基于Petri網(wǎng)的魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

張 起1, 黃 波2, 麻志峰3

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基于Petri網(wǎng)的魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

張 起, 黃 波, 麻志峰

(1. 海軍裝備部, 北京, 100073; 2. 海軍潛艇學(xué)院導(dǎo)彈兵器系, 山東青島, 266042; 3. 92840部隊(duì), 山東青島, 266405)

結(jié)合當(dāng)前魚(yú)雷武器保障訓(xùn)練實(shí)際需求, 設(shè)計(jì)了基于虛擬樣機(jī)和仿真控制技術(shù)的魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案。詳細(xì)論述了基于維修知識(shí)描述Petri網(wǎng)的魚(yú)雷保障過(guò)程, 通過(guò)分析其保障資源、約束條件和操作過(guò)程建模, 得出了魚(yú)雷保障過(guò)程的建模原則, 設(shè)計(jì)了該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)仿真流程。通過(guò)仿真實(shí)例說(shuō)明, Petri網(wǎng)能很好地解決系統(tǒng)中的資源及作業(yè)結(jié)果對(duì)操作過(guò)程的約束問(wèn)題。

魚(yú)雷保障; 虛擬訓(xùn)練; Petri網(wǎng); 仿真

0 引言

魚(yú)雷技術(shù)保障水平直接影響著武器裝備效能的發(fā)揮, 高技術(shù)和高集成度的現(xiàn)代魚(yú)雷武器對(duì)技術(shù)保障水平提出了更高的要求。而魚(yú)雷技術(shù)保障的復(fù)雜性和系統(tǒng)性制約了實(shí)裝訓(xùn)練的全面深入開(kāi)展, 影響了部隊(duì)技術(shù)保障水平的科學(xué)快速提升。為此, 各種模擬訓(xùn)練手段陸續(xù)被應(yīng)用到魚(yú)雷武器的保障訓(xùn)練中。

近年來(lái), 虛擬仿真技術(shù)在魚(yú)雷武器訓(xùn)練中的應(yīng)用已經(jīng)不少, 但多數(shù)僅局限于2D的、簡(jiǎn)單邏輯關(guān)系的鍵盤鼠標(biāo)模式下的虛擬作業(yè), 其環(huán)境、復(fù)雜邏輯關(guān)系和訓(xùn)練方式的仿真度較低。文中針對(duì)魚(yú)雷技術(shù)保障訓(xùn)練的實(shí)際需求, 將基于維修知識(shí)描述Petri網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到構(gòu)建魚(yú)雷保障過(guò)程模型中, 并在此基礎(chǔ)上對(duì)魚(yú)雷保障體系及各崗位作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真建模, 其能夠真實(shí)反映實(shí)際保障任務(wù)中各種復(fù)雜的約束關(guān)系、作業(yè)模式和場(chǎng)景。

1 魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成

魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)魚(yú)雷的保障作業(yè)體系進(jìn)行仿真建模, 得到與真實(shí)保障過(guò)程相同虛擬訓(xùn)練體系框架。其主要由虛擬裝備樣機(jī)和虛擬保障訓(xùn)練仿真控制兩大部分組成, 具體包括虛擬環(huán)境生成和輸出、虛擬人體控制及人機(jī)交互、保障作業(yè)過(guò)程控制、裝備虛擬樣機(jī)及功能行為描述、虛擬訓(xùn)練效果評(píng)估等模塊組成, 其相互間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 技術(shù)保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成

其中各模塊功能如下:

1) 虛擬環(huán)境生成和輸出。建立具有真實(shí)感的虛擬環(huán)境, 包括: 生成逼真的技術(shù)保障區(qū)場(chǎng)景; 將虛擬裝備、工具和人體模型導(dǎo)入到虛擬場(chǎng)境; 隨著保障訓(xùn)練工作的展開(kāi)推進(jìn), 通過(guò)保障作業(yè)控制模塊對(duì)場(chǎng)景和虛擬設(shè)備實(shí)時(shí)刷新和顯示。

2) 虛擬人體建模及控制。將用戶的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤, 并映射到虛擬人的操作動(dòng)作。利用碰撞檢測(cè)方法對(duì)虛擬操作進(jìn)行判別, 并產(chǎn)生相應(yīng)的觸覺(jué)和聲音信號(hào), 以便形成良好的人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)。

3) 保障作業(yè)過(guò)程控制。規(guī)范保障作業(yè)的相關(guān)信息, 包括過(guò)程類信息和控制類信息。過(guò)程類信息主要指技術(shù)保障的規(guī)程和具體操作步驟, 即各項(xiàng)操作的邏輯順序; 控制類信息則是對(duì)整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、記錄和辨別, 并給出適人化的指導(dǎo)。

4) 裝備虛擬樣機(jī)。是虛擬魚(yú)雷及設(shè)備工具行為模型。借助人機(jī)交互平臺(tái), 根據(jù)虛擬魚(yú)雷狀態(tài)和虛擬操作響應(yīng), 實(shí)時(shí)更新與管理虛擬魚(yú)雷及設(shè)備工具狀態(tài)。

