基于混合Agent的航空電子組件行為模型

劉家學(xué) 李蒙陽

摘 要： 為解決虛擬維修環(huán)境中航空電子組件行為模型響應(yīng)速度慢的問題，引入改進(jìn)的混合型Agent模型。通過對(duì)飛機(jī)維修手冊(cè)中維修任務(wù)的需求分析，將虛擬維修環(huán)境中航空電子組件的行為模型劃分為復(fù)雜表情行為和簡(jiǎn)單反應(yīng)行為，利用反應(yīng)速度快的反應(yīng)型Agent處理簡(jiǎn)單反映行為，利用慎思型Agent處理邏輯復(fù)雜的表情行為。把上述方法應(yīng)用于A320虛擬維修環(huán)境中航空電子組件的行為建模中，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，此方法有效可用。

關(guān)鍵詞： 虛擬維修； 航空電子組件； 行為建模； 混合Agent

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）07-52-04

Abstract： To solve the problem of slow response of avionics component behavior model， an improved hybrid Agent model is introduced. By analyzing the requirements of the maintenance task in the aircraft maintenance manual， the behavior model of avionics components under the virtual maintenance environment is divided into complex expression behavior and simple response behavior. The simple reaction behavior is modeled by the reactive Agent with fast reaction speed， and the careful thinking type Agent is adopted for the complex logical behavior. The above method is applied to the behavior modeling of avionics components in A320 virtual maintenance environment. The example shows that this method is effective.

Key words： virtual maintenance； avionics component； behavior modeling； hybrid Agent

0 引言

航空電子組件行為模型是飛機(jī)虛擬維修訓(xùn)練器的重要組成部分，行為模型是體現(xiàn)航空電子組件功能的主要載體。建立航空電子組件的行為模型，對(duì)于飛機(jī)維修仿真開發(fā)具有重要意義[1-4]。

近年來，王曉光、蘇群星等人采用了一種自定義的弱化Agent方法對(duì)虛擬維修樣機(jī)進(jìn)行了行為建模，該模型主要考慮虛擬維修環(huán)境對(duì)虛擬維修樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)限制， 并考慮在此限制下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生的改變[5]，而對(duì)于虛擬維修環(huán)境中的航空電子組件，更多的是表情行為，并沒有過多的物理運(yùn)動(dòng)。劉岳鵬、隋東等人采用BDI結(jié)構(gòu)，建立了基于決策樹模型的管制規(guī)則知識(shí)庫，設(shè)計(jì)了虛擬環(huán)境中慎思型管制員Agent行為模型[6]，而對(duì)于虛擬維修環(huán)境中航空電子組件的簡(jiǎn)單拆裝行為，并不需要復(fù)雜的推理過程，難以滿足虛擬維修的實(shí)時(shí)性需求，此模型也不適用。

針對(duì)上述問題，本文提出基于混合Agent的行為建模方法[7]，以滿足虛擬環(huán)境中系列維修行為的需要。混合型Agent是由反映型Agent和慎思型Agent構(gòu)成，對(duì)于航空電子組件的簡(jiǎn)單反映行為采用基于SmartObject的反映型Agent，反應(yīng)型Agent建模出來的物體反映速度快，對(duì)于智能程度不高的反應(yīng)行為尤為適用；對(duì)于航空電子組件的復(fù)雜表情行為采用基于模糊認(rèn)知圖的慎思型Agent，較之傳統(tǒng)的基于BDI的慎思型Agent，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、反映較快以及模糊信息表達(dá)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該建模方法簡(jiǎn)單高效，最大程度地滿足虛擬維修過程中實(shí)時(shí)性的需求，混合型的Agent結(jié)構(gòu)使得航空電子組件的表情行為表達(dá)更為合理。

1 航空電子組件特征行為劃分

1.1 航空電子組件的復(fù)雜表情行為

航空電子組件的表情行為指的是電子面板上顯示的各種電子符號(hào)集合而成的圖形，它直觀地反映目前該電子組件的運(yùn)行狀態(tài)。航空電子組件的數(shù)量龐大，大部分電子組件都有相應(yīng)的面部表情，復(fù)雜多樣的面部表情及面部表情之間的切換是行為建模的重中之重。在進(jìn)行虛擬維修對(duì)象電子組件的特征行為建模中，主要考慮的就是電子組件的表情行為。

