李敬花，李凌堯，孫苗苗，尹寶瑞

(1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;2.海洋石油工程(青島)有限公司設(shè)計(jì)部，山東青島266520)

作為海洋平臺(tái)項(xiàng)目管理中關(guān)鍵一環(huán)，重量控制貫穿于平臺(tái)建造的全生命周期，是保證項(xiàng)目按期完工、按質(zhì)交付的重要組成部分［1］。在實(shí)際的海洋平臺(tái)建造過程中，結(jié)構(gòu)局部調(diào)整等因素往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)重量、重心與實(shí)際落成時(shí)存在一定差別，給工程作業(yè)帶來了嚴(yán)重的安全隱患［2］。然而，實(shí)施行之有效的重量控制管理存在較大難度，具體表現(xiàn)于數(shù)據(jù)采集及處理信息量大，重控文件使用周期長、頻率高，牽涉部門多、專業(yè)廣等方面。

傳統(tǒng)重量控制方法主要存在以下2個(gè)問題:1)各種數(shù)據(jù)主要靠事后采集匯總;2)實(shí)時(shí)性、集成性與可視化程度低［3］?，F(xiàn)有的研究更多側(cè)重于重量、重心控制的措施或精度調(diào)整方面［4-6］，這些研究詳細(xì)地闡述了海洋平臺(tái)建造過程中關(guān)于重量、重心偏差的調(diào)整問題及解決方法，但對(duì)于重量控制流程關(guān)注不足;也有學(xué)者研究并設(shè)計(jì)重量控制系統(tǒng)來解決數(shù)據(jù)接口問題［7］和提高管理效率［8-9］，但其偏重系統(tǒng)模塊建立與分析，未能實(shí)現(xiàn)完整應(yīng)用的重量控制系統(tǒng)。

對(duì)此，在明確海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量、重心的控制流程基礎(chǔ)上，利用多智能體(multi-agent system，MAS)技術(shù)作為新的運(yùn)行模式，將大而復(fù)雜的重量控制系統(tǒng)建設(shè)成聚合協(xié)作的智能管理系統(tǒng)［10］，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)靈活、快速響應(yīng)的重量控制具有一定的工程意義。

1 海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制流程

在海洋工程裝備制造企業(yè)內(nèi)部，海洋平臺(tái)的重量控制管理是在設(shè)計(jì)部和施工部門間形成的一個(gè)不斷計(jì)劃、調(diào)整、跟蹤、控制的循環(huán)過程。為描述平臺(tái)建造全生命周期中的重量控制過程，明確各職能部門交互關(guān)系，采用UML建立重量控制業(yè)務(wù)流程圖，如圖1所示。

圖1 基于UML的重量控制業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 Weight control flow chart based on UML

在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)部對(duì)詳設(shè)方案進(jìn)行加工設(shè)計(jì)，建立重量、重心模塊理論模型，并生成各預(yù)制單元重量、重心的理論值。在項(xiàng)目進(jìn)行過程中，設(shè)計(jì)部還要根據(jù)現(xiàn)場情況(設(shè)備、場地及材料等)的反饋信息進(jìn)行修改，在圖中體現(xiàn)為修改模塊。

在建造階段，施工部門依據(jù)圖紙、工單進(jìn)行平臺(tái)建造，完成重量、重心數(shù)據(jù)采集工作。若理論值與實(shí)際值的誤差范圍超出裕度則需要返回到設(shè)計(jì)修改模塊。若重量重心均符合要求，則編制相應(yīng)的重量控制報(bào)告?？傃b和傾斜試驗(yàn)時(shí)仍需進(jìn)行前述控制過程，此時(shí)若不符合要求，設(shè)計(jì)人員需立即提出補(bǔ)救方案。

