劉家學(xué)，胡 萍，朱玉娟

(中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300)

基于多Agent的飛機電子儀表系統(tǒng)仿真模型

劉家學(xué)，胡 萍，朱玉娟

(中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300)

電子儀表系統(tǒng)(EIS)在飛機飛行和維護(hù)過程中對飛機性能參數(shù)的顯示具有至關(guān)重要的作用;針對電子儀表系統(tǒng)的功能仿真，提出一種基于多Agent的EIS系統(tǒng)建模方案，對系統(tǒng)功能從整體角度進(jìn)行了描述和分類，在功能分類的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并利用混合型Agent對系統(tǒng)功能對象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，建立了系統(tǒng)功能行為模型;最后以發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速超限為例對上ECAM顯示功能進(jìn)行驗證，證明該方法在飛機電子儀表系統(tǒng)仿真建模的實用性和可靠性。

電子儀表系統(tǒng)；多Agent；功能仿真；行為模型

0 引言

電子儀表系統(tǒng)EIS(electronic instrument system)是飛機維護(hù)訓(xùn)練器的重要部分，它不僅影響著訓(xùn)練器的逼真度和訓(xùn)練任務(wù)的覆蓋率，而且是決定訓(xùn)練器仿真度和先進(jìn)度的重要指標(biāo)[1]。近年來，國內(nèi)對電子儀表仿真多集中于系統(tǒng)的顯示功能仿真，如文獻(xiàn)[2]利用VAPS仿真平臺對飛機電子儀表顯示界面進(jìn)行設(shè)計，文獻(xiàn)[3-4]提出了基于OpenGL和GL studio的電子儀表仿真方法以提高顯示的效果，文獻(xiàn)[5-6]分別提出了基于嵌入式和單片機的電子儀表設(shè)計方案。以上文獻(xiàn)對電子儀表顯示仿真均進(jìn)行了深入研究，但面對維護(hù)訓(xùn)練不僅要兼顧系統(tǒng)的顯示功能，而且需要從整體角度對系統(tǒng)功能進(jìn)行仿真。

機組從儀表直接獲取的顯示信息是經(jīng)EIS系統(tǒng)內(nèi)部功能處理后的顯示結(jié)果，而內(nèi)部功能不僅指系統(tǒng)的顯示功能，還包含系統(tǒng)其他復(fù)雜功能，如邏輯處理和故障監(jiān)控等。因此，為仿真系統(tǒng)復(fù)雜功能，提高系統(tǒng)仿真度，有必要建立一個具有系統(tǒng)整體功能行為的EIS系統(tǒng)模型。

本文以智能主體Agent為工具，面對系統(tǒng)功能對象建立一種層次化功能型多Agent系統(tǒng)，依賴知識推理以及智能決策達(dá)到EIS系統(tǒng)功能行為效果，降低系統(tǒng)仿真的復(fù)雜度。

1 EIS系統(tǒng)功能描述

機載EIS系統(tǒng)實時匯集各系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息并將其轉(zhuǎn)換成有效的圖像信號顯示在各儀表上供機組了解飛機性能狀態(tài)。其包含PFD(primary flight display)為機組提供飛機姿態(tài)信息，ND(navigation display)為機組提供導(dǎo)航信息，ECAM(electronic centralized aircraft monitor)為機組提供系統(tǒng)及狀態(tài)信息。同時系統(tǒng)在飛機發(fā)生故障時能夠獲取故障系統(tǒng)的BITE測試信息以產(chǎn)生目視及音響警告，并且無論飛機處于哪個飛行狀態(tài)，系統(tǒng)都能實時響應(yīng)飛行員的操作請求且在不同模式下能自動管理顯示信息和顯示形態(tài)。

以上描述系統(tǒng)功能，均是通過具有相似結(jié)構(gòu)和行為過程的智能計算模塊或管理模塊實現(xiàn)的。依據(jù)行為共性的特點將系統(tǒng)行為歸納分為數(shù)據(jù)獲取、邏輯功能處理、信息融合及顯示執(zhí)行4個過程，如圖1所示。

