基于数字化人的柔性制造系统的研究

曹 斌 张 娟 董伯麟 王治森

（①合肥工业大学工业培训中心，安徽合肥230601;②合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）标志着传统的机械制造行业进入了一个发展变革的新时代，它不仅提高了劳动生产率，降低了生产成本，而且克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出对多品种、小批量生产制造自动化的适应能力，满足了社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期的要求。尽管FMS有许多优点，但是工业实践已经证明发展FMS也有很多困难，这是因为［1］:

（1）传统FMS中加工设备是数控机床或加工中心，但现实的情况是无论企业大小，车间中除了少数的数控机床，大部分还是与数字化无缘的普通设备。因此难于及时收集数据，造成车间信息化的盲区。

（2）FMS是自动化制造系统，数字化和信息化是实现信息集成的关键。而建设有线网络需要破墙掘地、穿线架管，费时费力，因此，除非设计和建造新的车间，否则很难在现有的生产现场进行有线网络的布线联网。

（3）车间本身是一个不确定型系统，其中存在着大量随机的、不确定性事件及非常规信息，信息的传递和处理过程需要十分灵活，而FMS是一种无人化的全自动化生产模式，它是建立在确定型系统概念之上的，一切依赖于计算机控制，排斥了人的参与。因此，面对随机扰动，系统的灵活性和可靠性很难得到保证。

综上所述，传统的FMS单纯依靠计算机和自动化技术，排斥了人的参与，导致系统的“智能代价”很高［2］，鲁棒性、可靠性较低。人是构成生产力的第一要素，同时也是最活跃的要素，人在生产活动中具有巨大的灵活性［3］。在现实的FMS中，必须树立以人为核心的理念，建立“人机一体化系统”［4－5］。这种人机一体化FMS应该是基于移动计算的、充分发挥“人的智能”与“机器智能”的人机协同制造模式，由于“人的智能”，普通机床也能灵活组配到FMS中来。

1 人机协同的FMS整体方案

人机协同的FMS可行的最佳模式是把移动计算技术引进来，人能够通过无线网络随时随地加入车间数字化制造环境，获取信息并根据形象思维和经验作出判断，并与基于精确推理和快速数据处理的机器智能无缝地结合起来，实现灵活快捷的最佳决策，从而有效地进行车间管理和生产控制。

1.1 数字化人基本理论

数字化人［6］是一种具备了移动计算功能的人，即自然人与移动设备的结合。它扩展了人的信息获取能力，为人增加了原来没有的数字化通道，使人能够加入到数字化系统运行当中去;同时，移动智能计算设备的高速计算能力、逻辑推理能力、海量存储能力与人脑的形象思维等人类所特有的能力相结合，在保持人的自然性的同时，延伸人的信息处理能力;同时，由于移动技术的特点，自然人可以随时随地接入到数字系统中，保持了人的高度灵活移动性。图1所示为数字化人与环境的交互。可见，数字化人的引入，不仅可以使人与人之间通过移动数字通道进行数据信息交互，提高人与人的交互能力，而且它将传统FMS的结构改变为数字化人－机协同系统（如图2），大大地提高了车间组织结构的灵活性。数字化人概念的提出为人机协同制造模式奠定了基础。

1.2 基于数字化人的FMS的结构

在现实的制造环境下，通过引入数字化人的概念，将人作为重要环节引入数字化制造环境中去，形成以人为中心、以计算机和移动技术为核心、以各种先进制造技术为载体的人机协同FMS。这种新型FMS具有较高程度的集成智能，通过无线移动网络，能感知车间内外部环境的变化并自动处理信息;自身的结构能自我调整以适应制造环境的变化，使车间系统能够动态地快速重构，响应制造环境的变化［7］。图3所示为基于数字化人的人机协同制造车间的总体结构，图4是基于数字化人的FMS结构。

