楊 紅, 付 帥, 許銀萍, 何嶺松

( 1. 武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 湖北, 武漢 430074；2. 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北，武漢 430074)

0 引 言

以計(jì)算機(jī)為核心的工業(yè)綜合自動(dòng)化生產(chǎn)是制造業(yè)的主要生產(chǎn)控制方式，基于智能虛擬環(huán)境的工業(yè)監(jiān)控人機(jī)交互技術(shù)，可對(duì)現(xiàn)有工控系統(tǒng)的二維圖形用戶界面環(huán)境進(jìn)行有效“增強(qiáng)”，增加信息交互的維度和智能化程度，成為工業(yè)自動(dòng)化軟件發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1].X3D(eXtensible 3D)是新一代的網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是VRML技術(shù)的繼承和發(fā)展，將X3D與Internet技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于工控界面系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的遠(yuǎn)程、三維監(jiān)視與控制，并可基于成熟的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，有效提高系統(tǒng)開放性[2-4].但在具體應(yīng)用中，X3D規(guī)范采用樹形嵌套式的場(chǎng)景描述，系統(tǒng)構(gòu)模能力差，要在標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)提供的基本幾何節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境建模，開發(fā)周期長(zhǎng)，虛擬效果差.同時(shí)，場(chǎng)景單元實(shí)體的造型與行為的分離，也使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)效率和執(zhí)行效率低.

X3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入工業(yè)監(jiān)控體系可有效增強(qiáng)工控界面的表現(xiàn)力和交互能力.界面構(gòu)件的有效封裝，是界面場(chǎng)景快速開發(fā)的基礎(chǔ).X3D與多Agent系統(tǒng)(MAS)具有很好的一致性，基于Agent建模方法，可采用劃分基本行為模塊的方法，對(duì)X3D環(huán)境下的界面對(duì)象進(jìn)行獨(dú)立描述和集成封裝，并可有效提高界面系統(tǒng)智能化程度[5].X3D虛擬界面環(huán)境是基于界面構(gòu)件組裝而成，基于界面系統(tǒng)多Agent模型，實(shí)現(xiàn)X3D環(huán)境下的個(gè)體Agent封裝，建立界面構(gòu)件庫(kù)，是界面場(chǎng)景快速開發(fā)的基礎(chǔ).可擴(kuò)展性是X3D的重要特性，X3D支持多種擴(kuò)展方式，為不同類型的界面構(gòu)件封裝提供了實(shí)現(xiàn)途徑.

針對(duì)X3D環(huán)境下的界面構(gòu)件封裝，本文首先分析了X3D的多種擴(kuò)展機(jī)制，基于界面系統(tǒng)多Agent模型，探討了X3D環(huán)境下不同類型界面構(gòu)件封裝的一般技術(shù)，并重點(diǎn)分析了具有復(fù)雜行為特征的智能構(gòu)件的封裝實(shí)現(xiàn)方法，給出了一個(gè)智能儀表構(gòu)件的封裝實(shí)例.

1 X3D的擴(kuò)展分析

X3D支持充分的擴(kuò)展性，除了基于開放的標(biāo)準(zhǔn)體系，支持特定應(yīng)用領(lǐng)域的專用標(biāo)準(zhǔn)集擴(kuò)展，X3D在標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)也提供了多種擴(kuò)展機(jī)制，支持諸如造型功能擴(kuò)展、原型節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展和腳本編程擴(kuò)展等[6].X3D的擴(kuò)展體系如圖1所示.

圖1 X3D的擴(kuò)展體系Fig.1 Extension system of X3D

1.1 X3D規(guī)范擴(kuò)展

X3D規(guī)范擴(kuò)展主要有兩種形式，一是基于規(guī)范原型機(jī)制的原型節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展，簡(jiǎn)稱原型節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展；一是規(guī)范語(yǔ)言級(jí)的擴(kuò)展，又稱為內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展.

