基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計

簡建幫 李迎光 王 偉 宋智勇

1.南京航空航天大學，南京，210016 2.成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都，610092

0 引言

協同設計要求在產品設計階段就考慮到產品開發后期可能影響到產品質量、成本及開發時間的所有因素［1］。Agent是指在網絡環境中具有靈活、自主行動能力的一類軟件主體［2］，由于現實系統的復雜性，以及單Agent因自身能力與資源的有限性而無法獨立地實現一些復雜的系統，因此，多Agent技術得以迅速發展，逐漸成為分布式人工智能研究的熱點［3－5］?；诙郃gent的協同設計使分布在不同地點的設計人員及其他相關人員可以通過網絡采用各種CAX工具協同地進行產品設計活動。

在國外，Toye等［6］開展的SHARE項目研究了如何利用基于Agent的計算機輔助工具和服務實現團隊成員間的交流、協作、分析和綜合。Ahn等［7］研究開發了一個基于Internet的CAD／CAM系統 CyberCut。Kim 等［8］開發了一個基于Web的三維協同標注系統CyberView。在國內，牟玉潔等［9］將 Windows API函數與圖層覆蓋技術相結合，開發了網絡環境下產品協同開發過程中的三維工程圖形實時批注工具系統。高曙明等［10］通過分析現有協作支持工具和系統的不足，提出了用協作支持工具軟件CoCADToolAgent改造商品化CAD系統來開發計算機支持協同設計系統的方法。西安交通大學系統工程研究所開發出了基于復制式應用程序共享技術的協同式計算機輔助設計系統CoopCAD［11］。西北工業大學CAD／CAM中心對協同幾何造型技術有較深入的研究，以UG二次開發為基礎實現了UG環境下的實時協同造型和瀏覽、查詢和標注以及模型協同編輯等［12－13］。

然而，以三維模型為主，二維工程圖紙為輔的協同模式在解決非幾何信息的協同設計上往往采用批注的方法，存在如下主要問題：

（1）難以表達分散在2D工程圖紙中的非幾何信息。協同人員對協同對象的共同認知是協同設計的必要條件，因此需要對非幾何信息進行知識的表達和存儲。但是，由于傳統協作模式采用“3D模型＋2D圖紙”的方式，協同設計數據源不唯一，非幾何信息分散在2D圖紙中，故難以對其進行形式化表達、共享和重用。

（2）不能有效地傳遞非幾何信息知識。Agent間消息傳遞的基礎是對協同對象的共同認知，非幾何信息的難以表達將導致協同站點間不能有效地傳遞協同信息。

（3）難以進行相關性修改。當協同人員對工藝信息提出修改建議時，設計人員難以根據修改意見對分散在二維圖紙中的工藝信息進行自動修改，且3D模型和2D工程圖紙間的相關性難以保證。

因此，本文將基于模型的定義（model based definition，MBD）和多Agent技術相結合，提出了基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計方法。

1 協同設計技術

1.1 協同設計框架

基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計框架采用聯邦式的多Agent協同結構，通過應用開發接口實現對相關MBD非幾何信息的訪問，并對已有的功能尺寸和標注工具進行接口封裝來支持協同工作，如圖1所示。

圖1 基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計框架

根據飛機結構件協調專業多、路線長的特點，按照功能進行劃分，協同設計中各專業Agent包括飛機結構件詳細設計Agent（detailed design Agent，DDA）、制造工藝 Agent（manufacturing process Agent，MPA）、裝配仿真 Agent（assembly simulation Agent，ASA）等。這些專業Agent封裝相應的CAX工具，并借助于專業服務器（Facilitator）進行集中的消息接收和發送，避免了點對點的通信，降低了系統實現的復雜度。設計Facilitator在以目標為導向的整體協調控制下，通過各專業Agent進行領域活動，逐步完成設計任務。同時，各專業應用Agent能隨著任務的下發而創建并自動組合，隨著任務的結束而自動解體、消亡，體現了產品協同設計的靈活、快速響應。

基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計流程為：①由設計員發布MBD模型給所有參與協同設計的下游分析人員，如制造工藝員、裝配分析員；②下游分析人員利用自己的專業知識對產品模型進行分析，若存在不合理之處，則拾取MBD模型中相應的非幾何信息及與其相關聯的幾何信息，并附加相應的操作建議（如新建、修改、刪除等），調用置于下游的Agent（如制造工藝Agent、裝配仿真Agent等），封裝拾取到的非幾何信息及與其相關聯的幾何信息和操作建議；③多Agent系統通過基于 Web的Agent交流信道將封裝好的消息發送給設計員；④設計員分析通過設計Agent接收到的操作建議，若認為建議合理，則根據建議操作，調用封裝的MBD非幾何信息建模工具對初步MBD模型進行修改，并將該修改操作發送給所有參與協同的設計人員，以便他們更新模型，保持協同模型的一致性。如此反復，直到設計的模型符合當前的制造水平、工藝以及經濟性等方面的要求。

