一种集成柔性制造系统模拟的模拟方法

　　本文介绍了一种集成柔性制造系统的模拟方法

　　柔性制造系统(FMS)近年来在机械制造 行业中得到推广和应用，很多人将FMS定义 为加工系统在同一时刻内加工各种尺寸不同的 工件的能力。每个工件通常需要一系列机床的 不同操作;而每台机床通过相应的调整就能进 行不同的操作，可以说这就是FMS产生的基 础。但FMS同时又带有高度自动化和计算机 控制的特征，它要求系统能针对不同的需要作 出快速响应，所以FMS的研究常与制造费用、 等待时间、临时存货、高质量、高设备利用率联 系起来。 为使上述各方面达到最优的综合，需要一 个有效的设计和值得采纳的操作环境，以便于 FMS的实施;另一方面，由于系统的复杂性和 设备的昂贵，常使得FMS的设计、实施难以达 到预期的效果。所以，在建立一条FMS生产线 之前通常要进行FMS系统的模拟工作;同时， FMS模拟也常用于教学和科学研究，以达到加 快理论验证和节约费用等目的。

　　FMS一般由几个紧密联系的部分组成：机 床、机器人、自动引导小车(AGV)、刀具和托盘 等。怎样用计算机将它们协调地控制起来;同时 再加上一系列的信息，如：计划、调度指令、系统 设置、系统能力等，它们之间的关系非常复杂， 使得设计环境的复杂性远远大于系统本身。于 是，对于FMS模拟系统，设计者提出了两方面 的挑战：

　　·怎样处理系统中各部分和各种信息之间 的相互关系。

　　·怎样根据管理者的目标，基于上述信息， 建立一套可行的能够优化的操作控制指令。

　　一、传统模拟方法及其不足

　　传统的优化问题用数学方法，而FMS系 统的复杂性使得这种方法在简捷性和真实性两 方面产生了矛盾。这几年，一些研究者将精力转 向用计算机建模和辅助信息处理。这种方法通 过统计、实时跟踪等将FMS系统的复杂性和 真实性统一在FMS模型中。

　　这样，出现了FMS的各种模型。首先是各 种描述性的模型。这种模型使决策者很难进行 决策的产生、测试、选择和操作。这种模型在任 务的处理上需要大量的信息处理和解释。使决 策者不断地面临某一特定问题的求解和决策， 最终使得模型不实用。

　　近年来人们将FMS建模转向人工智能或 专家系统，如基于知识的、基于规则诊断的或基 于调度系统进行输出分析的。它们采取启发式 方法解决问题，提供了传统推理模型所具有的 描述能力，并提供输出评价和修正管理的自动 处理能力。

　　但这些人工智能模型或专家系统模型在模 型建立和模拟方面是分离的，同时其知识和推 理也是分离的，如图1所示。

　　如图 1所示，专家系统没有直接介入仿真 模型，导致了以下缺点：

　　(1)数据重复、仿真模型和专家系统间的 数据要经过转换。

　　(2)模型不灵活，特定模型是用特定语言 开发的，即模型的处理控制和模型的描述被结 合在一起，使模型的修改、扩展都不容易。

　　(3)基于模型的推理过程很难连续进行， 因为模型是分阶段确立的。

　　(4)维护代价高软件维护代价随着系统 中实体数目和接口数目的增加而急剧增加。

　　(5)不能自动保证全系统的一致性当由 —个模型转换到另一个模型时，需要改变匹配 关系，而这种修改通常是很困难的。

　　(6)模型的自动生成能力有限仿真模型 和专家系统之间的相互作用使得输入和输出文 件的参数有限，所以专家系统在模型构造时只 起有限的作用。它被迫处理已存在的模型结构， 而设计高度参数化和非常通用的模型对设计者 会增加额外负担，会导致复杂的模型。

　　这种仿真模型和专家系统的分离使得系统 效率低，带来建模系统和专家系统不能很好结 合的不足。模拟过程高度程序化，而描述知识是 结合各种算法的。同时专家系统却要求程序和 知识高度分离，这使得FMS的建模和模拟难 以成功地将模拟方法和人工智能结合起来。

　　二、智能模拟系统的集成理论

　　用集成和模拟解决上面的问题。将模型建 立、模拟、模拟输出评估和模型修正全部集成在 一个单一的环境中。这里主要是基于面向对象 的技术。实际上，它允许描述和程序同时存在， 并允许它们之间进行交互。

　　1.对象结构描述和FMS建模

　　基于面向对象的技术对FMS进行建模有 两个主要优点：

　　(1)对象与物理实体一致可以将模型中 的对象与系统中的实体建立一一对应的关系。 例如，赋值后的机器对应于单个的机器。这样对 大部分用户来说，溉使得建模过程可行、直观， 又使得基于模型的推理更加有效。图2是用对 象结构描述方法表示的一个机器对象的例子。

　　(2)系统的继承和模型的继承相一致实 际系统和模型间的高层映射关系可以在结构层 实现。见图3。制造系统可以高度继承，解决控 制问题的具体表示也可以继承。并且通过类的 延伸，这种继承在对象结构表示中也容易实现。

　　2.模拟系统设计

　　在面向对象的环境中，模型可以分离地进 行构造和操作。这里，就象实际系统一样，在模 拟时两个对象间只要传递消息即可。消息需要 由事件触发并排入事件队列。它可以及时地发 送到合适的对象，从而引起一系列活动。当然， 对象间的消息传递不仅仅局限于事件队列，两 事件间可直接传递消息。