該系統(tǒng)可全面反映魚(yú)雷保障過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié), 為虛擬訓(xùn)練提供高仿真度的交互關(guān)系和感官體驗(yàn), 其核心則是保障作業(yè)過(guò)程的仿真建模, 即本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 基于維修知識(shí)描述Petri網(wǎng)的魚(yú)雷保障過(guò)程描述

Petri網(wǎng)是一種由節(jié)點(diǎn)與弧所組成的有向圖, 用托肯(Token)來(lái)模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為與并發(fā)活動(dòng), 非常適合于研究“過(guò)程仿真”、“資源共享”、“競(jìng)爭(zhēng)”等問(wèn)題。它有很強(qiáng)的模擬能力, 其模型具有動(dòng)態(tài)的隨機(jī)變化的特點(diǎn)。為滿足維修作業(yè)過(guò)程的建模需要, 在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了維修知識(shí)描述網(wǎng)(maintenance knowledge description net, MKDN)。

魚(yú)雷保障過(guò)程由許多保障作業(yè)組成, 在MKDN模型中, 用庫(kù)所代表保障對(duì)象和保障資源的狀態(tài); 變遷表示保障作業(yè)的執(zhí)行; 有向弧表示的網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系代表了保障作業(yè)的約束條件; 相關(guān)保障資源則利用庫(kù)所中的托肯來(lái)表示。在整個(gè)系統(tǒng)中采用層次分解的辦法進(jìn)行保障訓(xùn)練任務(wù)描述,利用子網(wǎng)來(lái)代替MKDN中的變遷或者庫(kù)所。

根據(jù)相互間的邏輯關(guān)系, 又有下述5類子網(wǎng):

1) 順序子網(wǎng)。用以描述一系列連續(xù)的作業(yè)、動(dòng)作或者狀態(tài)變化。

2) 并行子網(wǎng)。用以表示幾個(gè)在同一時(shí)間并行進(jìn)行的作業(yè)、動(dòng)作或者狀態(tài)變化。且這些事件的結(jié)果直接決定與之相關(guān)的其他事件是否開(kāi)始。

3) 選擇子網(wǎng)。用以表示對(duì)一個(gè)連續(xù)的作業(yè)、動(dòng)作或者作業(yè)對(duì)象進(jìn)行多種選擇。例如: 在進(jìn)行某項(xiàng)作業(yè)前的資源選用; 或者在某個(gè)階段, 可以根據(jù)實(shí)際情況選擇要進(jìn)行的作業(yè)項(xiàng)目等。

4) 互斥子網(wǎng)。在某個(gè)階段, 只允許選擇保障資源或者作業(yè)中的一個(gè)進(jìn)行作業(yè), 同時(shí)其他則被禁止發(fā)生。

5) 開(kāi)關(guān)子網(wǎng)。根據(jù)存儲(chǔ)在“開(kāi)關(guān)”變遷中作業(yè)對(duì)象的技術(shù)狀態(tài), 允許對(duì)應(yīng)的作業(yè)項(xiàng)目或動(dòng)作使用該對(duì)象或資源。

3　魚(yú)雷保障過(guò)程模型的建立

魚(yú)雷保障過(guò)程建模包括了對(duì)魚(yú)雷及其各艙段的技術(shù)狀態(tài)、保障作業(yè)的執(zhí)行、約束條件以及對(duì)相關(guān)保障資源的描述, 在此基礎(chǔ)上確定保障操作過(guò)程建模規(guī)則。

3.1 資源建模

保障資源包括人員、設(shè)備工具、備件和輔助信息資料等, 這些保障資源在MKDN網(wǎng)中被抽象為托肯。

作為資源一般具有兩種基本狀態(tài), “空閑”與“忙”狀態(tài)。通過(guò)使用兩個(gè)庫(kù)所表示通用狀態(tài)“空閑”與“忙”, 則可以通過(guò)判斷對(duì)應(yīng)托肯的有無(wú)來(lái)判斷資源的可用與否, 如圖2(a)所示。

此外, 也可以采用建立全局“資源”庫(kù)所來(lái)存放所有的資源對(duì)象托肯, 如圖2(b)所示。即在此庫(kù)所中存在所需要的托肯, 表示相應(yīng)資源可用; 若此不含有該托肯, 則表明沒(méi)有所需的資源。

圖2 資源庫(kù)所建模

3.2 保障過(guò)程的約束建模

保障過(guò)程中的變遷在受保障資源制約的同時(shí), 還與對(duì)象的技術(shù)狀態(tài)密切相關(guān)。圖3(a)表示保障作業(yè)只有在保障作業(yè)完成后才能開(kāi)始, 圖3(b)則表示保障作業(yè)需要有保障資源和才能進(jìn)行。