基于数字化人的FMS是一个以移动数控、移动计算、自组网等核心技术为基础的人机协同数字化制造系统。在正常生产条件下，人机协同FMS按常规调度算法自动运行，数字化操作者只用于完成单元内各台设备的调整和系统参数设置，并在加工过程中对机床实行监控。当车间的内外部环境发生变化时（如:紧急加工任务、设备故障等），数字化操作者就可以通过移动计算设备和其他职能的数字化人（如车间现场调度、车间现场检验等）以及数控机床组成临时的Ad－Hoc自组网络，对人机协同FMS快速地分析判断和决策、调整，与此同时还可以利用企业IntranetInternet获得远程支持。

为了实现人机协同FMS中数字化人与自动化设备的协同，需要在传统的数控设备上构造新型控制系统，使其支持与数字化人之间的信息交互;而自动化设备与数字化人以及数字化人与数字化人之间的信息协同则需要移动自组网技术的支持;在数字化人的概念中，移动计算设备不仅是外界环境与人交互的通道，而且还具有移动计算功能，能辅助、协同人脑工作，这种移动计算技术是实现移动设备与人脑协同的关键。

1.3 基于数字化人的FMS的关键技术

1.3.1 支持数字化人的新型嵌入式控制系统

新型嵌入式控制系统与传统控制系统的显著区别在于通过构造新型设备，使系统支持无线移动通信。为此，提出了一种基于Web服务技术和移动技术，支持人机协同控制的分布式数控系统，如图5所示，由移动控制器和设备控制器组成。移动控制器即数字化人中的移动手持设备，它为设备控制器提供人机界面，完成设备的设置、调整、手工操作;运行程序的编制、下传/上载、示教和仿真;设备数据的采集和分析处理、报警响应，对机床控制器的诊断与维护等一系列工作。设备控制器是一种嵌入到传统设备上的数字化控制系统，它能完成对设备的自动控制;同时，设备控制器是一个Web服务器，它能接受数字化人的访问，向数字化人和远程客户端提供服务。图6是新型嵌入式数控系统的原型。

这种新型嵌入式控制系统有很多优点。首先，它支持分布系统的无缝集成，Web服务是基于HTTP、XML、SOAP、MSDL和UDDI等全球通用的互联网标准的分布式软件技术，因此能支持互联网上异构系统的跨平台、跨地域无缝集成，具有很高的自动化程度和动态实时性。其次，数控系统的人机界面和很大一部分管理功能被转移到移动控制器上，操作者不再被约束在机器面前，而是更加友好和人性化，真正实现了以人为中心的人机协同FMS。最后，由于Web服务是一种面向对象的可重用组件，因此能更好地支持车间设备的快速开发和重组。操作系统可以控制和管理系统内各种硬件和软件资源、合理有效地组织系统工作，提供通信协议等，因此，选择一种功能强大、实时性和可靠性好的操作系统是十分重要的。Windows CE.NET是一种实时性较强的嵌入式操作系统，兼备DOS和Windows的优点，是完全开放的模块化体系结构，支持蓝牙和802.11x无线通信协议且具有友好的图形界面，是一种很理想的选择。

1.3.2 FMS 的自组网技术

Ad－Hoc网络技术是近几年来快速发展起来的技术，主要指的是由若干个无线移动设备构成的分布式无线分组网络。它具有以下特点:（1）分布式移动自组织网络中没有集中的控制中心，网络中的节点处于相同的地位，通过分布式算法来协调彼此的行为。（2）自组织、自配置移动自组织网络可以在任何时间任何地方快速组建而无需人工配置和任何其他预置的网络设施。（3）网络拓扑动态变化网络节点能以任意方式在网中移动，并可以随时进出。随着节点的加入、离开和移动，网络拓扑动态变化。

