基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計

簡建幫 李迎光 王 偉 宋智勇

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，成都，610092

0 引言

協(xié)同設(shè)計要求在產(chǎn)品設(shè)計階段就考慮到產(chǎn)品開發(fā)后期可能影響到產(chǎn)品質(zhì)量、成本及開發(fā)時間的所有因素［1］。Agent是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中具有靈活、自主行動能力的一類軟件主體［2］，由于現(xiàn)實系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及單Agent因自身能力與資源的有限性而無法獨立地實現(xiàn)一些復(fù)雜的系統(tǒng)，因此，多Agent技術(shù)得以迅速發(fā)展，逐漸成為分布式人工智能研究的熱點［3－5］。基于多Agent的協(xié)同設(shè)計使分布在不同地點的設(shè)計人員及其他相關(guān)人員可以通過網(wǎng)絡(luò)采用各種CAX工具協(xié)同地進行產(chǎn)品設(shè)計活動。

在國外，Toye等［6］開展的SHARE項目研究了如何利用基于Agent的計算機輔助工具和服務(wù)實現(xiàn)團隊成員間的交流、協(xié)作、分析和綜合。Ahn等［7］研究開發(fā)了一個基于Internet的CAD／CAM系統(tǒng) CyberCut。Kim 等［8］開發(fā)了一個基于Web的三維協(xié)同標(biāo)注系統(tǒng)CyberView。在國內(nèi)，牟玉潔等［9］將 Windows API函數(shù)與圖層覆蓋技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)過程中的三維工程圖形實時批注工具系統(tǒng)。高曙明等［10］通過分析現(xiàn)有協(xié)作支持工具和系統(tǒng)的不足，提出了用協(xié)作支持工具軟件CoCADToolAgent改造商品化CAD系統(tǒng)來開發(fā)計算機支持協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的方法。西安交通大學(xué)系統(tǒng)工程研究所開發(fā)出了基于復(fù)制式應(yīng)用程序共享技術(shù)的協(xié)同式計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)CoopCAD［11］。西北工業(yè)大學(xué)CAD／CAM中心對協(xié)同幾何造型技術(shù)有較深入的研究，以UG二次開發(fā)為基礎(chǔ)實現(xiàn)了UG環(huán)境下的實時協(xié)同造型和瀏覽、查詢和標(biāo)注以及模型協(xié)同編輯等［12－13］。

然而，以三維模型為主，二維工程圖紙為輔的協(xié)同模式在解決非幾何信息的協(xié)同設(shè)計上往往采用批注的方法，存在如下主要問題：

（1）難以表達分散在2D工程圖紙中的非幾何信息。協(xié)同人員對協(xié)同對象的共同認(rèn)知是協(xié)同設(shè)計的必要條件，因此需要對非幾何信息進行知識的表達和存儲。但是，由于傳統(tǒng)協(xié)作模式采用“3D模型＋2D圖紙”的方式，協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)源不唯一，非幾何信息分散在2D圖紙中，故難以對其進行形式化表達、共享和重用。

（2）不能有效地傳遞非幾何信息知識。Agent間消息傳遞的基礎(chǔ)是對協(xié)同對象的共同認(rèn)知，非幾何信息的難以表達將導(dǎo)致協(xié)同站點間不能有效地傳遞協(xié)同信息。

（3）難以進行相關(guān)性修改。當(dāng)協(xié)同人員對工藝信息提出修改建議時，設(shè)計人員難以根據(jù)修改意見對分散在二維圖紙中的工藝信息進行自動修改，且3D模型和2D工程圖紙間的相關(guān)性難以保證。

因此，本文將基于模型的定義（model based definition，MBD）和多Agent技術(shù)相結(jié)合，提出了基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計方法。

1 協(xié)同設(shè)計技術(shù)

1.1 協(xié)同設(shè)計框架

基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計框架采用聯(lián)邦式的多Agent協(xié)同結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)用開發(fā)接口實現(xiàn)對相關(guān)MBD非幾何信息的訪問，并對已有的功能尺寸和標(biāo)注工具進行接口封裝來支持協(xié)同工作，如圖1所示。

