基于Petri網(wǎng)建模方法建立無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程及 用語(yǔ)模型

沈曉帆 張展赫 周曉衛(wèi)

摘? 要：針對(duì)近年來(lái)我軍多型號(hào)無(wú)人機(jī)科研任務(wù)飛行的新常態(tài)，本文采用基于包含狹義時(shí)序的Petri網(wǎng)建模方法對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛流程進(jìn)行建模。首先在不同型號(hào)所使用的放飛流程及用語(yǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)建模對(duì)象“無(wú)人機(jī)放飛指揮操作流程”中的構(gòu)成元素和執(zhí)行條件進(jìn)行了重新定義，簡(jiǎn)要介紹了基礎(chǔ)Petri網(wǎng)建模方法以及契合本模型符合狹義相對(duì)論時(shí)序的特點(diǎn)。最后，舉例建立了以本文所述方法為基礎(chǔ)的無(wú)人機(jī)放飛指揮流程，提出了結(jié)合令牌維度的樹(shù)狀組織結(jié)構(gòu)圖和資源管理表的方法擴(kuò)展到Petri網(wǎng)的流程及模型，旨在為當(dāng)前及未來(lái)其他無(wú)人機(jī)型號(hào)放飛指揮操作流程以及用語(yǔ)體系的建立提供思路。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)系統(tǒng);放飛流程;指揮操作流程;指揮用語(yǔ)

中圖分類號(hào)：TP301.1;E072 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）08-0018-03

Abstract：In response to the new normal of our military multi-model drone research missions in recent years，the UAV system flight process is modeled based on the Petri net method including narrow timing. Firstly，based on the release process and terminology used by different models，the constituent elements and execution conditions in the modeling object “The UAV Flight Command Operation Process” are redefined，and the basic Petri net modeling method is briefly introduced. The fit model conforms to the characteristics of the special relativity time series. Finally，an example of the unmanned aircraft flight command flow based on the method described in this paper is established. The process and model of the tree structure chart and resource management table combined with the token dimension are extended to the Petri net. Current and future models of other drone models are available to provide operational guidance and operational language systems.

Keywords：UAV system;flight process;command operation process;command language

0? 引? 言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展迅速，各型無(wú)人機(jī)在保障設(shè)計(jì)理念方面不盡相同，在放飛指揮流程方面各成體系，就目前各型無(wú)人機(jī)放飛指揮流程而言，多側(cè)重于以放飛階段為分類依據(jù)，以清單式的單一模式進(jìn)行指揮，而對(duì)于各環(huán)節(jié)中的地域、崗位、資源以及耗時(shí)的因素未做出相應(yīng)的描述。本文以試驗(yàn)指揮為核心，對(duì)包含以上各因素的指揮流程進(jìn)行通用化建模。

1? 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程

流程的建立是從執(zhí)行的角度針對(duì)個(gè)人或者組織確立的目標(biāo)進(jìn)行部署，從而實(shí)現(xiàn)既定的決策目標(biāo)。在工程問(wèn)題中，工作流程通常由資源、過(guò)程、過(guò)程中的相互作用（即結(jié)構(gòu)）、結(jié)果、對(duì)象和價(jià)值六個(gè)要素構(gòu)成，串聯(lián)起來(lái)即為：流程的輸入資源、流程中的若干活動(dòng)、流程中的相互作用（例如：串行還是并行，哪個(gè)活動(dòng)先做，哪個(gè)活動(dòng)后做）、輸出結(jié)果、對(duì)象、最終流程創(chuàng)造的價(jià)值。

相似地，我們可以將放飛指揮流程有選擇性地抽象成流程模型，現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程做出如下定義：

定義1：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程是指導(dǎo)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通過(guò)有序執(zhí)行各崗位任務(wù)從而最終完成放飛任務(wù)的操作過(guò)程，由約定進(jìn)行的多個(gè)崗位的若干操作和放飛條件組成，每一個(gè)操作結(jié)果和完成狀態(tài)組合成一個(gè)基本環(huán)節(jié)，每一個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成完整的放飛指揮流程。

