基于改进合同网协议的集群化管理调度模式研究
时间：2023-02-28 13:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
梁凯歌，赵一行，刘婉莹，刘晨，裴玲
（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）
随着人们消费观念的变化，产品多样化对传统制造业提出了新的要求，传统的单一品种、大批量的生产模式已经不再适用于多品种、小批量、多样化的市场需求，目前传统制造业正在向着提高生产效率、降低生产成本、更加智能化的方向转型升级。随着对智能化车间研究的深入，对车间资源调度问题的研究也逐步转向主动调度[1]、动态调度。多Agent系统（Multi-Agent System，MAS）[2]是由多个智能个体所组成的车间系统，在制造车间概念下的Agent具有通信、决策的能力，而多Agent群体则具有自组织、相互协商的功能。合同网协议（Contract net protocol, CNP）[3]机制为Agent交互提供了一种有效的协商机制。
CNP机制的思想是模拟市场竞标原则，由任务发布Agent发起招标，有加工能力的Agent反馈自身运行状况作为标书参与竞标，任务发布Agent综合评价建立中标连接，CNP机制为Agent交互提供了一种有效的协商机制，在实践中取得了较为成功的运用，但是CNP机制本质上是求取单步最优解的机制[4]，在提高车间生产效率、均衡设备负载、改善车间整体运行效果方面优势有限。为改善传统的CNP机制单步优化的局限性，管晨丞[4]提出了一种基于区间协同拍卖策略的改进多Agent车间调度模型，引入了软体规划Agent，在一定时间窗口内对调度方案进行组合优化；
张泽群[5]提出了一种改进CNP机制，引入了系统监管类Agent对系统关心的全局信息进行监控和预测，在调度结果超出约束条件时对系统运行进行干预；
赵良辉[6]提出了一种无拍卖的动态Agent调度模型，对加工设备进行分类管理，利用资源Agent对不同种类的所有加工设备的时间流进行管理。
此外，实际车间生产往往伴随着加工任务随时到达的不确定性[7]，即对同一批次多个加工任务的下发时时发生，下发时常伴随着数个加工任务的第一道工序为同一种加工类型的情况，现有的研究往往是对加工任务进行单个、多次下发，实时性受限；
或调度系统进行重新调度[8-10]，大大加重调度系统的运行负荷。
基于上述研究，本文提出了一种对车间同类加工资源进行集群化管理的调度模式，可以对同一时刻到达某类加工设备的多个任务统一进行处理，实现单个任务的最小完工时间和同一时刻到达某类加工设备的多个任务负载分配均衡的多目标优化。
1.1 集群化管理模型
本文引入集群化和集群调度机概念，对车间加工资源按集群化进行管理。集群化管理框架如图1所示。
图1 集群化管理框架
集群调度机包含管理模块、通信模块、决策模块。管理模块对集群内所有设备进行注册，管理本集群内各加工设备的基本信息；
通信模块负责该设备集群与车间服务器、本集群内加工设备，车间其他加工设备进行通信；
决策模块中封装有多目标优化算法，当调度机收到单个或多个任务请求时，向集群内设备进行问询，进而对单个任务或多个同时到达的任务进行多目标优化，得出最优的调度结果。
1.2 数学模型
1.2.1 条件假设
为更直观、清晰地表述本文所述的调度模式，做出以下假设作为约束条件：1）每个加工任务有多道加工工序；
2）不考虑物料在加工车间的运输时间；
3）同类加工设备加工能力相同，负载以加工时间衡量；
4）一台设备在同一时刻只能对一个加工任务进行加工。
1.2.2 加工任务紧急程度描述
紧急订单是制造车间加工过程中最常见的不确定扰动之一，为解决紧急订单问题，本文对加工任务的紧急程度进行描述。Egi表示第i个加工任务的紧急程度，按距交货期时间与加工任务剩余加工时间之比区分，紧急程度高的加工任务具有优先分配加工设备的特权。公式描述如下：
1.2.3 加工设备投标内容描述
本文针对的优化目标为单个任务最小完工时间和同一时刻到达某类加工设备的多个任务负载分配均衡，加工设备进行投标时标书内容为自身最早空闲时间。
式中：Mw为加工设备当前剩余加工时间；
w为加工设备编号；
p为加工设备缓冲区工件数；
mtkz表示缓冲区内待加工工件待加工工序的预计总加工时间;Tu为本设备最早空闲时间。
1.2.4 调度机决策机制描述
集群调度机根据收到的标书进行任务分配，集群调度机接收到任务集及标书集后按紧急程度数值对任务集进行排序，紧急程度高的任务具有优先分配加工设备的特权，调度机遵循的目标函数为
式中：m为被安排加工任务的加工设备数；
dtk为第k台加工设备预计完成分配加工任务的时间；
Ω为均衡度方差，Ω越小表示对同一时刻到达该类加工设备的多个任务负载分配越均衡。
集群调度机是本种车间资源的均衡调度装置，当车间接收到一批新的加工任务或某工件的本道工序加工完成后，对应地由车间服务器或当前加工设备向下一道工序所用加工设备类型的集群调度机发送请求信息，集群调度机向本集群内所有加工设备进行招标，通过优化算法得出最优的调度方案，具体调度策略如图2所示。
图2 基于改进合同网协议的集群化管理调度策略
集群调度机收到同时到达的多个任务后向集群内所有加工设备发布招标信息：1） 集群内加工设备对自身状况进行计算，将自身最早空闲可用时刻作为标书反馈给集群调度机进行竞标；
2）集群调度机对加工任务的紧急程度进行计算，依据紧急程度对任务序列进行升值排序；
3）集群调度机按照任务序列顺序和收到的标书分配加工设备，紧急程度高的加工任务优先分配加工设备，得到多种组合的调度方案；
4）集群调度机对每种调度方案进行评估，根据决策依据选择Ω最小的调度方案作为最优调度结果；
5）集群调度机向集群内对应设备发送调度结果；
6）集群内设备向集群调度机回复确认信息，调度完成。
为验证本文提出的调度机制的可行性，使用MATLAB进行了模拟仿真实验。实验的初始条件设定为：1）有4类加工资源，分别为车床、铣床、钻床、磨床；
2）各种加工资源数量为车床2台、铣床2台、磨床2台，由集群调度机进行集群化管理，此外设置钻床1台；
3）有6个任务工件需要加工，各任务工件加工工序信息如表1、表2所示。
表2 T0时刻开始加工的加工任务信息
起始时刻表1中的工件1、2、3同时开始加工，T0时刻表格2中的工件4、5、6同时开始加工，以此来模拟加工过程中投入新的加工订单，本实验中T0取2.5 h，调度结果的甘特图如图3所示。
图3 调度结果甘特图
表1 起始时刻开始加工的加工任务信息
T0时刻车间接收到新订单，工件4、5、6投入生产，三者第一道工序均为铣削，此时工件2也到达铣削工序，集群调度机同时对4个任务请求、2台铣床进行任务分配，结果显示，最佳调度结果中紧急程度高的工件2、4优先加工，且同一时刻到达铣床集群的加工任务负载分配均衡。
车间资源配置的合理性直接决定着产品的生产总时长以及生产车间的运行效率、生产效益，本文重点研究了对同类加工资源有多个任务同时到达的问题以及紧急订单问题，提出了一种对车间同类加工资源进行集群化管理的调度模式，并通过仿真实验证明了本文调度方案的可行性，实验结果表明，本方案能够有效地解决车间实时接受新订单、同一时刻有多个任务到达某类加工设备、紧急订单等问题，使制造系统呈现出智能性、高效性。
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