基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)*

（南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京210016）

飛機構(gòu)件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、剛度低等特點，為了確保飛機的裝配質(zhì)量，必須采用大量的工藝裝備輔助完成飛機構(gòu)件的裝配工作。飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計工作占了飛機生產(chǎn)制造全過程70%～80%的時間，工裝的設(shè)計制造成本占產(chǎn)品制造總成本的10%～20%[1-2]，工裝的設(shè)計工作已成為確保飛機生產(chǎn)制造工作順利進(jìn)行的重要環(huán)節(jié)。面對工裝質(zhì)量要求高、研制成本低、研發(fā)周期短等眾多條件的制約，在飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計過程中，必須綜合考慮產(chǎn)品的制造與裝配工藝、工裝的剛度與強度、產(chǎn)品裝配應(yīng)力等眾多因素，因此工裝設(shè)計人員無法單獨完成工裝設(shè)計的復(fù)雜工作，必須同產(chǎn)品工藝設(shè)計人員、制造仿真分析人員、裝配仿真分析人員等工作人員協(xié)同完成工裝設(shè)計工作。

飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計信息交叉密集，對協(xié)同設(shè)計的需求更為迫切。針對協(xié)同設(shè)計國內(nèi)外學(xué)者做了諸多研究。在國外，斯坦福大學(xué)的Cutkosky等[3]最早將Agent技術(shù)應(yīng)用到工程技術(shù)領(lǐng)域，為本領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計工作提供了全新的設(shè)計方法，對Agent技術(shù)而言也具有里程碑式的意義。Kim等[4]開發(fā)了一個B/S結(jié)構(gòu)的三維協(xié)同標(biāo)注系統(tǒng)CyberView，多用戶可通過該系統(tǒng)同時在線對服務(wù)器中模型進(jìn)行標(biāo)注和瀏覽操作。在國內(nèi)，浙江大學(xué)的賈虹等[5]以ISO組織制定的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP為各CAX軟件間的數(shù)據(jù)交換格式，實現(xiàn)了產(chǎn)品在各CAX間的數(shù)據(jù)共享，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了圖形瀏覽器ST-Viewer。何發(fā)智等[6]利用協(xié)同支持工具CoCADToolAgent改造商業(yè)化的CAD系統(tǒng)開發(fā)出了CSCD系統(tǒng)，給出了通訊協(xié)議、通訊支持、一致性維護和并發(fā)控制、協(xié)同感知等問題的有效解決方案。北京航空航天大學(xué)的敬石開等[7]創(chuàng)建了產(chǎn)品裝配語義模型，詳細(xì)研究了產(chǎn)品尺寸約束以及裝配幾何約束的表達(dá)方法，并闡述了在產(chǎn)品裝配設(shè)計工作流程中，基于語義對零件設(shè)計尺寸約束、裝配路徑規(guī)劃信息和裝配順序的推理過程。南京航空航天大學(xué)的Li等[8]提出了將人類神經(jīng)分泌與免疫系統(tǒng)的協(xié)同工作原理運用到了飛機工裝設(shè)計工作的方法，通過集成PDM技術(shù)集成多Agent技術(shù)搭建了飛機工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)框架。簡建邦等[9]利用本體技術(shù)完成了對飛機構(gòu)件MBD模型中非幾何信息的語義定義與信息共享，針對飛機構(gòu)件的設(shè)計流程搭建了基于MBD和多Agent技術(shù)的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)框架，利用多Agent技術(shù)實現(xiàn)了各CAX間的協(xié)同通信功能。

本文根據(jù)飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計人員與工藝設(shè)計人員、仿真分析人員等下游工作人員為完成飛機構(gòu)件工裝設(shè)計任務(wù)而展開的工裝協(xié)同設(shè)計工作的需求，研究了基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計方法。

