合同網(wǎng)多Agent拆裝任務(wù)分配方法

王碩　劉增森

摘 要： 針對飛機維修過程中拆裝任務(wù)的多樣性，而維修人員能力不同的問題，提出一種基于多Agent的改進合同網(wǎng)的協(xié)同任務(wù)分配方法。通過建立拆裝過程評估模型和對拆裝任務(wù)的描述，考慮人員負載情況下，利用合同網(wǎng)的思想建立了協(xié)同拆裝任務(wù)分配模型。該模型可實現(xiàn)多人拆裝任務(wù)的實時動態(tài)分配，并有針對性的提高維修環(huán)境中拆裝人員的拆卸裝配能力，為實現(xiàn)多人協(xié)同拆裝過程奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 維修拆裝； 過程評估； 合同網(wǎng)； 任務(wù)分配

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）09-05-04

Abstract： Aiming at the problem of the diversity of the disassembly task and the different capabilities of maintenance personnel in the process of aircraft maintenance， a collaborative task allocation method based on multi-agent improved contract net protocol is proposed. In this paper， through the establishment of the disassembly process evaluation model and the description of the disassembly task， and considering the personnel load situation， the contract net protocol is used to establish a collaborative disassembly task allocation model. The model can realize the real-time dynamic allocation of multi-person disassembly tasks， and improve the disassembly and assembly ability of disassembly and disassembly staff in the maintenance environment， which lays the foundation for the multi-person coordination and dismantling process.

Key words： maintenance disassembly； process evaluation； contract net； task allocation

0 引言

多人維修拆裝環(huán)境中， 拆裝任務(wù)分配是研究的重點[1]，任務(wù)分配影響整個維修系統(tǒng)的效率，也會關(guān)系到各個拆裝人員能否最大程度發(fā)揮自身能力，避免維修資源無效占用。多人協(xié)同拆裝過程在時間和空間上是分散的，構(gòu)成了一個復(fù)雜分布式維修環(huán)境[2]。由于構(gòu)成飛機的組件種類繁多，組件拆裝工序復(fù)雜，執(zhí)行拆裝任務(wù)維修人員的能力不同，多人協(xié)同拆裝任務(wù)的分配過程是一個復(fù)雜的實時任務(wù)分配的問題。

多個Agent組成的系統(tǒng)（MAS）具有協(xié)作性、并行性、健壯性、易擴展性和分布性等特點[3]，因此 ，可用多Agent系統(tǒng)描述維修拆裝環(huán)境。在維修拆裝環(huán)境中服務(wù)器端作為任務(wù)分配的管理者和分配者（MagAgent），客戶端作為拆裝任務(wù)的執(zhí)行者（MenAgent）。在任務(wù)分配的招標階段，MagAgent通過查詢建立的黑板模型中MenAgent上一次拆裝過程的評估分數(shù)、當前負載量和維修狀態(tài)進行評估，選取MenAgent并向其發(fā)送標書。該方法有效的減小了傳統(tǒng)合同網(wǎng)以廣播形式在Agent節(jié)點中通信負載過重的問題，并且可以有針對性的訓(xùn)練維修人員，讓不熟練的人員得到優(yōu)先的拆裝操作，大大提高培訓(xùn)效率。

1 維修拆裝環(huán)境下拆裝過程表達

1.1 拆裝任務(wù)描述

飛機中零部件種類繁多，根據(jù)維修手冊中組件拆裝的過程可知，一個組件完整的拆卸過程可以分為四部分[4]：T11拆裝信息準備、T12進入飛機維護構(gòu)型、T13進近程序、T14拆卸操作。拆卸過程組成如圖1所示。維修信息準備包括維修工具、耗材、航材的領(lǐng)取和對應(yīng)的參考信息；進入飛機維護構(gòu)型包括供電、跳開關(guān)斷開、打保險和掛標簽；進近程序包括平臺工具的使用和打開對應(yīng)的檢查口蓋；拆卸操作包括和組件相關(guān)的零部件的拆卸步驟。

飛機維修拆裝是由一系列拆裝任務(wù)構(gòu)成的，每個具體的任務(wù)就是單個零部件的拆卸裝配工序。任務(wù)定義：飛機上單個組件的拆裝過程作為一個拆裝任務(wù)?？紤]到對每個Agent基于每個任務(wù)的拆裝過程評價是一個復(fù)雜而繁瑣的過程。

本文用基于面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，提取共性并對各組件歸類、綜合。其思路是：不同組件所具有的部分特征從其父類繼承，父類所具有的部分特征從某些基類中繼承。這樣，眾多的組件就可以用有序的語義關(guān)系聯(lián)接起來，避免拆裝過程的重復(fù)建模。這樣對一個任務(wù)的評分就可以轉(zhuǎn)化為對一類任務(wù)的評分，大大減小了由于拆裝對象復(fù)雜多樣而造成過程評估的難度。采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷耄沟媒Ｔ诟叩恼Z義層次上進行。

