智能虛擬維修訓練要素信息模型構建

摘 要 文章提出了基于Agent模型的虛擬樣機部件、虛擬人和工具可交互信息模型和信息交互模式。以STEP標準為基礎，結合Agent模型，提出了智能虛擬維修訓練系統(tǒng)（IVMTS）要素信息模型及黑板交互模式。

關鍵詞 虛擬現(xiàn)實；人工智能；Agent；虛擬維修；信息模型；維修訓練

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0042-02虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是個復雜的龐大系統(tǒng)，本質上是多維信息空間中更直觀的信息處理環(huán)境。近年來，智能體）（Agent）和虛擬現(xiàn)實（VR Virtual Reality）是工程仿真和信息技術領域的兩個研究熱點。在VR中應用Agent技術，使系統(tǒng)具備信息自處理和決策能力，未來有著廣闊的應用前景。已有的研究成果中，Johnson在虛擬現(xiàn)實VR中引入具有教學輔助功能的Agent，使得系統(tǒng)能有效地引導受訓人員，使訓練系統(tǒng)具備了智能決策能

力[1]；Reiguier將面向對象程序設計與虛擬現(xiàn)實VR的方法結合起來，形成了面向對象的VR方法，該結構允許多個智能體Agent共享的虛擬環(huán)境，在虛擬現(xiàn)實情景中相互協(xié)同工作[2]。

虛擬維修及訓練[3]技術是整個壽命周期內產品設計和使用過程中的一個重要方面，是產品CAD信息模型基礎之上虛擬現(xiàn)實的具體應用。在虛擬維修系統(tǒng)中，首先要遵循標準的CAD數(shù)據(jù)模型，STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）標準是一個國際上通用的“產品數(shù)據(jù)模型交換標準”，即一種基于面向對象思想方法的軟件實施技術，又是一種產品信息建模技術。以STEP標準為基礎，構建虛擬維修訓練系統(tǒng)是個優(yōu)先選擇。蘇群星等運用Multi-Agent對裝備虛擬維修系統(tǒng)進行了系統(tǒng)級模型研究[3]，郭建斌等對基于STEP標準的RMS信息模型進行了研究[4]。本文結合STEP標準和Agent智能體的思想，提出面向智能虛擬維修訓練要素信息模型和要素交互模型，構造智能維修要素“智能部件”IP（Intelligence_Part）、“智能人”（Intelligence_Body）、“智能工具”（Intelligence_Tool）模型，并且構造智能要素模型的基礎上構造黑板交互模型，為智能虛擬維修訓練系統(tǒng)（IVMTS：Intelligent Virtual Maintenance Training System）提供模型支撐。

1 Agent結構

Agent一般稱之為主體，智能體或代理，其特點是具有一定的智能性、靈活性和自治性，非常適合對協(xié)同、復雜、難預測問題的求解。依據(jù)決策模式的不同，可以將Agent分為慎思主體（deliberative agent）、反應主體（reactive agent）和混合主體（hybridagent）三種類型。由于Agent具有：交互性、自治性、能動性、反應性。每個智能體Agent有著自己的狀態(tài)而且都擁有一個感知環(huán)境的感知器，Agent自身具有感知系統(tǒng)，獲取并處理外界環(huán)境的信息，信息經(jīng)過解釋之后，通過調用分析推理模塊進行決策，決策信息發(fā)出，可以用于改變自身的內部狀態(tài)，執(zhí)行某些動作行為等。于此同時，每個Agent也都擁有一個效應器，用來改變環(huán)境的狀態(tài)。

2 IVMTS維修要素信息模型

2.1 需求模型和概念模型

通常虛擬維修系統(tǒng)的維修要素是維修系統(tǒng)的組成要素，主要有：數(shù)字樣機（Virtual Prototyping， VP）、虛擬人（Virtual Man）、虛擬維修工具（Virtual Tool）和場景組成。針對IVMTS工程應用的特點，IVMTS要素信息模型分為四組屬性：幾何裝配屬性、維修工作屬性、維修評價屬性、部件智能屬性。智能信息模型通過傳統(tǒng)的CAD幾何模型，附加上維修應用信息，并結合智能Agent結構進行建模，使其最終成為虛擬維修訓練智能信息模型，使其成為一個具有傳統(tǒng)的幾何信息屬性也有應用智能屬性，每個部件相當于一個Agent，部件、虛擬人和工具間可以進行通訊，可以進行評價指標的計算，并根據(jù)外部任務響應要求來提供相應的需要信息。IP是根據(jù)STEP標準面向對象數(shù)據(jù)模型，其信息格式符合STEP的格式。在虛擬維修智能信息模型基礎上，通過智能虛擬維修訓練智能仿真，方便的進行維修性、工效性、訓練效果評價，以及進行更深入的拆裝路徑、拆裝序列的智能優(yōu)化等功能。

