基于MAS的造船企業生產現場協同管理模型

王志英，刁雅靜，任 南

(江蘇科技大學經濟管理學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

船舶工業產業關聯度大，在國民經濟和國防建設中發揮著重要作用。2011年，我國船舶工業三大指標造船完工量、新接訂單量和手持訂單量以載重噸計分別在6800萬噸、3700萬噸和1.6億噸左右，繼續居全球首位［1］。“十二五”期間是我國船舶工業加快轉型升級、實現由“大”變“強”的關鍵時期。造船強國主要表現在技術與管理上，而我國船舶工業盡管在總量和規模上是世界第一，但與發達國家相比，還不是造船強國。我國造船業和日、韓相比勞動力成本優勢明顯，但造船效率并不高，管理水平還有待大幅提升，突出表現在造船生產管理方面。在造船生產管理領域，基本處于以粗放式調度型為主的傳統模式，信息技術應用不足，“信息孤島”現象嚴重，信息集成性差［2］。由于造船系統的復雜性，涉及中間產品多，導致造船生產現場組織管理難度較大，生產管理部門缺乏數據管理的積極性和主動性，生產現場不能收集到規范的反饋信息，設計部門不能提供系統完整的生產管理數據。而造船生產現場管理具有非辦公場所、調度性、范圍和屬性廣泛等管理特點，針對我國造船企業生產現場管理的信息化應用一直是個盲區［3］。這就有必要建立造船生產現場協同管理模型及平臺以有效收集、傳達、處理、利用造船生產現場的各類信息。

1 采用MAS建模造船生產現場管理問題的可行性

多Agent系統 (multi-agent system，MAS)技術的應用研究近年來呈現明顯增長的趨勢，在復雜系統的開發和實現中起到的作用越來越重要。MAS是一個松散耦合的Agent網絡，是指由多個可執行網絡計算 Agent組成的集合［4－5］。在網絡與分布式環境下，每個Agent是獨立自主的，能作用于自身和環境，能對環境的變化做出反應，更重要的是與其他Agent通信、交互，彼此協同工作，完成共同的任務。多個Agent通過相互協作能解決超過單個Agent能力的問題。該系統能模擬人類社會團體、大型組織機構的群體工作，并運用其解決問題的工作方式，解決共同關心的復雜問題［6］。

造船生產現場管理是指用科學的標準和方法對造船生產現場各要素進行合理有效的協調和利用，在保證造船周期和質量的前提下實現造船企業利潤最大化，造船企業生產現場是分布、動態、規模龐大的系統，具有廣泛性、復雜性和開放性，正好利用MAS之間自治、相互協作的關系來完成造船生產現場復雜的管理問題建模。因為Agent能夠靈活地與外界進行交互作用，當問題領域涉及大量不同的數據資源時而這些資源在物理或邏輯上又是分布的，并且需要相互協作以解決公共問題時，Agent技術是一種有效的選擇。Agent的表示方式清晰易懂，其功能和名稱用以反映用戶的偏好，并代表用戶與其他Agent進行交互。

所以，將MAS技術引入到造船企業生產現場系統的建模中，利用MAS的協作、存儲、智能性、自治性、社會性、主動性，使造船生產現場管理系統功能模塊和各要素通過Agent的協作來完成整個造船生產現場的管理，為造船現場復雜、龐大的業務管理提供強有力的抽象工具和解決方案，實現造船生產現場系統的分布式并行運行，為決策者提供實時現場控制和決策支持，提高造船企業生產管理效率。

2 基于MAS的造船生產現場協同管理模型

基于以上背景和可行性分析，下面給出基于MAS的造船企業生產現場協同管理模型，如圖1所示。根據Agent在造船生產現場中的角色將MAS分為決策支持Agent、現場協調Agent、功能Agent等。通過造船生產現場元數據的支持，各Agent相互協作，實現造船生產現場業務、流程、管理、信息的集成和協同。

圖1 基于MAS的造船生產現場協同管理模型Fig.1 Collaborative management model of shipbuilding production site based on MAS

