船舶修理企業(yè)能力評(píng)估仿真系統(tǒng)研究

張勇明，趙金超，張 立

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

維修理論

船舶修理企業(yè)能力評(píng)估仿真系統(tǒng)研究

張勇明，趙金超，張 立

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

為提高船舶修理企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，構(gòu)建了船舶修理企業(yè)修理能力評(píng)估仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)以高級(jí)體系結(jié)構(gòu)(High Level Architecture,HLA )為基本框架，將參與評(píng)估仿真的實(shí)體設(shè)計(jì)為智能仿真主體，依據(jù)船舶修理企業(yè)實(shí)際修理計(jì)劃調(diào)度過程，建立了系統(tǒng)仿真流程，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于HLA框架的仿真Agent模板，并以此為基礎(chǔ)完成了系統(tǒng)中Agent組織的實(shí)例化。仿真實(shí)例結(jié)果表明，系統(tǒng)能對(duì)企業(yè)修理能力進(jìn)行較好的評(píng)估，為企業(yè)決策提供重要支持。

船舶修理；評(píng)估；HLA；Agent

為提高船舶修理企業(yè)的在全球航運(yùn)市場(chǎng)波動(dòng)中的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，提升企業(yè)效益，對(duì)企業(yè)修理能力進(jìn)行客觀評(píng)估是一項(xiàng)很重要的工作[1]。目前，關(guān)于船舶修理企業(yè)能力評(píng)估方面的研究還很少，船舶修理系統(tǒng)工藝復(fù)雜，且一般多個(gè)項(xiàng)目并行開展，項(xiàng)目間存在資源競(jìng)爭(zhēng)，各項(xiàng)目?jī)?nèi)部又存在工藝時(shí)序約束，對(duì)于這一類復(fù)雜系統(tǒng)，Agent建模技術(shù)能保證系統(tǒng)仿真的靈活性和準(zhǔn)確性[2-3]，但多Agent系統(tǒng)在通信、主體協(xié)調(diào)、時(shí)間同步等底層開發(fā)上存在較大難度，而HLA仿真框架提供了發(fā)布訂閱、時(shí)間同步等標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)[4-5]，能解決多Agent系統(tǒng)的問題，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及二次開發(fā)。

因此，以HLA體系作為系統(tǒng)框架，應(yīng)用Agent技術(shù)完成修理系統(tǒng)中活動(dòng)主體的智能化設(shè)計(jì)，保證了船舶修理企業(yè)修理能力仿真評(píng)估系統(tǒng)的評(píng)估智能性和科學(xué)合理性。

1 仿真評(píng)估系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

1.1 基于HLA的系統(tǒng)仿真框架

船舶修理企業(yè)修理能力評(píng)估仿真系統(tǒng)框架采用HLA技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，系統(tǒng)中的維修活動(dòng)主體公司、工廠、待修船舶等以聯(lián)邦成員的身份加入仿真聯(lián)邦，每個(gè)聯(lián)邦成員均由RTI接口和Agent組織兩部分組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。圖1中各Agent聯(lián)邦成員功能描述如下。

圖1 船舶修理能力仿真評(píng)估系統(tǒng)總體框架

1)船舶Agent容器聯(lián)邦成員，是仿真評(píng)估聯(lián)邦系統(tǒng)的一個(gè)重要聯(lián)邦成員，也是一個(gè)比較特殊的成員，它的主要功能是隨著仿真時(shí)間的推進(jìn)，觸發(fā)生成新的船舶Agent聯(lián)邦成員動(dòng)態(tài)加入聯(lián)邦。

2)船舶AAgenti聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)仿真第i艘被修理的船舶，它在適當(dāng)?shù)姆抡鏁r(shí)間由船舶Agent容器聯(lián)邦成員觸發(fā)生成，然后動(dòng)態(tài)加入聯(lián)邦中，隨著時(shí)間的推進(jìn)，船舶修理計(jì)劃調(diào)度完畢，船舶AAgenti申請(qǐng)退出聯(lián)邦。進(jìn)入聯(lián)邦的船舶Agent的數(shù)量由系統(tǒng)實(shí)際修理容納能力決定。船舶Agent的主要功能是提供船舶修理工程單，為系統(tǒng)仿真提供輸入。

3)公司計(jì)劃Agent聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)根據(jù)工程單生成初步方案并通過發(fā)布傳遞給工廠調(diào)度優(yōu)化Agent，最后接收工廠調(diào)度優(yōu)化Agent的反饋后生成最終修理方案。

4)工廠調(diào)度優(yōu)化Agent聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)根據(jù)初步方案中的初始修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，調(diào)用啟發(fā)式優(yōu)化算法，生成優(yōu)化后的修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，將優(yōu)化后的結(jié)果反饋給公司計(jì)劃Agent。