1.2 基于MBD的飛機結構件數字化定義

MBD是一種用集成的3D實體模型來完整表達產品定義信息的方法，它詳細規定了3D模型中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方式［14］，取代了2D圖紙成為協同設計共享中的唯一授權資料，設計、工藝制造等方面的人員共同圍繞該數據集進行產品的設計、加工、檢驗等一系列工作。通過參考ASME Y14.41［15］標準和波音公司對MBD模型的表達方式，本文針對飛機結構件的特點研究了飛機結構件MBD模型幾何信息和非幾何信息的表達方式，并采用特征結構樹的方式對該信息進行組織管理。圖2所示為某飛機框類零件在CATIA中的MBD模型。

1.3 MBD非幾何信息本體表達

本體用于描述事物的本質，是共享概念模型明確的形式化規范說明［16］。通過本體，可以解決由于缺乏共同認識而導致的人與人、人與組織以及組織與組織之間缺乏溝通的問題，提高了系統的互用性，實現了知識的重用和共享。

圖2 CATIA中某飛機框類零件MBD模型

結合飛機結構件MBD模型非幾何信息表達需求，本文建立了飛機結構件MBD模型非幾何信息本體。用O表示飛機結構件MBD模型非幾何信息本體，那么O可以表示為如下三元組：

其中，C表示類，代表某類個體的集合，它描述了該類個體的通用屬性；R表示關系，描述了該領域內類與類之間的關系，基本的4種關系為part－of，kind－of，instance－of和attributeof 4種；I表示實體，描述某個類具體化的值。

圖3為部分本體的表達結構圖，其中“Concept”是所有類的父類，“AID”是所有Agent類的父類，“AgentAction”是所有Agent所具有的功能的父類。除與Agent有關的本體定義之外，所有的類均繼承自“MBDJBaseUnknown”，這些子類表達了所有的 MBD非幾何信息。其中，類“MBDJTTRSSet”表達了與非幾何信息標注相關聯的幾何集，如表面與粗糙度相關聯的面；類“MBDJTPSObject”表達了所有的非幾何信息標注對象，如其子類“MBDJTPSTolerance”表達所有的公差信息，包括尺寸公差類“MBDJTPSDimension”、形狀公差類“MBDJTPSForm”。

圖3 部分飛機結構件MBD非幾何信息本體表達結構圖

1.4 基于多Agent的協同通信

為實現各協同站點人員的協同通信，本文采用FIPA（foundation for intelligent physical Agents）組織定義的Agent通信模型，并通過Agent通信語言（Agent communication language，ACL）封裝MBD非幾何信息本體發送到接收方。

1.4.1 FIPA－Agent通信模型

FIPA是一個非營利Agent標準化權威組織，其制定的FIPA規范中，Agent通信模型如圖4所示。其中，AMS表示Agent管理系統，管理該Agent平臺的所有Agent、DF以及ACC，協調Agent通信合作；DF表示目錄服務器，管理平臺上Agent的目錄注冊和目錄檢索，提供黃頁服務；應用Agent是面向特定應用領域的，解決領域設計問題的Agent可以封裝相應的CAD工具；ACC表示Agent通信通道；Socket、CORBA、RMI、SOAP表示Agent平臺間的通信協議。同一個Agent平臺中Agent間消息的發送只需經過ACC，而不同Agent平臺中Agent間消息的發送需要發送給 ACC，再通過Socket、CORBA、RMI、SOAP等協議傳輸給另一個Agent平臺。

圖4 FIPA－Agent通信模型

FIPA－ACL提出的ACL主體通信語言定義了Agent之間交互的一組消息類型，對這些交互消息的語法、語義和語用做出了嚴格的、形式化的描述和定義。該語法結構中規定了消息的類型（如通知、同意、請求等）、消息的參數（如發送者、接收者、消息內容、所采用的本體等）。

根據FIPA－ACL的語法定義，一條ACL消息一般具有的格式如圖5所示。該條ACL消息表示由名為“Designer1”的“MBDDesignerAgent”向目錄服務器“df”發送以“sl”語言描述的搜索該Agent平臺內“MBDProcesserAgent”類型的Agent。