圖1 基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計框架

根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)調(diào)專業(yè)多、路線長的特點，按照功能進行劃分，協(xié)同設(shè)計中各專業(yè)Agent包括飛機結(jié)構(gòu)件詳細設(shè)計Agent（detailed design Agent，DDA）、制造工藝 Agent（manufacturing process Agent，MPA）、裝配仿真 Agent（assembly simulation Agent，ASA）等。這些專業(yè)Agent封裝相應(yīng)的CAX工具，并借助于專業(yè)服務(wù)器（Facilitator）進行集中的消息接收和發(fā)送，避免了點對點的通信，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。設(shè)計Facilitator在以目標(biāo)為導(dǎo)向的整體協(xié)調(diào)控制下，通過各專業(yè)Agent進行領(lǐng)域活動，逐步完成設(shè)計任務(wù)。同時，各專業(yè)應(yīng)用Agent能隨著任務(wù)的下發(fā)而創(chuàng)建并自動組合，隨著任務(wù)的結(jié)束而自動解體、消亡，體現(xiàn)了產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計的靈活、快速響應(yīng)。

基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計流程為：①由設(shè)計員發(fā)布MBD模型給所有參與協(xié)同設(shè)計的下游分析人員，如制造工藝員、裝配分析員；②下游分析人員利用自己的專業(yè)知識對產(chǎn)品模型進行分析，若存在不合理之處，則拾取MBD模型中相應(yīng)的非幾何信息及與其相關(guān)聯(lián)的幾何信息，并附加相應(yīng)的操作建議（如新建、修改、刪除等），調(diào)用置于下游的Agent（如制造工藝Agent、裝配仿真Agent等），封裝拾取到的非幾何信息及與其相關(guān)聯(lián)的幾何信息和操作建議；③多Agent系統(tǒng)通過基于 Web的Agent交流信道將封裝好的消息發(fā)送給設(shè)計員；④設(shè)計員分析通過設(shè)計Agent接收到的操作建議，若認(rèn)為建議合理，則根據(jù)建議操作，調(diào)用封裝的MBD非幾何信息建模工具對初步MBD模型進行修改，并將該修改操作發(fā)送給所有參與協(xié)同的設(shè)計人員，以便他們更新模型，保持協(xié)同模型的一致性。如此反復(fù)，直到設(shè)計的模型符合當(dāng)前的制造水平、工藝以及經(jīng)濟性等方面的要求。

1.2 基于MBD的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)字化定義

MBD是一種用集成的3D實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息的方法，它詳細規(guī)定了3D模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達方式［14］，取代了2D圖紙成為協(xié)同設(shè)計共享中的唯一授權(quán)資料，設(shè)計、工藝制造等方面的人員共同圍繞該數(shù)據(jù)集進行產(chǎn)品的設(shè)計、加工、檢驗等一系列工作。通過參考ASME Y14.41［15］標(biāo)準(zhǔn)和波音公司對MBD模型的表達方式，本文針對飛機結(jié)構(gòu)件的特點研究了飛機結(jié)構(gòu)件MBD模型幾何信息和非幾何信息的表達方式，并采用特征結(jié)構(gòu)樹的方式對該信息進行組織管理。圖2所示為某飛機框類零件在CATIA中的MBD模型。

1.3 MBD非幾何信息本體表達

本體用于描述事物的本質(zhì)，是共享概念模型明確的形式化規(guī)范說明［16］。通過本體，可以解決由于缺乏共同認(rèn)識而導(dǎo)致的人與人、人與組織以及組織與組織之間缺乏溝通的問題，提高了系統(tǒng)的互用性，實現(xiàn)了知識的重用和共享。

圖2 CATIA中某飛機框類零件MBD模型

結(jié)合飛機結(jié)構(gòu)件MBD模型非幾何信息表達需求，本文建立了飛機結(jié)構(gòu)件MBD模型非幾何信息本體。用O表示飛機結(jié)構(gòu)件MBD模型非幾何信息本體，那么O可以表示為如下三元組：

其中，C表示類，代表某類個體的集合，它描述了該類個體的通用屬性；R表示關(guān)系，描述了該領(lǐng)域內(nèi)類與類之間的關(guān)系，基本的4種關(guān)系為part－of，kind－of，instance－of和attributeof 4種；I表示實體，描述某個類具體化的值。