应用于Ad－Hoc网络的无线通信技术有很多种（如802.11系列、蓝牙、GSM等），由于蓝牙的成本低、性能稳定、穿透障碍能力强等优点，蓝牙Ad－Hoc网络特别适合于车间生产环境。因此，在人机协同的柔性制造系统中，数字化人和设备控制器间可以采用蓝牙Ad－Hoc网络进行无线通信。蓝牙移动自组织网络是以蓝牙个域网为基础的。从网络拓扑结构的角度上看，蓝牙个域网也被称为蓝牙微微网（Piconet）。每个Piconet是由主设备（Master）与从设备（Slave）组成的星状网络结构，蓝牙Ad－Hoc网络由多个独立的蓝牙微微网组成，网内每个节点都有唯一的设备ID。图7所示为蓝牙移动自组织网络的网络结构。

新型数控及人机协同的制造单元中，主要设备是机床控制器和移动控制器，这两种节点设备在蓝牙移动自组织网络中所代表的类型为从设备和主设备。在嵌入式操作系统Windows CE.NET中构建好主设备和从设备后，由于每个节点都具有唯一的ID，蓝牙设备开机后便会自动搜索范围内的节点并组成Piconet，多个Piconet可以组成多跳路由的Ad－Hoc网络，从而实现更大范围的蓝牙移动自组网。

当数字化人需要与某一数控设备通信时，它只需要选择该设备的ID，发送一个查询和寻呼消息，便可实现与该数控设备连接，从而进行数据的上传和下载。

1.3.3 FMS 中移动计算智能

车间自动化管理层是一个庞大的、由不同功能软件组成的自动化管理系统，一般是指现有车间的制造执行系统（MES，Manufacturing Execution System），它的成功实施和运行必须要有车间人员的有效参与。而传统FMS中更多注重的是自动化管理和调度，由于生产现场制造活动的复杂性和动态性，车间中存在着大量的不确定、不完备的非常规信息，利用这些非常规信息进行自动化管理调度必然会影响调度的效率和可靠性，同时会大大增加MES的开发利用成本。因此，充分利用数字化人的知识、经验和技能，实现人机协同管理调度是解决问题的良好途径。这种人机协同调度的原则是，利用计算机算法程序根据常规信息解决确定性调度问题，让调度人员利用自身的经验、知识和技巧解决非常规信息情况下的不确定性调度问题［8］。

数字化人概念中的移动设备是实现人机协同管理调度的关键，它不仅是人与外界环境交互的通道，还应当能够辅助、协同人脑工作。这种智能特性是由依附于手持设备上的移动Agent系统来支持和实现的。A-gent一词在人工智能领域，被称之为“智能代理体”，指的是一种实体，而且是具有智能的实体，这种实体可以是智能软件、智能设备、智能机器人或智能计算机系统等，甚至也可以是人，能代表用户或其他程序，以主动服务的方式完成一项工作。Agent技术是人工智能和计算机软件领域的一个重要分支和热门课题。A-gent的抽象模型是具有传感器和效应器，处于某一环境中的智能实体，它通过传感器感知环境，通过效应器作用于环境，它能运用自己所拥有的知识进行问题的求解，还能与其它Agent进行信息交流并协同工作。因此，Agent具有如下基本特性:（1）自治性，即能够在没有人或别的Agent的干预下，主动地自发地控制自身的行为和内部状态，并且还有自己的目标或意图;（2）反应性，即能够感知环境，并通过行为改变环境;（3）适应性，即能根据目标、环境等的要求和制约作出行动计划，并根据环境的变化，修改自己的目标和计划;（4）社会性，一个Agent一般不能在环境中单独存在，而要与其他Agent在同一环境中协同工作，即要进行相互通信。

移动Agent是一种特殊的Agent，它除了具有A-gent的基本属性以外，移动性是其最重要的特点，它可以从一台机器通过网络移动到另外一台机器运行。由于移动设备的软硬件能力有限，利用MicroFIPA－OS系统［9－10］，在移动设备上构建一个移动 Agent系统，使其适用于数字化环境下数字化人的智能协同工作，在分布计算方面，便可以指定任务在远程节点中功能强大的机器上进行具体的计算和运行。

