可重構(gòu)制造系統(tǒng)的合弄控制結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

謝志余

XIE Zhi-yu

（蘇州大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，蘇州 215021）

1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)

目前，在企業(yè)中主要存在兩類制造系統(tǒng)，即專用制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)（FMS）。專用制造系統(tǒng)成本較低，能進(jìn)行多刀加工，故生產(chǎn)效率高，但沒有柔性，系統(tǒng)的軟件、硬件都是為特定零件而設(shè)計(jì)的，不能擴(kuò)展。柔性制造系統(tǒng)則具有軟件柔性，能控制固定的硬件設(shè)備完成眾多加工功能，及時(shí)響應(yīng)市場(chǎng)變化，但造價(jià)高、軟件冗余大，只能進(jìn)行單刀加工，生產(chǎn)效率較低。可重構(gòu)制造系統(tǒng)(reconfigurable manufacturing system,RMS)企圖綜合上述兩種制造系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，為響應(yīng)市場(chǎng)或不確定需求的突然變化，迅速調(diào)整出一個(gè)零件族內(nèi)的生產(chǎn)能力和功能，為快速改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及硬件和軟件組件而構(gòu)成一種可重構(gòu)制造系統(tǒng)。這種系統(tǒng)硬件、軟件均可重構(gòu)，可進(jìn)行多刀加工，系統(tǒng)造價(jià)適中，但硬件有冗余。由于可重構(gòu)制造各級(jí)組織充分利用資源，因此符合可持續(xù)制造策略。

為了解決這一問題，20世紀(jì)90年代中期，國外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)提出了可重構(gòu)制造的概念。同一般制造系統(tǒng)相比，RMS主要有以下3個(gè)特點(diǎn)：1）加工設(shè)備的模塊化結(jié)構(gòu)和開放式接口；2）機(jī)床布局及生產(chǎn)規(guī)模的可調(diào)整性；3）控制軟件和體系結(jié)構(gòu)的高度重構(gòu)性。然而，從理論和實(shí)際應(yīng)用中分析知道，要解決可重構(gòu)制造系統(tǒng)對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)性必須首先解決重構(gòu)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)問題及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)，因此，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局的研究是必須首先解決的關(guān)鍵問題。

2 RMS的控制結(jié)構(gòu)

制造系統(tǒng)主要有三種基本結(jié)構(gòu)形式：集中控制結(jié)構(gòu)(centralized form)、分層遞階控制結(jié)構(gòu)(proper hierarchical form)和協(xié)同控制結(jié)構(gòu)(heterarchical form)，如圖1所示。

圖1 基本的控制結(jié)構(gòu)形式

集中控制結(jié)構(gòu)具有設(shè)備投資少、易于全局優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，所以早期的控制系統(tǒng)大多采用這種結(jié)構(gòu)；但它同時(shí)也存在著可靠性低、響應(yīng)速度慢和可擴(kuò)展性不好等缺點(diǎn)。目前的控制結(jié)構(gòu)普遍采用分層遞階結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)方法上采用自頂而下的結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)技術(shù)。用這種結(jié)構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)大多為定制控制系統(tǒng)，當(dāng)控制系統(tǒng)的需求發(fā)生變化時(shí)，這種控制系統(tǒng)大多必須重新開發(fā)。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、柔性制造系統(tǒng)（FMS）大多采用這種結(jié)構(gòu)，這是目前FMS和CIMS在推廣應(yīng)用和進(jìn)一步研究開發(fā)遇到的主要問題之一。另外一種是協(xié)同控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)方法上大多采用面向?qū)ο蠡虼?Agent)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，雖然具有巨大的靈活性和可重組性，但它僅適應(yīng)用于需求變化大、具有足夠同構(gòu)資源的控制環(huán)境。由于這種控制結(jié)構(gòu)在這方面的限制，所以很少在控制系統(tǒng)中應(yīng)用。由此可見，上述各種控制結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)“可重組”的性能指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)“可重組”必須采用新的控制結(jié)構(gòu)。

在此，引入一種合弄監(jiān)控結(jié)構(gòu)（holarchy）。所謂合弄(holon)，它是指一種系統(tǒng)構(gòu)造單元，相對(duì)于其上層組層具有協(xié)作特性的部分，相對(duì)于其下層組織具有自律特性的整體；一個(gè)合弄可以是另一個(gè)合弄的一部分，同時(shí)又可以是由其它一些合弄組成的。