圖3為部分本體的表達結(jié)構(gòu)圖，其中“Concept”是所有類的父類，“AID”是所有Agent類的父類，“AgentAction”是所有Agent所具有的功能的父類。除與Agent有關(guān)的本體定義之外，所有的類均繼承自“MBDJBaseUnknown”，這些子類表達了所有的 MBD非幾何信息。其中，類“MBDJTTRSSet”表達了與非幾何信息標(biāo)注相關(guān)聯(lián)的幾何集，如表面與粗糙度相關(guān)聯(lián)的面；類“MBDJTPSObject”表達了所有的非幾何信息標(biāo)注對象，如其子類“MBDJTPSTolerance”表達所有的公差信息，包括尺寸公差類“MBDJTPSDimension”、形狀公差類“MBDJTPSForm”。

圖3 部分飛機結(jié)構(gòu)件MBD非幾何信息本體表達結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于多Agent的協(xié)同通信

為實現(xiàn)各協(xié)同站點人員的協(xié)同通信，本文采用FIPA（foundation for intelligent physical Agents）組織定義的Agent通信模型，并通過Agent通信語言（Agent communication language，ACL）封裝MBD非幾何信息本體發(fā)送到接收方。

1.4.1 FIPA－Agent通信模型

FIPA是一個非營利Agent標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)威組織，其制定的FIPA規(guī)范中，Agent通信模型如圖4所示。其中，AMS表示Agent管理系統(tǒng)，管理該Agent平臺的所有Agent、DF以及ACC，協(xié)調(diào)Agent通信合作；DF表示目錄服務(wù)器，管理平臺上Agent的目錄注冊和目錄檢索，提供黃頁服務(wù)；應(yīng)用Agent是面向特定應(yīng)用領(lǐng)域的，解決領(lǐng)域設(shè)計問題的Agent可以封裝相應(yīng)的CAD工具；ACC表示Agent通信通道；Socket、CORBA、RMI、SOAP表示Agent平臺間的通信協(xié)議。同一個Agent平臺中Agent間消息的發(fā)送只需經(jīng)過ACC，而不同Agent平臺中Agent間消息的發(fā)送需要發(fā)送給 ACC，再通過Socket、CORBA、RMI、SOAP等協(xié)議傳輸給另一個Agent平臺。

圖4 FIPA－Agent通信模型

FIPA－ACL提出的ACL主體通信語言定義了Agent之間交互的一組消息類型，對這些交互消息的語法、語義和語用做出了嚴(yán)格的、形式化的描述和定義。該語法結(jié)構(gòu)中規(guī)定了消息的類型（如通知、同意、請求等）、消息的參數(shù)（如發(fā)送者、接收者、消息內(nèi)容、所采用的本體等）。

根據(jù)FIPA－ACL的語法定義，一條ACL消息一般具有的格式如圖5所示。該條ACL消息表示由名為“Designer1”的“MBDDesignerAgent”向目錄服務(wù)器“df”發(fā)送以“sl”語言描述的搜索該Agent平臺內(nèi)“MBDProcesserAgent”類型的Agent。

1.4.2 各Agent間的通信過程

基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計過程中，各協(xié)同站點的人員通過調(diào)用相應(yīng)的Agent進行協(xié)同合作。各Agent采用FIPA－ACL通信語言，通過ACC實現(xiàn)消息的傳遞，并且該消息是采用MBD非幾何信息本體對MBD模型進行表達的，實現(xiàn)了各Agent間的語義消息傳遞。本系統(tǒng)各Agent間的協(xié)同通信如圖6所示。

圖5 查詢MBDProcesserAgent的ACL消息

圖6 各Agent間的協(xié)同通信

首先，各Agent向 DF發(fā)送注冊請求（request），完成各Agent向該Agent平臺的注冊；其次，由詳細設(shè)計Agent向DF發(fā)送查詢協(xié)同Agent的請求，請求消息如圖5所示，DF將查詢的結(jié)果以通知（inform）的形式返回給詳細設(shè)計Agent；然后詳細設(shè)計Agent將初步的MBD模型發(fā)送給各協(xié)同Agent（如制造工藝Agent、裝配仿真A－gent），各協(xié)同Agent根據(jù)各自的專業(yè)知識對MBD模型進行可制造性、工藝性、可裝配性等分析，并向詳細設(shè)計Agent發(fā)送修改意見；最后，詳細設(shè)計Agent根據(jù)修改意見修改模型，并將修改操作發(fā)送到各協(xié)同Agent，各協(xié)同Agent通過調(diào)用CAD軟件相應(yīng)的功能完成模型的自動更新，以達到協(xié)同模型的一致性。如此反復(fù)協(xié)商、修改，最終使修改后的MBD模型符合現(xiàn)有的制造條件，具有經(jīng)濟效益好、可裝配性好等優(yōu)點。

