董健康+鄧龍

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)階段虛擬維修拆裝過程不能模擬真實(shí)維修環(huán)境中多人協(xié)同拆裝的問題，結(jié)合面向?qū)ο蠛瓦^程建模的特點(diǎn)，使用MAS（Multi-Agent System）對(duì)維修拆裝系統(tǒng)中的拆裝平臺(tái)進(jìn)行仿真構(gòu)建，給出一種適用于多人協(xié)同維修拆裝訓(xùn)練的維修拆裝模型；采用面向?qū)ο蟮闹玃etri網(wǎng)對(duì)多拆裝平臺(tái)拆裝過程的交互模型進(jìn)行仿真描述，并在A320虛擬維護(hù)訓(xùn)練器上驗(yàn)證了本方案的可行性和正確性。

關(guān)鍵詞： MAS； 協(xié)同拆裝； 仿真模型； 行為交互

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）07-01-05

Simulation model of multi-agent cooperative disassembly process

Dong Jiankang， Deng Long

（Electronic Information and Automation College of Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： In order to solve the problem of multi-person coordination and disassembly in real maintenance environment， this paper uses MAS （Multi-Agent System） to build a simulated disassembly platform in the disassembly system combined with object-oriented and process modeling features. This paper presents a model of maintenance disassembly for multi-person collaborative maintenance and disassembly training. The interactive model of collaborative disassembly platform is simulated by object-oriented colored Petri net. Finally， the collaborative disassembly process and behavior interaction are simulated on the A320 virtual maintenance trainer， and the simulation results verified the feasibility and correctness of this scheme.

Key words： Multi-Agent System； collaborative disassembly； simulation model； behavior interaction

0 引言

民用飛機(jī)維修培訓(xùn)是機(jī)務(wù)人員入崗前必經(jīng)的環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)各大航空公司對(duì)新員工往往會(huì)有大約一年的維修培訓(xùn)時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間的培訓(xùn)依然掩蓋不了國(guó)內(nèi)維修資源短缺及維修資源分布分散的現(xiàn)狀。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，虛擬拆裝仿真技術(shù)為虛擬維修環(huán)境中多個(gè)用戶共協(xié)同拆裝訓(xùn)練提供了條件。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在協(xié)同虛擬裝配仿真方面進(jìn)行了研究，如：Wang Y[1]等在虛擬維護(hù)系統(tǒng)框架中建立了維護(hù)工具Agent的行為選擇機(jī)制。Liu X[2]等人提出了基于本體的Agent通信機(jī)制和合作模型，并利用模糊綜合評(píng)估的智能算法來解決Agent之間的競(jìng)爭(zhēng)沖突。甄希金[3]等介紹了分布式裝配環(huán)境中并行渲染、協(xié)同操作管理機(jī)制、裝配工具庫等關(guān)鍵技術(shù)。歐立銘等[4]提出協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)，艦員在共享網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下體會(huì)大型復(fù)雜裝備維修過程中協(xié)同維修配合。然而這些協(xié)同拆裝都是對(duì)單一虛擬拆裝平臺(tái)中的三維模型進(jìn)行協(xié)同裝配設(shè)計(jì)，沒有考慮多人執(zhí)行拆裝仿真過程中的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)處理問題，不能滿足實(shí)時(shí)協(xié)同拆裝仿真的要求。

雖然多Agent維修拆裝系統(tǒng)中每一個(gè)Agent模型具有自治性和反應(yīng)性的功能[5]，但是對(duì)于系統(tǒng)來說，它們不是一個(gè)孤立的實(shí)體，通過拆裝系統(tǒng)中多個(gè)操作平臺(tái)之間的交互合作[6]，可以有效地解決系統(tǒng)中場(chǎng)景的一致性和多用戶協(xié)同操作引起的并發(fā)沖突問題。

1 維修拆裝過程

飛機(jī)維修拆裝過程是由一系列拆裝任務(wù)構(gòu)成的，每一個(gè)維修拆裝任務(wù)是維修人員按照維修手冊(cè)[7]的要求，對(duì)飛機(jī)的故障LRU（Line Replace Unit）組件執(zhí)行的一系列拆卸裝配操作的過程。在維修拆裝培訓(xùn)時(shí)，訓(xùn)練人員根據(jù)拆裝任務(wù)進(jìn)行拆裝訓(xùn)練。維修手冊(cè)中LRU組件的拆卸或裝配過程，有其對(duì)應(yīng)的任務(wù)號(hào)，每一個(gè)任務(wù)號(hào)還包含對(duì)應(yīng)多個(gè)拆裝子任務(wù)號(hào)。