2 基于MAS的重量控制系統(tǒng)模型

海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制不僅要求參與重控的各個(gè)部門/專業(yè)完成其相應(yīng)的局部控制目標(biāo)，同時(shí)還要兼顧協(xié)同完成全局的重量、重心控制任務(wù)。將MAS理論應(yīng)用于海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制過程，即以A-gent來表示參與重量控制過程中的各邏輯資源或物理資源，利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將Agent鏈接成一個(gè)MAS形式的控制系統(tǒng)，可解決重量控制過程中所呈現(xiàn)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性、多專業(yè)交互并行性等問題?？刹捎霉δ苡成浞?functional mapping method，F(xiàn)MM)對(duì)重量控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制系統(tǒng)OPMAWCS(offshore platform multi-agent weight control system)模型如圖2所示。系統(tǒng)粒度劃分是依據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能將系統(tǒng)劃分為各職能Agent。據(jù)圖2，OPMAWCS系統(tǒng)粒度劃分結(jié)果如表1所示。

3 系統(tǒng)重控原理及體系結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)重控原理

重量控制是以構(gòu)成海洋平臺(tái)組塊的預(yù)制單元為對(duì)象，通過對(duì)重量、重心實(shí)際值和理論值的對(duì)比分析，從而達(dá)到各單元及組塊的重控目標(biāo)。DCA將從X-Steel軟件或者現(xiàn)場重控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備中獲取重量、重心數(shù)據(jù)并通過IA導(dǎo)入OPMAWCS中。然后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重量控制的原理如下:

1)CA計(jì)算搭載后所構(gòu)成組塊的重量及重心坐標(biāo)。這里，假設(shè)某一海洋平臺(tái)組塊中所含有的單元數(shù)為N，單元重量理論值為wdi、ηi為各個(gè)單元的裕度因子(考慮風(fēng)載、浪載等影響因素留有的裕度范圍)，其重心坐標(biāo)分別為xdi、ydi、zdi，該組塊的重量、重心理論值分別為

同理，計(jì)算得該組塊的重量、重心實(shí)際值Wo、Xo、Yo、Zo。該組塊重量計(jì)及裕度的理論值和實(shí)際值分別為

組塊重量、重心實(shí)際值和理論值的差表示為

2)MA可設(shè)定誤差接受度λ，若DW＞λ，則提示報(bào)警，給出預(yù)警范圍，并提供一定的預(yù)警分析;若DW≤λ，則重量控制符合要求。對(duì)重心預(yù)警同理。

3)隨著組塊搭載成海洋平臺(tái)，WCA和GCA會(huì)記錄重量、重心變化趨勢(shì);RA會(huì)根據(jù)操作人員需求生成相應(yīng)的重控報(bào)告。

圖2 基于MAS的海洋平臺(tái)重量控制系統(tǒng)模型Fig.2 Weight control system model based on MAS

表1 OPMAWCS系統(tǒng)粒度劃分Table 1 Granularity design of OPMAWCS system

3.2 Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

OPMAWCS中Agent采用混合型結(jié)構(gòu)(hybrid architecture)如圖3所示，能夠較好地滿足海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制過程中快速響應(yīng)、協(xié)同控制等要求。

Agent通過傳感器感知作業(yè)環(huán)節(jié)、接收并傳遞重控?cái)?shù)據(jù)及文件到信息處理單元，并由其完成消息處理、任務(wù)定義和決策:XML(extensive makeup language)分析器與KQML(knowledge query and manipulation language)分析器相結(jié)合將消息轉(zhuǎn)換為本地的語義表達(dá);任務(wù)定義包含任務(wù)過程定義(如CA關(guān)于重量、重心的計(jì)算操作)和參數(shù)定義(如MA對(duì)誤差接受度的定義);確定任務(wù)后Agent從知識(shí)庫、數(shù)據(jù)庫中調(diào)用算法和數(shù)據(jù)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行操作決策。一經(jīng)決策后，Agent中的執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，并由執(zhí)行監(jiān)控器監(jiān)控其準(zhǔn)確性。此外，Agent結(jié)構(gòu)中還包含通信模塊和人機(jī)接口。通信模塊根據(jù)系統(tǒng)定義的通信語言，使Agent通過消息/對(duì)話的方式實(shí)現(xiàn)信息交互。人機(jī)接口是使Agent通過與用戶的對(duì)接，將重量控制處理結(jié)果實(shí)時(shí)地反饋給用戶。

