炼钢－连铸生产调度系统建模

顾 曦，张 鑫，唐秋华

（武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉430081）

炼钢－连铸是钢铁制造的重要工艺流程之一，由于各钢种工艺路径的差异、不同加工工艺上并行机的存在以及生产中出现的动态扰动，使炼钢－连铸生产调度同时具有复杂性、分布性和动态性的特点.这些特点使得炼钢－连铸生产调度系统同时具备静态模型和动态模型，也使得系统中的功能结构与数据结构之间有着密不可分的联系［1］，各功能模块及数据库之间的交互关系显得尤为重要.文献［2］为连铸－热轧过程建立多Agent系统，利用Agent的特性实现系统热轧、板坯库和连铸之间的消息传递.文献［3］将生产调度系统按照功能划分为不同的Agent，形成分层分布式系统模型，并建立Agent之间的协商机制，采用扩展的合同网机制进行型号任务分配.但是，很少有文献为炼钢－连铸生产过程建立多Agent系统.然而由于Agent与对象还是存在诸多的区别，如Agent具有自治性，具有关于环境的知识，而不仅仅是对象的属性和方法那么简单［4］，采用传统的UML无法为多Agent系统建模，需要对其进行适当的扩展，以适应Agent的特性.

1 面向MAS的UML扩展分析

1.1 Agent的特性及目标

关于Agent目前比较容易接受的是 Wooldridge等给出的定义：“智能体是一个满足特定设计需求的计算机系统.它位于特定的环境中，具有高度的灵活性和自治性”［5］.单个Agent最基本的特性应当包括：反应性、自治性、面向对象性、移动性、自适应性、通信能力（包括协商、协作等能力）、理性、持续性或时间连续性和自动性等.单个Agent的研究目标是认识与模拟人工智能行为［6］.多智能体系统（Multi－Agent System，MAS）是指多个 Agent通过协作以完成某些任务或达到某些目标的计算系统［7］.多Agent系统通过协调各个Agent的知识、目标、技能、规划，并产生出相应的行为，以解决问题.

1.2 UML基本建模方法

面向对象（Object－Oriented，OO）是一种当前比较通用的软件开发方法.统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是在多种面向对象分析与设计方法融合的基础上形成的，是一种专用于系统建模的语言，主要以图形的方式对系统进行分析、设计.利用UML为系统建模，不仅可以详细描述系统框架，且易于编程人员的理解.从系统分析和设计的角度出发，UML模型中最主要的部分可以分为以下3大类：

用例图：是从系统外部用户的角度对系统功能进行的描述，刻画系统用户和外部系统与本系统的交互，可直观反映用户对功能的要求.

有关静态结构的图：静态结构图主要用于定义系统中具有重要意义的各种对象和实现，以及它们之间的关系，它们是定义系统动态行为的基础，主要包括类图、对象图、包图等.

有关动态行为的图：动态行为图主要用于定义对象在时间上的的历史，以及对象之间为达到一定目标所进行的通信，即描述系统中的对象在执行期间不同时间点是如何动态交互的，主要包括状态图、活动图、顺序图等.

这3类模型反映了客观事物及对象的一些共性规律，适当地扩展这3类模型，可以用来进行多A－gent系统的分析和建模［8］.

1.3 面向Agent的UML扩展

对象和Agent都是对客观世界的抽象，两者有一定的相似性，但是两者还有一定的差异，主要表现在：对象封装了实体的属性、方法和事件，而Agent除了封装这些外，还包括对思维和决策能力的封装，表现出更高的自治性；Agent能够对外界环境的变化作出响应，而对象不能自主感知外部世界；Agent在运行过程中，可以根据以往的经验不断改善自己对同一问题的求解能力，而对象的方法是不变的；Agent之间可以进行通讯，相互协调，从而提高解决问题的能力.因此，UML为Agent系统建模时，需要对UML进行扩展，包括关系的扩展和消息模式的扩展等.在UML的类图关系中，类与类之间的关系通常有4种：关联、继承、依赖和精化，而Agent组织中的角色关系还包括控制关系、平等关系等.另外由于Agent处理复杂问题的能力，如对多个消息或事件的并发处理，将消息模式扩展为可以同时发布消息、在多条路径中选择一条或多条路径发布消息等等.