2.1 造船生產現場元數據集提取

造船生產現場管理所涉及到的管理要素多而復雜，要捕捉造船生產現場全面的管理特點與需求，就要基于系統的思想整理生產現場的基礎資源。在總裝造船作業主流程的基礎上，造船生產現場元數據可按殼(船體建造作業)、舾(舾裝作業)、涂(涂裝作業)進行分類提取，按工藝流程、工序、工位細化的原則確定基本數據采集點，明確各采集點的元數據類別。在此基礎上對造船生產現場管理的業務邏輯、職能、過程、活動進行深入分析，構建造船生產現場管理要素元數據集，為造船生產管理Agent的創建作鋪墊，也是實現造船設計、生產、管理、信息一體化，優化資源配置的前提。

2.2 設計造船生產現場Agent

造船生產現場管理MAS中的各個Agent具有通用的Agent結構，分別承擔不同的角色，獨立工作又互相協作，所以，各個Agent具有不同的功能。Agent的設計就是確定造船生產現場Agent的組成，界定各Agent的任務，確定各Agent感知信息和影響內部狀態的方式。設計的Agent要能模擬造船生產現場全過程及其資源影響，能達到模型重用、任務分配與分解、功能協調與協商的目的。限于篇幅，僅介紹造船生產現場MAS中的3種典型Agent的設計。

1)造船生產現場管理功能Agent設計

造船生產現場管理功能Agent的設計要符合造船生產現場管理系統一定范圍內的任務需求。功能Agent一般設計為反應式，被動地激活后去完成協調Agent分配的任務。以造船生產現場托盤管理Agent為例進行Agent的功能說明。托盤管理Agent的主要任務是負責舾裝件的集中配套工作，按照托盤集配計劃的要求，以托盤管理表為依據，從各種渠道將舾裝件領運到集配中心進行配盤。由于舾裝件的生產渠道復雜、種類多，托盤管理Agent還負責將各種舾裝件的生產信息、到貨情況通過MAS公共通信控制系統反饋給協調Agent，同時將各種采購的舾裝件的納期通過MAS公共通信控制系統反饋給采購部門，滿足集配及生產的要求。

2)造船現場協調Agent設計

協調Agent是整個造船生產現場管理系統的核心，它的主要功能是通過會話Agent和現場管理決策者通信，根據自身知識庫和協作的原則把任務分解成各種適合功能Agent完成的子任務，并通過招標將子任務分配給最適合的造船生產現場功能Agent，直接或者間接地控制著系統中的所有其他Agent。在具體實現中，協調Agent應該設計成具有感知、意圖、信念、能力和學習的主動Agent。造船生產現場管理系統協調Agent根據現場管理人員的需求，確定任務類型，充分利用生產現場管理元數據集將現場管理任務分解，發送現場管理數據和控制信息，將現場管理的子任務分配給其他Agent，等著接收任務Agent反饋回來的信息，綜合結果后再反饋給現場管理人員。

3)界面Agent設計

界面Agent是造船生產現場管理系統的重要組成部分，現場管理人員通過人機界面Agent了解生產信息和輔助決策信息，同時下達任務要求，不同管理人員的需求、偏好以及對信息的需求種類不同，智能的人機界面Agent應該能夠提供有針對性的頁面將信息以易于接受的方式傳遞給決策者。界面Agent的主要功能是提供個性化的、智能的生產現場管理人員界面，接受現場管理人員的任務下達和信息需求，并細化信息獲取需求，將生產現場管理人員需要的信息呈現出來。

3 造船生產現場MAS的協調機制

MAS中的多個Agent間協調方式有多種，鑒于造船生產現場管理特點的需求，本文采用合同網協商機制進行協調。合同網是許多節點的集合，其中每個節點充當管理者或執行者，管理者、執行者是動態產生的，其身份也可互換。造船生產現場調度管理MAS的協調過程如圖2所示。

圖2 造船生產現場MAS的協調機制Fig.2 MAS Coordination mechanism of shipbuilding production site