合弄結(jié)構(gòu)將遞階結(jié)構(gòu)和協(xié)同結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合在一起，體現(xiàn)在其控制的相對(duì)分散性和集中性上。集中控制是和遞階控制方式過于剛性，很容易突然失靈；則協(xié)同監(jiān)控結(jié)構(gòu)方式過于分散、缺少整體優(yōu)化性。在合弄控制中，由于合弄的相對(duì)自律性以及整個(gè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)的系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)制的存在，控制既是相對(duì)分散的，又是相對(duì)集中的，由所有合弄共享，在系統(tǒng)的每層上都存在有管理控制功能。

因此，以這種控制結(jié)構(gòu)形式的控制系統(tǒng)就像一個(gè)“魔方”，其功能組成單元就好像是魔方的一個(gè)個(gè)不同顏色的方塊，市場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)的需求就像人們要求的魔方的目標(biāo)，人們可以按市場(chǎng)需求重組控制系統(tǒng)各組成單元。控制系統(tǒng)中的每一個(gè)功能模塊既具有相對(duì)獨(dú)立性又和控制系統(tǒng)其它部分具有合作性，可隨時(shí)按市場(chǎng)需求構(gòu)成所需的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)可重組控制系統(tǒng)的目標(biāo)。

3 合弄控制結(jié)構(gòu)

合弄及其相關(guān)概念來自匈牙利記者Koestler對(duì)社會(huì)組織和生物組織中的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究。他發(fā)現(xiàn)絕對(duì)意義上的“整體”和“部分”在任何情況下是不存在的。Koestler將現(xiàn)實(shí)生活中具有“整體”、“部分”雙重特性的對(duì)象定義為holon，將其譯成合弄，既是音譯又是意譯。

同時(shí)，Koestler還將由合弄這種自相似單元組成的分層結(jié)構(gòu)定義為合弄結(jié)構(gòu)（Holarchy）。在該結(jié)構(gòu)中，合弄是一種系統(tǒng)構(gòu)造單元，相對(duì)于其下層組織則是具有自律特性的整體；一個(gè)合弄可以是另一個(gè)合弄的一部分，同時(shí)又可以是由其它一些合弄組成的。

合弄結(jié)構(gòu)將遞階結(jié)構(gòu)和協(xié)同結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)很好地結(jié)合在一起。一方面，合弄間相互協(xié)作以求達(dá)到全局目標(biāo)；另一方面，合弄又表現(xiàn)為是具有智能和自適應(yīng)特征的自律的、分布式的實(shí)體。例如，生物系統(tǒng)中的細(xì)胞，它既具有高度的自律性，又與其它細(xì)胞一起協(xié)商按照上一層組織的策略采取某種行動(dòng)。

因此，合弄結(jié)構(gòu)可以作為發(fā)展下一代制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的基本參考模型。以合弄結(jié)構(gòu)為參考模型，結(jié)合制造系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展，可以導(dǎo)出合弄控結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

合弄控制結(jié)構(gòu)由不同層次上的合弄構(gòu)成，從底層往上看，它是一種合弄結(jié)構(gòu)；從頂層往下看，它是一種分形結(jié)構(gòu)。每一層次上的合弄既是自控制者，又是執(zhí)行者，具有相對(duì)獨(dú)立性和穩(wěn)定性，不怕干擾的影響，遇到意外事件時(shí)可以自己處理而不必向上層請(qǐng)示；同時(shí)它又是一種中間形式，受上層合弄的控制，通過通迅網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中的其它合弄協(xié)商協(xié)作共同完成某項(xiàng)更大的任務(wù)。合弄的任務(wù)不是由自己確定的，而是來自上層和系統(tǒng)。但是，如何完成任務(wù)則取決于自己。

圖2 合弄控制結(jié)構(gòu)

