控制結構最為典型，如圖2.9所示。類生物化智能制造系統可以看成由很多個智能自治基元通過不同層次的控制器相互協調組合而成，其中，智能自治基元又可以由基元控制器和下層不同的智能基元構成，最底層的智能基元則可能是由單個的數控機床、AGV或其他多個制造實體通過基層的智能基元控制器組合而成的。因此，類生物化智能自治基元乃至基于此的整個智能制造系統都體現出多層自相似性的遞歸結構，這種結構可以在不同的層次上進行自組織活動，降低了系統整體的復雜度。

2. 類生物化智能制造系統的協調模型

基于內分泌系統的優良協調特性，在構建類生物化智能自治基元的基礎上，我們建立了現代智能制造系統的類生物化控制與協調模型，如圖2.10所示。與生物有機體的構成類似，現代智能制造系統中的各種自治基元可以被模擬成內分泌系統中的各種腺體，其感知周圍環境和協調合作完成制造的過程可以模擬成激素分泌擴散和相互影響的行為。該模型主要從控制信息層和物料流動層兩個層次來研究內分泌系統的調節機制在類生物化智能制造系統中的控制和協調問題。在控制信息層，基于激素調節機制的智能自治基元在一定程度上具有自我決策的自適應性，可以利用內分泌系統的優良調控機制對現代智能制造系統中的生產任務與制造資源之間的靜態環境中的調度問題和動態環境中復雜的協調問題進行良好的處理，可以有效提高整個制造系統的智能性和對動態問題的敏捷響應性。而在物料流動層，可以將神經內分泌系統中的多重反饋控制結構運用到生產過程中的在制品庫存動態控制模型中，以便使制造系統在運行過程中（模擬體液循環環境）可以更快捷地調整物料的流轉數量，提高系統的運行效率。例如，在正常情況下，生產任務（腺垂體分泌的促激素）分解下發到各個智能自治基元（腺體）上，自治基元根據接收到的任務來進行內部調度（分泌激素），如果在運行時遇到突發意外（如某個設備故障等），則該信息會反饋到智能自治基元的控制器中，然后由決策模塊進行判斷，若能內部處理則自行解決問題；否則，基元控制器就會向上級單位分泌激素信息，提出協作請求，上層控制器則會再分泌相應的激素信息，使各個智能自治基元中有余力的實體進行動態資源重組，組成臨時的生產單元，在保證完成制造系統總體目標的前提下，處理系統遇到的意外情況，從而使現代智能制造系統的局部任務和全局目標在內分泌調節機制下均可以得到優化，并體現出強大的個體自治性和系統全局協作性。

3. 類生物化智能制造系統協調機制實現的思路

針對本書所構建的類生物化智能制造系統的協調模型，我們計劃從下述幾個方面對其中的部分關鍵技術進行研究和實現。

（1）神經內分泌系統在生物體的機體調控功能中起到至關重要的作用，它通過激素調節的方式使生物系統能夠在各種復雜的環境中體現出良好的自適應性和穩定性。各種激素的分泌變化規律通常都遵循Hill函數，通過相互之間的影響來實現機體生理活動的快速自調節功能。基于此，借鑒激素濃度的調節規律，在信息控制層面的綠色車間調度問題中，針對粒子群優化調度算法，設計了自適應激素因子，使粒子之間的信息可以更全面地共享，在保證粒子群算法過程中粒子種群多樣性的同時，解決了傳統粒子群算法在求解車間調度問題中存在的易于陷入局部最優和收斂速度緩慢等問題。

（2）在神經內分泌系統的調節過程中，基于激素協調的方式是一種隱式的動態協調方法，具有強大而有效地動態協調與尋優能力。因此，受生物內分泌系統中激素反應擴散機制的啟發，我們對現代制造系統的任務與資源協調分配的數學模型進行了分析，構建了制造系統中相關激素量的獎懲函數，將研究基于激素反應擴散機制智能制造系統的隱式動態協調原理與實現方法。

（3）在物料流動層面，為了對基于神經內分泌調節機制的智能制造系統內部生產物流系統的及時配送能力進行協調控制，將以零件在制品為研究對象，結合神經內分泌系統的多重反饋控制結構，對已有的在制品庫存模型進行優化，建立動態生產環境下的在制品庫存控制模型，以提高制造系統物流系統的配送能力和抗擾動能力，增強制造系統控制的穩健性。