圖1 工裝MBD模型的結(jié)構(gòu)組織形式Fig.1 Structural composition of tooling MBD model

飛機構(gòu)件工裝MBD模型

為確保飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計人員在工裝協(xié)同設(shè)計過程中利用的數(shù)據(jù)源唯一，采用MBD技術(shù)對飛機構(gòu)件工裝設(shè)計方案進(jìn)行表達(dá)。MBD技術(shù)是在3D模型中集成產(chǎn)品定義、公差標(biāo)注、工藝信息、屬性等非幾何信息，從而完全剔除傳統(tǒng)2D圖紙成為協(xié)同共享的唯一數(shù)據(jù)源的設(shè)計方法[10]，而MBD模型則是進(jìn)行協(xié)同設(shè)計的基礎(chǔ)。本文參考ASME Y14.5-2009標(biāo)準(zhǔn)[11]和GB/T 24734-2009[12]等標(biāo)準(zhǔn)，給出了用于飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計的工裝MBD模型，如圖1所示。

從圖1可以看出，裝配件的工裝MBD模型和零件的工裝MBD模型都是由幾何信息、特性、屬性和標(biāo)準(zhǔn)組成，可用下述公式進(jìn)行表達(dá)：

式中，Mt表示工裝 MBD 模型（t=1，2，3）；Gi表示MBD模型中幾何特征元素；Cj表示MBD模型中的特性信息；Ak表示MBD模型中的標(biāo)注信息；Pq表示MBD模型中屬性信息。

模型中幾何特征元素包括主幾何元素、輔助幾何元素和參考幾何元素。主幾何元素指在3D環(huán)境中描述模型造型特征和形貌的幾何信息集合；輔助幾何元素指輔助表現(xiàn)模型信息的幾何信息，如成型磨具中的分模線、標(biāo)識需進(jìn)行特殊加工的曲面區(qū)域等；參考幾何元素指從其他模型中拷貝并利用的幾何信息元素，如成型磨具模面板的上模面曲面幾何信息數(shù)據(jù)、裝配型架中卡板的內(nèi)曲面信息數(shù)據(jù)等。

特性信息指描述模型的非幾何信息，如工裝設(shè)計人員、材料信息、工裝的制造信息、技術(shù)注釋等信息。標(biāo)注信息指標(biāo)注的基準(zhǔn)面、尺寸、形位公差、文本注釋等信息。屬性指在模型中不能直接可見的信息，如工裝的質(zhì)量參數(shù)等信息。

表1 工裝非幾何信息模板

飛機構(gòu)件工裝非幾何信息模板

飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計人員進(jìn)行工裝設(shè)計過程中，除需利用幾何信息可視化地表達(dá)設(shè)計目的外，還需利用非幾何信息完善設(shè)計意圖，以便下游工作人員對模型信息進(jìn)行辨識、讀取和應(yīng)用。本文針對飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計過程中零件和裝配件工裝MBD模型中非幾何信息設(shè)計需求的不同，制定了兩種不同類型的非幾何信息設(shè)計模板，以便工裝設(shè)計人員規(guī)范、快速、清晰地對工裝MBD模型非幾何信息進(jìn)行設(shè)計，并且便于參與工裝協(xié)同設(shè)計的下游工作人員對工裝非幾何信息進(jìn)行快速識別、提取和應(yīng)用。如表1所示，非幾何信息設(shè)計模板主要包括特性和標(biāo)注信息。其中，用下劃線標(biāo)出的信息是需與工裝幾何特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)的非幾何信息。工裝非幾何信息設(shè)計模板是綜合工裝協(xié)同設(shè)計人員意見及工作需求后由工裝設(shè)計人員制定，并且只有工裝設(shè)計人員具備使用和修改的權(quán)利。

飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)框架

根據(jù)某大型航空企業(yè)中飛機構(gòu)件工裝設(shè)計部門與生產(chǎn)和仿真分析部門間的協(xié)同設(shè)計流程，完成了飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與職能模塊的劃分。在協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)中，利用具有自主行動能力的軟件主體Agent代替各職能部門，其中包括：工裝設(shè)計Agent（Tooling Design Agent，TDA）、工藝設(shè)計Agen（tProcess Design Agent，PDA）、仿真分析 Agent（Simulation Analysis Agent，SAA）等。根據(jù)工裝協(xié)同設(shè)計的需求，搭建了基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計框架，如圖2所示。

