【博創(chuàng)基金微展示】第6期 錢成：離散制造資源智能化建模與智能制造網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置方法

標(biāo)題：離散制造資源智能化建模與智能制造網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置方法

英文題目：research on the modelling of distributed manufacturing resources and the optimal configuration of intelligent manufacturing networks

作者：錢成

指導(dǎo)教師：張映鋒 教授

培養(yǎng)院系：機(jī)電學(xué)院

學(xué)科：工業(yè)工程

讀博寄語(yǔ)：讓萬(wàn)物優(yōu)雅的互聯(lián)

主要研究?jī)?nèi)容

近年來(lái)，隨著先進(jìn)的信息技術(shù)、制造模式以及管理機(jī)制的迅猛發(fā)展，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢(shì)待發(fā)，傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)快速推進(jìn)，綠色化、服務(wù)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化制造發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)明顯，跨領(lǐng)域、社會(huì)化的創(chuàng)新平臺(tái)正在重組制造業(yè)的創(chuàng)新體系，有力地推動(dòng)著制造系統(tǒng)向高柔性、快速響應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)的方向演變。然而，現(xiàn)階段制造業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中也暴露了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 產(chǎn)業(yè)融合度較低，傳統(tǒng)制造業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)交互不夠緊密，各環(huán)節(jié)間的信息流傳輸不暢，技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景不夠廣泛；(2) 從產(chǎn)品全生命周期來(lái)看，制造業(yè)產(chǎn)品附加值較低，處于產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的中低端，對(duì)于個(gè)性化定制產(chǎn)品的處理能力較弱，難以快速響應(yīng)市場(chǎng)多變的需求；(3) 傳統(tǒng)制造系統(tǒng)底層資源智能化水平較低，上層決策模型難以高效執(zhí)行，制約了整個(gè)制造系統(tǒng)的智能化發(fā)展；

(4) 制造執(zhí)行管控方法大多屬于自動(dòng)控制基礎(chǔ)上的資源調(diào)度配置，制造系統(tǒng)缺乏靈活自主的運(yùn)作能力，不易實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程自組織、異常環(huán)節(jié)自適應(yīng)、生產(chǎn)知識(shí)自學(xué)習(xí)、決策模型自演化等高級(jí)智能特性。

本研究針對(duì)某大型高端精密裝備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等典型高端裝備制造業(yè)的生產(chǎn)管理過(guò)程，圍繞離散制造資源的智能化建模與多維度制造網(wǎng)絡(luò)的自主優(yōu)化配置方法，探索一種高度靈活自治的制造資源協(xié)作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)底層離散資源的全面智能化建模方法，突破智能資源間的高效互訪問(wèn)與互操作核心機(jī)理，解決制造網(wǎng)絡(luò)在高效資源發(fā)現(xiàn)、靈活協(xié)同合作、可靠關(guān)系維護(hù)、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)演化等方面存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜離散制造系統(tǒng)資源效率優(yōu)化與自治性提升的目標(biāo)，最終為制造業(yè)的智能化升級(jí)改造與持續(xù)健康發(fā)展提供理論、方法與技術(shù)支持。部分研究?jī)?nèi)容概況如下：

1. 基于對(duì)等網(wǎng)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分布式資源管理與發(fā)現(xiàn)體系架構(gòu)

離散制造系統(tǒng)中存在著大量的物理網(wǎng)絡(luò)連接與虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了制造系統(tǒng)資源的廣泛性與功能的多樣性，卻又一定程度上限制了資源的靈活性與動(dòng)態(tài)性。本研究梳理了制造系統(tǒng)中的典型網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)-物聯(lián)網(wǎng)-數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)-分析優(yōu)化模型(如動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò))-復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)-人工社交網(wǎng)絡(luò)”自下而上式層次結(jié)構(gòu)。