2 炼钢－连铸生产调度的多Agent结构分析

2.1 炼钢－连铸生产调度

生产调度就是组织执行生产进度计划的工作.现代工业企业，生产环节多，协作关系复杂，生产连续性强，情况变化快，某一局部发生故障，或某一措施没有按期实现，往往会波及整个生产系统的运行.因此，加强生产调度工作，对于及时了解、掌握生产进度，研究分析影响生产的各种因素，根据不同情况采取相应对策，使差距缩小或恢复正常是非常重要的.具体到炼钢－连铸生产调度过程，涉及到炼钢（LD）、炉外精炼（包括真空处理RH和钢包处理LF）和连铸（CC）3个关键工序的协调组织.由于炼钢－连铸生产过程中复杂的物理和化学过程交织，原料、半成品和成品间的温度、化学成分及物理形态在各工序都截然不同，因此各种突变和不确定性因素变动比较大，从而加剧了炼钢－连铸调度作业的难度［9］.

2.2 基于多Agent的调度系统结构

按照炼钢－连铸生产调度系统功能的定义，将炼钢－连铸生产系统划分为任务Agent、调度A－gent、工艺Agent、设备Agent、执行Agent和管理Agent.系统中的数据库包括工艺数据库、规则数据库、原料数据库、设备数据库和工具数据库等.

各Agent的工作功能和业务流程如图1所示.

图1 各Agent之间的消息传递

1）任务Agent接收日生产计划，包括生产钢种、规格、数量和交货期等，并下发至调度Agent.

2）调度Agent将日计划分解为批次计划.下发至工艺数据库，并允许工艺Agent进行投标.筛选标书后生成生产调度表，并发送至执行Agent.

3）执行Agent收到生产调度表后，组织设备资源进行生产.

4）管理Agent收集实时生产数据，包括任务完成情况、设备状况、原料及工具准备状况等，并对收集数据进行分析，实时与调度Agent协调，解决各种生产故障，必要时对生产调度表进行更新.

为了保证钢坯能按时交货，基于拉式生产思想，在招投标过程中，先确定连铸工艺的加工设备号和加工时间，然后是真空或钢包处理，最后是炼钢.例如，假设某钢种的加工工艺路径是LD－LF－RH－CC，调度Agent将批次计划先下发到工艺Agent CC，由CC组织设备Agent的CC1、CC2、CC3进行投标.调度Agent确定连铸调度表后，将连铸计划发送至工艺Agent RH，RH组织设备Agent中的RH1和RH2进行投标，调度Agent再确定真空处理计划表，并下发至工艺Agent LF，依此类推.在整个招投标过程中，钢种各个工艺的招投标顺序是按照工艺路径的反向路径进行的（图2）.

图2 招投标顺序示意图

3 用户需求分析及建模

炼钢－连铸生产调度系统的主要用户是计划人员和执行人员，主要完成的工作包括任务Agent接收上级计划，将计划下发至调度Agent；调度Agent将计划分解为批次计划，下发至工艺Agent和设备Agent进行招投标，确定生产调度表；执行Agent接收生产调度表组织生产；管理Agent收集生产数据并分析，及时解决生产中的各种故障.总体而言，系统包括的功能主要有：生成生产调度表、组织生产、生产数据收集并分析.

用例图是从用户角度来描述系统功能的，所以在进行需求分析时，使用用例图可以很好地描述系统所具备的功能，表达参与者与用例图的连接关系.图3为系统的用例图.

图3 系统用例图

4 系统静态结构建模

静态模型视图主要通过类及其相互关系来反映系统的基本框架，而类本身的属性和操作则完成用例图中所表达的系统功能需求.图4为系统的静态结构模型.

图4 系统的静态结构模型

在系统实现时主要使用的类定义有：

1）任务Agent类 主要负责接收日生产计划，并发送至调度Agent，同时向上级系统反馈生产调度表，资源不足需要补充，设备故障需要检修等.

调度Agent类 接收日生产计划，查询工艺路径和规则信息，分解为批次计划，向工艺Agent发布计划，允许投标，评估标书，生成生产调度表.当管理Agent反馈生产异常时，及时更新生产调度表.

2）工艺Agent类和设备Agent类 负责竞标.同时工艺Agent按照设备负载均衡的原则对标书进行初步筛选，将结果发送至调度Agent.设备A－gent还负责生产.

执行Agent类 负责组织生产，统计计划完成情况，并上报，保证资源合理分配，生产顺利进行.

3）管理Agent类 负责数据信息收集.实时收集资源信息和设备状态，下面还有一个子类问题分析，对生产中发生的异常进行分析，及时解决生产故障，当发生生产中断时，向调度Agent反馈.

5 动态交互建模

动态行为建模主要用于描述Agent组织中角色间的动态行为，也是Agent社会性的重要体现，是组织中角色关系的动态反应.这也是炼钢－连铸生产调度系统的实时性决定的，系统必须在保证时间严格性、可靠性的前提下进行.在系统中动态建模主要是对于消息序列的描述，包括消息的发送和接收.