4 合弄制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

合弄是一種具有自律特性和協(xié)作特性的制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元（積木塊），它在制造系統(tǒng)中用于對(duì)信息和||或物理對(duì)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和確認(rèn)。合弄通常包括一個(gè)信息處理部分和一個(gè)物理處理部分。一個(gè)合弄可以是另一個(gè)合弄的一部分。合弄制造系統(tǒng)集成了從訂單預(yù)定一直設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和打入市場(chǎng)在內(nèi)的所有制造活動(dòng)的、以實(shí)現(xiàn)敏捷制造為目的的合弄結(jié)構(gòu)。

合弄制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和特性可以用圖3加以說明。系統(tǒng)中制造單元之間的關(guān)系是以合弄之間的協(xié)商協(xié)作為基礎(chǔ)的。首先，信息合弄與客戶及制造系統(tǒng)協(xié)商，形成和提出客戶化的產(chǎn)品要求；接著，裝配合弄協(xié)商如何得到對(duì)象D和B；第三，制造合弄為了把A制造成D，協(xié)商如何得到A和所需要的工具；第四，裝配和制造合弄協(xié)商D的運(yùn)輸，裝配合弄在D和B到手后裝配成C，這時(shí)C變成為一個(gè)合弄（意味著它自身攜帶著關(guān)于其目的地的智能和知識(shí)）；最后，合弄C協(xié)商它自己如何運(yùn)到客戶那里去的運(yùn)輸。

而傳統(tǒng)的遞階制造系統(tǒng)中，如圖4所示。首先，客戶借助信息處理設(shè)施選擇標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品加一些選件；接著規(guī)劃控制系統(tǒng)安排對(duì)象A進(jìn)入，并命令加工設(shè)備把它轉(zhuǎn)換成對(duì)象D；第三，系統(tǒng)命令運(yùn)輸設(shè)備把D運(yùn)給裝配設(shè)備；第四，系統(tǒng)安排B進(jìn)入，并命令裝配設(shè)備把D和B裝配成C；最后，系統(tǒng)命令運(yùn)輸設(shè)備把C運(yùn)給客戶。

可以明顯看出，與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比，合弄制造系統(tǒng)在物理設(shè)施方面并不一定有什么不同，而主要不同的地方在于制造單元的特性和單元與單元之間的關(guān)系方面。在子系統(tǒng)層上，各制造單元是具有高度的自律性和智能性的合弄結(jié)構(gòu)；在系統(tǒng)層上，合弄系統(tǒng)表現(xiàn)為其單元間的協(xié)作和高度的柔性，系統(tǒng)單元間的關(guān)系和作用可以隨時(shí)變化；因此，花較少的投資亦可在現(xiàn)有制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)合弄制造系統(tǒng)。

圖3 合弄制造系統(tǒng)

圖4 傳統(tǒng)合弄制造系統(tǒng)

5 RMS的系統(tǒng)布局規(guī)劃

可重構(gòu)制造系統(tǒng)按照可重構(gòu)粒度可以分為：設(shè)備層和系統(tǒng)層。其中，設(shè)備層實(shí)現(xiàn)主要研究加工設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化能力，即未來機(jī)床應(yīng)能通過改變自身結(jié)構(gòu)，靈活完成多種任務(wù)；系統(tǒng)層實(shí)現(xiàn)主要研究如何保證加工系統(tǒng)能在不產(chǎn)生較大擾動(dòng)的情況下允許添加或減少設(shè)備，使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力，滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)的需求。

5.1 設(shè)備層

機(jī)床功能模塊合理劃分、模塊之間機(jī)械界面的標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)床可移動(dòng)性研究和基于軟構(gòu)件的設(shè)備層控制系統(tǒng)等。

5.1.1 機(jī)床功能模塊化合理劃分：

如何正確劃分功能模塊是可重構(gòu)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。合理的模塊化分可以簡(jiǎn)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備的重構(gòu)頻率，提高模塊之間的精度匹配。模塊應(yīng)具備確定的功能，過小、過大的模塊劃分都是不合適的，過小的模塊劃分將導(dǎo)致重構(gòu)頻繁發(fā)生，過大的模塊劃分將使設(shè)備的柔性受到極大的限制。

5.1.2 模塊之間機(jī)械界面的標(biāo)準(zhǔn)化：

只有各種模塊的界面標(biāo)準(zhǔn)化，可重構(gòu)制造系統(tǒng)才能得到廣泛應(yīng)用。其中包括：機(jī)械、液壓、潤(rùn)滑、冷卻、電控接頭。