定義1：維修手冊(cè)單個(gè)LRU組件任務(wù)號(hào)中，完成該任務(wù)號(hào)執(zhí)行的所有操作稱為一個(gè)拆裝任務(wù)。

定義2：維修手冊(cè)中拆裝任務(wù)號(hào)以模塊劃分，一個(gè)拆裝任務(wù)號(hào)中的部分操作模塊稱為拆裝子任務(wù)。

結(jié)合A320飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)AMM拆裝任務(wù)的結(jié)構(gòu)，單個(gè)組件的拆卸任務(wù)由多個(gè)的子任務(wù)構(gòu)成，可以按層次關(guān)系對(duì)任務(wù)劃分為：拆卸任務(wù)層、拆卸子任務(wù)層和基本拆裝動(dòng)作執(zhí)行層。

拆卸子任務(wù)層由該組件拆卸任務(wù)的進(jìn)入飛機(jī)維護(hù)構(gòu)型子任務(wù)、進(jìn)入工作區(qū)程序任務(wù)和組件移除子任務(wù)構(gòu)成。進(jìn)入飛機(jī)維護(hù)構(gòu)型是使飛機(jī)能夠保持在能夠滿足執(zhí)行拆裝條件的前提條件；進(jìn)入工作區(qū)程序包括平臺(tái)工具的使用和打開對(duì)應(yīng)的檢查口蓋或者艙門；組件移除包括具體組件的拆卸步驟，包括組件連接件的移除和固定件的拆卸。

基本拆裝動(dòng)作層是每個(gè)子任務(wù)單元中，單個(gè)或者多個(gè)維修人員使用工具對(duì)組件進(jìn)行的一系列拆裝動(dòng)作。

由以上對(duì)任務(wù)和子任務(wù)的層次分析，以燃油活門組件7QU拆卸任務(wù)和拆卸子任務(wù)進(jìn)行層次劃分如圖1。

2 維修拆裝過程Agent建模

2.1 多Agent維修拆裝系統(tǒng)

通過對(duì)多操作平臺(tái)維修拆裝系統(tǒng)的分析，根據(jù)Agent分層建模思想，可以用人機(jī)交互層、多Agent層、物理平臺(tái)層三層結(jié)構(gòu)來描述多Agent維修拆裝系統(tǒng)[1]。基于多Agent的維修系統(tǒng)框架如圖2所示。

物理平臺(tái)層提供了維修拆裝系統(tǒng)功能的技術(shù)支持，其中包含可視化渲染子系統(tǒng)、3D模型、分布式網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，操作系統(tǒng)等。該層負(fù)責(zé)管理3D模型，組織和驅(qū)動(dòng)3D場(chǎng)景，并計(jì)算3D模型的屬性、狀態(tài)和基于場(chǎng)景的事件管理。

多Agent層包含操作和服務(wù)兩類Agent。每個(gè)Agent對(duì)應(yīng)于維修系統(tǒng)中具有特定語義、行為規(guī)則和交互功能的計(jì)算機(jī)軟件實(shí)體，捕獲維修拆裝事件中用戶的操作和拆裝行為特征。

人機(jī)交互層是用戶通過鼠標(biāo)鍵盤對(duì)其他Agent交互的消息的驅(qū)動(dòng)。包括學(xué)生用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤的操作，以事件觸發(fā)的形式改變操作平臺(tái)中實(shí)體3D模型的狀態(tài)，達(dá)到完成組件拆裝過程的目的。

基于以上虛擬維修拆裝系統(tǒng)Agent層次分析，對(duì)維修拆裝系統(tǒng)進(jìn)行MAS的形式化定義。

定義3：維修拆裝系統(tǒng)由如下三元組描述：

MTD=：：

其中，MTD是維修拆裝系統(tǒng)的形式化描述模型；Ca是維修系統(tǒng)中各Agent之間的消息實(shí)例集合。Ia是維修系統(tǒng)中Agent的實(shí)例集合，OperatAgent是操作平臺(tái)Agent，MagAgent任務(wù)管理Agent，InfAgent是接口Agent。智能體Iai是物理實(shí)體的面向?qū)ο蟮闹玃N模型，面向?qū)ο笾玃etri網(wǎng)[8]為OPNAi=（CPNAi，MI），其中CPNAi是智能體Iai的著色Petri網(wǎng)模型；MI是Agent的消息接口集合，包括消息的輸入和輸出接口。R={Rij|i，j=1，2，…，n；i≠j}是虛擬維修拆裝系統(tǒng)中各Agent外部動(dòng)作之間的交互關(guān)系。