原型(Prototype)是X3D規(guī)范提供的一種標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展機(jī)制，用戶可以通過(guò)原型機(jī)制擴(kuò)充X3D標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)類型集.構(gòu)造原型是通過(guò)對(duì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合、變換、添加交互或使用腳本編程等實(shí)現(xiàn)的.通過(guò)構(gòu)造原型，可以創(chuàng)建出功能各異的新節(jié)點(diǎn)，為構(gòu)造個(gè)性化場(chǎng)景提供了極大方便.原型是X3D系統(tǒng)擴(kuò)展的一種有效方法，可實(shí)現(xiàn)代碼重用、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、造型與行為打包等功能.原型機(jī)制雖然可以實(shí)現(xiàn)用戶自定義節(jié)點(diǎn)的有效擴(kuò)展，但原型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是X3D系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，原型使用仍然限制在原有的事件體系中，對(duì)原型節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)和控制也仍然限制在X3D瀏覽器內(nèi)部，使節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展在實(shí)現(xiàn)形式和擴(kuò)展功能上受到一定限制.

X3D的構(gòu)件化結(jié)構(gòu)保證了開發(fā)者可以按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一致性原則根據(jù)自己的需求開發(fā)自己的節(jié)點(diǎn)、組件并定義新的概貌(Profile)，達(dá)到從“語(yǔ)言級(jí)”擴(kuò)展X3D的目的，該種擴(kuò)展稱為內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展.內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展針對(duì)性強(qiáng)、使用方便、執(zhí)行效率高，特別適合于一些特定領(lǐng)域、特定功能的應(yīng)用擴(kuò)展.內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展除了根據(jù)特定的功能要求，按照X3D規(guī)范對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行語(yǔ)法、語(yǔ)義定義，還要對(duì)特定的瀏覽器進(jìn)行相應(yīng)的功能擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)對(duì)新節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用支持.

1.2 實(shí)體造型功能擴(kuò)展

場(chǎng)景單元的幾何造型是虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ).X3D自身的造型功能不強(qiáng)，只提供幾個(gè)基本的造型節(jié)點(diǎn)，但目前主流的3D造型軟件，如3DMAX、Pro/E、UG等都有支持X3D的接口，一些復(fù)雜的三維造型可以利用這些第三方的造型軟件進(jìn)行前期制作，再基于造型軟件的文件轉(zhuǎn)換接口生成X3D格式的造型文件.獨(dú)立的造型單元文件可利用X3D的內(nèi)聯(lián)(Inline)機(jī)制組裝到虛擬場(chǎng)景主文件中，以彌補(bǔ)X3D本身造型功能的不足.基于X3D的內(nèi)聯(lián)機(jī)制，可將復(fù)雜的X3D場(chǎng)景文件分割成相對(duì)簡(jiǎn)單的一些獨(dú)立的場(chǎng)景造型文件，分別設(shè)計(jì)并存儲(chǔ)，使用時(shí)再將其組裝融合在一起，以簡(jiǎn)化復(fù)雜場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與調(diào)試，并方便維護(hù)與多人開發(fā).

1.3 基于腳本編程的X3D行為功能擴(kuò)展

腳本(Script)節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)外殼，它包含一組利用腳本描述語(yǔ)言，如Java、JavaScript或VrmlScript(由SGI公司開發(fā)的一種類似于Java的腳本編程語(yǔ)言)編寫的函數(shù)或方法.腳本節(jié)點(diǎn)收到事件后將執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)，函數(shù)則通過(guò)常規(guī)的路由機(jī)制發(fā)送事件，也可直接向腳本節(jié)點(diǎn)指向的任意節(jié)點(diǎn)發(fā)送事件.腳本還可以動(dòng)態(tài)地增刪路由，從而修改事件體系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).因此，腳本節(jié)點(diǎn)可看作一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，它以腳本編程的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)事件的高層處理和動(dòng)畫的擴(kuò)展控制.