圖1支持制造資源社交行為的多重混雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

特別需要說(shuō)明的是，框架的最上層展現(xiàn)了一個(gè)融合了制造資源與人類社會(huì)社交網(wǎng)絡(luò)的人工社交網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，資源交互方式可以仿照社會(huì)系統(tǒng)運(yùn)作的一些成熟機(jī)理，具備自主計(jì)算與決策能力的資源個(gè)體可以在對(duì)等網(wǎng)結(jié)構(gòu)中主動(dòng)與其他資源建立特定的“社會(huì)關(guān)系”，以一種高度靈活的方式實(shí)現(xiàn)資源協(xié)同、任務(wù)轉(zhuǎn)交、工作量平衡、信息傳遞等功能，實(shí)現(xiàn)制造資源間以及人機(jī)系統(tǒng)間的社會(huì)化交互，提升系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)性、自主性、靈活性與智能化水平。

2. 制造資源建模及資源發(fā)現(xiàn)方法

參照多智能體系統(tǒng)架構(gòu)，可以利用有限自動(dòng)機(jī)或概率狀態(tài)機(jī)等離散數(shù)學(xué)工具對(duì)制造資源的狀態(tài)和事件建立模型。每個(gè)制造資源在服務(wù)化后通過(guò)由尋址規(guī)則定義的編碼方式編碼后加入到虛擬的人工社交網(wǎng)絡(luò)中，從中獲取輸入事件，并在自身存在任務(wù)需求且需要外部調(diào)用協(xié)作時(shí)對(duì)外發(fā)布輸出事件，在網(wǎng)絡(luò)中尋找合適的匹配資源。同時(shí)，生產(chǎn)環(huán)境中的各種參數(shù)變化、性能改變、任務(wù)變化等事件都可以由自動(dòng)機(jī)接收并處理，使其相應(yīng)更新自身狀態(tài)或調(diào)整在虛擬社交網(wǎng)絡(luò)中的參與策略(即改變狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù))。制造約束條件、工藝知識(shí)等信息可以通過(guò)守衛(wèi)函數(shù)控制自動(dòng)機(jī)，保證過(guò)程的合法性與準(zhǔn)確性，也可以對(duì)自動(dòng)機(jī)在社交網(wǎng)絡(luò)中的自主行為加以約束。自動(dòng)機(jī)自身也會(huì)按照社交網(wǎng)絡(luò)的演化方式、尋址規(guī)則、關(guān)系建立規(guī)則等信息，識(shí)別分析歷史生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化參數(shù)配置，并協(xié)助進(jìn)行多主體之間的協(xié)同優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)綜合效率提升。

圖2 社交制造網(wǎng)中的資源節(jié)點(diǎn)自動(dòng)機(jī)概念模型接口

3. 網(wǎng)絡(luò)的形成機(jī)理與制造資源社會(huì)關(guān)系維護(hù)機(jī)制

為了更好的支撐資源間的互操作，體現(xiàn)資源的功能特性，項(xiàng)目分析了對(duì)等網(wǎng)中的幾種典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用前綴(字典)樹表達(dá)資源的功能種類、加工性能、生產(chǎn)參數(shù)等屬性，將這些資源能力動(dòng)態(tài)的組織在樹結(jié)構(gòu)中，使分布式資源網(wǎng)絡(luò)也可以獲得某些層級(jí)式控制系統(tǒng)中的管理特性，提升資源效率。通過(guò)對(duì)等制造網(wǎng)中制造資源之間的邏輯距離也需要規(guī)范定義，實(shí)現(xiàn)制造網(wǎng)絡(luò)中的資源發(fā)現(xiàn)，根據(jù)功能或能力節(jié)點(diǎn)間的距離計(jì)算結(jié)果，逐漸將任務(wù)需求轉(zhuǎn)發(fā)，使得需求與制造能力間的邏輯距離逐漸變小，直至在整個(gè)制造網(wǎng)絡(luò)中尋找到與需求最匹配的資源節(jié)點(diǎn)。