1.4.2 各Agent間的通信過程

基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計過程中，各協同站點的人員通過調用相應的Agent進行協同合作。各Agent采用FIPA－ACL通信語言，通過ACC實現消息的傳遞，并且該消息是采用MBD非幾何信息本體對MBD模型進行表達的，實現了各Agent間的語義消息傳遞。本系統各Agent間的協同通信如圖6所示。

圖5 查詢MBDProcesserAgent的ACL消息

圖6 各Agent間的協同通信

首先，各Agent向 DF發送注冊請求（request），完成各Agent向該Agent平臺的注冊；其次，由詳細設計Agent向DF發送查詢協同Agent的請求，請求消息如圖5所示，DF將查詢的結果以通知（inform）的形式返回給詳細設計Agent；然后詳細設計Agent將初步的MBD模型發送給各協同Agent（如制造工藝Agent、裝配仿真A－gent），各協同Agent根據各自的專業知識對MBD模型進行可制造性、工藝性、可裝配性等分析，并向詳細設計Agent發送修改意見；最后，詳細設計Agent根據修改意見修改模型，并將修改操作發送到各協同Agent，各協同Agent通過調用CAD軟件相應的功能完成模型的自動更新，以達到協同模型的一致性。如此反復協商、修改，最終使修改后的MBD模型符合現有的制造條件，具有經濟效益好、可裝配性好等優點。

1.5 CAX工具封裝

為實現產品設計人員可以根據下游協同人員的修改建議自動修改MBD模型，需要將CAX的建模工具進行封裝。由于協同人員間消息由MBD非幾何信息本體進行表達，并通過多Agent系統進行傳遞，因此，對于CAX建模工具的封裝，首先要進行多Agent系統與CAX軟件的集成，然后通過CAX軟件訪問多Agent系統傳遞的修改建議，并通過調用CAX建模API對MBD模型進行修改，最后將修改操作發送給其他協同人員，進行MBD模型的更新。

本文采用CATIA作為MBD模型的建模工具，采用JADE平臺開發多Agent系統。由于多Agent系統與CATIA應用開發的復雜性及各自技術的特點，它們的集成比較困難，并且多Agent采用Java語言開發，而CATIA開發平臺CAA采用C＋＋語言開發。針對以上問題，本文建立了多Agent系統與CATIA集成框架，如圖7所示。該框架采用接口交換及JNI（Java native interface）技術，即通過API函數獲得各自系統內部的數據，并進行數據交換，同時采用JNI技術，實現了Java與C＋＋之間的互相調用。

圖7 多Agent系統與CATIA集成框架

2 相關技術比較

針對飛機結構件非幾何信息協同設計的各重要因素，將基于MBD和多Agent的協同設計技術與其他常用技術進行了比較，如表1所示?；贜etMeeting的協同設計可以通過截取單用戶CAX／DFX工具的用戶界面和傳輸界面圖像來實現簡單的同步協同設計，但存在協同工作效率低、不支持多系統等問題，無法有效地支持同步協同設計工作；基于JAVA 3D／Web的協同設計采用了復制程序和3D模型到各機器的方式，用戶之間傳遞的是命令，負擔輕，用戶間可以進行操作，但難于直接進行協同標注，相關性難于保證；基于多Agent的協同設計采用本體表達修改意見和操作，用戶之間傳遞的是本體，負擔輕，但難以實現三維協同標注。通過比較可知，基于MBD和多Agent的協同設計網絡負擔輕，能實現3D標注且保持非幾何信息和幾何元素的相關性。

表1 相關技術比較

3 應用實例

根據以上研究，在CATIA V5和JADE平臺上開發的基于MBD和多Agent的飛機結構件協同設計系統已在某大型航空企業的飛機結構件數控加工中得到了初步的應用。圖8所示為某典型雙面框類零件（圖2）中某尺寸的修改過程。

首先，制造工藝人員采用MBD非幾何信息本體，向詳細設計人員提出更改尺寸請求，如圖8中部對話框所示；然后，若詳細設計人員接受建議，則調用CATIA相應的API對MBD模型進行修改（如圖8右部所示），并將修改操作發送給制造工藝人員；最后，制造工藝人員根據修改操作更新MBD模型，以保持協同模型的統一性。

4 結論

（1）采用本體表達MBD模型非幾何信息，設計模型非幾何信息得以進行形式化表達、共享和重用。

（2）采用多Agent技術，實現了協同設計人員間的靈活多變的分布式同步協同。

圖8 某典型雙面框類零件中某尺寸修改過程

（3）CAD系統與多Agent的集成，實現了CAD系統與多Agent間數據的交換、MBD模型的更改和自動更新。

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