圖3 保障過(guò)程的約束建模

Fig.3 Modeling of restriction during support process

3.3 保障操作過(guò)程建模

魚(yú)雷保障一般由關(guān)鍵組部件的保障作業(yè)、各系統(tǒng)及艙段的保障作業(yè)和總裝總調(diào)保障作業(yè)等組成, 這里以魚(yú)雷的自導(dǎo)系統(tǒng)保障作業(yè)為例。準(zhǔn)備魚(yú)雷任務(wù)書(shū)下達(dá)后, 首先需要組織準(zhǔn)備總裝資源對(duì)雷進(jìn)行分段, 將自導(dǎo)段拆下; 同時(shí), 準(zhǔn)備自導(dǎo)系統(tǒng)保障所需的各類資源。資源一般分為不變資源和可變資源, 不變資源主要指裝備、工具和人員等共享固定資源, 需要考慮是否占用; 可變資源主要指?jìng)溆眉跋钠? 無(wú)需考慮占用。而對(duì)于不變資源則判斷是否被占用, 只有其不被占用時(shí)才能開(kāi)始保障作業(yè)。其保障作業(yè)流程見(jiàn)圖4。

圖4 魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)保障作業(yè)流程圖

在進(jìn)行過(guò)程建模時(shí)應(yīng)考慮各種資源狀態(tài)、約束條件和各種實(shí)際情況等操作過(guò)程因素, 其主要規(guī)則如下。1) 每個(gè)保障操作用變遷(=1, 2, …,)描述, 為每個(gè)操作單元變遷建立觸發(fā)后的狀態(tài)庫(kù)所; 2) 庫(kù)所描述的是對(duì)象的集合, 通過(guò)托肯描述對(duì)象狀態(tài)的變化?？勺冑Y源, 將其狀態(tài)分為“有”或“無(wú)”兩種情況, 不變資源, 將其狀態(tài)用“忙”或“閑”表示; 3) 全面考慮能夠觸發(fā)變遷所需的各種條件, 并建立“變遷解釋庫(kù)所”表達(dá); 4) 將基本動(dòng)作對(duì)應(yīng)的變遷替換為“開(kāi)關(guān)”變遷, 并給它增加幾個(gè)分支。“開(kāi)關(guān)”變遷存儲(chǔ)著控制型知識(shí), 多以產(chǎn)生式的形式進(jìn)行表達(dá); 5) 為庫(kù)所到變遷的有向弧賦權(quán)值; 6) 針對(duì)需要展開(kāi)的節(jié)點(diǎn), 按照上述條目逐步展開(kāi), 進(jìn)行層次化建模。

4 系統(tǒng)仿真流程

魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)屬于過(guò)程仿真系統(tǒng), 系統(tǒng)根據(jù)初始狀態(tài)設(shè)置和保障過(guò)程變遷的觸發(fā), 不斷判讀網(wǎng)絡(luò)模型中的結(jié)點(diǎn)狀態(tài), 刷新相關(guān)對(duì)象和虛擬場(chǎng)景, 直至整個(gè)保障訓(xùn)練任務(wù)完成, 并進(jìn)行效果評(píng)估。其仿真流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真流程圖

5 仿真實(shí)例

依據(jù)系統(tǒng)框架、過(guò)程建模規(guī)則和仿真流程, 本文利用Pipe 3.0中的Petri網(wǎng)建模功能建立過(guò)程模型, 利用Vega Prime對(duì)虛擬環(huán)境和虛擬人進(jìn)行交互控制, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真。圖6為建立某系統(tǒng)保障作業(yè)過(guò)程Petri網(wǎng)模型, 圖7為在虛擬環(huán)境中的某一操作仿真截圖。

圖6 某系統(tǒng)保障作業(yè)過(guò)程Petri網(wǎng)模型

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)魚(yú)雷保障虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)架, 深入研究了基于MKDN的魚(yú)雷保障過(guò)程描述, 論述了魚(yú)雷保障過(guò)程建模方法和系統(tǒng)仿真流程。仿真實(shí)例證明, Petri網(wǎng)在構(gòu)建魚(yú)雷保障作業(yè)過(guò)程的邏輯關(guān)系中具備很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì), 對(duì)開(kāi)發(fā)復(fù)雜裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)有著直接現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 江志斌. Petri網(wǎng)及其在制造系統(tǒng)建模與控制中的應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

A Virtual Training System for Torpedo Support Based on Petri Net

ZHANG Qi, HUANG Bo, MA Zhi-feng

（1.Naval Armament Department, Beijing 100073, China; 2. Department of Missile and Weapons, Naval Submarine Academy, Qingdao 266042, China; 3. 92840Unit, The People′s Liberation Army of China, Qingdao 266405, China）

A scheme of virtual training system for torpedo support is proposed based on virtual prototype and simulation control technology to satisfy the training requirement of torpedo support. The torpedo support process based on maintenance knowledge description Petri net is discussed in detail. The modeling principle of torpedo support process is obtained by analyzing support resource, constraint condition and operational process, and then the simulation flow of the support training system is designed. Simulation indicates that Petri net can perfectly solve the restriction problem of resource and work result on operational process in the system.

torpedo support; virtual training; Petri net; simulation

TJ630.7

A

1673-1948(2012)06-0454-04

2012-04-18;

2012-08-01.

張 起(1976-), 男, 碩士, 研究方向?yàn)轸~(yú)雷武器系統(tǒng).