圖1 EIS系統(tǒng)行為過程圖

利用Agent可面向復(fù)雜系統(tǒng)行為建模[7]。將EIS系統(tǒng)的功能行為與Agent的自治性、主動性和反應(yīng)性相結(jié)合，通過面向系統(tǒng)功能構(gòu)建多個具有不同結(jié)構(gòu)和執(zhí)行能力的Agent模塊實現(xiàn)系統(tǒng)功能建立，使Agent之間通過交互和協(xié)作進(jìn)行信息融合便可實現(xiàn)對系統(tǒng)復(fù)雜行為的描述。因此，可利用多Agent對EIS系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

2 基于多Agent的EIS系統(tǒng)模型

多Agent系統(tǒng)建模包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模和系統(tǒng)過程建模，共包含組織系統(tǒng)圖、職能模型、協(xié)調(diào)工作模型、控制模型和組織管理模型五部分[8]。職能模型為功能對象，組織系統(tǒng)圖即系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，而協(xié)調(diào)工作模型、控制模型和組織管理可概括為系統(tǒng)的行為模型。

2.1 功能對象劃分

由于在實際仿真或訓(xùn)練過程中并不關(guān)心實體內(nèi)部細(xì)節(jié)，因此系統(tǒng)仿真模型僅在較高的層次描述系統(tǒng)的基本功能，在保證功能的前提下盡量減少系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此針對系統(tǒng)實際功能需求并且綜合實體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等因素將系統(tǒng)功能抽象為數(shù)據(jù)接口、電源管理、故障監(jiān)控、邏輯決策、顯示管理以及接口終端六大類Agent建模方案，對其進(jìn)行ID編號依次為A～F，各Agent單元功能描述如下：

1)數(shù)據(jù)接口Agent 為各實體計算機接口功能抽象，作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口實時傳遞機載設(shè)備數(shù)據(jù)信息，包含參數(shù)、事件、電源信息和故障信息等，對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并向下級功能處理單元傳遞。

2)電源管理Agent 電源供給是系統(tǒng)正常工作的前提，主要依據(jù)電源系統(tǒng)的狀態(tài)信息及跳開關(guān)狀態(tài)管理系統(tǒng)功能的工作狀態(tài)。例如匯流條401XP-B向顯示管理計算機DMC1供115V交流電，如果電源系統(tǒng)故障或跳開關(guān)10WT1拔起，則將直接影響到機長側(cè)電子飛行儀表EFIS(Electronic Flight Instrument System)及ECAM顯示功能。

3)故障監(jiān)控Agent 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集集中器SDAC(System Data Acquisition Concentrator)與飛行警告計算機FWC(Flight Warning Computer)故障處理功能抽象，其包含故障檢測和警告生成兩部分，故障檢測首先根據(jù)故障信息檢測是否存在故障，若存在故障，則對故障進(jìn)行分類，然后依據(jù)故障點匹配知識庫產(chǎn)生故障效應(yīng)信息。效應(yīng)信息包括琥珀色警告、紅色警告及作動信息等。若未檢測到故障信息則直接將檢測結(jié)果向下傳遞。

4)邏輯決策Agent 負(fù)責(zé)融合故障信息、電源信息、事件信息及其他數(shù)據(jù)信息，通過系統(tǒng)邏輯算法決策并產(chǎn)生顯示控制信息，控制EFIS和ECAM的顯示模式或狀態(tài)，如正常顯示狀態(tài)或故障狀態(tài)下的重新配置等。

5)顯示管理Agent 為DMC功能的抽象，負(fù)責(zé)對需要顯示的信息進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，依據(jù)知識庫數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對需要顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并對圖像信息賦予不同屬性，如顏色、坐標(biāo)、大小和動作等，其中動作包含平移、旋轉(zhuǎn)、閃爍等，處理好的圖像信息直接驅(qū)動外部設(shè)備進(jìn)行顯示。