2.2 模型詳細建模

有了概念模型，利用EXPRESS_G語言，定義應用對象的名稱、約束、屬性等，最終得到IVMT_Agent邏輯模型及繼承關系，是智能虛擬維修訓練系統(tǒng)（IVMT）信息模型的核心模型。

該功能單元的核心應用對象是IVMT_Agent實體及其繼承IVMT_Part_Agent、IVMT_Body_Agent、IVMT_Tool_Agent實體。IVMT_Agent是STEP幾何模型和元Agent復合，元Agent提供基本的Agent架，與Step協(xié)議的幾何數(shù)據(jù)模型構造IVMT_Agent，使其具備Agent功能和幾何數(shù)據(jù)的各種屬性及實體信息，Agent與不同的幾何數(shù)據(jù)結合（如：部件、人體、工具）分別構造不同的繼承對象，分別為部件Agent（IVMT_Part_Agent）、人體Agent（IVMT_Body_Agent）、工具Agent（IVMT_Tool_Agent）以及Assess_Agent等。部件Agent的典型屬性裝配部（Assemble_Part）、操作部（Handle_Part）、失效模式（Failure_Mode）、維修模式（Repair_Mode）等；人體Agent的典型屬性身高（Body_Length）、臂長（Arm_Length）、體態(tài)（Body_Posture）、維修姿態(tài)（Repair_Posture）等；工具Agent的典型屬性有工作部（Work_Part）、操作部（Handle_Part）、工具類型（Tool_Type）、工具狀態(tài)（Tool_Status）等；評價Agent（Assess_Agent）主要屬性工效性（Ergonomics）、維修性（Maintainability）、可達性（Accessibility）等。通過元Agent和STEP格式CAD數(shù)據(jù)的再造IVMT_Agent實現(xiàn)整個智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中核心模型框架。endprint

2.3 實體對象間的智能交互模式

在智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，智能零部件IP、智能工具IT和智能維修人體IB模型。根據(jù)具體的作業(yè)任務和實體，三類實體通過Agent黑板通訊模式，匹配合適的工具和人體姿態(tài)。利用基于黑板模型的多Agent智能決策支持，使每個Agent本身具有自治性，Agent之間可以利用黑板進行信息共享，獲取黑板中的信息決定自身行為，智能部件IP在黑板上給出裝配部（Assemble_Part）、操作部（Handle_Part）等幾何信息后，工具Agent和人體Agent協(xié)同完成工具和姿態(tài)的求解。在整個智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，也可以完成智能裝配序列規(guī)劃、智能裝配路徑優(yōu)化、智能維修作業(yè)程序優(yōu)化、智能碰撞檢測都能夠自動完成計算其交互模式。

3 總結

本文以STEP標準為基礎，利用EXPRESS_G語言工具構造IP、IB和IT三種Agent模型的智能虛擬維修要素模型，引入智能體Agent在系統(tǒng)中的應用，運用人工智能的方法實現(xiàn)虛擬維修訓練中的智能交互和虛擬維修系統(tǒng)各項指標的智能分析和評價，還可以在維修要素的智能交互和運用知識庫智能評價方面作更為深入的研究，在此模型基礎上來進行智能維修訓練的相關功能的實現(xiàn)，如智能碰撞檢測算法、維修工序優(yōu)化等。

參考文獻

[1]Johnson W L，Ricbel J，Stiles R. Integrating Pedagogical Agents into VE[J].Presence：Teleoperators and Virtual Environments，1998，7（6）：523- 546.

[2]Reiginier P ，Harrouet F ， Morvan S. AreVi： A Virtual Reality Multiagent Platform[A]，Proceedings of First International Conference On Virtual World[C]. Spring Verlag Berlin，Paris，F(xiàn)rance 1998，229-240.

[3]解璞，蘇群星，谷宏強.基于Multi-Agent的武器裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)[J].火力與指揮控制，2007（01）：95-98.

[4]郭健彬，曾聲奎，陳云霞.基于STEP的RMS信息模型研究及實現(xiàn)[J].計算機應用，2007（06）：1445-1447+1451.

作者簡介

王豐產（1974-），男，河南周口人，副教授，主要從事裝備虛擬設計、維修和驗證技術等領域研究。endprint