基于CORBA-MAS的装配系统信息集成框架研究

严正峰，王　旭

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥　230009)



基于CORBA-MAS的装配系统信息集成框架研究

严正峰，王旭

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009)

针对产品装配过程中多源异构信息的集成问题，在分析产品装配过程信息组织形式的基础上，基于角色和功能对装配过程进行了分解，定义了制造单元映射、制造单元联盟和制造单元合并的信息集成分类模型，引入了公共对象请求代理体系结构(Common Object Request Broker Architecture, CORBA)和Agent技术，建立了MAS(Multi Agent System)系统，并在此基础上提出了基于CORBA-MAS的集成框架。通过建立MAS的协作模型，采用可扩展标记语言(XML)对信息进行表达和封装，有利于Agent之间的协作。基于上述理论开发了基于CORBA-MAS的资源信息集成原型系统，并成功应用于北京某汽车发动机装配车间，验证了该信息集成框架的可行性和有效性。

制造单元；装配过程；CORBA-MAS；信息集成

0　引言

随着全球市场竞争的加剧，面对瞬息万变的市场环境，企业决策层必须及时掌握生产现场的过程信息来合理分配资源。装配系统日益规模化、制造过程不确定因素随机多变，导致装配过程中的信息呈现多源、海量、多层次等特性，易形成信息孤岛导致信息流阻塞。信息集成通过同构化处理屏蔽了各异构数据间的差异，集成后的信息对用户来说是一致的、无差异的[1]。Carsten等[2]在分析数据源的基础上，建立了统一存取和集成的方法。McBurney和Omicini[3]提出基于智能体分布式数控系统。苗新刚等[4]针对复杂结构件装配系统进行了多Agent建模。张函等[5]提出了基于MAS的开放式数控软件。

以上研究主要在分析信息源的基础上研究了信息集成，但从制造单元这个基本生产主体进行信息集成方面研究的较少。本文在将MAS(Multi Agent System)和CORBA(Common Object Request Broker Architecture)技术进行了融合，提出了一种基于CORBA-MAS的信息集成框架。MAS适合解决动态、开放环境中的协作问题，Agent类似于分枝干，衔接各应用系统、制造单元的Agent，屏蔽了异构的系统。通过对象请求(Object Request Broker，ORB)发送请求服务，MAS的协作求解过程实现了资源信息的集成。该框架利用Agent技术来包装制造单元、应用子系统，保证了这些制造单元、应用子系统在集成过程中仍能保持原来的稳定性；使用XML来表示和封装不同单元、应用之间的交互信息，具有良好的跨平台性。

1　装配系统的制造单元分析

1.1装配系统的业务流程分析

装配系统作为产品生产过程中的最终执行者和实时信息的采集者，装配过程是决定发动机产品质量的重要工艺流程。产品装配过程信息如图1所示，从企业级资源管理系统(如ERP)中获取生产订单、出库单、物料BOM等信息；从车间级资源管理系统中获取物料消耗信息[6]；从装配流水线上采集各种过程信息以及订单完成进度等信息。前两类信息大部分属于异构信息，以结构化的形式存在于数据库中；而装配线上的实时信息大部分是非结构化或半结构化的信息，难以建立统一的信息模型[7]。生产现场实时性很强，需要根据流水线上动态的生产过程信息敏捷的做出响应，以提高生产效率。

图1　车间生产过程信息

1.2装配系统的制造单元分解

根据粒度大小的不同可以把装配线分成是多个组织单元，且不同的组织单元之间有一定的依赖关系，车间由装配线组成、装配线由若干个制造单元组成。将产品的装配任务进行分解，每个制造单元承担不同的装配任务。产品总成的分解包括基于功能和基于角色的分解，如图2所示。

图2　发动机整体分解关系图

基于功能的分解，可以将产品分解为多个子功能系统，如发动机可分为活塞连杆系统、连杆曲轴系统、电机系统等多子功能系统。基于角色可以将任务分解，得出由不同角色(如制造单元)的生产任务。

1.3制造单元的资源信息集成分类

分布在装配线上彼此独立的制造单元，它们之间必须建立一定的关联关系才能实现信息的集成。按照制造单元集成程度的不同，参考本体论中的本体集成分类方法，将制造单元集成分为制造单元映射、制造单元结盟和制造单元合并三类。上述三种形式的集成程度不同，单元映射属于松散集成、单元结盟属于关联集成、单元合并属于紧密集成，如图3所示。

图3　制造单元信息集成分类

定义1：制造单元映射(Manufacturing Unit Mapping, MUM)。制造单元映射指在不同制造单元之间根据生产关系建立连接，这些连接能够将两个或多个不同的制造单元的关系对应起来，在建立映射的过程中制造单元自身并不改变。制造单元映射对制造单元信息集成的程度较低，属于松散集成。