6)接口終端Agent 人機交互模塊，包括顯示終端和操作終端。顯示終端包括機長及副駕駛EFIS與ECAM顯示。操作終端即控制終端，如ECAM控制面板，操作動作產(chǎn)生的信息會反饋到系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口再次進(jìn)行系統(tǒng)處理。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

2.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

面對各機載系統(tǒng)傳送的各種類型的信息，如離散量或數(shù)字信息等，系統(tǒng)需要針對不同的信息進(jìn)行不同的功能處理。模塊化處理不僅能減少系統(tǒng)內(nèi)部模塊的耦合度而且能夠提高系統(tǒng)的運作效率，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將采用層次式模塊設(shè)計，分管理層、決策層和執(zhí)行層,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于多Agent的EIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

管理層包含數(shù)據(jù)接口Agent,主要負(fù)責(zé)與其他機載系統(tǒng)的交互信息管理；決策層包含電源管理Agent、故障監(jiān)控Agent與邏輯決策Agent,決策層通過電源管理、故障監(jiān)控和邏輯決策的有效協(xié)作對系統(tǒng)行為作出實時決策；執(zhí)行層包含顯示管理Agent和各接口終端Agent,主要執(zhí)行系統(tǒng)后階段的顯示控制和終端顯示，以及其他終端的輸出功能。

2.2.2 Agent結(jié)構(gòu)

鑒于EIS系統(tǒng)對信號的處理并非簡單的反應(yīng)型輸入輸出處理，而是信號進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部經(jīng)過不同的計算機模塊進(jìn)行不同的邏輯處理再執(zhí)行輸出的過程。因此，本文將采用混合型Agent建立系統(tǒng)功能對象模型，將其內(nèi)部分為自主感知Ms_ID、自主推理Re_ID、自主決策De_ID和輸出控制Oc_ID四部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示，不同的Agent模塊根據(jù)功能需求依賴不同的決策算法和知識庫資源。

圖3 Agent功能結(jié)構(gòu)圖

自主感知無論作為數(shù)據(jù)接口Agent或其他Agent對象的感知模塊，其都直接獲取已處理或未經(jīng)處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、故障等信息，對各類信息規(guī)劃傳遞并實現(xiàn)Agent交互功能。

自主推理和自主決策可看作為思考模塊，自主推理主要在故障發(fā)生時根據(jù)故障點匹配故障效應(yīng)或者在顯示處理過程中對部分參數(shù)以給定閾值標(biāo)準(zhǔn)作以比較賦予不同顯示屬性。而自主決策負(fù)責(zé)行為決策，主要根據(jù)決策算法融合系統(tǒng)電源、故障和其他事件信息控制行為規(guī)劃和顯示效應(yīng)，是功能對象的核心。

執(zhí)行輸出主要對行為決策結(jié)果執(zhí)行輸出或依據(jù)給定執(zhí)行規(guī)則對決策結(jié)果執(zhí)行終端儀表顯示。

2.3 行為模型描述

復(fù)雜系統(tǒng)的行為模型分解為組件行為模型和元行為模型[9]?；诙郃gent的EIS系統(tǒng)組件行為表現(xiàn)為以功能單元為對象的Agent行為，而元行為則為Agent內(nèi)部的感知行為、思考行為及輸出行為。