圖3 OPMAWCS系統(tǒng)中Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of agents in OPMAWCS

3.3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)不僅反映了重量控制過程中系統(tǒng)的工作流程和邏輯結(jié)構(gòu)，也體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同運(yùn)作方式。OPMAWCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

OPMAWCS采用了層次結(jié)構(gòu)與完全自治結(jié)構(gòu)相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)，各層次間通過Agent間的協(xié)同運(yùn)作完成重量控制決策目標(biāo);在各個(gè)層次內(nèi)部，又劃分為互聯(lián)的不同子MAS結(jié)構(gòu)。OPMAWCS系統(tǒng)具有良好的智能性及柔性特點(diǎn)，體現(xiàn)在Agent不僅具備重控?cái)?shù)據(jù)處理、決策指標(biāo)和重控邏輯的智能運(yùn)作能力，還具備通過協(xié)同來感知外部變化，自上而下調(diào)整重控?cái)?shù)據(jù)處理結(jié)果的自主能力。

4 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

OPMAWCS的運(yùn)行依賴于Agent間的通信與協(xié)作。Agent間的通信實(shí)現(xiàn)了信息的交互及傳遞，有利于Agent對(duì)變化的快速響應(yīng);而各子MAS下的不同專業(yè)Agent通過協(xié)作實(shí)現(xiàn)了各模塊功能，同時(shí)各個(gè)子MAS間的彼此協(xié)同構(gòu)成了一個(gè)完整的重量控制系統(tǒng)，達(dá)到全局重量控制決策目標(biāo)和控制要求，有利于提高了海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制效率。

圖4 OPMAWCS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.4 System architecture of OPMAWCS

4.1 Agent通信

Agent間的通信是通過消息傳遞的方式實(shí)現(xiàn)的，消息格式采用XML格式，語言采用KQML語言。這主要是因?yàn)槠渲С謩?dòng)態(tài)的、異構(gòu)的、含大量自主節(jié)點(diǎn)環(huán)境下的知識(shí)信息共享與重用［11］，非常適合處理重量控制過程中大量數(shù)據(jù)信息。

KQML依據(jù)Speech Act理論對(duì)Agent的通信言語行為進(jìn)行分類，通過定義行為原語的方式來規(guī)范Agent最基本的言語行為。圖5給出了OPMAWCS系統(tǒng)中Agent通信實(shí)例:CA向MA發(fā)送了一條關(guān)于組塊Upper Deck中預(yù)制單元CEP-F-2720的重量理論值和實(shí)際值的確認(rèn)信息。

圖5 OPMAWCS系統(tǒng)中Agent通信實(shí)例Fig.5 Communication example between agents in OPMAWCS

4.2 Agent協(xié)作

Agent間的協(xié)作保證了系統(tǒng)整體性，以實(shí)現(xiàn)重量控制決策目標(biāo)，達(dá)到對(duì)海洋平臺(tái)重量控制的要求。OPMAWCS的運(yùn)行過程是由重控?cái)?shù)據(jù)采集MAS、重控計(jì)算MAS、重控預(yù)警監(jiān)控MAS、重控可視化MAS以及重控文件管理MAS協(xié)作完成的，其協(xié)作運(yùn)行模型如圖6所示。