定義一 航空電子組件的表情行為空間Uc：

FE為航空電子組件的功能表情變化：虛擬維修環(huán)境中，航空電子組件電子面板上電子指針和數(shù)值的正常變化。例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中ECAM頁面上數(shù)值的變化、指針的擺動(dòng)等。

FS為航空電子組件的功能表情切換：虛擬維修環(huán)境中，航空電子組件電子面板上功能頁面的正常切換，例如ECAM上APU頁面與引氣頁面之間的切換。

ME為航空電子組件的故障表情變化：虛擬維修期間，發(fā)送給航空電子組件的故障信號(hào)造成電子面板上電子指針和數(shù)值的故障變化。

MS為航空電子組件的故障表情切換：虛擬維修期間，發(fā)送給航空電子組件的故障信號(hào)造成電子面板上功能頁面的故障切換。

1.2 航空電子組件的簡(jiǎn)單反映行為

航空電子組件的簡(jiǎn)單反映行為包括拆裝行為、燈光行為、聲音行為。這部分行為雖然簡(jiǎn)單，但是是航空電子組件行為模型不可缺少的一部分，另外，航空電子組件的反應(yīng)行為還包括駕駛艙燈光、客艙燈光、助航燈光等燈光行為以及警報(bào)、提示等聲音行為。

定義二 航空電子組件的簡(jiǎn)單反應(yīng)行為空間US：

其中D為航空電子組件的拆裝行為：虛擬維修環(huán)境中，對(duì)航空電子組件進(jìn)行的拆卸和裝配，此行為不涉及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)；并且組件中各個(gè)零件之間沒有復(fù)雜的組合位置關(guān)系。因此，在建立航空電子組件的拆卸行為模型時(shí)，模型只需能夠滿足拆裝任務(wù)的需求即可。

L為航空電子組件的燈光行為： 虛擬維修環(huán)境中各種燈光行為，包括客艙燈光、駕駛艙燈光、按鍵燈光等。

V為航空電子組件的聲音行為：虛擬維修環(huán)境中各種聲音行為，包括話筒聲音、警報(bào)聲等。

2 航空電子組件行為模型

本文結(jié)合反映型Agent和慎思型Agent，設(shè)計(jì)了一種混合型Agent模型，如圖1所示。模型由環(huán)境交互模塊、反應(yīng)模塊、推理模塊和行為選擇模塊四個(gè)模塊構(gòu)成，環(huán)境交互模塊將外部環(huán)境的感知分別輸入到反應(yīng)模塊和推理模塊，兩個(gè)模塊分別對(duì)感知做出自己行為判斷并將結(jié)果傳輸?shù)叫袨閳?zhí)行模塊，最后作用于環(huán)境交互模塊。

2.1 環(huán)境交互模塊

環(huán)境交互模塊直接和環(huán)境進(jìn)行通信，環(huán)境交互模塊感知外界的信號(hào)有多種，有電子組件與電子組件之間的同質(zhì)Agent之間的信號(hào)傳遞，也有電子組件與機(jī)械組件之間的異質(zhì)Agent之間的信號(hào)傳遞。綜合分析虛擬維修的基本維修任務(wù)可以總結(jié)出，電子組件的行為是由功能信號(hào)、控制邏輯信號(hào)、故障信號(hào)、拆裝信號(hào)四個(gè)部分共同作用的。環(huán)境交互模塊在感知外界虛擬環(huán)境的同時(shí)，會(huì)將行為執(zhí)行模塊所產(chǎn)生的行為傳遞給外界虛擬環(huán)境。

定義三 環(huán)境交互模塊的輸入空間I：

其中G為功能信號(hào)，指航空電子組件接受來自上一級(jí)LRU的輸出信號(hào)；C為控制邏輯信號(hào)，指虛擬環(huán)境對(duì)控制按鈕的信號(hào)輸入；Z為故障信號(hào)，指虛擬維修訓(xùn)練中傳遞給航空電子組件的故障信號(hào)；A為拆裝信號(hào)，指虛擬維修訓(xùn)練中傳遞給航空電子組件的拆卸裝配信號(hào)。