2.3.1 組件行為描述

定義1：基于Agent的功能對象行為模型為七元組，令其表示為B_ID，其中ID代表Agent編號且各元素均為有限集。At_ID表現(xiàn)為Agent的元行為集合，包含自主感知，自主推理，自主決策和執(zhí)行輸出，Ac_ID為行為約束，當(dāng)發(fā)生電源故障、航線可更換組件LRU(Line Replaceable Unit)故障或進(jìn)行的拆裝操作會影響部分功能對象的行為執(zhí)行。A為決策算法集合，主要根據(jù)不同的功能對象選擇不同的算法進(jìn)行行為決策，算法主要包括數(shù)據(jù)規(guī)劃算法，邏輯算法和故障診斷算法等。K為執(zhí)行推理過程所依賴的知識庫資源，主要包含故障效應(yīng)集、故障點集、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)集和LRU狀態(tài)集等。而R為行為決策完成之后的輸出執(zhí)行規(guī)則，根據(jù)它系統(tǒng)才能將決策結(jié)果輸出或顯示在系統(tǒng)終端上面。當(dāng)不存在行為約束情況下基于Agent的功能對象行為可表示為：

B_ID:I_ID×At_ID×K×A×R=O_ID；

以邏輯決策Agent為例對其行為過程進(jìn)行描述。首先，邏輯決策AgentMs_D感知的信息源有3部分，第一部分為數(shù)據(jù)接口直接傳送的數(shù)據(jù)及操作事件信息，第二部分為電源模塊傳遞的供電狀態(tài)信息，第三部分為系統(tǒng)檢測到的故障信息以及故障效應(yīng)信息。獲取到所有的信息之后主要通過自主決策De_D中的邏輯算法對系統(tǒng)的控制行為及反應(yīng)行為進(jìn)行決策，包括儀表顯示的控制以及終端接口的響應(yīng)，其結(jié)果會直接影響到系統(tǒng)的顯示輸出。最后，對行為決策結(jié)果，經(jīng)過執(zhí)行輸出Oc_D一部分通過既定的執(zhí)行規(guī)則直接驅(qū)動外部操作終端做出反應(yīng)，例如音響警告及master warn燈的控制等，另一部分主要是儀表的顯示數(shù)據(jù)及控制信息等，輸出至顯示處理Agent進(jìn)行交互。

其他功能對象均采用同樣的行為過程，即感知、思考再輸出，不同的是為了實現(xiàn)不同的功能，不同的對象所采用的思考方式不同，數(shù)據(jù)接口與電源管理均采用單獨的自主決策分別進(jìn)行信息分類、規(guī)劃和系統(tǒng)電源檢測。故障監(jiān)控和顯示管理同時依賴自主推理和決策分別進(jìn)行故障檢測、效應(yīng)匹配和顯示信息管理。而接口終端則是簡單的反應(yīng)型Agent，輸入信息結(jié)合執(zhí)行規(guī)則直接進(jìn)行終端效應(yīng)輸出。

2.3.2 系統(tǒng)行為描述

基于多Agent的EIS系統(tǒng)行為體現(xiàn)為各功能對象之間協(xié)作交互共同完成實體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、故障警告、邏輯處理和儀表顯示功能。其中也包括在內(nèi)部故障模式下系統(tǒng)顯示的重新配置行為，如上ECAM顯示組件發(fā)生故障，則系統(tǒng)自動將上ECAM的內(nèi)容顯示輸出到下ECAM上。

定義2：基于多Agent的EIS系統(tǒng)行為模型B為三元組，其中B_ID表示每個功能對象Agent的行為模型，I表示系統(tǒng)采集到的各機載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及操作信息，O表示經(jīng)過系統(tǒng)各功能處理完成之后的輸出，可表現(xiàn)為與其他機載系統(tǒng)的交互信息，也可表現(xiàn)為系統(tǒng)儀表終端的顯示輸出。則系統(tǒng)的行為過程可表示為：

