基于多智能體的無人機維修訓練仿真軟件設計

陳　勇, 鹿珂珂, 張春平, 寇昆湖

(1. 海軍航空工程學院 控制工程系, 山東 煙臺　264001；2. 海軍航空工程學院 訓練部， 山東 煙臺　264001)

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基于多智能體的無人機維修訓練仿真軟件設計

陳勇1, 鹿珂珂1, 張春平2, 寇昆湖1

(1. 海軍航空工程學院 控制工程系, 山東 煙臺264001；2. 海軍航空工程學院 訓練部， 山東 煙臺264001)

針對使用無人機實際設備進行維修訓練易損壞設備且恢復代價較高的實際問題,開發了基于多智能體(multi-agentsystem)的無人機維修訓練仿真軟件。該維修訓練仿真軟件采用基于MAS的思想設計,仿真系統結構主要包括無人機功能模擬模塊、管理控制模塊、顯示交互模塊。文章對多智能體的組織結構、角色分配、Agent的結構設計和通信交互方法等相關技術問題進行了分析。

無人機； 維修訓練； 多智能體系統； 仿真軟件設計

無人機機動靈活、制造維修方便,已逐漸在很多領域得到應用。由于利用實裝進行無人機系統維修保障人員的維修培訓具有消耗大、受訓者不當操作易造成設備損壞等情況,故利用仿真訓練設備進行維修保障人員的技能培訓,已成為無人機系統維護保障人員培訓、提高維修保障人員技術水平的重要方法和途徑[1-3]。

維修訓練仿真軟件不僅要對無人機系統的功能進行仿真,更要結合無人機的工作原理、故障機理、工作環境等因素模擬其故障現象,并針對排除故障過程中的具體操作步驟給出無人機系統工作狀態的變化情況,模擬排除故障的過程中無人機系統工作狀態的變化。目前,此類仿真軟件主要是從系統功能角度進行實驗和設計[4-7],通常是基于虛擬現實或者多媒體技術對系統的已知故障現象進行仿真[8-11],以故障樹的方法羅列故障的原因,給出排除故障方法和步驟,而對未曾發生過的故障則不能進行仿真,對于那些屬于因子系統之間的交聯所發生故障的原因也不能給出正確的結論和排故指南,智能化水平還較低,難以滿足當前培訓任務的需求以及實際維修保障所需。因此,提高維修訓練仿真系統的智能化水平,使其能夠根據系統的工作原理、故障機理自主生成故障現象,并給出相應的排故指南,或者根據故障現象自動分析得出故障原因并給出排故方法,已成為無人機系統維修訓練中亟待解決的問題。

Agent是既具有知識、愿望、意圖等精神狀態,也具有感知、推理和學習能力的智能主體,它能夠在復雜動態的環境下感知外部環境的變化、做出自主決策,并能與其他智能主體進行交互、實現協同工作。目前,Agent技術已有效地運用于無人機各子系統工作情況的仿真[12],為無人機維修訓練系統智能化水平的提高提供了有效的技術實現途徑。

本文針對無人機維修人員培訓的需求和實際情況,運用Agent技術設計了基于多智能體的無人機維修訓練軟件的總體結構,并對實現中的相關技術問題進行了研究。

1　總體結構

無人機維修訓練仿真軟件主要由無人機功能仿真模塊、管理控制模塊、顯示交互模塊等組成。為有效仿真無人機系統的真實工作情況和故障顯示模式,并有效地進行維修仿真訓練,降低仿真訓練的成本,采用按功能區域劃分的方法搭建了硬件平臺。根據無人機各子系統的功能,將其歸類為飛行控制、任務規劃、鏈路監控、任務控制等4個功能子模塊,以實現對無人機系統總體功能的仿真。各子模塊之間通過以太網連接(見圖1)。

管理控制模塊主要實現對整個系統的管理與控制,實現教學培訓過程的管理、監控以及評估。顯示交互模塊主要模擬無人機系統的顯示部分和操作界面,并為受訓人員提供相關的操作提示和結論。

圖1　維修訓練仿真軟件的運行平臺

2　維修訓練仿真軟件設計

維修訓練仿真軟件基于MAS(multi-agentsystem)的思想進行設計。MAS來源于分布式人工智能領域,具有模塊化、并行性、可靠性、可重用性的特點。在無人機維修訓練仿真軟件中,各子模塊之間在工作時通過交互來實現整個過程,系統的工作過程是一個動態、交互和協同的過程。由于應用固定的軟件結構難以滿足系統工作的需求,因此,應用MAS設計維修訓練的仿真軟件,把各模塊定義成為不同的Agent,各Agent之間通過交互信息協同工作,可實現多個仿真平臺之間的交互和協同工作,以實現對整個系統的工作情況的仿真。