定義2：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程模型是指由各型號(hào)無(wú)人機(jī)放飛流程抽象出來(lái)的具有階段性、通用性和模塊性的流程模型，包括各環(huán)節(jié)顯性內(nèi)容、隱性內(nèi)容（輸出結(jié)果和條件滿足情況）、操作內(nèi)容、狀態(tài)元素、描述環(huán)節(jié)間的依賴關(guān)系的流程邏輯、資源利用狀況和命令的流動(dòng)。

對(duì)以上定義中使用的幾個(gè)概念做出如下闡述，環(huán)節(jié)是指揮流程中以各崗位進(jìn)行工作的單位;一個(gè)操作產(chǎn)生的信息如果是選擇后繼操作的依據(jù)，則稱該信息為顯性內(nèi)容，否則稱為隱性內(nèi)容;操作內(nèi)容是指崗位作為操作主體在約定階段執(zhí)行的約定任務(wù);狀態(tài)元素是指資源的抽象集合表述;若工作流程中后一個(gè)操作的執(zhí)行依賴于前一個(gè)操作的結(jié)果，則稱這兩個(gè)操作之間存在因果依賴關(guān)系;工作流程中前一個(gè)流程的結(jié)果決定后一個(gè)流程的走向，則稱這兩個(gè)操作的前后關(guān)系為選擇依賴;工作流程中完成操作的人員、設(shè)備、耗材等必要支持統(tǒng)稱為資源;指揮中心（崗位）發(fā)出的操作指令稱為命令。

放飛指揮流程的建模，不僅要如實(shí)反映各個(gè)崗位的工作過(guò)程，更深層的目的是希望發(fā)現(xiàn)流程中的沖突問(wèn)題，建立放飛過(guò)程中突發(fā)情況快速應(yīng)急機(jī)制，使得放飛過(guò)程更加有序，保持指揮機(jī)構(gòu)中各組成部分的密切高效配合，并對(duì)放飛過(guò)程中資源需求、資源合理分配、命令合理下達(dá)等進(jìn)行整體評(píng)估，以作為制定飛行計(jì)劃的參考。

2? Petri網(wǎng)建模方法

2.1? Petri網(wǎng)的基本概念

Petri網(wǎng)是對(duì)離散并行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表示。Petri網(wǎng)是20世紀(jì)60年代由卡爾·A·佩特里發(fā)明，適用于描述異步的、并發(fā)的流程模型，具有豐富的系統(tǒng)描述手段和系統(tǒng)行為分析技術(shù)，適用于對(duì)離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模，廣泛應(yīng)用于制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)的建模與分析。

Petri網(wǎng)是一種網(wǎng)狀信息流模型，包括庫(kù)所和變遷兩類節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在庫(kù)所集上添加表示狀態(tài)信息的托肯分布（標(biāo)識(shí)）。庫(kù)所表示條件、資源、等待隊(duì)列和信道等。變遷表示事件、動(dòng)作、語(yǔ)句執(zhí)行和消息發(fā)送/接受等。一個(gè)變遷（事件）有一定數(shù)量的輸入和輸出庫(kù)所，分別代表事件的前置條件和后置條件。庫(kù)所中的托肯代表可以使用的資源數(shù)量或數(shù)據(jù)。

2.2? Petri網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)

2.2.1? Petri網(wǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)

Petri網(wǎng)用一個(gè)三元組表示的PN=（P，T;F），其中P是一個(gè)有限的庫(kù)所集合，T是一個(gè)有限的變遷集合，F(xiàn)是流關(guān)系集合，并滿足以下條件：

其中：

這里：P表示庫(kù)所（Place）集合;T表示變遷（Tran-sition）集合;F是網(wǎng)的流關(guān)系（Flow）。

2.2.2? Petri網(wǎng)的圖形表達(dá)

Petri網(wǎng)以圖形的方式描述系統(tǒng)，使復(fù)雜系統(tǒng)形象化，其分層建立的特點(diǎn)便于描述分布式遞階系統(tǒng)，并可以在描述系統(tǒng)靜態(tài)特性的同時(shí)，描述動(dòng)態(tài)特性。

3? 使用Petri網(wǎng)建模方法建立某無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛指揮流程模型