2.2 反應(yīng)型Agent

基于反應(yīng)型Agent的行為建模技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，建模出來的物體反應(yīng)快速，但其智能程度不高，適合對(duì)虛擬環(huán)境中智能程度較低的物體建模。本文針對(duì)簡(jiǎn)單反應(yīng)行為，采用基于SmartObject的反應(yīng)型Agent進(jìn)行行為建模。

Smart Object通過特征建模把航空電子組件的拆裝行為、燈光行為、聲音行為都包含到了物體的描述中，其中與行為有關(guān)的特征主要有三個(gè)方面：命令、變量狀態(tài)和行為。“命令”是交互的接口，對(duì)應(yīng)輸入空間I；“變量狀態(tài)”指示物體當(dāng)前的狀態(tài)（此處僅包括物體自身狀態(tài)）；“行為”描述物體在當(dāng)前狀態(tài)下接受特定命令時(shí)應(yīng)執(zhí)行的動(dòng)作（即認(rèn)知處理部分）。行為特征結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

SmartObject認(rèn)知處理部分僅是根據(jù)特定事件選擇特定的反應(yīng)行為，其事件觸發(fā)機(jī)制與執(zhí)行方式是基于文本的命令驅(qū)動(dòng)，最終的輸出是相應(yīng)的文本命令，然后將相應(yīng)的文本交給行為執(zhí)行模塊。

2.3 慎思型Agent

對(duì)于復(fù)雜表情行為采用基于FCM的慎思型 Agent 進(jìn)行行為建模。首先把航空電子組件的行為構(gòu)造成一個(gè)行為空間。如果用N表示基本行為總數(shù)，i= 1，2，…，N表示基本行為序號(hào)，行為狀態(tài)可以用下面的狀態(tài)集合表示：

假設(shè)1 在外界刺激的作用下，行為Agent的行為狀態(tài)發(fā)生改變。

假設(shè)2 某種刺激確定性地只引發(fā)某一種行為，即刺激Vi只引發(fā)行為i.各種刺激用Vi表示，刺激集合：

在本系統(tǒng)中，V1=C1，為功能信號(hào)的輸入，即來自上級(jí)LRU的輸入信號(hào)；V2=C2，為故障信號(hào)的輸入，即來自控制管理中心設(shè)置或取消的故障信號(hào)。

構(gòu)建行為Agent的FCM模型如圖3所示。FCM模型由六個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：節(jié)點(diǎn)1表示外部輸入的功能信號(hào)，C1屬于[0，1]；節(jié)點(diǎn)2表示外部輸入的故障信號(hào)，C2屬于[0，1]；節(jié)點(diǎn)3表示航空電子組件的傳感器，C3屬于[-1，1]；節(jié)點(diǎn)4表示航空電子組件的內(nèi)部邏輯，C4屬于[-1，1]；節(jié)點(diǎn)5表示合成單元，C5屬于[-1，1]；節(jié)點(diǎn)6表示行為輸出，C6屬于[-1，1]。

根據(jù)FCM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造兩類基本對(duì)象：組元對(duì)象C和連接權(quán)值的對(duì)象W。組元代表了Agent的內(nèi)部屬性，連接權(quán)值描述組元之間的因果關(guān)系。圖3中，C代表組元的狀態(tài)集：

模糊狀態(tài)隸屬度，其狀態(tài)值越大表示該組元的狀態(tài)越活躍；

表示模糊關(guān)系權(quán)值隸屬度集合。如果，則后向節(jié)點(diǎn)Cj的狀態(tài)值Cj隨前向節(jié)點(diǎn)Ci的狀態(tài)值Ci成正比例變化，反之，如果，則Cj 隨Ci成反比例變化。