MicroFIPA－OS系统是芬兰Helsinki大学针对手持移动设备开发的多Agent软件集成开发平台，采用消息服务机制实现Agent之间的对话以及与外部数字信息的交互，通过Agent对话监听器及任务管理器组织、调度多个Agent协同工作。

数字化人中的Agent分为任务Agent和人机接口Agent两大类，其中任务Agent又分为管理Agent、检验Agent、操作Agent等，数字化人的实现形式如图8所示。在生产现场无线局域网环境中，操作员通过人机接口Agent，实现人与设备的数字化交互，获得有关任务、设备等信息，并根据这些信息，利用人的经验、知识、技巧以及任务Agent所提供的计算分析、逻辑推理等支持，完成相应的制造任务。

2 实例实现

基于以上理论研究，以实验室为依托，对上述关键技术进行电机轴加工用柔性制造系统实例化研究。

加工对象:各品种小批量生产的电机轴，直径15～55 mm，长度160～650 mm。加工工艺流程:棒料预先经过铣端面打中心孔后，送入柔性线内，经过车削、铣键槽和磨削等工序，加工成电机轴。系统概要:该FMS由2台数控车床、1台普通车床、1台数控铣床、1台数控磨床、2台工业机器人、AGV小车、自动化仓库以及群机控制装置等组成，如图9。机床是按工艺流程配置的。

遇到非常规信息时，要进行人机交互调度，如图10。

实验效果:在传统FMS中引入数字化人后，普通车床也能很好地融入到FMS中来，提高了机床利用率，提高了制造的效率，同时，数字化人能参与到系统的管理调度过程中，提高了系统灵活性和可靠性。

3 结语

尽管FMS有许多优点，但它排斥人的参与，导致普通机床很难融入到柔性系统中，同时，车间布线问题以及可靠的管理调度技术也是制约FMS在工业生产中大力发展的重要因素。FMS是一个不确定型的系统，单纯依靠计算机和自动化技术来实现车间的数字化制造是不现实的。只有创造条件，将人和无线移动通信技术引进来，构建人机协同FMS，才是最佳的途径。基于Web服务技术和移动技术的新型控制系统、蓝牙移动自组网技术以及基于多Agent移动计算的人机协同管理调度技术，为实现人机协同FMS打下了坚实的基础。

［1］王治森，高荣，董伯麟，等.基于无线通信的人机协同车间数字化制造模式［J］.组合机床与自动化加工技术，2005，5（5）:1 －3.

［2］熊有伦，吴波，丁汉.新一代制造系统理论与建模［J］.中国机械工程，2000，11（12）:49 －52.

［3］Nagel A，Dove R.21st century manufacturing enterprise strategy—an industry led view［D］.USA:Lacocca Institute Leigh University，1991.

［4］路甬祥，陈鹰.人机一体化系统与技术——21世纪机械科学发展的方向［J］.机械工程学报，1994，30（5）:1 －7.

［5］路甬祥，陈鹰.人机一体化系统与技术立论［J］.机械工程学报，1994，30（6）:l－9.

［6］董伯麟，王治森，王向阳.人机协同车间数字化制造模式的研究［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2008，31（9）:1－5.

［7］王治森，董伯麟，高荣，等.车间数字化制造模式和Web服务移动控制数控系统研究［J］.数字制造科学，2006，4（3）:1 －30.

［8］王纯贤.网络化制造环境下以人为中心的制造执行系统关键技术研究［D］.合肥:合肥工业大学，2005.

［9］Tarkoma S，Laukkanen M.Facilitating agent messaging on PDAs［J］.Computer Science，2002，2521:259－268.

［10］Tarkoma S，Laukkanen M.Supporting software agents on small devices［C］.//International Conference on Autonomous Agents，NewYork:ACM Press，2002:565 －566.