2.2 操作平臺(tái)Agent結(jié)構(gòu)

維修拆裝平臺(tái)Agent模型中，拆裝過程中每一個(gè)仿真平臺(tái)中拆裝實(shí)體的行為動(dòng)作的執(zhí)行與其邏輯關(guān)系的描述都是該平臺(tái)Agent模型內(nèi)部行為的一部分，所以，仿真平臺(tái)Agent模型是具有自治性、主動(dòng)性功能的思考模塊Ro和具有反應(yīng)性、交互性功能的反應(yīng)模塊Pm的混合結(jié)構(gòu)[9]?；旌闲虯gent的維修拆裝仿真平臺(tái)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。Pm通過平臺(tái)自身行為推理體現(xiàn)反應(yīng)性和自治性；Ro通過對(duì)拆裝實(shí)體行為的規(guī)則計(jì)算實(shí)現(xiàn)實(shí)體拆裝行為決策性。

定義4：思考模塊Ro可由二元組（KN，RP）表示。KN是平臺(tái)Agent的行為知識(shí)庫，包括維修拆裝平臺(tái)中各個(gè)拆裝實(shí)體3D模型庫Na和其3D模型維修拆裝行為邏輯規(guī)則庫Be；RP是平臺(tái)內(nèi)拆裝實(shí)體3D模型動(dòng)作行為決策器，包括 3D模型行為規(guī)則子模塊BR和行為傳遞子模塊BT，其中BR實(shí)現(xiàn)Agent內(nèi)部狀態(tài)變遷，BT負(fù)責(zé)各平臺(tái)Agent間行為決策的傳遞，實(shí)現(xiàn)與不同Agent的交互。模型行為決策器RP中的BR由實(shí)體3D模型行為規(guī)則編號(hào)RID、實(shí)體3D模型部件編號(hào)AID、目標(biāo)狀態(tài)SN和結(jié)果狀態(tài)SR組成；BT由Agent集合和行為傳遞關(guān)系R組成，如Rij是指i與j之間的行為傳遞關(guān)系。在BR將反應(yīng)模塊中輸出的實(shí)體3D模型行為狀態(tài)偏差Uout與目標(biāo)狀態(tài)SN進(jìn)行對(duì)比，若狀態(tài)偏差為零，則行為狀態(tài)輸出目標(biāo)狀態(tài)SR；反之，決策器RP將繼續(xù)執(zhí)行實(shí)體3D模型當(dāng)前狀態(tài)的行為計(jì)算。

定義5：反應(yīng)模塊Pm用八元組（Pr，Uino，Rf，Uinn，Cf，Pr'，Pf，Uout）表示。其中，Pr是實(shí)體3D模型目標(biāo)行為參數(shù)集，Pf內(nèi)有多個(gè)可以預(yù)先設(shè)定值域且相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)區(qū)，存儲(chǔ)不同拆裝任務(wù)下制定行為狀態(tài)目標(biāo)行為參數(shù)Pr值域的集合；Uino是外圍其他Agent模型消息輸入，行為決策執(zhí)行器Rf接收Uino通過思考模塊RP行為規(guī)劃后的決策執(zhí)行計(jì)算；Rf是響應(yīng)由RP接收到外部輸入U(xiǎn)ino后做出改變模型狀態(tài)決策的行為決策執(zhí)行器；Uinn是內(nèi)部行為決策執(zhí)行器Rf的結(jié)果輸出，用于觸發(fā)執(zhí)行器Cf進(jìn)行行為變化計(jì)算；Cf是以物理規(guī)則和維修拆裝行為約束規(guī)則為標(biāo)準(zhǔn)的控制器，內(nèi)部輸入U(xiǎn)inn觸發(fā)控制器改變行為實(shí)體3D模型的狀態(tài)；Pr'是由Cf執(zhí)行模型狀態(tài)變化后得到的模型當(dāng)前行為狀態(tài)參數(shù)；比較器Pf用于比較當(dāng)前實(shí)體3D模型行為狀態(tài)參數(shù)Pr'和目標(biāo)行為狀態(tài)參數(shù)Pr，并得到行為狀態(tài)偏差輸出Uout。