5.1.3 機(jī)床可移動(dòng)性研究：

對(duì)于可重構(gòu)制造系統(tǒng)，由于工藝路線的變化，導(dǎo)致機(jī)床布局的重新調(diào)整是經(jīng)常發(fā)生的，因此可重構(gòu)制造系統(tǒng)的機(jī)床必須具有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)地基、能源等要求，重量較輕，調(diào)試容易。

5.1.4 基于軟構(gòu)件的設(shè)備層控制系統(tǒng)：

可重構(gòu)制造系統(tǒng)的機(jī)床由于生產(chǎn)任務(wù)的改變，需要經(jīng)常增加、減少模塊，其控制系統(tǒng)也應(yīng)該用模塊化的設(shè)計(jì)方法并應(yīng)用軟構(gòu)件的思想支持控制軟件重構(gòu)，允許應(yīng)用模塊方便地在控制系統(tǒng)中“插入和拔出”。

5.2 系統(tǒng)層

長(zhǎng)期的實(shí)踐表明，陣列式是實(shí)現(xiàn)RMS的高柔性和高效率特點(diǎn)的一種優(yōu)秀的布局方式，它是一種基于組態(tài)式制造單元（Configurational Manufacturing Cell,簡(jiǎn)稱CMC組成的陣列式布局的結(jié)構(gòu)體系如圖5所示。布局中每行為一個(gè)CMC單元，它是一個(gè)由符合工藝需要的加工設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成的最小自治化整體。CMC為具有合弄（Holon）特征的基本工藝單元，但其加工設(shè)備的類型和數(shù)量可根據(jù)產(chǎn)品族的不同進(jìn)行調(diào)整和重構(gòu)，因而開發(fā)面向?qū)ο蟮慕M態(tài)軟件進(jìn)行單元控制。根據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)量不同，可以并聯(lián)多組的CMC，各CMC間通過物流輸送系統(tǒng)耦合構(gòu)成所需的制造系統(tǒng)。

圖5 CMC（陣列布局）

圖6 AMC（復(fù)合并串聯(lián)布局）

由CMC陣列式布局構(gòu)成的制造系統(tǒng)與當(dāng)前歐美一些機(jī)床廠研發(fā)的并串聯(lián)復(fù)合布局的敏捷制造單元（AMC）如圖6所示，相比具有柔性更強(qiáng)、加工質(zhì)量變動(dòng)小、便于進(jìn)行生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制的特點(diǎn)。

6 結(jié)束語

動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)環(huán)境要求制造系統(tǒng)具有可重構(gòu)性，制造系統(tǒng)重構(gòu)實(shí)際上就是功能-資源重新映射的過程。可重構(gòu)制造系統(tǒng)作為新的制造模式，強(qiáng)調(diào)最大限度地利用現(xiàn)有資源對(duì)制造系統(tǒng)進(jìn)行快速重構(gòu)，以最低的成本獲得最高的效益，它與柔性制造系統(tǒng)并不矛盾，可以說是對(duì)柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展。

可重構(gòu)制造是一個(gè)涉及面極為廣闊的領(lǐng)域，可重構(gòu)制造技術(shù)的研究剛剛起步不久。今后在如下方面還需要進(jìn)行更深入的研究：1）可重構(gòu)制造系統(tǒng)的生命周期經(jīng)濟(jì)學(xué)建模。通過建模，對(duì)工藝裝備和生命周期成本以及系統(tǒng)投入等因素進(jìn)行研究，確定可重構(gòu)制造系統(tǒng)滿足產(chǎn)品需求范圍的最佳方案。2）對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)理論、方法和使用技術(shù)的研究。包括可重構(gòu)系統(tǒng)的可靠性理論，模塊化結(jié)構(gòu)與組件（控制器、硬件、軟件）設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用研究。3）在開放體系結(jié)構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行可重構(gòu)制造系統(tǒng)的可重構(gòu)控制器、系統(tǒng)管理程序的集成設(shè)計(jì)等。4）可重構(gòu)制造系統(tǒng)所依賴的支持技術(shù)的研究，如系統(tǒng)建模與仿真、可重構(gòu)制造系統(tǒng)通訊軟件、可重構(gòu)制造數(shù)據(jù)庫等。

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