1.2 建立拆裝過程評估模型

維修拆裝過程中的Agent的拆裝執(zhí)行能力可以理解為完成特定拆卸裝配任務(wù)的本能，包括完成任務(wù)的方式以及完成的效果[5]。行為執(zhí)行能力用來認定 Agent執(zhí)行任務(wù)資格和決定 Agent 完成任務(wù)效果，可以區(qū)分不同Agent之間的個體之間的能力差異[6]。虛擬拆裝過程中拆裝過程的評估分數(shù)就是Agent執(zhí)行能力的重要體現(xiàn)。

在飛機維修中，所有組件的拆卸裝配過程都嚴格按照工卡操作。Agent執(zhí)行拆裝工序的每一步操作步驟的權(quán)重評估是一個復(fù)雜的、隨機波動的過程。為了避免評估過程中產(chǎn)生的主觀片面的結(jié)果，利用模糊綜合評判法對進行打分，能夠比較真實的反映步驟的實際權(quán)重[7]。以民航維修領(lǐng)域?qū)＜医M（五年以上維修經(jīng)驗）專家評分法，讓每位專家給每一步的打分，然后對每項的最終得分取平均值，以此數(shù)值作為對應(yīng)步驟的重要度權(quán)值。而拆裝組件工序的每一步都可以看作是一個事件，拆卸或組裝過程可以看作是一個事件狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)移的活動。本文基于Grafcet建立拆裝過程的評估模型，如圖2所示。endprint

當有MenAgent第一次登陸虛擬維修環(huán)境，對其能力值設(shè)為零，當Agent成功完成任務(wù)時，系統(tǒng)將上調(diào)任務(wù)對Agent的能力系數(shù)。

1.3 虛擬拆裝環(huán)境Agent建模

在虛擬拆裝環(huán)境中，由維修環(huán)境產(chǎn)生拆裝任務(wù)序列。MagAgent是任務(wù)的管理單元，負責將維修環(huán)境中的拆裝任務(wù)分配給任務(wù)執(zhí)行者，扮演合同的招標方。MenAgent通過就收任務(wù)管理者分配的任務(wù)，執(zhí)行具體組件的拆裝工序，扮演合同的投標方。飛機系統(tǒng)代理（AftAgent）是全反應(yīng)型的，不參與合同的協(xié)商過程，作為拆裝過程的媒介反映維修系統(tǒng)的狀態(tài)。各個Agent之間交互信息流如圖3所示。MagAgent和MenAgent是實體Agent，由知識庫、協(xié)同拆裝任務(wù)處理器、合同處理器和通信處理器組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，Type表示Agent的類型；，表示Agent的能力系數(shù)，是Agent完成拆卸裝配動作能力的體現(xiàn)，式中Gk為能力分數(shù)，是平均能力分數(shù)；表示當前Agent的任務(wù)負載系數(shù)，也就是Agent獲得的任務(wù)量，其中Lk為當前任務(wù)個數(shù)，是平均任務(wù)個數(shù)；Status是當前Agent的狀態(tài)，表示Agent在空閑或者進行什么類別的拆裝任務(wù)；Domain表示能夠獨立完成一類拆裝任務(wù)的值域。

從應(yīng)用層面提出一種用于Agent之間信息交互的黑板模型，以數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server存儲和管理Agent信息。黑板中每一條內(nèi)容對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫表的一條記錄，每一個Agent的屬性對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫表的屬性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5中，人員[Agenti]屬性表示黑板中MenAgent的學(xué)號，是Agent的表示符；負載系數(shù)[Loadk]、能力系數(shù)[Ck]和狀態(tài)[Status]對應(yīng)MenAgent的屬性內(nèi)容；對象[Object]指出了可以閱讀或修改該消息的授權(quán)對象。

2 合同網(wǎng)的協(xié)同拆裝任務(wù)分配模型

2.1 拆裝任務(wù)分配框架

任務(wù)分配的動態(tài)性是由維修環(huán)境的不確定性引起的，系統(tǒng)需要對隨機出現(xiàn)的每個任務(wù)都建立實時的任務(wù)分配方案。傳統(tǒng)的合同網(wǎng)模型以廣播形式分配任務(wù)，因忽略被分配任務(wù)時的各種緊密依賴關(guān)系無法獲取執(zhí)行Agent之間的關(guān)聯(lián)信息[9]。實際上，不同的拆裝任務(wù)被分配給不同的Agent處理時，通常需要考慮相關(guān)Agent的屬性，以確保任務(wù)完成的質(zhì)量和效率。例如，航空發(fā)動機的拆卸和安裝就是一對緊密相關(guān)的任務(wù)集合，若將這些拆裝任務(wù)集交給不同的Agent去執(zhí)行，要保證發(fā)動機的質(zhì)量，就需要各執(zhí)行者和管理者之間進行有效通信。對于維修訓(xùn)練來說，任務(wù)分配應(yīng)該滿足幾個原則。①目標匹配原則。②覆蓋廣度原則。使Agent可以得到更為全面的訓(xùn)練。③難度優(yōu)先原則。使不熟練的Agent得到更充分的訓(xùn)練，但是其中不能忽略熟練的Agent定期復(fù)訓(xùn)的問題。協(xié)同拆裝任務(wù)分配框架如圖6所示。