定义2：制造单元结盟(Manufacturing Unit Alignment, MUA)。制造单元结盟指不同的制造单元之间保持某种生产依赖关系，在建立映射的基础上可以实现不同制造单元之间的协调统一。制造单元结盟适用于原有应用不发生变化的情况，是独立运行的，协调关系可以通过接口形式体现。

定义3：制造单元合并(Manufacturing Unit Combining, MUC)。制造单元合并是将不同的制造单元合并为一个制造单元整体，集成程度高，可以集成了多个制造单元，屏蔽了制造单元间的异构性，适用于多个制造单元的集成，属于紧密集成的关系。

2　CORBA-MAS的信息集成框架

采用Agent分析方法，对不同区域制造单元、不同层次的应用子系统，可以选择不同的Agent。制造单元集成程度不同，依据制造单元信息集成分类模型，选择不同粒度的单元Agent和子系统Agent，当进行信息集成时，面对的是一个整体清晰大粒度的Agent系统[8]。多个Agent组成MAS，将请求和任务进行解析和分解，由Agent完成分解后的子任务。提出了基于CORBA-MAS的信息交互框架，该平台具有通讯效率高、可兼容性强、低耦合等特性，适合在动态、开放的环境下不同对象间进行海量数据的交互。将车间内的相关异构应用系统和制造单元的资源信息包装为Agent，通过建立应用Agent、控制Agent、集成Agent和协作Agent之间的通信机制，使得它们之间协调处理，实现企业车间信息资源的优化整合。

2.1装配系统信息集成需求

信息集成系统应满足：①信息集成不是制造单元、子系统之间的简单互连，而是为了支持装配系统正常运转所需信息的交互融合；②集成过程中不能影响子系统、制造单元的功能；③信息集成主要是针对原有子系统、制造单元功能的扩展和延伸[8]；④不能影响原有系统的功能。

2.2CORBA-MAS的装配系统信息集成框架

装配系统中分布在装配线上各个制造单元的设备、数据结构、工艺的不同导致松散耦合单元间的信息难以有效共享。信息集成框架目标是实现各制造单元、应用子系统的信息集成，保证集成后不影响原有制造单元、子系统的正常运行。基于CORBA-MAS的装配系统信息集成框架如图4所示。

图4　基于CORBA-MAS的装配系统信息集成框架

将信息集成问题转化为MAS的协作问题[10]，通过MAS的协作，构成了系统的群体活动实现了系统的整体功能，降低了信息集成难度、使得集成框架具有良好的可扩展性。

2.3MAS的协作模型

MAS包括：①应用Agent：实现用户对信息的访问；②控制Agent：管理制造单元和子系统的访问；③集成Agent：对信息进行分析处理；④协作Agent：管理Agent的活动。具体步骤如下：

Step 1：当某一子系统或制造单元因业务需求，向控制Agent发送请求；

Step 2：控制Agent收到请求后，通过ORB查找和定位该请求所标识的集成Agent；

Step 3： 集成Agent收到请求后进行解码，分解为若干制造单元可执行的子任务；

Step 4：分解后的子任务通过ORB向协作Agent请求提供句柄[9]；

Step 5：应用子系统或制造单元完成任务后反馈给协作Agent；

图7　基于制造单元的资源信息集成平台的实现

Step 6：集成Agent对句柄进行分析整理，并向控制Agent反馈结果；

Step 7：用户通过应用Agent实现对数据信息的访问；具体过程如图5所示。

图5　基于多Agent的协作模型

2.4MAS的通信机制

MAS进行协作的前提是畅通的通信机制，在信息集成框架中需要做出如下假设：

假设1：在车间信息交互框架中不同的Agent能够被唯一标识。

假设2：MAS内的通信协议要保持一致，而不同Agent间的通信语言可以是异构的。

KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)用于Agent间的通信。XML语言可以用来表示和交换数据，MAS采用KQML进行通信，XML既可用来表述通信的内容又可以用来封装消息，从而保证语义的一致性。用XML封装KQML消息的优点有：①降低了通信的复杂性；②有利于信息的交互；③有利于Agent之间的协作。MAS的通信如图6所示。

图6　MAS通信机制

当Agent A通过ORB向Agent B发送请求时将内容嵌入到KQML的内容层；经过XML解析/封装过程生成XML文档；通过KQML执行请求，如查询、连接其他应用等；输出的消息经过XML解析/封装过程生成XML文档，发送到通信接口。