顺序图是UML中交互图的重要组成部分，顺序图用一个二维图描述系统中各个对象之间的交互关系.其中，纵轴是时间轴，横轴代表了参与相互作用的对象.当对象存在时，生命线是一条虚线表示，当对象的过程处于激活状态时，生命线是一双道线.消息是从一个对象到另一个对象生命线的箭头表示.箭头以时间顺序在图中从上到下排列.

由于Agent与对象之间的差异，在用UML中的顺序图为Agent之间的交互关系建模时，需要对其进行适当的扩展.首先是将顺序图中对象的概念扩展到Agent，然后是消息格式的扩展，允许Agent在多条消息路径中进行选择，以增强对复杂情况的应对能力.

5.1 生成生产调度表

图5为任务Agent生成生产调度表顺序图.首先是任务Agent接收二级机下发的日生产计划，然后将生产计划下发至调度Agent，调度Agent向工艺数据库请求钢种的工艺路线数据，向规则数据库请求规则信息，例如有的钢种需要在特定的铸机上加工.将计划分解为批次计划后，发送至工艺A－gent，工艺Agent再发送至设备Agent，允许设备Agent进行招投标.这里本文引入文献［3］中提出的扩展UML消息连接图符表示设备Agent对批次计划的选择，选择投标或选择拒绝.工艺Agent对设备Agent的标书进行初步评估，在满足设备负载均衡的约束下，将初步筛选的标书发送至调度Agent，调度Agent根据最早加工时间优先的原则选择任务合适的设备和时间进行加工，生成生产调度表.调度Agent再将生产调度表发送至执行Agent、管理Agent和任务Agent.

图5 生成生产调度表顺序图

5.2 组织生产

图6 为组织生产的顺序图.执行Agent收到生产调度表后，向管理Agent查询设备状态和资源信息，保证生产调度计划能按时实施.然后向设备A－gent发出生产指令，设备Agent向执行Agent发出资源请求，执行Agent根据资源状况向资源控制器发出资源请求.设备Agent收到所需资源后，开始生产.在生产过程中，及时向执行Agent反馈计划完成状况，执行Agent再将计划完成情况反馈至管理A－gent.

5.3 信息收集与数据分析

图7为信息收集与数据分析顺序图.管理A－gent会定时及在每次执行生产计划之前向数据库请求资源信息和设备状态，当发生资源不足或设备故障时向任务Agent反馈，由任务Agent向上级系统反馈，及时解决问题.每个炉次计划完成后，执行A－gent都会向管理Agent反馈计划完成情况，当实际生产与生产调度表发生较大出入时，管理Agent根据收集的生产数据进行原因分析，及时解决出现的问题，当需要对生产调度表进行调整时，管理Agent向调度Agent提出生产调度表更新请求.每天管理Agent都要向任务Agent反馈日计划完成计划，以 便及时分析原因并调整第二天的生产计划.

6 结束语

炼钢－连铸是钢铁生产过程中的重要环节，由于实际生产中存在各种动态干扰，在为炼钢－连铸生产调度系统建模时必须考虑系统的复杂性和动态性.本文首先构建了基于多Agent的炼钢－连铸生产调度组织结构，按照功能分为了若干Agent，再结合UML描述了系统的静态结构和动态交互模型，既保证了系统整体的紧凑型，又保证了系统的动态性.

［1］刘 伟，李铁克.基于UML炼钢–连铸车间生产调度系统建模［J］.北京科技大学学报，2003，25（6）：532－536.

［2］Ouelhadj D，Petrovic S，Cowling P I，Meisels A.Interagent cooperation and communication for agent－based robust dynamic scheduling in steel production［J］.Ad－vanced Engineering Informatics，2004，18（3）：161－172.

［3］李敬花，刘文剑.基于多Agent的多型号生产调度系统研究［J］.计算机集成制造，2006，12（4）：573－578

［4］高 阳，江资斌.基于扩展UML的虚拟企业多Agent协作建模研究［J］.制造技术与机床，2006，（2）：108－111.

［5］Wooldridge M，Jennings N R.Intelligent agents：theory and practice［J］.The Knowledge Engineering Review，1995，10（2）：115－152.

［6］刘大有，杨 鲲.Agent研究现状与发展趋势［J］.软件学报，2000，11（3）：315－321.

［7］Sabar M，Montreuil B，Frayret J M.A multi－agentbased approach for personnel scheduling in assembly centers［J］.Engineering Applications of Articial Intelligence，2009，22（7）：1 080－1 088.

［8］游晓明，帅典勋.基于扩展UML的Agent建模语言的设计与研究［J］.小型微型计算机系统，2006，27（3）：534－537.

［9］唐秋华，陈伟明.基于JIT的炼钢－连铸生产调度模型研究［J］.武汉科技大学学报，2008，31（1）：78－82.