2.1MAS的組織結構

在無人機維修訓練仿真軟件中,針對維修訓練教學的需求,把整個系統劃分為不同Agent而組成的一個MAS系統,各Agent之間相互協作完成訓練過程。

MAS的組織結構定義為

M=

其中M是MAS的組織；A是Agent的集合；A={Agent1,Agent2,…，Agentm}；T是Agent實現的任務的集合,T={t1,t2,…tn}；ACL是Agent的通信語言；C是Agent之間的交互方式。

2.2角色指派

基于MAS的無人機維修訓練系統的角色可劃分為管理Agent、功能模擬Agent、顯示及交互Agent、教師Agent、故障模擬Agent。系統的控制關系和角色指派見圖2。

圖2　維修訓練仿真軟件控制關系和角色指派

管理Agent負責整個系統工作過程的管理和調度,包括訓練內容的控制、各Agent之間的工作行為的協調、沖突行為的消解。

功能模擬Agent用于對無人機各子系統的工作過程進行模擬,包括正常及非正常狀態下的工作過程。

顯示交互Agent負責實現人機接口交互。

教師Agent負責完成訓練過程的培訓和指導,并控制訓練內容的實施,根據管理Agent提供的訓練指令和操作人員的操作技能狀態確定訓練內容,并對操作人員的操作過程給予評判、給出評判結果。

故障模擬Agent根據管理Agent發出的訓練課目指令,模擬Agent的工作狀態、教師Agent所提供的訓練內容安排模擬和生成故障,將故障內容和現象通過顯示交互Agent提供給受訓人員。

2.3Agent的結構設計

各Agent均是可獨立完成某項任務的程序實體,具有自治性、社會性和應激性。Agent可看成一個七元組的慎思性結構。其BNF表達式為:

Agent::=

Data,Perception,Decision>

其中,A_ID:Agent的標識,表明Agent在MAS中的ID號；

State:Agent當前的狀態,包括承擔的任務狀態,CPU的負載狀態等；

Knowledge:Agent推理決策的規則；

Task:當前Agent執行的任務；

Data:Agent所處理的數據,包括環境數據、自身內部狀態數據、歷史記錄數據等；

Perception:Agent對環境的感知,是Agent與環境和其他Agent交互的接口,通過固定的通信協議,與外界進行交互；

Decision:表示Agent執行的決策,根據與外界和其他Agent交互的數據信息,調整自身狀態,保證任務的實現。

2.4Agent之間的通信

Agent之間的通信采用基于KQML的通信語言,各Agent之間的消息交互、協同工作可通過定義的KQML查詢原語來解決。Agent1如果需要Agent2的數據,則向Agent2發送數據查詢語言,Agent2收到查詢語言后及時從數據庫中調用數據并發送數據給Agent1。采用這樣的通信方法可消除集中控制管理時所出現的瓶頸現象。

3　結語

應用基于多智能體的方法和技術設計無人機維修訓練仿真系統,可有效實現維修訓練的自主培訓,可為故障機理的研究提供有效的技術手段。尤其是在無教師的情況下,也可進行維修人員的技能培訓,并可根據無人機系統工作原理和工作環境生成故障。在基于多智能體的無人機維修訓練仿真軟件的開發過程中,應將面向對象技術、基于層次結構技術和面向Agent技術的優勢進行綜合,才能有效地在工程實現過程中實現系統的自主智能性。

References)

[1] 汪凱,張恒喜,王卓健.基于UML的飛機維修保障仿真研究[J].系統仿真學報,2006,18(5):1347-1349.

[2] 石磊,劉佳,趙曉明,等.基于UML和HLA的裝備維修保障仿真系統建模[J].兵工自動化,2007,26(6):21-22.

[3] 王吉星,龔傳信,陳昶軼.基于人工智能的裝備保障仿真訓練系統[J].計算機工程與應用,2003,39(8),32-33.

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[12] 常勇,吳憲珍,張立珍,等.基于MAS的無人機縱向飛行控制[J].電光與控制,2011,18(3):21-24.

DesignofUAVmaintenanceandtrainingsimulationsoftwarebasedonMAS

ChenYong1,LuKeke1,ZhangChunping2,KouKunhu1

(1.DepartmentofControlEngineering,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001,China; 2.DepartmentofTraining,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,Yantai264001,China)

AimingattheactualsituationthatUAV(unmannedaerialvehicle)actualinstallationisdamageableandfragileeasilywhenmaintenanceandtrainingarecarriedout,thesoftwareofUAVmaintenanceandtrainingsimulationbasedontheMAS(multi-agentsystem)isputforwardanddesigned.Thecorrelationtechniqueproblemssuchasorganizationstructure,roledistribution,Agentstructuredesign,mutualcommunicationmethod,etc.,ofMASisresearched.

UAV;maintenanceandtraining;MAS;designofsimulationsoftware

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.032

2015-11-29

航空基金項目“有人/無人協同攻擊技術研究”(20155184010)

陳勇(1978—),男,山東鄆城,碩士,講師,主要從事無人機維修訓練的教學與研究.

E-mail：jutchen@163.com

TP391.9;V267

A

1002-4956(2016)7-0133-03