其中，飛機構(gòu)件工裝的設(shè)計Agent負(fù)責(zé)利用飛機構(gòu)件工裝MBD模型和飛機構(gòu)件工裝非幾何信息模板進(jìn)行工裝的設(shè)計工作，為參與工裝協(xié)同設(shè)計的Agent提供唯一數(shù)據(jù)源；仿真分析Agent、工藝設(shè)計Agent等Agent通過飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)完成工裝設(shè)計信息的提取、利用，以及回饋工裝設(shè)計方案修改建議等工作；工裝協(xié)同設(shè)計小組隨著工裝設(shè)計任務(wù)的下發(fā)而建設(shè)，伴隨工裝設(shè)計任務(wù)的完成而解散，并通過飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)完成工裝協(xié)同設(shè)計信息的傳輸。

基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計具體流程為：（1）由工裝設(shè)計人員根據(jù)工裝設(shè)計訂貨單利用工裝MBD模型和工裝非幾何信息模板完成工裝的幾何信息和非幾何信息的設(shè)計工作，并將工裝MBD模型下發(fā)給仿真分析Agent、工藝設(shè)計Agent等下游工作人員，為其提供唯一的數(shù)據(jù)源；（2）下游的工作人員利用自身的專業(yè)知識及工具在工裝MBD模型中定義工裝制造、裝配等工藝信息，并對工裝設(shè)計方案進(jìn)行仿真分析，若工裝設(shè)計方案存在有待完善之處，對其提出修改建議，并利用本地Agent提取相應(yīng)的幾何信息與非幾何信息，與其進(jìn)行封裝處理；（3）利用基于Web/Internet的多Agent間的信息傳輸通道，將封裝的數(shù)據(jù)信息及相應(yīng)的仿真分析結(jié)果傳輸給工裝設(shè)計人員；（4）工裝設(shè)計人員提取查看工裝設(shè)計方案的仿真分析報告以及修改建議操作，對工裝設(shè)計方案進(jìn)行相應(yīng)的修改完善，然后將更新后的工裝設(shè)計方案數(shù)據(jù)發(fā)送給參與工裝協(xié)同設(shè)計工作的Agent，強制工裝協(xié)同設(shè)計Agent進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，以確保協(xié)同設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)唯一性。重復(fù)上述的工裝協(xié)同設(shè)計流程，直至完成質(zhì)量高、經(jīng)濟效益好、制作水平要求低的工裝設(shè)計方案。

圖2 基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計框架Fig.2 Tooling collaborative design framework of aircraft components based on MBD and multi-Agent

基于Web/Internet和FIPAAgent的多Agent間的協(xié)同通信

為了使得參與協(xié)同工作人員間順利便捷地完成協(xié)同通信，本文利用Web服務(wù)集成網(wǎng)關(guān)（Web Services Integration Gateway,WSIG）將非盈利組織FIPA（The Foundation for Intelligent Physical Agents）創(chuàng)建的JADE Agent通信平臺與Web服務(wù)進(jìn)行了無縫透明連接，形成了基于Web/Internet和 FIPA-Agent的 多Agent間的協(xié)同通信的系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3 基于Web/Internet和FIPA-Agent的通信模型Fig.3 Communication model based on Web/Internet and FIPA-Agent

圖4 基于Web/Internet的各Agent間協(xié)同通信流程Fig.4 Collaborative communication process among the Agents based on Web/Internet

1 基于Web/Internet和FIPA-Agent的通信模型

由非盈利組織FIPA創(chuàng)建的多Agent間的網(wǎng)絡(luò)通信模型為圖3中的FIPA-Agent[13]通信模型部分。FIPA-Agent通信模型包含3個基本服務(wù)：Agent管理系統(tǒng)（Agent Management System，AMS）完成對于平臺注冊Agent、平臺目錄服務(wù)和平臺內(nèi)消息傳輸?shù)墓芾砉ぷ?；目錄服?wù)（Directory Facilitator，DF）負(fù)責(zé)Agent的注冊、查詢、注銷工作；消息傳輸服務(wù)（Message Transport Service，MTS）負(fù)責(zé)在消息傳輸系統(tǒng)（Message Communication System，MCS）中，將消息以ACL的形式進(jìn)行傳輸。