圖3 制造資源網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型示意圖

仿照對(duì)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)思路組織制造資源節(jié)點(diǎn)的添加、刪除、更新等操作，以資源間的可替換性及歷史合作場(chǎng)景構(gòu)建出節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。作為節(jié)點(diǎn)個(gè)體，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境及其他節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知，需要與一定數(shù)量的其他節(jié)點(diǎn)維持通訊關(guān)系，支撐整個(gè)資源網(wǎng)絡(luò)的全局路由及資源發(fā)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行子空間劃分，管理節(jié)點(diǎn)之間的朋友數(shù)量關(guān)系，維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

4. 動(dòng)態(tài)制造網(wǎng)絡(luò)關(guān)系演化更新機(jī)理

現(xiàn)有的研究對(duì)社交網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自發(fā)形成鏈接的機(jī)理研究有多種方式，其中較為典型的一種是，節(jié)點(diǎn)會(huì)傾向于與其相似的節(jié)點(diǎn)(“同類”)保持鏈接，同時(shí)嘗試與部分與其“不相似”的節(jié)點(diǎn)(“異類”)建立并保持聯(lián)系，這一過(guò)程在社會(huì)化學(xué)習(xí)的環(huán)境中保持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。這一策略在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，有助于實(shí)現(xiàn)資源網(wǎng)絡(luò)連通性與搜尋效率間的權(quán)衡。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以在網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)變化到某個(gè)合理區(qū)間時(shí)保留網(wǎng)絡(luò)的鏈接狀態(tài)，作為制造系統(tǒng)初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)的小世界特性。此外，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)演化中考慮合作頻率或是附加規(guī)則，可以使制造資源間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系鏈接保持在一個(gè)最利于高效資源發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)。

圖4 某資源網(wǎng)絡(luò)演化示例及聚類系數(shù)變化特征

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

一、制造資源對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型機(jī)理創(chuàng)新

結(jié)合分布式哈希表網(wǎng)絡(luò)協(xié)議核心邏輯，在多智能體系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)了適用于制造系統(tǒng)運(yùn)行管理的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，清晰的展現(xiàn)了智能資源間的合作、協(xié)商、替代、交互等多種關(guān)系。與離散制造資源相統(tǒng)一的分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于資源的自主決策與動(dòng)態(tài)配置，也使得資源網(wǎng)絡(luò)的可靠性(抗毀性)得到顯著提升。

二、社會(huì)化協(xié)作驅(qū)動(dòng)的決策方法設(shè)計(jì)創(chuàng)新

參考社會(huì)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制及社交網(wǎng)絡(luò)分析方法，創(chuàng)新性地提出了社會(huì)化資源交互模式，巧妙地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)形成、資源發(fā)現(xiàn)、關(guān)系維護(hù)、社群識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)更新及演化、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化等操作，提高了制造系統(tǒng)智能化水平，同時(shí)也為復(fù)雜人工智能模型的實(shí)施應(yīng)用提供了基礎(chǔ)保障。

代表性創(chuàng)新成果

一、論文

[1].exploring the socialized operations of manufacturing resources for service flexibility and autonomy. robotics and computer-integrated manufacturing, 63: no.101912. june, 2020.

[2].a cloud service platform integrating additive and subtractive manufacturing with high resource efficiency. journal of cleaner production, 241: no.118379, dec. 2019.

[3].a real-time data-driven collaborative mechanism in fixed-position assembly systems for smart manufacturing. robotics and computer-integrated manufacturing, 61: no.101841, feb. 2020.

[4].resourcenet: a collaboration network among decentralised manufacturing resources for autonomous exception-handling in smart manufacturing. iet collaborative intelligent manufacturing, 2(3): 109-114. september, 2020.

[5].evolution of a self-organizing manufacturing network with homophily and heterophily. procedia cirp, 83:800-804, jul. 2019.

二、軟件及技術(shù)方案

1.某大型精密設(shè)備裝配過(guò)程智能化排產(chǎn)管理系統(tǒng)，已交付應(yīng)用

2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)集成研發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)研究，已通過(guò)中期評(píng)審

三、獎(jiǎng)項(xiàng)

1.個(gè)性定制產(chǎn)品智能物聯(lián)制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制機(jī)理及應(yīng)用，陜西高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，第8完成人