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劃層進行，并未考慮實際作業的執行。程中華等[5]建立了基于任務內聚系數的分解模型，逐步將任務分解為功能、活動，實現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劃之間的映射關系，通過分層任務網絡規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。

1 艦船裝備的維修過程分析

裝備維修包含多個過程，進行維修作業的前提是確定維修過程，即對維修行為和作業順序進行分析，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行動作序列。可以看出，裝備維修主要包括維修任務分解、任務分配與任務執行等多個環節。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，來實現維修作業的仿真與分析。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匯總沖突、并發和異步等關系；IDEF3是通過場景和對象實現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結構和動態行為過程進行表示。

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，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。現有的仿真軟件還不能支持指定任務的仿真，無法實現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一化描述，并建立與維修仿真之間的聯系仍然是研究的難點。

本文借鑒分層任務網絡（Hierarchical Task Network，HTN）規劃思想[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，獲得可直接執行的規劃動作，不同的多邊形的邊數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規劃是以規劃領域知識為基礎，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行動作。所以，分層任務網絡規劃方法能夠有效輔助維修人員在維修規劃過程中，根據復雜的維修狀態信息合理地對維修任務進行分解。HTN規劃流程如圖2所示。

圖2 HTN規劃流程

在上述規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“規劃解”。由于HTN規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規劃中“方法”和“原子任務”等專有名詞建立聯系，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，多數學者將維修任務分為維修任務層、維修事件層、維修作業層和維修動素層這四個不同層級[10]。現有任務分解方式以維修動素作為最終執行層，根據分解結果控制虛擬環境中的模型作出相應動作來實現維修仿真，而HTN規劃的目的是為得到一系列可執行的操作序列，規劃出來的解是可直接執行的。而在維修作業中，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行不同的維修動素。因此把維修動素作為HTN規劃中的“原子任務”來進行分解會產生沖突。

這里借鑒參數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，監督是維修人員對特定維修區域的管理。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表示系統初始的維修狀態。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、備用封油壓環和備用小軸任務和10個裝配任務。由此獲得了執行該維修任務的有序元任務序列，為下一步任務分配執行提供有效信息。

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系的問題，提出基于分層任務網絡規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點：首先，維修任務分解過程與維修人員對維修任務執行的推理過程相似，且分解過程是根據實際操作規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。另外，可以對規劃領域不斷擴展，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。