基于MAS技术的开放式数控系统软件体系结构的研究

0 引言

　　数控系统具备高精度、高效率、柔性自动化等特征，是各种柔性制造系统的技术基础与核心控制单元。近年来，随着机械制造业生产规模的扩大与设备复杂度的增加，传统数控系统在并行处理及异构系统的集成、移植和伸缩性上都已无法满足现实需求。因此，如何设计能集成各种自动化加工设备的开放式数控系统便成为了研究的热点。

　　在对开放式数控系统的研究中，体系结构的研究应该放在首要位置上。对特定的系统，选择适当的体系结构，是保证该系统后续工作成功的关键。目前，国内外在开放式系统结构这个领域都开展了深入的研究，并提出了多种设计方法。这些方法大多从工程的角度考虑，对传统的设计方法提出了改进，并取得了一定得成果。但传统的设计方法对于数控系统并不适用，与一般系统相比数控系统不仅要求具备高性能、高适用性，而且还需要许多智能化技术，如加工运动规划、推理、决策能力，对加工环境的感知能力，智能监控及智能控制等。因此，必须从数控系统自身的特点出发，为其设计一种能满足高智能化特征的系统架构方法。

　　多智能体系统(MAS)由多个具有自主决策能力的独立智能体组成。其中每个独立智能体均是一个物理的或抽象的实体，不仅具有自主性、分布性及协调性等特点，而且具备知识学习、推理的能力，能作用于自身和周围环境，并通过与其他智能体进行通讯，协作完成具有分布式特征的任务。多智能体技术在异质网络、操作系统、机器、不同软件之问的任务协同、消息交换等方面表现极强的能力，将多智能体技术引入开放式数控系统的设计过程，不仅可以满足对系统集成能力、可移植性及扩展性的要求，而且可以增加数控系统的智能化程度。因此，利用多智能体技术进行开放式数控系统结构的设计是可行且合理的。

　　综上所述，本文提出了一种基于多智能体技术的分布式数控软件系统的体系结构和各功能智能体的实现方法，并对智能体的通信机制方法进行了相应的研究。

1 智能体与多智能体系统

　　1.1 智能体的概念

　　智能体是分布式人工智能领域的一个基本概念。智能体具有自主性、社会能力、反应性、推理性等特征。智能体由知识、目标和能力三个要素组成。其中，知识主要包括领域知识、通讯知识和控制知识等；目标可以根据变化情况分为静态目标和动态目标，目标可以通过算法编入或显示给定，也可通过通讯获得；能力可以显示地给定、学习或通过通讯获得，包括推理、决策和控制等。

　　1.2 多智能体系统的概念

　　多智能体系统是由多个独立智能体组成的集合，该系统可以协调一组智能体的行为，以协同地完成一个任务或求解问题。各独立智能体可以有同一个目标，也可以有多个相互作用的不同目标，它们不仅要共享有关问题求解方法的指示，而且要就单智能体间的协调过程进行推理。多智能体系统的结构从运行模式的角度可分为两种：

　　(1)集中式结构

由一个核心智能体和多个与之在结构上分散的、独立的协作智能体构成。核心智能体负责任务的动态分配与资源的动态调度，协调各协作智能体间的通信与资源共享，该类系统比较容易实现系统的管理、控制和调度；

　　(2)分布式结构

　　系统中各智能体彼此独立、完全平等、无逻辑上的主从关系，按特定的通信和协商机制确定各自的任务，协调各自的行为活动，实现资源、知识、信息和功能的共享，协作完成共同的任务，以达到整体目标，这种结构具有良好的封装性、容错性、开放性和可扩展性。

　　上述两种结构可根据实际需求进行选择，既可以独立使用，也可以采用两者结合的方式进行系统建模。

2 基于多智能体技术的开放式数控系统软件结构模型

　　2.1 开放式系统的定义和特征

　　IEEE对于开放式系统的定义如下：经过恰当实现的应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它系统的应用程序互操作，并且能够提供一致性的人机交互界面。由定义可知，开放式数控系统应该具有如下特征：

　　(1)模块化。在系统建模过程中，将其分解为逻辑上互相独立的模块，实现模块与功能之间的相互对应关系，并为每个模块提供统一标准的接口，利用少量模块的多种组合形式进行产品开发，这样既能能够为用户在硬件选择上提供更大的自由度，又能满足用户的多样化和层次化的要求。

　　(2)可移植性。系统对各功能接口的数据格式、行为模式、通讯方式和交互机制进行统一规定，令用户可根据自身的要求选择适当的软件。使用户拥有更大的自由空间，也增加了系统的适用性和可操作性。

　　(3)可伸缩性。可伸缩性指系统的功能、规模应该是灵活的、可变的，可根据实际需求增加硬件配置或软件模块来对系统的功能进行扩展，也可以裁减其功能以适应低端的应用。

　　上述特征只是开放式系统的基本要求，针对不同的系统，设计的需求也会相应增加。开放式数控系统属于智能化柔性制造系统，在其设计过程中不仅需要满足上述基本特征，同时也要满足其智能化的需求，下面阐述开放式数控系统建模方法。

　　2.2 基于多智能体技术的数控系统软件结构的总体设计

　　为了使数控系统符合开放式系统的要求，并从体系结构上保证其开放性和可重构性，则应在系统设计过程中将其决策和控制任务作为一个统一整体对待，从运行机制、基础算法方面等保证系统与开放式结构的协调性。将多智能体技术引人开放式数控系统的建模，不仅可以满足开放式系统的模块化需求，且具有更好的独立性，协调性和可重构性，并能满足系统的智能化需求。

　　通过对数控系统运行过程的分析及对其功能模块的划分，本文提出基于多智能体技术的开放式数控系统的总体结构设计，整个系统由8种不同的智能体组成，采用集中式结构进行设计，并通过特定的协商和通信机制来共同完成加工任务，系统结构如图1所示。

图1多智能体系统结构图