3　平台的实现及应用

3.1平台的实现

基于上述研究，在北京某汽车厂构建了信息集成平台，如图7所示。

该集成平台采用基于.NET构架开发。上线单元产生唯一标记一台发动机的产品出生证，并和缸体二维码信息绑定；在后边的制造单元记录各个单元的装配信息并记录物料消耗信息。基于CORBA-MAS的信息集成框架对采集上来的源数据进行集成处理，得到目标数据。如：订单推进科可以根据现场生产情况调整计划；质量管理部门可以在线分析发动机的质量是否处于稳定状态；物管部门可以对车间的物料进行调整；设备管理科可以根据数据检测车间内的设备是否正常；总装部可以对车间不同生产线的装配过程进行可视化监控。

3.2平台的验证

通过课题组参与的实际项目，在北京某汽车发动机厂进行了验证，如图8所示。通过集成应用系统，可以实时查看车间设备的实际运行情况；在计划模块可以查看当前进行订单的信息；在质量分析模块可以对采集到的质量数据进行汇总处理，判断发动机质量是否处于稳定状态；工艺部门可以导入工艺路线；通过物料配送模块，可以查看当前物料消耗情况，当小于安全物料值时发出警报，物料配送部门根据缺料信息对现场进行配送。信息集成平台屏蔽了各制造单元异构数据间的差异，因此对不同层次的人员来说数据信息是统一无差异的，能够实现对企业资源进行统一调度和可视化监控。

图8　基于CORBA-MAS的资源信息集成平台应用

4　结束语

本文为了实现产品装配过程中异构信息的有效集成，建立了基于CORBA-MAS的资源信息集成框架。信息集成框架及平台的提出，将为实现企业制造技术、车间生产管理和企业信息技术的融合集成提供可行的

解决方案。通过课题组参与的实际项目，在北京某汽车厂构建了基于CORBA-MAS的资源信息集成平台，企业管理人员可以及时根据车间生产过程信息来及时调整资源，并合理分配，从而提高企业的市场响应能力。

[1] 杨先娣, 彭智勇, 刘君强, 等. 信息集成研究综述[J]. 计算机科学, 2006, 33(7): 55-59.

[2] Carsten Felden P , Johannes JakobBuder D. Integrated Information Supply for Decision Support in Grid Companies[J]. Business & Information Systems Engineering, 2012, 4(1):15-29.

[3] Mc Burney P, Omicini A.Editorial: Special issue on foundations, advanced topics and industrial perspectives of multi-agent systems[J]. Autonomous Agents and Multi-Agent Systems, 2008, 17:367-371.

[4] 苗新刚, 汪苏, 怀其武,等. 基于多Agent技术的复杂结构件自动装配系统[J]. 中国机械工程, 2011, 22(12)：1440-1443.

[5] 张函, 郭锐锋, 耿聪,等. 基于MAS技术的开放式数控系统软件体系结构的研究[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2011 (6):52-60.

[6] 王雨群. 离散型制造业生产过程管理系统研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2011.

[7] 童亮, 鄢萍, 刘飞. 面向服务的车间制造过程信息集成运行系统[J]. 计算机集成制造系统, 2010, 16(2): 340-348.

[8] 钱宇, 李相育, 李荷华,等. 基于XML和Agent的流程工业系统信息集成框架[J]. 计算机集成制造系统, 2005, 2(4).481-486.

[9] 屈新怀, 盛敏, 丁必荣. 基于Agent的汽车零部件循环取货模型[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2013(8):141-144.

[10]张勇, 刘飞. 网络化制造中车间层分布式数字控制系统信息集成框架研究[J]. 计算机集成制造系统, 2008, 14(4)：704-711.

(编辑李秀敏)

Information Integration Framework Research of Assembly System Based on CORBA-MAS

YAN Zheng-feng, WANG Xu

(School of Machinery and Automobile Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In order to integrate multi-source heterogeneous information effectively in the product assembly process, this paper analyzes the role and function of the assembly process based on the analysis of product assembly process information organization form. Then define the information integration classification model of manufacturing unit mapping, manufacturing unit alliances and manufacturing unit merging. This paper introduces Common Object Request Broker Architecture, CORBA and Agent technology, establishes MAS system ,on the basis of which, proposing integrated framework based on CORBA-MAS. Through establishing of the MAS collaboration model ,the paper uses Extensible Markup Language (XML) to express and package information, which is benefit to the collaboration between Agents. On the basis of the Theory above, the Paper develops a Resource information integration prototype system based on CORBA-MAS, applied to a Beijing automobile engine assembly plant successfully and verifies the feasibility and effectiveness of the information integration framework.

manufacturingunit; assembly process; CORBA-MAS; information integration

1001-2265(2015)11-0153-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.042

2014-12-29；

2015-02-02

严正峰(1969—)，男，湖北黄梅人，合肥工业大学教授，硕士研究生导师，研究方向为设施规划及优化，(E-mail)mryz@yeah.net；通讯作者：王旭(1990—)，男，宁夏中卫人，合肥工业大学硕士研究生，研究方向为制造过程监测与控制，(E-mail)wangxu640321@126.com。

TH166；TG506

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