引言
制造系统理论中递阶式控制体系在简化制造系统的复杂性、降低控制难度及增强系统稳定性等方面发挥了巨大的作用。这种体系的运作方式特别适用于大批量、稳定、无干扰生产。随着产品客户化制造要求的发展，由于递阶控制体系结构本身特点所带来的系统刚性、信息慢反馈等缺点越来越明显，已不具备快速响应市场的能力。分布式计算机和人工智能的发展，出现了一种全新的控制与组织结构，即目前比较流行的分布式协同控制体系。它把制造系统的各种功能模块看成是一个个自治的智能体(agent)，智能体间以一定的协议协商解决问题。这种结构的可扩展性、可重构性和容错性满足了当前制造系统迫切的柔性要求。但这种体系结构本身也带来了一些缺点，如异种的计算机及通信协议使得协调困难，当系统的规模达到一定的程度后，协同的通信量呈指数增长，发生信息爆炸，使得系统协同发生困难，性能下降等。全能制造系统(Holonic Manufacturing System：HMS)是一种新型制造系统结构和控制方式，它结合了递阶控制的稳定性和协同控制的柔性的特点，在21世纪的制造领域新挑战中呈现出强大的生命力。
1 全能制系统
1.1 全能体概念出现的背景及其定义
30多年前，匈牙利作家兼哲学家凯斯特勒(Koestler)创造了一个新词“holon”来描述生物和社会系统中的基本组织单元。构造这个概念是基于两个观察：(1)如果有一个稳定的中间状态，简单系统向复杂系统的转化将会很容易；(2)完全意义上的“整体”和“部分”是不存在的。“holon”(全能体)是希腊词“holos”(意思是整体、全部)和后缀“on”(意思是部分)的组合。意为每一个可辨识的组织单元，是由更基本的单元组成，同．时又是一个更大的组织单元的一部分。凯斯特勒用全能体来描述系统中的这种可辨识的成分，全能体一方面是由从属全能体组成，另一方面又是一个更大的全能体的一部分，因此一个全能体既有自主决定自身活动的权利，又有和其他全能体协调合作的义务。
1.2 全能制造系统
全能制造系统是把“全能体”的概念应用到制造业上，其目的是获得“全能体”结构所具有的优点——自治性和合作性。把全能体概念应用到制造中的定义如下[2]：
全能体：制造系统中具有自治性和合作性的“积木块”，用于转换、传递、存贮、确认信息和物理对象。全能体由信息处理部分和物理处理部分组成，一个全能体可以是另一个全能体的一部分。
自治性(Autonomy)：一个全能体产生和控制自己的计划和/或策略的能力。
协作性(Cooperation)：一组全能体共同开发和实施大家都可以接受的计划的能力。
全能体体系结构(Holarchy)：由能够协作达到一个目标的全能体组成的全能体系统。全能体体系结构定义全能体协作的基本规则，同时也就限制了其自治性。
全能制造系统：集成了包括从订单预定一直到设计、生产和投入市场的所有制造活动，以实现以敏捷制造为目的的全能体体系结构。
下面给出的是德国PMA—KULeuven在国家基金研究项目GOA/HMS研究中建立的参考体系PROSA[2]。PROSA代表“产品—资源—订单—辅助”体系结构(Product—Resource—Order—StaffArchitecture)。
PROSA参考体系结构是建立在3个类型的基本全能体——订单全能体、产品全能体和资源全能体之上的。每一类型的全能体负责制造控制的一个方面：后勤方面要素(有关用户的需求和完工日期，由订单全能体负责，技术方面要素(如需要进行哪道工序以获得高质量的产品，由产品全能体负责)或是资源能力方面要素(如何驱动机器以最优的速度运行，由资源全能体负责)。这些基本全能体的构建应用了面向对象的概念，如聚类、特类等。基本全能体之间的信息交互、各自的功能(最下面的矩形框)及所具有的信息(中间的矩形框)如图1所示。
辅助全能体是具有专家知识的全能体，用来协助基本全能体工作。它向基本全能体提供信息、知识、经验，使基本全能体能以全局优化的决策解决问题。在这过程中基本全能体仍然负责决策，辅助全能体只是外部提供建议的专家。一般来讲，当系统不存在干扰时，基本全能体则尽可能地听从辅助全能体的意见，呈现出递阶控制的特性，但当系统有了干据及变化时，基本全能体忽略辅助全能体的意见，和其他基本全能体进行协商，并自主决策，此时体现了协同控制的特性。
通过上面的分析介绍可以清楚地看出，HMS具有递阶控制结构和协同控制的优点，同时摒弃了二者的缺点，当系统稳定时呈现出递阶控制的全局优化能力和稳定性，当有干扰或不稳定时呈现出协同控制的自治性和柔性。
任务调度是制造系统的一项重要的全局的工作。在全能制造系统中，利用三种基本全能体和辅助全能体，可以实现任务调度的全局最优性和处理干扰能力之间的平衡。nextpage
2 基于合同网协议的全能制造系统任务高度
2.1 任务设计问题描述