5)觀察者Agent聯(lián)邦成員，負(fù)責(zé)記錄仿真過程及數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)仿真流程

系統(tǒng)是以HLA為框架的多Agent系統(tǒng)，這個(gè)多Agent系統(tǒng)是依據(jù)船舶修理企業(yè)實(shí)際修理計(jì)劃調(diào)度流程而建立的。系統(tǒng)仿真流程邏輯框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真流程邏輯框圖

在系統(tǒng)仿真流程中，系統(tǒng)輸入為修理計(jì)劃工程單和修理資源，系統(tǒng)輸出為修理計(jì)劃總周期和資源利用率，具體的仿真步驟如下：

step1：令i=0；

step2：仿真循環(huán)開始，i=i+1；

step3：船舶Agent容器創(chuàng)建一個(gè)船舶AgentSi；

step4：船舶AgentSi生成一個(gè)工程單Di；

step5：根據(jù)船舶AgentSi的特性和工程單Di，公司Agent選擇調(diào)用模板庫(kù)，生成初步方案Sib，

并將對(duì)應(yīng)的初步修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖Pib通過發(fā)布傳送給工廠Agent；

step6：工廠Agent調(diào)用啟發(fā)式規(guī)則庫(kù)，通過優(yōu)化配置資源，生成優(yōu)化后的修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖Pie，反饋給公司Agent；

step7：公司Agent根據(jù)優(yōu)化后修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖得出對(duì)應(yīng)修理方案Sie；

step8：若i≥n或T仿≥T，跳轉(zhuǎn)step9，否則跳轉(zhuǎn)step2；

step9：對(duì)比目標(biāo)，得出評(píng)估結(jié)果，仿真結(jié)束。

系統(tǒng)仿真流程是一個(gè)循環(huán)過程，其中step8表述的是系統(tǒng)仿真循環(huán)結(jié)束條件，當(dāng)系統(tǒng)中仿真修理完成船舶數(shù)量達(dá)到計(jì)劃的n艘或仿真時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間T時(shí)，仿真循環(huán)結(jié)束。

2 Agent組織詳細(xì)設(shè)計(jì)

由于HLA框架中信息發(fā)布訂閱、時(shí)間同步等機(jī)制的支持， Agent自身在通信、協(xié)調(diào)等方面的設(shè)計(jì)可以弱化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后就便于Agent的實(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)的Agent組織主要是指系統(tǒng)仿真中的各個(gè)主體，包括公司計(jì)劃Agent、工廠調(diào)度優(yōu)化Agent、船舶Agent以及船舶Agent容器，其中設(shè)計(jì)開發(fā)的重點(diǎn)是前2個(gè)Agent。為了降低開發(fā)難度，同時(shí)便于系統(tǒng)重用及二次開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于HLA框架的Agent模板[6]，然后再在此模板基礎(chǔ)上開發(fā)系統(tǒng)中的各個(gè)具體Agent。

2.1 Agent模板

為適應(yīng)系統(tǒng)HLA基礎(chǔ)框架，通過增加通信轉(zhuǎn)換模塊RTI/Agent中間件，設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于HLA體系的仿真評(píng)估Agent模板，該模板具有3層結(jié)構(gòu)，分別是通信層、功能層和數(shù)據(jù)層，如圖3所示。

圖3 仿真評(píng)估系統(tǒng)Agent 3層結(jié)構(gòu)模板

通信層是Agent與外部仿真運(yùn)行支撐框架RTI交互的中間結(jié)構(gòu)，包括KQML消息管理器和RTI/Agent中間件。系統(tǒng)中Agent通信時(shí)采用消息機(jī)制，具體的通信語言為通用智能體通信語言KQML，通信層中的KQML消息管理器主要負(fù)責(zé)消息的管理和解釋。由于評(píng)估仿真系統(tǒng)是基于HLA框架的，而KQML智能體通信語言一般用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，因此需要對(duì)通信消息進(jìn)行形式轉(zhuǎn)換以適應(yīng)仿真運(yùn)行支撐框架RTI規(guī)范，這就是RTI/Agent中間件的主要功能。

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)Agent與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，采用標(biāo)準(zhǔn)ADO接口，內(nèi)容根據(jù)具體Agent仿真過程中所需數(shù)據(jù)決定。

功能層包括運(yùn)行控制模塊、修理決策反應(yīng)模塊、修理決策推理模塊、修理調(diào)度決策模塊，其中運(yùn)行控制模塊是Agent實(shí)現(xiàn)時(shí)必須的，負(fù)責(zé)Agent運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部調(diào)度，其他模塊根據(jù)具體Agent的功能需求有選擇性地實(shí)現(xiàn)。