2 界面構(gòu)件的封裝實(shí)現(xiàn)方法

2.1 X3D界面系統(tǒng)多Agent模型

基于X3D與多Agent系統(tǒng)的一致性，本文建立的工控界面MAS框架體系如圖2所示[5].按其功能，系統(tǒng)Agent可劃分為界面Agent組和系統(tǒng)維護(hù)Agent組.界面Agent組用于構(gòu)建界面交互環(huán)境，主要包括構(gòu)造虛擬操作場(chǎng)景的各種設(shè)備Agent(Devices Agent)、實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與外部監(jiān)控環(huán)境數(shù)據(jù)交互的DAQ Agent、實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理和故障診斷功能的Data Agent等.在Devices Agent組中，按功能又可分成設(shè)備實(shí)體類Agent、控制儀表類Agent、廠房等輔助構(gòu)件類Agent等.

圖2 工控界面MAS總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The MAS framework of IMC system

X3D環(huán)境下的個(gè)體Agent結(jié)構(gòu)包括一組事件接口、一組腳本函數(shù)和一組域值屬性，并通過(guò)建立事件-腳本函數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的事件-任務(wù)模型，以擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的形式實(shí)現(xiàn)個(gè)體Agent的封裝.

2.2 基于X3D擴(kuò)展的Agent實(shí)現(xiàn)

針對(duì)X3D的多種擴(kuò)展方式，考慮到幾何造型以及行為封裝實(shí)現(xiàn)的便利程度，對(duì)一些非可視Agent，如DAQ Agent等，以內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展(語(yǔ)言級(jí)擴(kuò)展)實(shí)現(xiàn)為主，如筆者擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)[7].而對(duì)具有幾何外觀特征的可視Agent，若為單純的幾何結(jié)構(gòu)類Agent，如廠房構(gòu)件、結(jié)構(gòu)類設(shè)備構(gòu)件等，可基于內(nèi)聯(lián)機(jī)制，以單獨(dú)的造型文件形式進(jìn)行封裝，如筆者開發(fā)的過(guò)程裝備仿真構(gòu)件庫(kù)[8-9]；若具有較為復(fù)雜的行為特征，如儀器、儀表、智能構(gòu)件等，則以原型節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行封裝，以腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的腳本函數(shù)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)Agent的行為功能.基于X3D擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)個(gè)體Agent封裝的方法如圖3所示.

非可視Agent具有行為特征的可視Agent單純結(jié)構(gòu)類可視Agent內(nèi)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展原型節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展造型文件擴(kuò)展X3D系統(tǒng)平臺(tái)-MAS系統(tǒng)框架

圖3基于X3D擴(kuò)展的個(gè)體Agent封裝方法
Fig.3 Encapsulation method to individual agent based on X3D extension

3 智能設(shè)備構(gòu)件封裝

智能儀表是工控系統(tǒng)中常用的參數(shù)顯示控制單元，是一個(gè)典型的控制儀表類Agent.本節(jié)以某款智能顯示調(diào)節(jié)儀為模型，建立一個(gè)通用的智能儀表構(gòu)件.

3.1 構(gòu)件模型規(guī)劃

智能儀表幾何模型參照某款智能顯示調(diào)節(jié)儀，儀表面板包括LED數(shù)字顯示區(qū)、運(yùn)行狀態(tài)指示區(qū)和儀表設(shè)置區(qū)等部分.儀表功能包括測(cè)量顯示、智能控制和儀表設(shè)置三部分.它接收輸入的參數(shù)測(cè)量值，作LED數(shù)字顯示；內(nèi)置PID算法模塊，以測(cè)量值、設(shè)定值、PID參數(shù)等為入口參數(shù)，進(jìn)行PID運(yùn)算，并輸出控制值；對(duì)測(cè)量值進(jìn)行上、下限越限報(bào)警指示，并實(shí)現(xiàn)位式控制功能；能設(shè)置儀表的相關(guān)控制參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)，以控制儀表行為.

按照上述功能描述，可對(duì)智能儀表構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括Agent的屬性集、消息接口集以及執(zhí)行方法集，對(duì)應(yīng)于X3D原型的節(jié)點(diǎn)域、事件和腳本函數(shù)，如表1所示.