其中，利用FIPA-Agent平臺通信語言（Agent Communication Language,ACL）完成工裝協(xié)同設(shè)計信息在Agent平臺內(nèi)傳輸工作；網(wǎng)絡(luò)傳輸信息遵循Web服務(wù)通訊協(xié)議SOAP，以確保協(xié)同信息數(shù)據(jù)的跨平臺傳輸；WSIG提供ACL<>SOAP消息轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)Agent平臺與Web服務(wù)間的數(shù)據(jù)信息的相互轉(zhuǎn)換。

2 基于Web/Internet和FIPA-Agent的各Agent間協(xié)同通信流程

本系統(tǒng)間各Agent間的協(xié)同通信流程如圖4所示，具體流程為：（1）各Agent分別在各自所在的Agent平臺DF中進(jìn)行申請注冊，若Agent需要提供或獲取網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，則通過WSIG Agent完成在Web服務(wù)目錄UUDI中的注冊，同時獲取Web中提供的Agent的服務(wù)注冊信息；（2）工裝設(shè)計Agent通過DF查詢協(xié)同設(shè)計Agent，并將工裝MBD模型發(fā)送給查詢得到的工藝設(shè)計Agent、仿真分析Agent等需參與協(xié)同設(shè)計的Agent；（3）參與協(xié)同設(shè)計的Agent利用自身的專業(yè)知識和工具，對工裝MBD模型進(jìn)行裝配路徑仿真分析、人機工程仿真、工裝制造成本等仿真分析工作，并將仿真分析結(jié)果及工裝設(shè)計修改建議回饋給工裝設(shè)計Agent；（4）工裝設(shè)計Agent根據(jù)回饋的工裝修改建議修改工裝MBD模型，并將更新后的工裝MBD模型發(fā)送給參與工裝協(xié)同設(shè)計的Agent，強制各Agent更新本地的工裝MBD模型數(shù)據(jù)，以保證工裝數(shù)據(jù)信息的唯一性。經(jīng)過工裝協(xié)同設(shè)計Agent間的反復(fù)協(xié)同商榷，最終完成工裝的設(shè)計工作。

系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)以上的研究，利用JADE技術(shù)開發(fā)了B/S架構(gòu)的基于MBD和多Agent的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，如圖5所示，展示了系統(tǒng)的部分功能模塊。系統(tǒng)會根據(jù)用戶注冊的部門信息不同，分配給用戶不同的使用權(quán)限，如工裝設(shè)計部門人員則具備工裝設(shè)計方案的發(fā)布功能，而飛機構(gòu)件工裝的工藝設(shè)計人員、仿真分析人員等下游工作部門的人員只具備工裝設(shè)計方案的檢索、提取等功能，并且系統(tǒng)會實時獲取回饋用戶的工作狀態(tài)以及工作進(jìn)度等信息，以便系統(tǒng)組成最佳的工裝協(xié)同設(shè)計小組。工裝協(xié)同設(shè)計小組可通過系統(tǒng)就工裝的設(shè)計方案而展開的在線研討會議，以便下游工作人員及時反饋對工裝設(shè)計方案的修改建議，并及時獲取工裝設(shè)計方案的最新數(shù)據(jù)，以確保工裝協(xié)同設(shè)計過程中模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。本文課題是與企業(yè)合作的研究內(nèi)容，系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求進(jìn)行了設(shè)計和開發(fā)，目前在用戶單位進(jìn)行了安裝，在小范圍進(jìn)行了試用。

圖5 飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)Fig.5 Tooling collaborative design system of aircraft components

結(jié)束語

本文對基于MBD的飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了飛機工裝MBD模型和構(gòu)件工裝非幾何信息模板，對MBD技術(shù)在工裝設(shè)計過程中的應(yīng)用具有一定的參考價值。分析了工裝協(xié)同設(shè)計的業(yè)務(wù)流程，通過多Agent技術(shù)，開發(fā)了飛機構(gòu)件工裝協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)工裝協(xié)同設(shè)計時各Agent間的協(xié)同通信。

參 考 文 獻(xiàn)

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