2.3 多操作平臺(tái)Agent拆裝過程交互過程

拆裝平臺(tái)中拆裝實(shí)體的狀態(tài)隨受訓(xùn)者使用虛擬工具執(zhí)行的具體操作變化做出反應(yīng)。OperatAgent的模型接收觸發(fā)信息通過效應(yīng)輸出改變其狀態(tài)，在改變自身狀態(tài)的同時(shí)與其他操作平臺(tái)進(jìn)行信息交互[10]，實(shí)現(xiàn)其他平臺(tái)中相同組件模型狀態(tài)和位置同步。拆裝實(shí)體的狀態(tài)是通過拆裝工具對(duì)其一步一步操作而變化的，每當(dāng)工具發(fā)送一次有效觸發(fā)信息，組件的根據(jù)其約束關(guān)系狀態(tài)改變一次。由于不同組件從開始拆裝到拆裝結(jié)束要經(jīng)過多步操作，以下為OperatAgent內(nèi)部響應(yīng)一次用戶的觸發(fā)操作，其內(nèi)部狀態(tài)改變的整個(gè)過程。OperatAgent自身行為的Petri網(wǎng)表示如圖4所示。

當(dāng)OperatAgent接收到用戶觸發(fā)信息（e1）前，首先接收來自用戶的觸發(fā)消息（Act1），判斷該消息的有效性（Act2），如果觸發(fā)消息無效，格式化數(shù)據(jù)（Act10）， 顯示操作錯(cuò)誤（Act11）；如果該輸入觸發(fā)信息有效，執(zhí)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)（Act3），給維修系統(tǒng)中的其他操作平臺(tái)發(fā)送該觸發(fā)信息（Act4），實(shí)現(xiàn)拆裝實(shí)體狀態(tài)聯(lián)動(dòng)，讀取觸發(fā)信息類型（Act5），拆裝實(shí)體狀態(tài)改變（Act6），組件位置狀態(tài)改變（Act7），模型渲染（Act8），最后并行執(zhí)行顯示結(jié)果（Act9）。圖4中P1、P2、…、P13為OperatAgent的初始狀態(tài)或者中間狀態(tài)。

維修拆裝多Agent仿真系統(tǒng)中，各個(gè)操作平臺(tái)Agent共同完成一個(gè)復(fù)雜組件的拆裝過程時(shí)，采用請(qǐng)求/應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)商，合作。當(dāng)請(qǐng)求Agent發(fā)出請(qǐng)求后，請(qǐng)求托肯通過請(qǐng)信息求弧發(fā)送到ILP中[8]，應(yīng)答Agent執(zhí)行請(qǐng)求，無論是否執(zhí)行成功，均通過對(duì)應(yīng)弧返回信息給請(qǐng)求Agent，如果無法完成任務(wù)，或請(qǐng)求不符合自己的要求，則拒絕執(zhí)行，通過相應(yīng)弧返回拒絕信息。

以7QU燃油活門的拆裝為例，兩個(gè)維修學(xué)員在各自的操作平臺(tái)上執(zhí)行該燃油活門的拆卸任務(wù)。由單個(gè)操作平臺(tái)內(nèi)燃油活門拆裝過程模型可知，當(dāng)OperatAgent1的用戶通過鼠標(biāo)觸發(fā)操作斷開7QU燃油活門接帶，OperatAgent1根據(jù)觸發(fā)操作實(shí)現(xiàn)該操作平臺(tái)內(nèi)燃油活門接帶斷開操作，與此同時(shí)給MagAgent發(fā)送搭接帶被斷開的觸發(fā)信息，OperatAgent2通過接收MagAgent轉(zhuǎn)發(fā)來自O(shè)peratAgent1的搭接帶斷開的消息，實(shí)現(xiàn)自身平臺(tái)下搭接帶的斷開。最終實(shí)現(xiàn)在不同操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)拆裝操作的場(chǎng)景一致性。用以上請(qǐng)求/應(yīng)答模型，重點(diǎn)描述執(zhí)行拆裝任務(wù)時(shí)的交互行為。用面向?qū)ο蟮腜erti網(wǎng)模型描述其過程如圖5所示。

3 維修拆裝仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 3D模型的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