　　系统执行情况可借助建立输出报告通过统 计方式进行估计。可检测整个系统的情况，如平 均物流时间、未完成工作数等。对单个实体，可 检测它们的属性，如机床利用率、平均队列长 度、等待时间、故障次数等。即使高层对象，如系 统对象、车间对象也可通过这种统计进行检测。

　　3.基于知识的控制系统设计

　　运用嵌入规则式控制，不需要独立的控制 模型，这种表示方法需要一套高级控制规则集， 可以与其它的规则集进行通信，每个规则集由 许多相关的规则组成，这些规则可以访问同一 个特殊的问题。每条规则都用带属性的实体表 示这些属性表示规则的先决条件、规则的排序 及行为方法，按照应用性每条规则被赋予不同 的优先级。每条规则只能由它所属的那个规则 集实体来访问。如图4所示。

　　首先由首级规则决定选择哪个规则集，随 后，测试该规则集的每条规则的应用性，一条优 先级最高的规则被选中(同一时刻只能激活一 条规则)。一个规则集可由许多子规则集组成。 这样，规则集内的任一层均可按这种方式构造。 可以证明，这种树型结构在缩小搜索范围，引导 搜索方向上非常有用。嵌入规则式控制特别适用于描述FMS设 计和控制知识，这种知识是高度结构化的，这种 多级表示方法如下：

　　FMS的通类：生产率;物流时间;设备利用 率;产品混批;投资费用;加工费用。

　　与生产率有关的问题：能力;原材料输入; 加工瓶颈。

　　与能力不足有关的问题：机床分配不够;设 备故障率高;传递设备速度慢;机床装夹零件时 间长;零件卸下时间长。

　　三、系统组成及模拟过程

　　集成的智能模拟系统由3个主要模块组 成，实际上它们是3个对象，即：建模对象、模型 模拟对象和模型评价对象。它们之间有适当的 通信，建模对象以输入知识库为基础，模型评价 对象以输出知识库为基础，同时这3个对象都 以模型库为基础。如图5。

　　1.模型生成

　　首先用户输入一组任务和目标，任务包括 零件类型、零件加工工艺、技术要求和与之相关 的消耗等;目标包括生产率、零件加工时间、机 床利用率、总费用等。这些信息作为建模对象的 属性，建模对象发出消息到输入知识库建立原 始模型。输入知识库含有建立FMS模型必要 的知识，它主要由粗略但合理的估计规则组成。 这些规则可由有实际经验的用户改变。例如估 计需要X型机床数量的规则如下：(假设100% 的设备利用率) x型机床数量= ∑[(零件j的生产率)×(在该机床上加工零件j所需时间)]

　　同样用类似的规则来估计需要AGV、托 盘、夹具等的数量和材料发放间隔时间等。同时 这些规则也负责生成系统中的每个实体，这是 通过已存在的类实现的，如经计算，系统需要4 台机床，那么通过已定义的“MACHINE”类来 创建4个机床对象，它们的属性被设置成期望 值。通过这种方法可以自动创建很复杂的模型。

　　零件加工路线是由两个队列来控制的，一 个是操作队列，它是由对某一机床按事先设定 好的该机床较经济的加工序列而产生的，它存 在于机床对象属性中;另一个是机床队列，是对 工件所需要机床加工的顺序而产生的，它存在 于工件对象属性中(为使系统中的各机床负载 相对平衡，各工件对象中可存入不止一个机床 队列，系统运行过程中选择最优的一个队列)。 如机床l可进行A、B、C3种操作，在机床1对 象的属性中，存在B、A、C操作队列(假设B、 A、C的顺序对机床l来说是最经济的)。零件j 需要机床l、机床2、机床4的加工(假设顺序为 1、4、2)，那么在零件j对象的属性中，存在1、4、 2机床队列。这样在模拟过程中，首先根据机床 队列零件j被分配到机床 l的零件加工队列 中，机床l根据B、A、C的操作顺序，从零件队 列中选择零件进行加工。这样做可使模拟系统 更富于柔性。

　　2.模拟

　　模型建立完成后，由建模对象向模型模拟 对象发出信息进入模拟阶段，这时，系统开始统 计生产率、零件流动时间、机床利用率、队列长 度、总费用等。模拟完成后，模型模拟对象向模 型评价对象发出开始评价信息，进入评价阶段。

　　3.评价

　　将统计得到的生产率、零件加工时间、机床 利用率、费用等与期望值比较，如达到目标则停 止，否则修改模型，重新模拟、评价。修改模型是 通过搜索输出知识库中的规则集进行的，寻求 最经济的一种方法。如提高生产率有4个规则：

　　增加原材料;减少原材料发放时间间隔;改 变操作队列;改变机床队列。

　　每个规则有一优先级与之对应，在这里，改 变操作队列的优先级最高，因为费用最低。

　　如果搜索所有的规则都不能使模型达到用 户目标，则停止模拟过程，提示用户放宽某些限 制。图6是集成智能模拟系统的控制流程。

　　四、结论

　　讨论了一种新的集成智能型FMS模型结 构，它的优点是效率高，将建模、模拟、评价过程 集成起来，并使这些过程能自动进行。希望通过 研究使之具体化，从而，能在实际的FMS系统 中得到应用。