外部系統(tǒng)將海洋平臺(tái)各專業(yè)、組塊所包含的單元的重量、重心理論值及實(shí)際反饋值經(jīng)由數(shù)據(jù)采集MAS導(dǎo)入OPMAWCS系統(tǒng)中，并傳遞給重控計(jì)算MAS。重控計(jì)算MAS計(jì)算各個(gè)組塊的重量、重心值以及計(jì)及裕度的重量、重心值后，交由重控預(yù)警MAS進(jìn)行預(yù)警判斷，若超出誤差接受度，則提示預(yù)警信息，并給出相應(yīng)的分析，最終傳遞給重控文件MAS。重控文件MAS按操作人員需求生成相應(yīng)的重控報(bào)告、繪制重控曲線，并經(jīng)由重控文件管理MAS上傳至企業(yè)內(nèi)部各項(xiàng)目組文件夾中。待重控文件審批后，若審批通過，則重控結(jié)束;若審批未通過，還需返還給外部系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)及修改，再重新經(jīng)由OPMAWCS系統(tǒng)處理，直至滿足要求。

圖6 OPMAWCS系統(tǒng)中各子MAS協(xié)作運(yùn)行模型Fig.6 Cooperation model of sub-MAS in OPMAWCS

5 系統(tǒng)總體架構(gòu)與實(shí)例驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

OPMAWCS采用B/S(Browser瀏覽器/Server服務(wù)器)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其邏輯架構(gòu)如圖7所示。

1)人機(jī)交互。系統(tǒng)與操作人員間的信息接口。其中，界面層包含操作人員可視的各重量控制模塊界面;功能層則是通過各個(gè)功能模塊的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制過程的模擬。

2)運(yùn)行內(nèi)核。運(yùn)行內(nèi)核對(duì)OPMAWCS中各種重量控制數(shù)據(jù)流、信息流等進(jìn)行管理和控制，維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行。工具層與協(xié)同層是系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作的核心所在。工具層則包含參與重控過程的各個(gè)Agent，而協(xié)同層主要包括重量控制過程中各個(gè)子MAS結(jié)構(gòu)。模型層實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制的仿真建模。

3)運(yùn)行環(huán)境。是OPMAWCS所基于的硬件環(huán)境及開發(fā)框架。

5.2 實(shí)例驗(yàn)證

據(jù)前述對(duì)OPMAWCS軟件總體架構(gòu)的描述，依據(jù)Java智能體開發(fā)框架JADE(Java agent development framework)和J2EE(Java 2 platform enterprise edition)架構(gòu)的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并完成了OPMAWCS系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)主要功能界面如圖8所示。

實(shí)例驗(yàn)證完了以下任務(wù):1)在JADE環(huán)境下建立了重量控制各個(gè)子MAS的Container，實(shí)現(xiàn)了OPMAWCS系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)Agent之間的信息交互和傳遞;2)X-Steel軟件導(dǎo)出的重量、重心理論數(shù)據(jù)或現(xiàn)場采集到的實(shí)際重控?cái)?shù)據(jù)可直接導(dǎo)入OPMAWCS系統(tǒng)中;3)實(shí)現(xiàn)了重量控制過程中的基本功能，包括:重量、重心值的計(jì)算，海洋平臺(tái)各個(gè)組塊、預(yù)制單元重量預(yù)警及分析等;4)OPMAWCS系統(tǒng)提供重控曲線的可視化功能;5)重控相關(guān)文件可通過系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括文件上傳、文件審批等，從而使得操作人員能夠快速追溯文件信息。

圖7 OPMAWCS系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)圖Fig.7 Software architecture of OPMAWCS

圖8 OPMAWCS系統(tǒng)主要功能界面Fig.8 Main function interfaces of OPMAWCS

6 結(jié)束語

利用MAS技術(shù)中Agent的自主性、協(xié)作性、異構(gòu)性及交互性等智能特性提出了OPMAWCS系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了海洋平臺(tái)項(xiàng)目重量控制多智能體系統(tǒng)，經(jīng)驗(yàn)證可完成海洋工程裝備制造企業(yè)重量控制流程。該系統(tǒng)的開發(fā)不僅滿足重控過程中大量數(shù)據(jù)的采集與處理的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了重控文件的智能化管理，有利于進(jìn)一步提高海洋平臺(tái)建造過程中的重量控制效率。對(duì)于重量控制過程中的重控曲線擬合、誤差分析和解決方案、重量重心精度調(diào)整等方面仍有待進(jìn)一步深入和完善。

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