通過模糊化處理，Agent能對(duì)組元的狀態(tài)及相互之間的因果關(guān)系實(shí)現(xiàn)數(shù)值化描述。例如，前向節(jié)點(diǎn)對(duì)后向節(jié)點(diǎn)的影響程度可以描述為{很強(qiáng)，強(qiáng)，一般，弱，很弱}，則可以映射為權(quán)值隸屬度集合{±0.9，±0.7，±0.5，±0.3，±0.1}。權(quán)值隸屬度越大，表示前向節(jié)點(diǎn)對(duì)后向節(jié)點(diǎn)影響程度越大。

Agent的推理模型如下：給定一個(gè)包含n個(gè)元組的Agent，對(duì)應(yīng)的FCM模型中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，得到一個(gè)1*n狀態(tài)矩陣C和一個(gè)n*n的關(guān)系權(quán)值矩陣W：

式⑽中為n個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)值；為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的關(guān)系權(quán)值。考慮所有節(jié)點(diǎn)，給出Agent的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)：

由此可以得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的輸出：

其中yi是所有前向節(jié)點(diǎn)基于關(guān)系權(quán)值對(duì)節(jié)點(diǎn)j的狀態(tài)cj的作用和。定義節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)輸出函數(shù)fj，得到節(jié)點(diǎn)j的新狀態(tài)：

Agent的每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都可以看作一步推理，Agent的每一步推理都由矩陣運(yùn)算和狀態(tài)輸出函數(shù)實(shí)現(xiàn)。行為Agent的關(guān)系權(quán)值矩陣W為

上述Agent的FCM模型給出了Agent知識(shí)和環(huán)境的完整表達(dá)，推理計(jì)算通過數(shù)值迭代計(jì)算的方式單獨(dú)完成，給定初始輸入值（c1，c2，c3）和后續(xù)節(jié)點(diǎn)Ci的狀態(tài)ci，并設(shè)定關(guān)系權(quán)值，這里采用實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)。其中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值由專家確定，關(guān)系權(quán)值根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)中不同的行為特點(diǎn)進(jìn)行選擇。由以上公式最終可以計(jì)算出行為Agent的行為狀態(tài)輸出。

2.4 行為執(zhí)行模塊

環(huán)境交互層實(shí)時(shí)地將環(huán)境信息傳入反應(yīng)層和推理層，在任意時(shí)刻，反應(yīng)模塊和推理推理對(duì)傳入的信息進(jìn)行處理，并向行為執(zhí)行模塊輸出，在執(zhí)行反應(yīng)模塊的輸出時(shí)，行為選擇模塊通過匹配文本命令來執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作行為。在執(zhí)行推理模塊的輸出時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)航空電子組件的行為狀態(tài)集合的個(gè)數(shù)，將輸出區(qū)間[-1，1]等份劃分，根據(jù)推理數(shù)值輸出相應(yīng)的行為。

3 模型仿真

將本文所建立的混合型Agent模型應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的的虛擬維修仿真平臺(tái)上，選取ECAM中的APU頁面作為驗(yàn)證實(shí)例，如圖4所示。依次打開輔助動(dòng)力裝置的①主電門和②啟動(dòng)開關(guān)可以看到ON燈和AVAIL依次點(diǎn)亮，說明模型中反應(yīng)型Agent作用良好。按下ECAM面板的APU選擇開關(guān)，調(diào)出相應(yīng)的APU界面，與實(shí)際情況較為契合，行為模型中的推理Agent也正常工作。實(shí)例證明所建立的航空電子組件行為模型確實(shí)可以滿足在虛擬維修中的需求。

4 結(jié)束語

本文提出一種改進(jìn)的混合型Agent的航空電子組件行為模型，該模型由環(huán)境交互模塊、反應(yīng)模塊、推理模塊和行為選擇模塊組成，通過結(jié)合反應(yīng)型Agent快速響應(yīng)的特點(diǎn)和慎思型Agent優(yōu)異的推理能力，構(gòu)建出可以滿足機(jī)務(wù)維修訓(xùn)練的航空電子組件行為模型，最后將模型應(yīng)用于自制的A320飛機(jī)維修模擬訓(xùn)練器，這表明模型實(shí)用可行。

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