基于混合Agent的航空电子组件行为模型

刘家学 李蒙阳

摘 要： 为解决虚拟维修环境中航空电子组件行为模型响应速度慢的问题，引入改进的混合型Agent模型。通过对飞机维修手册中维修任务的需求分析，将虚拟维修环境中航空电子组件的行为模型划分为复杂表情行为和简单反应行为，利用反应速度快的反应型Agent处理简单反映行为，利用慎思型Agent处理逻辑复杂的表情行为。把上述方法应用于A320虚拟维修环境中航空电子组件的行为建模中，经实例验证，此方法有效可用。

关键词： 虚拟维修； 航空电子组件； 行为建模； 混合Agent

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：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

航空電子组件行为模型是飞机虚拟维修训练器的重要组成部分，行为模型是体现航空电子组件功能的主要载体。建立航空电子组件的行为模型，对于飞机维修仿真开发具有重要意义[1-4]。

近年来，王晓光、苏群星等人采用了一种自定义的弱化Agent方法对虚拟维修样机进行了行为建模，该模型主要考虑虚拟维修环境对虚拟维修样机的运动限制， 并考虑在此限制下运动状态发生的改变[5]，而对于虚拟维修环境中的航空电子组件，更多的是表情行为，并没有过多的物理运动。刘岳鹏、隋东等人采用BDI结构，建立了基于决策树模型的管制规则知识库，设计了虚拟环境中慎思型管制员Agent行为模型[6]，而对于虚拟维修环境中航空电子组件的简单拆装行为，并不需要复杂的推理过程，难以满足虚拟维修的实时性需求，此模型也不适用。

针对上述问题，本文提出基于混合Agent的行为建模方法[7]，以满足虚拟环境中系列维修行为的需要。混合型Agent是由反映型Agent和慎思型Agent构成，对于航空电子组件的简单反映行为采用基于SmartObject的反映型Agent，反应型Agent建模出来的物体反映速度快，对于智能程度不高的反应行为尤为适用；对于航空电子组件的复杂表情行为采用基于模糊认知图的慎思型Agent，较之传统的基于BDI的慎思型Agent，具有设计简单、易于实现、反映较快以及模糊信息表达能力强的优点。该建模方法简单高效，最大程度地满足虚拟维修过程中实时性的需求，混合型的Agent结构使得航空电子组件的表情行为表达更为合理。

1 航空电子组件特征行为划分

1.1 航空电子组件的复杂表情行为

航空电子组件的表情行为指的是电子面板上显示的各种电子符号集合而成的图形，它直观地反映目前该电子组件的运行状态。航空电子组件的数量庞大，大部分电子组件都有相应的面部表情，复杂多样的面部表情及面部表情之间的切换是行为建模的重中之重。在进行虚拟维修对象电子组件的特征行为建模中，主要考虑的就是电子组件的表情行为。

定义一 航空电子组件的表情行为空间Uc：

FE为航空电子组件的功能表情变化：虚拟维修环境中，航空电子组件电子面板上电子指针和数值的正常变化。例如发动机启动过程中ECAM页面上数值的变化、指针的摆动等。

FS为航空电子组件的功能表情切换：虚拟维修环境中，航空电子组件电子面板上功能页面的正常切换，例如ECAM上APU页面与引气页面之间的切换。

ME为航空电子组件的故障表情变化：虚拟维修期间，发送给航空电子组件的故障信号造成电子面板上电子指针和数值的故障变化。

MS为航空电子组件的故障表情切换：虚拟维修期间，发送给航空电子组件的故障信号造成电子面板上功能页面的故障切换。

1.2 航空电子组件的简单反映行为

航空电子组件的简单反映行为包括拆装行为、灯光行为、声音行为。这部分行为虽然简单，但是是航空电子组件行为模型不可缺少的一部分，另外，航空电子组件的反应行为还包括驾驶舱灯光、客舱灯光、助航灯光等灯光行为以及警报、提示等声音行为。

定义二 航空电子组件的简单反应行为空间US：

其中D为航空电子组件的拆装行为：虚拟维修环境中，对航空电子组件进行的拆卸和装配，此行为不涉及复杂的运动；并且组件中各个零件之间没有复杂的组合位置关系。因此，在建立航空电子组件的拆卸行为模型时，模型只需能够满足拆装任务的需求即可。

