• ISSN 0258-2724
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元模型驱动的柔性作业车间具身智能体及其调度系统构建

胡明珠 张维维 张剑 张海柱

胡明珠, 张维维, 张剑, 张海柱. 元模型驱动的柔性作业车间具身智能体及其调度系统构建[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240562
引用本文: 胡明珠, 张维维, 张剑, 张海柱. 元模型驱动的柔性作业车间具身智能体及其调度系统构建[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240562
HU Mingzhu, ZHANG Weiwei, ZHANG Jian, ZHANG Haizhu. Metamodel-Driven Flexible Job Shop Embodied Agent and Its Scheduling System Construction[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240562
Citation: HU Mingzhu, ZHANG Weiwei, ZHANG Jian, ZHANG Haizhu. Metamodel-Driven Flexible Job Shop Embodied Agent and Its Scheduling System Construction[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240562

元模型驱动的柔性作业车间具身智能体及其调度系统构建

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20240562
基金项目: 国家自然科学基金项目(52575315);四川省重大科技专项资助项目(2022ZDZX0002)
详细信息
    作者简介:

    胡明珠(1998—),男,博士研究生,研究方向为智能制造,E-mail:swjtu_humz@163.com

    通讯作者:

    张海柱(1989—),男,副教授,博士,研究方向为数字化设计与制造,E-mail: zhanghaizhu@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP278

Metamodel-Driven Flexible Job Shop Embodied Agent and Its Scheduling System Construction

  • 摘要:

    为提高柔性作业车间调度系统在扰动事件发生时的稳定性与响应效率,实现基于具身智能体的柔性作业车间多智能协同调度方法,首先,根据柔性作业车间调度问题特点,通过对具身智能体的构成要素、关系及属性的分析与抽象,提出柔性作业车间具身调度智能体元模型,实现具身调度智能体的统一建模;然后,在对元模型实例化后,设计分布式多智能体调度策略集合,构建具身多智能体调度系统,并结合Q博弈协商机制实现了多智能体的协同调度;最后,以某小型结构件车间为例,与现有多智能体调度方法进行对比. 研究结果表明:在新订单到达和机器故障扰动下,调度方案稳定性分别平均提高42.75%和42.88%,智能体间通讯量分别平均减少58.33%和62.5%,计算响应时间分别平均减少32.27%和33.28%.

     

  • 图 1  FJSESA元模型构建与应用

    Figure 1.  Construction and application of FJSESA metamodel

    图 2  FJSESA元模型视图

    Figure 2.  Metamodel of FJSESA

    图 3  基于服务单元的柔性作业车间具身多智能体调度系统

    Figure 3.  Embodied multi-agent scheduling system based on service unit

    图 4  案例1车间构成与布局

    Figure 4.  Workshop composition and layout in Case 1

    图 5  案例2车间构成与布局

    Figure 5.  Workshop composition and layout in Case 2

    图 6  AGV具身智能体

    Figure 6.  AGV embodied agent

    图 7  平均信息交互次数对比

    Figure 7.  Comparison of average information interaction times

    图 8  平均信息传输时间对比

    Figure 8.  Comparison of average information transmission time

    图 9  完工时间对比

    Figure 9.  Comparison of makespan

    图 10  计算响应时间对比

    Figure 10.  Comparison of respond time

    表  1  具身调度智能体与非具身智能体对比

    Table  1.   Differences of embodied agents and non-embodied agents

    类型定义与结构形态状态获取方式调度方案生成策略
    具身调度智能体 集成物理载体、与物理世界直接交互的智能体 与物理实体集成,实时感知/反馈,直接与物理设备交互 扰动事件发生时智能体通过主动决策的方式,动态调整自身行为、任务执行顺序等,系统稳定性强
    非具身调度智能体 通常指软件层面的智能系统,没有物理实体或无直接与物理空间进行交互能力[13] 与信息系统交互感知/反馈,无法直接与物理空间交互 扰动事件发生后直接在全局/局部范围内进行重协商,依据运行状态数据被动决策,无个体调度方案调整能力
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    表  2  智能体分布式策略集合