表1 智能儀表構(gòu)件原型接口定義Tabel 1 Prototype interface define to intelligent instrument component

3.2原型封裝實(shí)現(xiàn)

智能儀表構(gòu)件以原型形式進(jìn)行封裝，原型接口包括節(jié)點(diǎn)域和事件，還包括相關(guān)的執(zhí)行函數(shù).原型定義采用傳統(tǒng)的VRML格式編碼，基于VRML97核心庫(kù)支持，構(gòu)件的原型定義文件(intel_meter.wrl)節(jié)選如下：

#VRML V2.0 utf8

#原型接口定義

PROTO intel_meter [

eventIn SFFloat dataDisplay #事件定義

eventOut SFFloat outPut

field SFFloat upLimit 40 #域定義

……

]

#原型體定義

{ Transform {#造型體定義}

#腳本定義，基于SAI接口封裝儀表行為

DEF path Script{

mustEvaluate TRUE

field SFFloat upLimit1 IS upLimit #域定義

……

#事件定義

eventIn SFFloat dataDisplay1 IS dataDisplay #測(cè)量值輸入

eventOut SFFloat outPut1 IS outPut #控制值輸出

eventOut SFColor color1 #上限指示燈狀態(tài)(顏色)

eventOut SFColor color2 #下限指示燈狀態(tài)(顏色)

eventOut MFString str #測(cè)量值顯示文本

url "danxian.class" #嵌入Java類，封裝儀表行為

}

#建立路由

ROUTE path.color1 TO xiaodeng1.diffuseColor #上限指示燈顯示

ROUTE path.color2 TO xiaodeng2.diffuseColor #下限指示燈顯示

ROUTE path.str TO tex.string #測(cè)量值顯示

本原型行為擴(kuò)展基于SAI實(shí)現(xiàn)，相關(guān)的執(zhí)行函數(shù)包含在腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的Java class中，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行方法功能.

3.3 構(gòu)件原型測(cè)試

原型測(cè)試的主要目的是測(cè)試智能儀表的數(shù)字顯示和調(diào)節(jié)控制功能，主要內(nèi)容有測(cè)量數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警指示和控制輸出等.為便于擴(kuò)展管理，本文涉及的原型擴(kuò)展設(shè)計(jì)采用外部原型調(diào)用，測(cè)試時(shí)要建立一個(gè)對(duì)此原型的引用，然后賦予不同的域值或事件，使儀表依次處于各種工作狀態(tài)以檢查其功能.智能儀表構(gòu)件測(cè)試環(huán)境如圖4所示.

圖4 智能儀表構(gòu)件原型測(cè)試Fig.4 Prototype test to an intelligent instrument component

4 結(jié) 語(yǔ)

X3D與多Agent系統(tǒng)具有很好的一致性，基于Agent建模方法，可對(duì)X3D環(huán)境下的界面構(gòu)件進(jìn)行獨(dú)立描述和集成封裝.基于X3D支持的多種擴(kuò)展方式，不同類型的界面構(gòu)件可采用不同的封裝方法.對(duì)一些非可視構(gòu)件，以內(nèi)節(jié)點(diǎn)形式從語(yǔ)言

級(jí)擴(kuò)展為主；對(duì)單純的幾何結(jié)構(gòu)類可視構(gòu)件，可基于內(nèi)聯(lián)機(jī)制，以單獨(dú)的造型文件形式進(jìn)行封裝；對(duì)具有復(fù)雜行為特征的智能可視構(gòu)件，則以原型節(jié)點(diǎn)的形式進(jìn)行封裝，以腳本節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的腳本函數(shù)實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的行為功能,可實(shí)現(xiàn)造型和行為的集成封裝.智能儀表構(gòu)件的封裝實(shí)例，體現(xiàn)了以原型節(jié)點(diǎn)和腳本編程擴(kuò)展形式實(shí)現(xiàn)智能構(gòu)件封裝的可行性和有效性.基于上述封裝方法，可進(jìn)一步建立工控界面構(gòu)件庫(kù)，為界面場(chǎng)景系統(tǒng)的快速構(gòu)建奠定基礎(chǔ).

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