L为航空电子组件的灯光行为： 虛拟维修环境中各种灯光行为，包括客舱灯光、驾驶舱灯光、按键灯光等。

V为航空电子组件的声音行为：虚拟维修环境中各种声音行为，包括话筒声音、警报声等。

2 航空电子组件行为模型

本文结合反映型Agent和慎思型Agent，设计了一种混合型Agent模型，如图1所示。模型由环境交互模块、反应模块、推理模块和行为选择模块四个模块构成，环境交互模块将外部环境的感知分别输入到反应模块和推理模块，两个模块分别对感知做出自己行为判断并将结果传输到行为执行模块，最后作用于环境交互模块。

2.1 环境交互模块

环境交互模块直接和环境进行通信，环境交互模块感知外界的信号有多种，有电子组件与电子组件之间的同质Agent之间的信号传递，也有电子组件与机械组件之间的异质Agent之间的信号传递。综合分析虚拟维修的基本维修任务可以总结出，电子组件的行为是由功能信号、控制逻辑信号、故障信号、拆装信号四个部分共同作用的。环境交互模块在感知外界虚拟环境的同时，会将行为执行模块所产生的行为传递给外界虚拟环境。

定义三 环境交互模块的输入空间I：

其中G为功能信号，指航空电子组件接受来自上一级LRU的输出信号；C为控制逻辑信号，指虚拟环境对控制按钮的信号输入；Z为故障信号，指虚拟维修训练中传递给航空电子组件的故障信号；A为拆装信号，指虚拟维修训练中传递给航空电子组件的拆卸装配信号。

2.2 反应型Agent

基于反应型Agent的行为建模技术对物体进行建模实现简单，建模出来的物体反应快速，但其智能程度不高，适合对虚拟环境中智能程度较低的物体建模。本文针对简单反应行为，采用基于SmartObject的反应型Agent进行行为建模。

Smart Object通过特征建模把航空电子组件的拆装行为、灯光行为、声音行为都包含到了物体的描述中，其中与行为有关的特征主要有三个方面：命令、变量状态和行为。“命令”是交互的接口，对应输入空间I；“变量状态”指示物体当前的状态（此处仅包括物体自身状态）；“行为”描述物体在当前状态下接受特定命令时应执行的动作（即认知处理部分）。行为特征结构示意图如图2所示。

SmartObject认知处理部分仅是根据特定事件选择特定的反应行为，其事件触发机制与执行方式是基于文本的命令驱动，最终的输出是相应的文本命令，然后将相应的文本交给行为执行模块。

2.3 慎思型Agent

对于复杂表情行为采用基于FCM的慎思型 Agent 进行行为建模。首先把航空电子组件的行为构造成一个行为空间。如果用N表示基本行为总数，i= 1，2，…，N表示基本行为序号，行为状态可以用下面的状态集合表示：

假设1 在外界刺激的作用下，行为Agent的行为状态发生改变。

假设2 某种刺激确定性地只引发某一种行为，即刺激Vi只引发行为i.各种刺激用Vi表示，刺激集合：

在本系统中，V1=C1，为功能信号的输入，即来自上级LRU的输入信号；V2=C2，为故障信号的输入，即来自控制管理中心设置或取消的故障信号。

构建行为Agent的FCM模型如图3所示。FCM模型由六个节点构成：节点1表示外部输入的功能信号，C1属于[0，1]；节点2表示外部输入的故障信号，C2属于[0，1]；节点3表示航空电子组件的传感器，C3属于[-1，1]；节点4表示航空电子组件的内部逻辑，C4属于[-1，1]；节点5表示合成单元，C5属于[-1，1]；节点6表示行为输出，C6属于[-1，1]。

根据FCM的网络结构，为Agent内部结构构造两类基本对象：组元对象C和连接权值的对象W。组元代表了Agent的内部属性，连接权值描述组元之间的因果关系。图3中，C代表组元的状态集：

