基于分層任務網絡的艦船維修任務分解方法

李方正，李陽，易朋興，王浩，黃俊杰

（1.中國人民解放軍92578部隊，北京 100161；2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

艦船裝備維修任務涉及的維修零件、維修工具、維修對象等維修資源種類繁多且過程復雜，缺少統(tǒng)一的模型表達，國內外相關學者在這方面也做了較多的研究。如Li等[1]為了表示拆卸序列中產品的優(yōu)先順序，采用有向圖的形式進行約束，然后通過改進遺傳算法獲得了拆卸序列，但其約束關系僅適用于零部件之間，并不包含其他維修資源。也有一些學者采用PERT、Petri網等方法對維修過程建模[2-4]，用于實際維修過程分析，將得到的結果用于指導仿真，這些維修過程建模方式僅在規(guī)劃層進行，并未考慮實際作業(yè)的執(zhí)行。程中華等[5]建立了基于任務內聚系數(shù)的分解模型，逐步將任務分解為功能、活動，實現(xiàn)對裝備維修保障過程的建模，但此過程并未給出功能、活動等名詞的具體含義。因此，對于艦船裝備虛擬維修過程，如何建立統(tǒng)一的任務過程模型，通過描述維修任務單元對維修任務進行有效分解是有必要的。本文嘗試基于分層任務網絡的維修任務分解思路，將維修任務分解至元任務層級，建立維修任務分解與分層任務網絡規(guī)劃之間的映射關系，通過分層任務網絡規(guī)劃匹配使艦船裝備維修任務分解為有序元任務序列，便于艦船維修仿真的實現(xiàn)。

1 艦船裝備的維修過程分析

裝備維修包含多個過程，進行維修作業(yè)的前提是確定維修過程，即對維修行為和作業(yè)順序進行分析，獲得滿足維修工時、人員和工具設備需求等一系列約束的可執(zhí)行動作序列?？梢钥闯?，裝備維修主要包括維修任務分解、任務分配與任務執(zhí)行等多個環(huán)節(jié)。艦船艙室通道較為狹窄，零部件結構復雜，管路密集且零部件之間干涉性強，維修任務需要由多個維修人員協(xié)同完成。而不合理的維修任務分解方式會導致混亂的維修進程，影響維修任務的執(zhí)行。

因此，本文首先對艦船維修任務分解過程進行分析。在虛擬維修過程中，維修任務的分解需要根據維修操作規(guī)程和維修知識手冊，為不同維修任務制定不同維修方案，形成相應的維修過程模型，來實現(xiàn)維修作業(yè)的仿真與分析。維修過程模型的建立方式有多種，目前較為常用的有Petri網、IDEF3和UML等多種方式[6-8]，Petri網是一種通過節(jié)點和有向弧組成的圖形化工具，可以通過嚴格的限定來描述復雜系統(tǒng)匯總沖突、并發(fā)和異步等關系；IDEF3是通過場景和對象實現(xiàn)對過程進行描述的建模方式；UML采用形式化的建模語言對靜態(tài)結構和動態(tài)行為過程進行表示。

雖然這些建模方式能夠很好地描述維修過程中的行為狀態(tài)，但它們都是描述維修對象的變遷過程，并不包含具體人的動作?，F(xiàn)有的仿真軟件還不能支持指定任務的仿真，無法實現(xiàn)自然語言維修指令到維修過程的轉化，如計算機無法識別對緊固件拆卸這一宏觀任務。如何使用較為簡便的建模方式對維修過程進行統(tǒng)一化描述，并建立與維修仿真之間的聯(lián)系仍然是研究的難點。

本文借鑒分層任務網絡（Hierarchical Task Network，HTN）規(guī)劃思想[9]，為虛擬維修仿真提出一種基于過程的維修任務分解思路。HTN規(guī)劃是利用領域知識，遞歸地將復雜的抽象任務逐層分解，獲得可直接執(zhí)行的規(guī)劃動作，不同的多邊形的邊數(shù)及顏色代表不同復雜程度的任務，其分解過程可形象化表示為圖1。

圖1 復合任務分解過程

可以看出，HTN規(guī)劃是以規(guī)劃領域知識為基礎，對復雜任務目標集合進行逐層分解的過程，而維修任務分解是將復雜維修任務根據維修經驗知識，逐一分解成一系列的可執(zhí)行動作。所以，分層任務網絡規(guī)劃方法能夠有效輔助維修人員在維修規(guī)劃過程中，根據復雜的維修狀態(tài)信息合理地對維修任務進行分解。HTN規(guī)劃流程如圖2所示。

