合同網多Agent拆裝任務分配方法

王碩　劉增森

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

關鍵詞： 維修拆裝； 過程評估； 合同網； 任務分配

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

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

多個Agent組成的系統（MAS）具有協作性、并行性、健壯性、易擴展性和分布性等特點[3]，因此 ，可用多Agent系統描述維修拆裝環境。在維修拆裝環境中服務器端作為任務分配的管理者和分配者（MagAgent），客戶端作為拆裝任務的執行者（MenAgent）。在任務分配的招標階段，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、當前負載量和維修狀態進行評估，選取MenAgent并向其發送標書。該方法有效的減小了傳統合同網以廣播形式在Agent節點中通信負載過重的問題，并且可以有針對性的訓練維修人員，讓不熟練的人員得到優先的拆裝操作，大大提高培訓效率。

1 維修拆裝環境下拆裝過程表達

1.1 拆裝任務描述

飛機中零部件種類繁多，根據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、航材的領取和對應的參考信息；進入飛機維護構型包括供電、跳開關斷開、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的檢查口蓋；拆卸操作包括和組件相關的零部件的拆卸步驟。

飛機維修拆裝是由一系列拆裝任務構成的，每個具體的任務就是單個零部件的拆卸裝配工序。任務定義：飛機上單個組件的拆裝過程作為一個拆裝任務。考慮到對每個Agent基于每個任務的拆裝過程評價是一個復雜而繁瑣的過程。

本文用基于面向對象的建模思想，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系聯接起來，避免拆裝過程的重復建模。這樣對一個任務的評分就可以轉化為對一類任務的評分，大大減小了由于拆裝對象復雜多樣而造成過程評估的難度。采用面向對象的建模思想，使得建模在更高的語義層次上進行。

1.2 建立拆裝過程評估模型

維修拆裝過程中的Agent的拆裝執行能力可以理解為完成特定拆卸裝配任務的本能，包括完成任務的方式以及完成的效果[5]。行為執行能力用來認定 Agent執行任務資格和決定 Agent 完成任務效果，可以區分不同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就是Agent執行能力的重要體現。

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執行拆裝工序的每一步操作步驟的權重評估是一個復雜的、隨機波動的過程。為了避免評估過程中產生的主觀片面的結果，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重[7]。以民航維修領域專家組（五年以上維修經驗）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，以此數值作為對應步驟的重要度權值。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不斷轉移的活動。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境，對其能力值設為零，當Agent成功完成任務時，系統將上調任務對Agent的能力系數。

1.3 虛擬拆裝環境Agent建模

在虛擬拆裝環境中，由維修環境產生拆裝任務序列。MagAgent是任務的管理單元，負責將維修環境中的拆裝任務分配給任務執行者，扮演合同的招標方。MenAgent通過就收任務管理者分配的任務，執行具體組件的拆裝工序，扮演合同的投標方。飛機系統代理（AftAgent）是全反應型的，不參與合同的協商過程，作為拆裝過程的媒介反映維修系統的狀態。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、協同拆裝任務處理器、合同處理器和通信處理器組成，其結構如圖4所示。

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

從應用層面提出一種用于Agent之間信息交互的黑板模型，以數據庫Microsoft SQL Server存儲和管理Agent信息。黑板中每一條內容對應于數據庫表的一條記錄，每一個Agent的屬性對應于數據庫表的屬性，其結構如圖5所示。圖5中，人員[Agenti]屬性表示黑板中MenAgent的學號，是Agent的表示符；負載系數[Loadk]、能力系數[Ck]和狀態[Status]對應MenAgent的屬性內容；對象[Object]指出了可以閱讀或修改該消息的授權對象。

2 合同網的協同拆裝任務分配模型

2.1 拆裝任務分配框架

任務分配的動態性是由維修環境的不確定性引起的，系統需要對隨機出現的每個任務都建立實時的任務分配方案。傳統的合同網模型以廣播形式分配任務，因忽略被分配任務時的各種緊密依賴關系無法獲取執行Agent之間的關聯信息[9]。實際上，不同的拆裝任務被分配給不同的Agent處理時，通常需要考慮相關Agent的屬性，以確保任務完成的質量和效率。例如，航空發動機的拆卸和安裝就是一對緊密相關的任務集合，若將這些拆裝任務集交給不同的Agent去執行，要保證發動機的質量，就需要各執行者和管理者之間進行有效通信。對于維修訓練來說，任務分配應該滿足幾個原則。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練。③難度優先原則。使不熟練的Agent得到更充分的訓練，但是其中不能忽略熟練的Agent定期復訓的問題。協同拆裝任務分配框架如圖6所示。

2.2 改進合同網的協同拆裝任務分配流程

在多Agent的拆裝任務分配問題中，MagAgent負責任務的分配、協同處理。MenAgent負責拆裝任務的執行和協作請求。MagAgent和MenAgent分別充當合同網中招標方和投標方的角色。本文在Agent能力系數、負載系數和維修狀態的基礎上，結合具體的虛擬拆裝動態環境，通過對能力評估模型的完整描述，對傳統合同網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可以根據能力屬性和負載屬性選擇不同的策略。在任務的招標階段，包括確定招標范圍和發送標書兩步。當MagAgent從維修環境中捕獲到新的拆裝任務后，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。預選取滿足要求的Agent集合后并以網絡的形式向其發送招標通知。發送任務通告Announce采用KQML進行通信，具有如下標書形式：

中標階段，即招標范圍內的平MenAgent，接收到任務通告Announce后，馬上調用自身知識庫，實時對任務進行評估，并選擇投標和不投標的包括投標策略。當投標Agent反饋投標結果后，任務管理Agent向其發送任務號。

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

3 結束語

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的改進合同網的協同任務分配方法。本文通過建立拆裝過程評估模型和對拆裝任務的描述，考慮人員負載情況下，利用合同模型可解決多人協同拆裝任務的實時動態分配問題。該分配模型可實現多人拆裝任務的實時動態分配，并有針對性的訓練維修環境中拆裝人員，為實現多人協同拆裝過程奠定了基礎。該系統可作為虛擬維修系統的一個模塊，具有實際應用價值。

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