針對(duì)靜態(tài)3D模型的場(chǎng)景主要使用3DMAS軟件來繪制，其尺寸均以實(shí)際A320飛機(jī)比例大小為標(biāo)準(zhǔn)。另外，考慮模型位置以及在特定狀態(tài)下的動(dòng)作等等，而且由于模型數(shù)量龐大，涉及到眾多飛機(jī)組件及零件，我們選擇使用XML腳本文件進(jìn)行組件和拆裝中涉及的零部件模型的邏輯推理和加載調(diào)用，以節(jié)點(diǎn)來對(duì)應(yīng)實(shí)體模型的動(dòng)作條件、路徑、坐標(biāo)及其他屬性的加載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容則是每個(gè)屬性所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，最后將每個(gè)顯示組件所需的全部模型參數(shù)信息，集成為一個(gè)腳本文件在初始化時(shí)進(jìn)行加載。7QU燃油活門動(dòng)作實(shí)現(xiàn)腳本語言實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

3.2 操作過程中的并發(fā)性沖突解決

LRU和工具的并發(fā)性沖突解決方案，采取權(quán)限獲取法，當(dāng)對(duì)應(yīng)的實(shí)體被操作時(shí)，其狀態(tài)被一個(gè)客戶端用戶鎖定，其他客戶端不能對(duì)其操作。在維修訓(xùn)練為前提的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中解決操作并發(fā)沖突[11]，本文采取“權(quán)限控制法+時(shí)間戳”的方法，其中的權(quán)限控制法可以看成權(quán)限優(yōu)先的方法，即多人同時(shí)對(duì)一個(gè)拆裝對(duì)象進(jìn)行操作時(shí)，由最先執(zhí)行此行為的用戶獲得最高權(quán)限。主要思路是：當(dāng)維修訓(xùn)練人員執(zhí)行一個(gè)拆裝操作時(shí)，每個(gè)操作平臺(tái)Agent會(huì)記錄當(dāng)前平臺(tái)下用戶對(duì)組件觸發(fā)操作的時(shí)間，維修對(duì)象接受到動(dòng)作指令，首先判斷當(dāng)前是否存在并發(fā)操作，如果沒有則執(zhí)行操作指令，如果有并發(fā)性沖突，則系統(tǒng)依據(jù)時(shí)間戳的控制方法，選出最先對(duì)維修對(duì)象進(jìn)行操作的維修人員，采用協(xié)商最先占據(jù)最先操作獲得控制權(quán)，接受動(dòng)作指令。并發(fā)沖突解決方案如圖7所示。

4 結(jié)論及仿真驗(yàn)證

通過以上建立的基于多Agent的維修拆裝交互模型，把這些模型融入到實(shí)驗(yàn)室虛擬維護(hù)模擬機(jī)系統(tǒng)整體架構(gòu)上，把虛擬維護(hù)模擬機(jī)系統(tǒng)中每一個(gè)拆裝平臺(tái)進(jìn)行Agent抽象。通過所建立的維修拆裝交互模型，解決多人維修拆裝訓(xùn)練中場(chǎng)景一致和并發(fā)性沖突問題。最終在實(shí)驗(yàn)室A320虛擬維修訓(xùn)練器平臺(tái)上對(duì)維修拆裝過程模型和交互行為效果進(jìn)行仿真。

在模擬維修拆裝環(huán)境中，以燃油活門組件7QU（AMM 28-25-51-000-001）為例，其兩個(gè)維修學(xué)員在兩臺(tái)操作平臺(tái)Agent上拆卸過程參考圖如圖8所示。

表示兩個(gè)維修訓(xùn)練人員進(jìn)入到維修拆裝系統(tǒng)后，按照手冊(cè)要求對(duì)7QU燃油活門進(jìn)行拆裝前準(zhǔn)備工作，包括領(lǐng)取可移動(dòng)工作平臺(tái)、扳手，斷開跳開關(guān)等。當(dāng)兩個(gè)維修人員進(jìn)入到拆裝工作區(qū)后，如圖（b）所示。學(xué)員1按照維修手冊(cè)中7QU的拆卸要求拆掉電插頭，同時(shí)，學(xué)員2拆掉其搭接帶，如圖（c）所示。在拆卸螺母時(shí)，兩人可以同時(shí)操作，效果圖如圖（d）和（e）。最終移除燃油到可移動(dòng)工作平臺(tái)上如圖（f），拆卸完畢。

建立良好的多人協(xié)同維修拆裝模型，可以增強(qiáng)飛機(jī)維修拆裝培訓(xùn)的真實(shí)性和沉浸性、減少實(shí)物飛機(jī)培訓(xùn)過程中的成本，也有利于該分布式維修訓(xùn)練平臺(tái)的改進(jìn)，對(duì)還原實(shí)際拆裝過程中多人交互協(xié)作的拆裝實(shí)況，具有一定的重要意義。

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