B:I×B_A×B_B×B_C×B_D×B_E×B_F=O；

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖4以流程圖形式給出了系統(tǒng)的工作行為過程。數(shù)據(jù)接口Agent接收4種數(shù)據(jù)，性能參數(shù)、操作信息、機載系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息。經(jīng)過數(shù)據(jù)決策規(guī)劃，提取出電源系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息分別送往電源管理Agent和故障監(jiān)控Agent，其余信息直接送至邏輯決策Agent，電源管理通過自主決策解析出系統(tǒng)模塊供電情況將供電狀態(tài)送至邏輯決策Agent，故障監(jiān)控Agent解析故障信息，并區(qū)分內(nèi)部故障和外部故障，通過故障點匹配知識庫故障效應(yīng)，將故障點與故障效應(yīng)一同發(fā)往邏輯決策Agent，至此邏輯決策根據(jù)所有必備信息包括數(shù)據(jù)，供電狀態(tài)、操作事件、故障狀態(tài)等，根據(jù)系統(tǒng)邏輯算法融合所有信息得出控制命令，改變系統(tǒng)狀態(tài)，部分模塊狀態(tài)值交互至電源管理和故障監(jiān)控Agent，同時也將數(shù)據(jù)，效應(yīng)、備忘等信息傳送至顯示管理Agent進(jìn)行顯示決策，如儀表顯示終端選擇或者圖像顯示屬性推理等，接口終端儀表則根據(jù)圖像信息及屬性直接執(zhí)行顯示。

3 實例驗證

以A320上ECAM顯示為例，上ECAM顯示內(nèi)容主要有發(fā)動機主要參數(shù)、燃油、襟縫翼位置、警告和備忘信息等。

發(fā)動機參數(shù)和燃油對應(yīng)的是性能參數(shù)，襟縫翼和備忘信息對應(yīng)的是LRU狀態(tài)信息，而警告對應(yīng)的是故障信息。

設(shè)置左發(fā)動機N1轉(zhuǎn)速超限故障，EIS正常工作。相比于飛機系統(tǒng)正常狀態(tài)，此時故障監(jiān)控Agent檢測到故障“ENG 1 N1 OVER LIMIT”發(fā)生，通過匹配故障點產(chǎn)生故障效應(yīng)為“ENG 1 N1 OVER LIMIT”和作動信息“-THR LEVER 1. BELOW LIMIT”，另外，顯示管理Agent對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷檢測到N1數(shù)值(超限后為105)大于正常標(biāo)準(zhǔn)值94，因此改變其顏色屬性及指針顏色屬性均為紅色。

利用自主研發(fā)的A320飛機維修訓(xùn)練器為外部數(shù)據(jù)來源，以Visual C++為程序?qū)崿F(xiàn)平臺，通過模型及功能仿真驗證，在正常及故障情況下上ECAM顯示如圖5中a和b所示。

圖5 ECAM正常與故障狀態(tài)顯示

4 結(jié)語

將Agent模型應(yīng)用到EIS系統(tǒng)建模中去，抽象分類系統(tǒng)功能對象，以混合型Agent的自主行為及協(xié)作行為去實現(xiàn)每個對象及系統(tǒng)的行為過程，采用分層式模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅能減少系統(tǒng)復(fù)雜度，而且能提高系統(tǒng)運行效率，可以有效地對系統(tǒng)功能進(jìn)行建模。

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Multi-agent Model for Electronic Instrument System Simulation

Liu Jiaxue,Hu Ping, Zhu Yujuan

(College of Aeronautical Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

The Electronic Instrument System takes an important role for the display of aircraft performance parameters during the process of flight and aircraft maintenance.Aiming at the function simulation of the EIS, this paper proposed a Multi-agent based EIS modeling scheme, established a hierarchical model on the basis of classification on the system function, and designed the structure of the function object with hybrid architecture agent ,also built the behavior model of the EIS system.At last,by the example of n1 over limit tested the display function of upper ECAM and finally proved its practically and reliability of the modeling on EIS.

electronic instrument system; multi-agent; function simulation; behavior model

2015-12-15；

2016-02-15。

國家自然科學(xué)基金重點項目(60832011)；天津市科技攻關(guān)計劃重點項目(06YFGZGX00700)。

劉家學(xué)(1969-)，男，福建漳平人，教授，主要從事飛機維修仿真和飛行數(shù)據(jù)分析方向的研究。

1671-4598(2016)07-0167-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.045

TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A