1.5 CAX工具封裝

為實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計人員可以根據(jù)下游協(xié)同人員的修改建議自動修改MBD模型，需要將CAX的建模工具進行封裝。由于協(xié)同人員間消息由MBD非幾何信息本體進行表達，并通過多Agent系統(tǒng)進行傳遞，因此，對于CAX建模工具的封裝，首先要進行多Agent系統(tǒng)與CAX軟件的集成，然后通過CAX軟件訪問多Agent系統(tǒng)傳遞的修改建議，并通過調(diào)用CAX建模API對MBD模型進行修改，最后將修改操作發(fā)送給其他協(xié)同人員，進行MBD模型的更新。

本文采用CATIA作為MBD模型的建模工具，采用JADE平臺開發(fā)多Agent系統(tǒng)。由于多Agent系統(tǒng)與CATIA應(yīng)用開發(fā)的復(fù)雜性及各自技術(shù)的特點，它們的集成比較困難，并且多Agent采用Java語言開發(fā)，而CATIA開發(fā)平臺CAA采用C＋＋語言開發(fā)。針對以上問題，本文建立了多Agent系統(tǒng)與CATIA集成框架，如圖7所示。該框架采用接口交換及JNI（Java native interface）技術(shù)，即通過API函數(shù)獲得各自系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)交換，同時采用JNI技術(shù)，實現(xiàn)了Java與C＋＋之間的互相調(diào)用。

圖7 多Agent系統(tǒng)與CATIA集成框架

2 相關(guān)技術(shù)比較

針對飛機結(jié)構(gòu)件非幾何信息協(xié)同設(shè)計的各重要因素，將基于MBD和多Agent的協(xié)同設(shè)計技術(shù)與其他常用技術(shù)進行了比較，如表1所示?；贜etMeeting的協(xié)同設(shè)計可以通過截取單用戶CAX／DFX工具的用戶界面和傳輸界面圖像來實現(xiàn)簡單的同步協(xié)同設(shè)計，但存在協(xié)同工作效率低、不支持多系統(tǒng)等問題，無法有效地支持同步協(xié)同設(shè)計工作；基于JAVA 3D／Web的協(xié)同設(shè)計采用了復(fù)制程序和3D模型到各機器的方式，用戶之間傳遞的是命令，負(fù)擔(dān)輕，用戶間可以進行操作，但難于直接進行協(xié)同標(biāo)注，相關(guān)性難于保證；基于多Agent的協(xié)同設(shè)計采用本體表達修改意見和操作，用戶之間傳遞的是本體，負(fù)擔(dān)輕，但難以實現(xiàn)三維協(xié)同標(biāo)注。通過比較可知，基于MBD和多Agent的協(xié)同設(shè)計網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)輕，能實現(xiàn)3D標(biāo)注且保持非幾何信息和幾何元素的相關(guān)性。

表1 相關(guān)技術(shù)比較

3 應(yīng)用實例

根據(jù)以上研究，在CATIA V5和JADE平臺上開發(fā)的基于MBD和多Agent的飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)已在某大型航空企業(yè)的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中得到了初步的應(yīng)用。圖8所示為某典型雙面框類零件（圖2）中某尺寸的修改過程。

首先，制造工藝人員采用MBD非幾何信息本體，向詳細設(shè)計人員提出更改尺寸請求，如圖8中部對話框所示；然后，若詳細設(shè)計人員接受建議，則調(diào)用CATIA相應(yīng)的API對MBD模型進行修改（如圖8右部所示），并將修改操作發(fā)送給制造工藝人員；最后，制造工藝人員根據(jù)修改操作更新MBD模型，以保持協(xié)同模型的統(tǒng)一性。

4 結(jié)論

（1）采用本體表達MBD模型非幾何信息，設(shè)計模型非幾何信息得以進行形式化表達、共享和重用。

（2）采用多Agent技術(shù)，實現(xiàn)了協(xié)同設(shè)計人員間的靈活多變的分布式同步協(xié)同。

圖8 某典型雙面框類零件中某尺寸修改過程

（3）CAD系統(tǒng)與多Agent的集成，實現(xiàn)了CAD系統(tǒng)與多Agent間數(shù)據(jù)的交換、MBD模型的更改和自動更新。

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