董健康+鄧龍

摘 要： 針對現(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）對維修拆裝系統(tǒng)中的拆裝平臺進(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)對多拆裝平臺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：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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)，國內(nèi)各大航空公司對新員工往往會有大約一年的維修培訓(xùn)時間，長時間的培訓(xùn)依然掩蓋不了國內(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)境中多個用戶共協(xié)同拆裝訓(xùn)練提供了條件。國內(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，并利用模糊綜合評估的智能算法來解決Agent之間的競爭沖突。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)同拆裝都是對單一虛擬拆裝平臺中的三維模型進(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)時處理問題，不能滿足實(shí)時協(xié)同拆裝仿真的要求。

雖然多Agent維修拆裝系統(tǒng)中每一個Agent模型具有自治性和反應(yīng)性的功能[5]，但是對于系統(tǒng)來說，它們不是一個孤立的實(shí)體，通過拆裝系統(tǒng)中多個操作平臺之間的交互合作[6]，可以有效地解決系統(tǒng)中場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，每一個維修拆裝任務(wù)是維修人員按照維修手冊[7]的要求，對飛機(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，訓(xùn)練人員根據(jù)拆裝任務(wù)進(jìn)行拆裝訓(xùn)練。維修手冊中LRU組件的拆卸或裝配過程，有其對應(yīng)的任務(wù)號，每一個任務(wù)號還包含對應(yīng)多個拆裝子任務(wù)號。

定義1：維修手冊單個LRU組件任務(wù)號中，完成該任務(wù)號執(zhí)行的所有操作稱為一個拆裝任務(wù)。

定義2：維修手冊中拆裝任務(wù)號以模塊劃分，一個拆裝任務(wù)號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AMM拆裝任務(wù)的結(jié)構(gòu)，單個組件的拆卸任務(wù)由多個的子任務(wù)構(gòu)成，可以按層次關(guān)系對任務(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)程序包括平臺工具的使用和打開對應(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。

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

由以上對任務(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)

通過對多操作平臺維修拆裝系統(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、物理平臺層三層結(jié)構(gòu)來描述多Agent維修拆裝系統(tǒng)[1]?；诙郃gent的維修系統(tǒng)框架如圖2所示。

物理平臺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3D場景，并計(jì)算3D模型的屬性、狀態(tài)和基于場景的事件管理。

多Agent層包含操作和服務(wù)兩類Agent。每個Agent對應(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)鍵盤對其他Agent交互的消息的驅(qū)動。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外部動作之間的交互關(guān)系。

2.2 操作平臺Agent結(jié)構(gòu)

維修拆裝平臺Agent模型中，拆裝過程中每一個仿真平臺中拆裝實(shí)體的行為動作的執(zhí)行與其邏輯關(guān)系的描述都是該平臺Agent模型內(nèi)部行為的一部分，所以，仿真平臺Agent模型是具有自治性、主動性功能的思考模塊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模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。Pm通過平臺自身行為推理體現(xiàn)反應(yīng)性和自治性；Ro通過對拆裝實(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Agent的行為知識庫，包括維修拆裝平臺中各個拆裝實(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是平臺內(nèi)拆裝實(shí)體3D模型動作行為決策器，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RID、實(shí)體3D模型部件編號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Agent拆裝過程交互過程

拆裝平臺中拆裝實(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)的同時與其他操作平臺進(jìn)行信息交互[10]，實(shí)現(xiàn)其他平臺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）， 顯示操作錯誤（Act11）；如果該輸入觸發(fā)信息有效，執(zhí)行存儲數(shù)據(jù)（Act3），給維修系統(tǒng)中的其他操作平臺發(fā)送該觸發(fā)信息（Act4），實(shí)現(xiàn)拆裝實(shí)體狀態(tài)聯(lián)動，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，各個操作平臺Agent共同完成一個復(fù)雜組件的拆裝過程時，采用請求/應(yīng)答的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)商，合作。當(dāng)請求Agent發(fā)出請求后，請求托肯通過請信息求弧發(fā)送到ILP中[8]，應(yīng)答Agent執(zhí)行請求，無論是否執(zhí)行成功，均通過對應(yīng)弧返回信息給請求Agent，如果無法完成任務(wù)，或請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，兩個維修學(xué)員在各自的操作平臺上執(zhí)行該燃油活門的拆卸任務(wù)。由單個操作平臺內(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)該操作平臺內(nèi)燃油活門接帶斷開操作，與此同時給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)自身平臺下搭接帶的斷開。最終實(shí)現(xiàn)在不同操作平臺，實(shí)現(xiàn)拆裝操作的場景一致性。用以上請求/應(yīng)答模型，重點(diǎn)描述執(zhí)行拆裝任務(wù)時的交互行為。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模型的動作實(shí)現(xiàn)

針對靜態(tài)3D模型的場景主要使用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)來對應(yīng)實(shí)體模型的動作條件、路徑、坐標(biāo)及其他屬性的加載，每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)容則是每個屬性所對應(yīng)的內(nèi)容，最后將每個顯示組件所需的全部模型參數(shù)信息，集成為一個腳本文件在初始化時進(jìn)行加載。7QU燃油活門動作實(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)對應(yīng)的實(shí)體被操作時，其狀態(tài)被一個客戶端用戶鎖定，其他客戶端不能對其操作。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，即多人同時對一個拆裝對象進(jìn)行操作時，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)行一個拆裝操作時，每個操作平臺Agent會記錄當(dāng)前平臺下用戶對組件觸發(fā)操作的時間，維修對象接受到動作指令，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)時間戳的控制方法，選出最先對維修對象進(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)中每一個拆裝平臺進(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)練器平臺上對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，其兩個維修學(xué)員在兩臺操作平臺Agent上拆卸過程參考圖如圖8所示。

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