本文以某型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)所固有的硬件條件以及其規(guī)程規(guī)定的操作及合格操作結(jié)果作為資源基礎(chǔ)和資源狀態(tài)，利用Petri網(wǎng)建模方法建立放飛指揮流程以及用語(yǔ)規(guī)范。

3.1? 指揮用語(yǔ)示例

放飛過(guò)程中的指揮要求表達(dá)準(zhǔn)確、內(nèi)容完整，則在用語(yǔ)的規(guī)定上力求簡(jiǎn)潔、全面、清晰，采用先呼叫對(duì)方，指令發(fā)出方再表明身份，最后發(fā)出命令，指令接收方要表明自己已經(jīng)收到，并執(zhí)行操作后及時(shí)回報(bào)操作執(zhí)行的最新?tīng)顟B(tài)，用語(yǔ)示例如圖1所示。

3.2? 利用Petri網(wǎng)建立可視化放飛流程

定義每個(gè)崗位為一個(gè)庫(kù)所，庫(kù)所可以存放資源或狀態(tài)元素;每個(gè)崗位的一次完整操作以及操作結(jié)果為一個(gè)環(huán)節(jié);環(huán)節(jié)中所需人員、設(shè)備、耗材以及客觀放飛條件（如天氣情況、空域情況等）作為資源，資源抽象集合后的狀態(tài)稱為狀態(tài)元素;資源的消耗、使用及產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于狀態(tài)元素的變化稱為變遷。

由此，我們列出每一個(gè)庫(kù)所中所需資源，如飛行使用的場(chǎng)站設(shè)備設(shè)施、保障車輛、氣象條件、工具設(shè)備等，從宏觀的角度對(duì)各離散事件進(jìn)行排序，其中方格所代表的崗位操作為流程的變遷，有向弧代表狀態(tài)元素變遷的方向，圓圈代表對(duì)應(yīng)崗位滿足操作要求后的新?tīng)顟B(tài)，即庫(kù)所。本例中放飛流程的指令規(guī)定由試驗(yàn)指揮員統(tǒng)一發(fā)出并接收反饋，也即認(rèn)為令牌的數(shù)量始終只有一個(gè)，且來(lái)自同一主體。因此，本示例中不標(biāo)出實(shí)心圓點(diǎn)表示的令牌，由前述規(guī)則產(chǎn)生宏觀工作流程圖，如圖2所示，由于篇幅所限，宏觀指揮流程圖只做一示例，如圖3所示。另外，我們將外界可能隨時(shí)終止放飛的獨(dú)立條件設(shè)置為孤島，表達(dá)相應(yīng)崗位通過(guò)自身資源的狀態(tài)元素改變得出的令牌所隨時(shí)可能觸發(fā)的變遷，如圖2中Pix和Tix環(huán)節(jié)。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛流程的梳理和結(jié)合Petri網(wǎng)建立可視化流程及用語(yǔ)，本文主要解決了以下問(wèn)題：（1）根據(jù)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)放飛所需資源、規(guī)程規(guī)定所需完成操作、客觀條件等完成了對(duì)放飛流程的整合，理清了各操作環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系;（2）利用Petri網(wǎng)建模方法對(duì)放飛流程進(jìn)行了建模，對(duì)流程中的各因素以及命令執(zhí)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了抽象，為未來(lái)多型無(wú)人機(jī)的放飛流程通用化提供思路;（3）對(duì)放飛所需求的資源進(jìn)行整合，方便對(duì)放飛所需資源進(jìn)行評(píng)估。

同時(shí)，本文值得延伸探究的問(wèn)題有以下兩個(gè)方面：（1）對(duì)于資源分類的問(wèn)題沒(méi)有在流程中解決，后續(xù)涉及不同單位分類時(shí)，可加入相應(yīng)標(biāo)簽戳繼續(xù)討論;（2）未來(lái)可利用基于顏色的高級(jí)Petri網(wǎng)絡(luò)細(xì)分各環(huán)節(jié)的執(zhí)行者、資源的技術(shù)支持方以及設(shè)備的狀態(tài)等。

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作者簡(jiǎn)介：沈曉帆（1985.03-），男，漢族，陜西岐山人，本科，工程師，機(jī)務(wù)，研究方向：大型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)操作及維修保障。