2.2 改進合同網(wǎng)的協(xié)同拆裝任務(wù)分配流程

在多Agent的拆裝任務(wù)分配問題中，MagAgent負責任務(wù)的分配、協(xié)同處理。MenAgent負責拆裝任務(wù)的執(zhí)行和協(xié)作請求。MagAgent和MenAgent分別充當合同網(wǎng)中招標方和投標方的角色。本文在Agent能力系數(shù)、負載系數(shù)和維修狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的虛擬拆裝動態(tài)環(huán)境，通過對能力評估模型的完整描述，對傳統(tǒng)合同網(wǎng)的招標階段進行了改進。

由于對MenAgent的能力和負載有了定量化的描述，MagAgent可以根據(jù)能力屬性和負載屬性選擇不同的策略。在任務(wù)的招標階段，包括確定招標范圍和發(fā)送標書兩步。當MagAgent從維修環(huán)境中捕獲到新的拆裝任務(wù)后，作為合同的招標方，先查詢黑板模型中MenAgent k的屬性信息確定招標范圍，選取當前Lk和Ck都小于零的初選Agent序列。預(yù)選取滿足要求的Agent集合后并以網(wǎng)絡(luò)的形式向其發(fā)送招標通知。發(fā)送任務(wù)通告Announce采用KQML進行通信，具有如下標書形式：

中標階段，即招標范圍內(nèi)的平MenAgent，接收到任務(wù)通告Announce后，馬上調(diào)用自身知識庫，實時對任務(wù)進行評估，并選擇投標和不投標的包括投標策略。當投標Agent反饋投標結(jié)果后，任務(wù)管理Agent向其發(fā)送任務(wù)號。

在任務(wù)協(xié)同處理階段，訓(xùn)練人員遇到困難時通過請求任務(wù)管理Agent，任務(wù)管理Agent通過查詢黑板中能力值較高且處于空閑狀態(tài)的維修人員來協(xié)作完成拆裝任務(wù)。請求協(xié)同任務(wù)后的拆裝過程分數(shù)不能反饋給黑板中。當每個MenAgent完成對應(yīng)的拆卸和裝配任務(wù)之后，MenAgent向數(shù)據(jù)庫反饋對應(yīng)的信息（如能力系數(shù)，負載系數(shù)）。具體任務(wù)分配流程如圖7所示。

3 結(jié)束語

針對飛機維修過程中拆裝組件的多樣性和拆卸工序的復(fù)雜性，以及維修人員能力不一的問題，提出一種基于多Agent的改進合同網(wǎng)的協(xié)同任務(wù)分配方法。本文通過建立拆裝過程評估模型和對拆裝任務(wù)的描述，考慮人員負載情況下，利用合同模型可解決多人協(xié)同拆裝任務(wù)的實時動態(tài)分配問題。該分配模型可實現(xiàn)多人拆裝任務(wù)的實時動態(tài)分配，并有針對性的訓(xùn)練維修環(huán)境中拆裝人員，為實現(xiàn)多人協(xié)同拆裝過程奠定了基礎(chǔ)。該系統(tǒng)可作為虛擬維修系統(tǒng)的一個模塊，具有實際應(yīng)用價值。

參考文獻（References）：

[1] 唐蘇妍，朱一凡，李群等.多Agent系統(tǒng)任務(wù)分配方法綜述[J].

系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2010.32（10）：2155-2161

[2] 李明，劉瑋，張彥鐸.基于改進合同網(wǎng)協(xié)議的多Agent動態(tài)任

務(wù)分配[J].山東大學(xué)學(xué)報工學(xué)版，2016.46（2）：51-56

[3] 李銳，王航宇，石章松等.合同網(wǎng)多平臺協(xié)同制導(dǎo)任務(wù)分配模

型[J].火力與指揮控制，2011.36（12）：120-123

[4] Airbus A319/A320/A321 Aircraft Maintenance Manual[Z].

China Eastern Airlines CO. LTD（CEA），2002.

[5] Bosse T， Jonker C M， Treur J. Agent Behavior，

Communications and Reasoning-Requirements Analysis of an Agent's Reasoning Capability[J]. Lecture Notes in Computer Science， 2002.3529（3）：8289

[6] Buehler J， Pagnucco M. A framework for task planning in

heterogeneous multi robot systems based on robot capabilities[C]//AAAI Conference on Artificial Intelligence，2014.

[7] 陳海岳，周亦軍，劉湘衡等.裝備維修人員維修能力的模糊綜

合評判方法研究[J].艦船電子工程，2012.32（6）：103-105

[8] 任毅，臧林，耿宏等.飛機維修機械組件拆裝過程訓(xùn)練評估模

型研究[J].計算機測量與控制，2016.24（7）：298-300

[9] 馬巧云.基于多Agent系統(tǒng)的動態(tài)任務(wù)分配研究[D].華中科

技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[10] 歐立銘，徐曉剛，孫元元.協(xié)同虛擬維修中的零件特征模型[J].

圖學(xué)學(xué)報，2012.33（3）：69-7endprint