    Table  2.   Distributed policy set of agents

    智能体 策略特点 策略名称 描述
    车间智能体  可直接获得订单全部信息 ATP 最早到达的工件优先
    HUP 紧急度最高的工件优先
    RPP 剩余代加工工序最多的优先
    EDP 交付期最早的工件优先
    服务单元智能体  可直接获得机器运行状态信息 STP 加工时间最短的机器优先
    LRP 负载率最低的机器优先
    SQP 剩余加工任务最少的机器优先
    SWP 等待时间最短的机器优先
    原子单元智能体  可直接获得机器已分配任务执行/未执行状态信息 TPX 随机选择队列/可选动作中的 2 个不相邻工序/动作进行交换
    PFI  在任务队列/可选动作集合中随机选择 2 个工序/动作,将后一个工序/动作插入到另一个之前
    NBE 随机选择任务队列/可选动作中相邻的 2 个工序/动作进行交换
    HSE 将任务队列/可选动作分成 2 个等长的部分进行交换
    SQI 随机选择任务队列/可选动作中的一段任务/动作进行逆序反转
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    表  3  案例1工件加工时间信息

    Table  3.   Processing time information of jobs in Case 1 min

    工件号 工序号 CMU1 CMU2 工件号 工序号 CMU1 CMU2
    MU1 MU2 MU3 MU4 MU5 MU6 MU1 MU2 MU3 MU4 MU5 MU6
    J1 O11 3 3 5 J11 O111 5 3 5
    O12 8 3 9 O112 7 7 7
    J2 O21 5 7 3 J12 O121 5 7 3
    O22 2 6 7 O122 2 6 7
    J3 O31 5 6 5 J13 O131 7 6 5
    O32 4 8 9 O132 4 8 9
    J4 O41 7 5 8 J14 O141 7 5 6
    O42 8 6 5 O142 8 6 5
    J5 O51 5 7 6 J15 O151 8 8 6
    O52 5 5 5 O152 5 5 5
    J6 O61 7 4 4 J16 O161 3 3 5
    O62 7 9 9 O162 8 3 9
    J7 O71 5 6 5 J17 O171 5 7 3
    O72 8 3 9 O172 2 6 7
    J8 O81 4 5 3 J18 O181 5 6 5
    O82 2 6 7 O182 4 8 9
    J9 O91 7 6 9 J19 O191 7 5 8
    O92 8 8 9 O192 8 6 5
    J10 O101 5 8 6 J20 O201 5 7 6
    O102 5 6 6 O202 5 5 5
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    表  4  案例2工件加工时间信息

    Table  4.   Processing time information of jobs in Case 2 min

    工件号 工序号 CMU1 CMU2 CMU3
    MU1 MU2 MU3 MU4 MU5 MU6
    1 O11 3 3 5
    O12 8 3
    O13 3
    2 O21 5 7 3
    O22 2 6
    O23 3
    3 O31 5 6
    O32 4 8 9
    O33 3
    4 O41 8 6
    O42 7 5 8
    O43 3
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    表  5  案例1智能体构成

    Table  5.   Agent composition of Case 1

    智能体 物理实体 通讯交互 单元行为 分析决策
    仓储原子单元智能体 立库、堆垛机、传送带  交互信息{X=1;Y=1;Z=0;HW=1;$\cdots $}  执行动作{X轴移动;Y轴移动;料叉取货;$\cdots $}  决策指令{X_1-9;Y_1-9;Z_1-2;$\cdots $}
     视觉检测原则单元智能体  3D 摄像头、2D 摄像头、传送带  交互信息{CN=1;tp=1;}  执行动作{传送带启动;拍照}  决策指令{CN_S;CN_E;tp}
    AGV 原子单元智能体  驱动装置、位置识别装置等  交互信息{L=1,1,E=R;$\cdots $}  执行动作{从1,1点向2,2 移动;运行中$\cdots $}  决策指令{NC=1,1-2,2;E_R$\cdots $}
    五轴原子单元智能体  数控机床驱动装置、进给装置等  交互信息{a1=1;b1=0;W=O;=$\cdots $}  执行动作{粗铣 a1 程序启动;粗车 b1 程序准备;安全门开;$\cdots $}  决策指令{NC_a1;NC_b1_S;D_O;$\cdots $}
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    表  6  案例2主要智能体构成