任务高度问题是HMS系统要解决的一个重要技术问题，也是体现系统特性的一个方面。任务调度问题可以描述为[5]：
有m项任务J＝{J1，J2，…，Jm}，第i项任务Ji有k(i)个操作O{Oil,Oi2，…，Oik(i)}，这些操作在n台机床(或资源)R＝{R1，R2，…，Rn}上分配。
合同网协议是在制造系统中利用任务分布方式，引入市场中的招标-投标-中标机制，实体间相互协商来解决分布的、适应性的、投机性的任务分配问题。主要有五个步骤：任务经理招标，投标者评价几个经理的招标，投标者对选中的任务投标，任务经验选择一个投标者作为中标者，任务经济和中标者交互执行任务。
2.2 全能制造系统中的任务调度
在HMS中，当HMS接收到一个外部客户的订单时，它首先要经过产品全能体来粗略地验证这个订单上的产品是否能够设计加工出来，再经过辅助全能体来确定能否在订单要求的时间内进行调度生产。如果这个条件满足了，则向订单全能体发送信息，请求产生一个客订单全能体。否则，要在产品全能体及辅助全能体之间进行协商，如协商不能成功，则要和客户协商，或修改订单，或退掉订单。
一旦客户订单全能体生成了，就要进行任务的分解，并进行协商完成任务的调度，过程如下：
(1)订单全能体向产品全能体发出进行设计、工艺计划的请求，产品全能体根据设计要求，在产品全能体之间进行协商设计，并向订单全能体返回设计、工艺信息。
(2)订单全能体通过这些信息进行任务分解、操作分解，同时把任务、操作发布在面向资源全能体和辅助全能体的招标板上，信息格式为：{任务序列数量，单个操作的基本执行计划，期限，其它约束}。
(3)辅助全能体根据它所拥有的专家知识和资源信息，进行全局优化的任务高度，并把结构向各资源全能体发布，信息格式为{需执行的操作数，操作，期限，约束}。
(4)在系统稳定，没有干扰时，各资源全能体尽量听从辅助全能体的任务分配。各资源全能体根据分配的任务进行能力验证，如有资源全能体发觉分配的任务和以前的任务有冲突，或不能完成，则要和其它资源全能体进行协商，如能解决，则内部解决，并通过其它各全能体，如不能协商成功，则向订单全能体返回不能完成的任务或操作。如图2所示。
图2中，系统的任务通过辅助全能体分配给资源全能体1、2、3。各资源全能体通过自己的能力，确定能否完成任务。资源全能体2、3进行协商，寻求帮助。若协商成功，则返回分配的任务可以完成的指令。若不成功，资源全能体1返回不能完成的任务到任务、操作招标板。订单全能体根据需要或放宽完成期限，或减少任务量，再把修改后的任务放到任务、操作招标板上直接面向资源全能体进行招标。
(5)当系统不稳定(如某资源全能体突然出故障、或有优先级高的订单加入)或有第(4)步返回的不能完成的任务时，订单全能体负责发布该任务或操作的招标信息，这时，各资源全能体根据自己的能力平衡利润，进行投标，信息格式为：{可执行的时间段表，保证期限的最大操作数，期限截止前的资源自由时间}。
(6)订单全能体根据各资源全能体返回的投标值进行定标，并向中标资源全能体发出“接受信息”，信息格式为：{操作数，操作，期限，约束，操作详细描述}；向其它各资源全能体“放弃信息”。如图3所示。
(7)把最后的调度结果通知辅助全能体，辅助全能体把结果作为一条知识存人知识库”。
2.3 特点和优点
完全基于合同网协议的动态任务调度，可能会由于单个全能体的“自私性”使得系统的任务调度不是最优的，而且增加了通讯、协商的时间和信息流通量；采用辅助全能体在系统稳定时利用专家知识和已有的经验，进行最优化的全局调度，而在系统有干扰时直接通过合同网协议时行动态任务调度，这样可以使得任务调度具有全局最优性，减少了信息流通量，同时系统在任务调度上具有处理干扰的能力。
3 展望
全能制造系统已经引起许多国家的研究兴趣，是国际合作研究计划IMS项目之一。由来自澳大利亚、加拿大、欧洲、日本和美国的31个成员(其中15个制造企业、10个为大学、6个为研究所)组成的全能制造系统国际合作研究团体于1994年进行了一年时间的可行性研究，并从1995年起预计花10年的时间开展基本全能技术研究、全能制造系统的具体实现和应用工作。到目前为止，在澳大利亚墨尔本、加拿大蒙特利尔、奥地利维也纳和美国加利福尼亚等地多次召开了有关全能制造系统研究国际会议；欧洲于1994年12月在德国汉诺威召开了第一届全能制造系统欧洲会议，在这些会议上，全能制造系统被誉为是21世纪最有前途的新的制造技术，是实现敏捷制造的基础[7]。
全能制造系统是制造技术的一个新领域。由于其体系的构造可以从递阶控制结构中平滑地转变过来，具有递阶控制和协同控制双方的优点，可以实现以较少的投资应用先进制造技术获得高效益的目的。因此，这种技术能够促进我国的制造业的进一步发展，对其进行理论研究和应用研究具有现实意义。