模糊状态隶属度，其状态值越大表示该组元的状态越活跃；

表示模糊关系权值隶属度集合。如果，则后向节点Cj的状态值Cj随前向节点Ci的状态值Ci成正比例变化，反之，如果，则Cj 随Ci成反比例变化。

通过模糊化处理，Agent能对组元的状态及相互之间的因果关系实现数值化描述。例如，前向节点对后向节点的影响程度可以描述为{很强，强，一般，弱，很弱}，则可以映射为权值隶属度集合{±0.9，±0.7，±0.5，±0.3，±0.1}。权值隶属度越大，表示前向节点对后向节点影响程度越大。

Agent的推理模型如下：给定一个包含n个元组的Agent，对应的FCM模型中有n个节点，得到一个1*n状态矩阵C和一个n*n的关系权值矩阵W：

式⑽中为n个节点的状态值；为节点i到节点j的关系权值。考虑所有节点，给出Agent的状态转换函数：

由此可以得到每个节点的状态的输出：

其中yi是所有前向节点基于关系权值对节点j的状态cj的作用和。定义节点的状态输出函数fj，得到节点j的新状态：

Agent的每一次状态转换都可以看作一步推理，Agent的每一步推理都由矩阵运算和状态输出函数实现。行为Agent的关系权值矩阵W为

上述Agent的FCM模型给出了Agent知识和环境的完整表达，推理计算通过数值迭代计算的方式单独完成，给定初始输入值（c1，c2，c3）和后续节点Ci的状态ci，并设定关系权值，这里采用实验室的研究数据。其中的节点状态值由专家确定，关系权值根据实验室研究数据中不同的行为特点进行选择。由以上公式最终可以计算出行为Agent的行为状态输出。

2.4 行为执行模块

环境交互层实时地将环境信息传入反应层和推理层，在任意时刻，反应模块和推理推理对传入的信息進行处理，并向行为执行模块输出，在执行反应模块的输出时，行为选择模块通过匹配文本命令来执行相应动作行为。在执行推理模块的输出时，根据对应航空电子组件的行为状态集合的个数，将输出区间[-1，1]等份划分，根据推理数值输出相应的行为。

3 模型仿真

将本文所建立的混合型Agent模型应用在实验室自主开发的的虚拟维修仿真平台上，选取ECAM中的APU页面作为验证实例，如图4所示。依次打开辅助动力装置的①主电门和②启动开关可以看到ON灯和AVAIL依次点亮，说明模型中反应型Agent作用良好。按下ECAM面板的APU选择开关，调出相应的APU界面，与实际情况较为契合，行为模型中的推理Agent也正常工作。实例证明所建立的航空电子组件行为模型确实可以满足在虚拟维修中的需求。

4 结束语

本文提出一种改进的混合型Agent的航空电子组件行为模型，该模型由环境交互模块、反应模块、推理模块和行为选择模块组成，通过结合反应型Agent快速响应的特点和慎思型Agent优异的推理能力，构建出可以满足机务维修训练的航空电子组件行为模型，最后将模型应用于自制的A320飞机维修模拟训练器，这表明模型实用可行。

参考文献（References）：

[1] 王文举，李光耀.虚拟维修仿真技术的研究与进展[J].系统仿真学报，2011.23（9）：1751-1757

[2] 刘睿，李朋，周军等.基于模型重构的航天器部件级故障建模方法[J].西北工业大学学报，2014.4：546-549

[3] Abate A F， Guida M， Leoncini P， et al. A haptic-based approach to virtual training for aerospace industry[J].Journal of Visual Languages & Computing，2009.20（5）：318-325

[4] 赵晨阳.基于特定领域建模的仿真组件建模技术研究[D].华中科技大学，2014.

[5] 王晓光，苏群星，谷宏强.基于弱化Agent的虚拟维修样机行为建模方法[J].计算机仿真，2010.27（1）：249-252

[6] 刘岳鹏，隋东，林颖达.基于BDI模型的管制员 Agent行为建模研究[J].航空计算技术，2016.46（1）：77-81

[7] 廖守亿，戴金海.基于Agent的建模与仿真设计模式及软件框架[J].系统仿真学报，2005.17（4）：863-866