2.4.3　類生物化制造系統協調模型的功能特點

1. 自治性與協作性（Autonomy and Cooperation）

類生物化制造系統是在分布式制造系統的基礎上，受生物有機體的內分泌調控機制啟發而形成的一種新型智能制造系統，它模擬生物內分泌系統工作原理所設計的智能自治基元具有雙重傾向，一方面可以模擬激素腺體具有自決趨向，即維持其作為一個獨立自主的個體存在的趨向；另一方面可以模仿內分泌系統整體協同工作的特點，通過協調機制可以與其他自治基元合作形成更大的系統。體現在類生物化制造系統中的智能自治基元上的基本特性表現為自治性（Autonomy）和協作性（Cooperation）。自治性主要是指類生物化自治基元的自決趨向可以使其在面對外部環境的突變時自主做出各種合適的反應，提高系統的穩定性；而協作性則表現為類生物基元通過某種協調機制相互合作，集成為一個更大的整體，以便完成更大、更復雜的任務。

自然界中生物的進化過程也體現了這種自治性與協作性的過程。例如，生命最初是以單細胞形式出現的，而隨著生命系統的進化，細胞個體逐步集成為更加復雜的生物體以便應對各種環境中的生產進化挑戰。從行為科學上來分析，個體的自決性往往表現為個體所固有的行為模式或習慣，而集成性則體現為具有創造性的學習能力和應對動態變化環境的自適應性等。在現代制造系統中，數控機床中的程序控制實質上可以看作機床的自決趨向，它是制造資源所固有的某種行為模式；而市場對產品的不同需求卻使不同功能的數控機床或其他生產設備必須集成起來以滿足顧客需求，這又體現出了制造系統的集成化趨向。

類生物智能自治基元所具有的自決性與協作性的特點使制造系統的基本組成單元在實現內部自治的前提下，可以通過優良的協調控制機制更好地實現制造系統全局目標的優化。所以，基于該特性下的類生物化制造系統可以在不確定性的動態制造環境中獲得良好的自適應性和自組織能力，面對突發擾動具有良好的快速響應能力。

2. 動態平衡與無序(Equilibrium and Disorder）

類生物化制造系統在運行狀態時，其所包含的智能自治基元在各自內部有自決的趨向，而在基元外部又有協作集成的趨向，因此其整體始終處于某種動態的平衡之中。合理的協調控制機制可以有效地維持類生物化制造系統的這種動態平衡，使自治與協作的優勢得以最好的發揮。如果兩種趨向中的某一種趨向占據了較大的優勢，則會導致類生物化制造系統中的這種動態平衡被打破，從而導致系統的無序。

3. 多重遞階（Multiple Hierarchies）控制結構

類生物化制造系統中的任何智能自治基元均可以同時在多個不同的遞階控制結構中承擔不同的角色，進而使整個制造系統中的控制系統形成多重遞階控制結構。在生物有機體中，神經內分泌系統起整體控制協調作用，其有效的控制結構正是這種多重遞階結構。通過將多個遞階控制結構進行交叉重疊的方式構成復雜的大型控制系統，可以通過良好的協調機制使類生物化制造系統擁有較強的穩定性和穩健性。

4. 自催化和自反饋機制（Auto-catalytic Set and Positive Feedback）

在生物系統中，為了使自身能夠適應復雜的自然環境，通常會在機體內部形成某種生理系統或調節機制，使生物能夠不斷地完善、進化自身，從而能夠在殘酷的自然選擇中生存下來，這是自然界中自催化機制的由來。而在制造系統中，同樣需要該種自催化機制，例如，當某種控制體系結構可以較好地滿足市場需求所帶來的控制要求時，就會得到更多的支持，有利于其不斷地進行自身改進，從而更加具有競爭力。類生物化制造系統同樣是按照這種思路設計的，即先在分布式智能制造系統的某個局部區域里采用類生物化控制協調的機制，以展示出類生物化系統的各種優良的控制特性，最后再逐步將其推廣到整個制造系統。同時，為了更好地體現類生物化基元的自治特性，類生物化制造系統中還構建了超短反饋機制，當制造系統局部出現干擾時，首先通過超短反饋將干擾信息反饋給生產設備自身的控制器，并由其調整分泌相應的激素（工藝參數）自行解決問題。如果自身不能處理，則通過類體液網絡將問題信息反饋給上級自治基元控制器，通過協調合作的方式進行處理。