現場調度MAS的協作過程是由現場協調Agent根據委托任務隊列中任務的性質來建立的。當造船生產現場管理人員需要調度方案時，向界面Agent提出任務請求，任務請求信息包括任務詳細描述、準許的完成期限、完成質量要求、投標截止時間等內容，界面Agent將任務發送給現場協調Agent去尋找現場調度方案Agent，調度方案Agent監聽任務發布信息做出選擇并發出標書，每個接到競標信息的Agent根據自身狀態和造船現場管理元數據信息，對收到的任務信息進行評估競標，當任務的投標截止期結束，現場協調Agent根據調度方案Agent的投標情況挑選出最好的標值，并把此項調度任務加入任務隊列中，準備操作，在適當的時間執行現場調度任務。現場協調Agent對調度任務準備、執行過程進行監控，在任務準備、執行過程中如出現異常則主動向控制Agent報告，控制Agent進行協商處理或返回重新安排現場協調Agent發標。在MAS的協作過程中要平衡造船生產現場各Agent之間的地位，避免通信瓶頸。

4 模型的平臺架構

與信息技術相結合，構建基于MAS的造船生產現場協同管理平臺架構。由于造船生產現場所涉及的管理要素、制造資源眾多，調度頻繁，所以該平臺架構要滿足可重構、開放、集成、共享、分布等要求，同時還要滿足造船生產現場數據實時采集、存儲和標準化等關鍵問題。平臺架構如圖3所示。系統的開發采用Java語言，用Java API進行數據庫編程，采用JDBC－ODBC橋接驅動程序進行數據庫連接，后臺數據庫采用SQLServer 2005。

圖3 模型的平臺架構Fig.3 Platform architecture of the model

5 結語

本文將MAS與信息技術相結合用在造船生產現場管理領域，指導造船企業生產管理軟件和制造執行軟件的開發，推進現代化造船企業生產現場管理信息化的應用。通過MAS模型連通造船生產現場與造船企業計算機管理系統，實現各級數據的動態采集、傳送、無縫連接與共享，前后貫通整個造船生產線，使造船生產現場的各類信息流動、共享、協作，使造船生產現場系統在動態多變的環境中具有自適應能力，實現造船企業資源的合理配置和有效利用，從而使造船企業管理高效化，控制最優化，提升造船生產管理水平，這有助于實踐上為實現造船“設計、生產、管理、信息一體化”奠定基礎，促進船舶工業的快速發展。

［1］http://investment.heshan.gov.cn/waijingmao/ShowArticle.asp?ArticleID=690，2012－02－02/2012－02－06.

［2］王平，任南，潘燕華，葛世倫.船舶集成制造管理理論與方法［M］.北京:科學出版社，2010.WANG Ping，REN Nan，PAN Yan-hua，GE Shi-lun.The theory and method ofship integrated manufacturing management［M］.Beijing:Science Press，2010.

［3］孫曉軍.造船生產現場管理的信息化應用方向［J］.艦船科學技術，2009，3(11):3 －6.SUN Xiao-jun.A direction of informationization of shipbuilding field management［J］.Ship Science and Technology，2009，31(11):3 －6.

［4］史忠植，王文杰.人工智能［M］.北京:國防工業出版社，2007.SHI Zhong-zhi，WANG Wen-jie.Artificial intelligence［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2007.

［5］趙東，柳存根.基于MAS的造船調度系統研究［J］.江蘇科技大學學報(自然科學版)，2010，24(1):23－26.ZHAO Dong，LIU Cun-gen.MAS-based shipbuilding scheduling system［J］.Journal of Jiangsu University of Science and Technology:Natural Science Edition，2010，24(1):23－26.

［6］毛新軍.面向Agent軟件工程:現狀、挑戰與展望［J］.計算機科學，2011，38(1):1 －7.MAO Xin-jun.State-of-the-art，challenges and perspectives of agent-oriented software engineering［J］.Computer Science，2011，38(1):1 －7.