圖2 HTN規(guī)劃流程

在上述規(guī)劃過程中使用了一些專有名詞，可將整個過程簡要概括為：HTN規(guī)劃是以“方法”為分解途徑，對“任務網絡”進行遞歸分解，獲得由有序“原子任務”組成的“規(guī)劃解”。由于HTN規(guī)劃具有領域無關性的特點，在根據HTN對維修任務進行分解時，需要將任務分解過程與HTN規(guī)劃中“方法”和“原子任務”等專有名詞建立聯(lián)系，加入維修領域相關知識，從而對實際維修任務進行合理有效分解。

2 維修任務分解與HTN映射關系

在面向維修仿真的任務分解中，多數(shù)學者將維修任務分為維修任務層、維修事件層、維修作業(yè)層和維修動素層這四個不同層級[10]?，F(xiàn)有任務分解方式以維修動素作為最終執(zhí)行層，根據分解結果控制虛擬環(huán)境中的模型作出相應動作來實現(xiàn)維修仿真，而HTN規(guī)劃的目的是為得到一系列可執(zhí)行的操作序列，規(guī)劃出來的解是可直接執(zhí)行的。而在維修作業(yè)中，即便是同類型的零件，維修人員也可能受其尺寸、位置等因素的影響而執(zhí)行不同的維修動素。因此把維修動素作為HTN規(guī)劃中的“原子任務”來進行分解會產生沖突。

這里借鑒參數(shù)化動作描述可以構建仿真過程與自然語言維修指令之間橋梁的思想，將層次結構和分段仿真方式相結合，建立面向維修的元任務層次關系，把維修任務分解到元任務層級（圖3）。

圖3 面向維修的元任務分解層次

結合維修經驗與實際維修案例，把艦船裝備艙室內維修活動概括為：對損壞零部件及管路進行拆除或更換、對重要零部件的檢查及保障維修任務執(zhí)行過程的安全。因此，本文將元任務設定為拆卸（disassemble）、裝配（assemble）、搬運（carry）和監(jiān)督（supervise）四種，完成維修任務的分解。拆卸與裝配是對損壞零部件進行修理的過程，搬運是指維修人員在虛擬場景中對維修工具或零件等物體的移動，監(jiān)督是維修人員對特定維修區(qū)域的管理。用這四類元任務描述整個維修過程，對任務進行分解，便于完成虛擬維修仿真。

同時，建立HTN規(guī)劃與維修任務分解之間的映射關系，如表1所示。在建立完維修任務分解與分層任務網絡的映射關系之后，需要對每一項對應關系根據知識經驗進行描述說明。對于可進行分解的復合任務，在給定對應的“方法”和“操作符”之后即可生成一組有序元任務。

表1 HTN規(guī)劃與維修任務分解映射

3 虛擬維修任務分解應用實例

這里以艦船某傳動裝置維修為例進行說明，主要維修任務為更換損壞行星架、封油壓環(huán)和小軸并檢查擋圈，圖4為該裝備的零件拆解圖，共包含24個拆卸單元，其相關零件名稱及序號如表2所示。

圖4 艦船某傳動裝置零件拆解

表2 艦船某傳動裝置零件拆解信息

根據HTN規(guī)劃對維修任務進行分解后可得到該傳動裝置維修元任務序列如圖5所示。圖5中，元任務后面的數(shù)字表示該任務的編號，共有20個元任務，箭頭指向元任務對應的零件，R0表示系統(tǒng)初始的維修狀態(tài)。其中包括有拆卸輸出端軸承體、輸出行星架等7個拆卸任務，搬運備用行星架、備用封油壓環(huán)和備用小軸任務和10個裝配任務。由此獲得了執(zhí)行該維修任務的有序元任務序列，為下一步任務分配執(zhí)行提供有效信息。

圖5 艦船某傳動裝置維修元任務序

4 結語

本文針對現(xiàn)有維修任務建模及分解與維修仿真過程無法建立完整約束和聯(lián)系的問題，提出基于分層任務網絡規(guī)劃的艦船裝備維修任務分解方式，結合艦船艙室維修活動設定四種元任務。此種維修任務分解方式有兩個優(yōu)點：首先，維修任務分解過程與維修人員對維修任務執(zhí)行的推理過程相似，且分解過程是根據實際操作規(guī)程和知識手冊設定的，符合實際維修任務流程，便于維修仿真的實現(xiàn)。另外，可以對規(guī)劃領域不斷擴展，面對情況更加復雜的維修場景，建立更加完善的表述機制，來完成特殊任務類型的分解。