    Table  6.   Main agent composition of Case 2

    智能体 物理实体 通讯交互 单元行为 分析决策
     转运机械手原子单元智能体  驱动装置、夹取装置等  交互信息{1_X;0_Y;2_Z;Q=1$\cdots $}  执行动作{从1,0,0向2,0,0移动;机械手抓取;$\cdots $}  决策指令{1,1,0-2,2,0; ZQ_1;$\cdots $}
     雕刻机原子单元智能体  切削装置、进给装置等 交互信息{a2=1;b2=0;$\cdots $}  执行动作{执行雕刻 a2 程序;雕刻 b2 程序准备;$\cdots $}  决策指令{NC_a2;NC_b2_S;$\cdots $}
     传送带原子单元智能体  驱动电机、位置传感装置等 交互信息{CN=1;E=1;$\cdots $}  执行动作{传送带启动;传送带停止;点位 1 顶升}  决策指令{CN_S; CN_E; 1_DS;$\cdots $}
     激光打标原子单元智能体  数控机床驱动装置、进给装置等 交互信息{a3=1;b3=0;$\cdots $}  执行动作{执行打标程序 a3;打标 b3 程序就绪;$\cdots $}  决策指令{NC_a3_1;NC_b3_0;$\cdots $}
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    表  7  新订单到达运行结果对比

    Table  7.   Comparison of operation results of new job arrival

    类型 $ {P_{e}} $ $ {T_{{\mathrm{ave}}}} $/次 $ {L_{{\mathrm{ave}}}} $/ms
    案例 1 案例 2 案例 1 案例 2 案例 1 案例 2
    SU-MAS 0.486 0.525 16.5 6 184.17 95.26
    ESU-MAS 0.235 0.347 5.5 3 104.17 65.63
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    表  8  机器故障运行结果对比

    Table  8.   Comparison of operation results of machine failure

    类型 $ {P_{e}} $ $ {T_{{\mathrm{ave}}}} $/次 $ {L_{{\mathrm{ave}}}} $/ms
    案例 1 案例 2 案例 1 案例 2 案例 1 案例 2
    SU-MAS 0.1180 0.204 12 6.0 156.25 75.33
    ESU-MAS 0.0625 0.125 3 1.5 89.75 57.25
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    表  9  多智能体协商调度方法对比

    Table  9.   Comparison with multi-agent scheduling methods

    算例 规模 BKS NAM NIMASS EG GATS-HM ESU-MAS
    MK01 10 × 6 39 40 40 40 42 40
    MK02 10 × 6 26 28 28 32 32 27
    MK03 15 × 8 204 204 204 211 211 204
    MK04 15 × 8 65 66 65 67 81 66
    MK05 15 × 4 171 179 177 188 186 171
    MK06 10 × 15 61 66 67 85 86 62
    MK07 20 × 5 144 149 144 154 157 145
    MK08 20 × 10 523 523 523 523 523 523
    MK09 20 × 10 307 312 312 337 369 307
    MK10 20 × 15 229 235 229 280 296 235
    KM01 4 × 5 11 11 11 11 11
    KM02 8 × 8 14 14 14 14 14 14
    KM03 10 × 7 11 11 11 11 11
    KM04 10 × 10 7 7 7 7 7 7
    KM05 15 × 10 11 11 11 12 11 12
    相对误差RE 32.4 28.3 129.5 167.1 21.9
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-11-01
  • 修回日期:  2024-12-12
  • 网络出版日期:  2025-11-13

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