2.2 Agent形式化描述

系統(tǒng)中Agent以圖3中給出的Agent 3層結(jié)構(gòu)為模板來實(shí)現(xiàn)，主要根據(jù)具體Agent的需要有選擇性地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊，下面以工廠調(diào)度優(yōu)化Agent為例，給出其實(shí)現(xiàn)的形式化描述。

Class Factory-Agent

{

/////////////////數(shù)據(jù)層

//修理資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

int Source-code [n]; //資源標(biāo)識(shí)碼

int Source-type; //資源類別

int Source-capability[i]; //資源容量

float NC;//任務(wù)、資源匹配系數(shù)閾值

//啟發(fā)式規(guī)則數(shù)據(jù)

string Source-regulation; //資源調(diào)度規(guī)則

...

//////////////通信層

void commu-Agent(id_sender, id_ receiver,

kind_kqml,content);//KQML通信函數(shù)

void trans-rti-Agent(message_Agent,info-rti,

flag-direc);//RTI/Agent中間轉(zhuǎn)化函數(shù)

...

//////////////功能層

void Progress-Control(); //進(jìn)程控制模塊

//修理調(diào)度決策模塊

void Source-apply(W_id, Source_code);

//資源配置函數(shù)

//資源配置動(dòng)態(tài)屬性

int Ship-Source[i]; //資源與船舶對(duì)應(yīng)數(shù)組

int Work-Source[i]; //資源與任務(wù)對(duì)應(yīng)數(shù)組

float Free-Source[i];//資源空閑率

...

}

3 仿真實(shí)例

系統(tǒng)采用VC++6.0語言編程實(shí)現(xiàn)，HLA框架中的RTI采用PichAB公司的pRTI，目前應(yīng)用于上海某船舶修理廠，下面是該公司能力仿真評(píng)估的一個(gè)實(shí)例。修理廠的船塢、船排和各車間的專業(yè)維修小組構(gòu)成了仿真系統(tǒng)的修理資源，共39種，具體如表1所示。

表1 修理資源列表

船廠半年內(nèi)計(jì)劃修理20艘型號(hào)、修理等級(jí)、工程范圍、開工時(shí)限各不相同的船舶。通過人工準(zhǔn)備修理工程單、修理資源數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成修理網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，采用“最早結(jié)束時(shí)間優(yōu)先”啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行仿真運(yùn)算，系統(tǒng)評(píng)估仿真的2個(gè)主要輸出數(shù)據(jù)為修理計(jì)劃總周期和資源利用率。

圖4為原計(jì)劃總周期與啟發(fā)式規(guī)則下仿真調(diào)度總周期比較圖。

圖4 修理計(jì)劃仿真調(diào)度總周期比較

圖4仿真結(jié)果顯示，以一定的啟發(fā)式規(guī)則對(duì)修理計(jì)劃實(shí)施仿真調(diào)度，修理總周期較原計(jì)劃的半年183 d縮短了47 d。該評(píng)估仿真結(jié)果表明：對(duì)于當(dāng)前的計(jì)劃修理任務(wù)，若改變計(jì)劃調(diào)度規(guī)則，修理資源總體上有一定的富裕，為提高公司效益，要么增

加修理業(yè)務(wù)單即增加計(jì)劃修理的船舶數(shù)量，要么總體上減少公司當(dāng)前的修理資源儲(chǔ)備。

4 結(jié)束語

船舶修理企業(yè)能力仿真評(píng)估系統(tǒng)采用Agent技術(shù)，保證了仿真靈活性和評(píng)估準(zhǔn)確性，而基于HLA框架設(shè)計(jì)則降低了系統(tǒng)底層開發(fā)的難度，并有利于系統(tǒng)二次開發(fā)。仿真實(shí)例表明，仿真評(píng)估系統(tǒng)能反映船舶修理企業(yè)總體修理能力相對(duì)計(jì)劃業(yè)務(wù)量的富裕程度，為企業(yè)提高資源利用率提供決策支持。系統(tǒng)對(duì)于當(dāng)前提高船舶修理企業(yè)抗風(fēng)險(xiǎn)能力，提升企業(yè)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。

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特此聲明

《中國(guó)修船》編輯部

For improving the anti-risk capability of ship enterprise,the repair capability assessment system is built based on HLA and Agent.According to the practical process of ship enterprise,the simulation process is given.Agent is designed in detail based on the template for HLA,finally the simulation application is brought forward.The benefit will be brought to enterprise decision because of the good result of assessment simulation.

ship repairing;assessment;High Level Architecture;Agent

張勇明(1980-)，男，湖北松滋人，講師，碩士，主要從事裝備保障、環(huán)境仿真等方面的研究。

U673;TP391.9

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.013

2015-11-20