基于Petri網(wǎng)的魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)

張 起1, 黃 波2, 麻志峰3

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基于Petri網(wǎng)的魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)

張 起, 黃 波, 麻志峰

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

結合當前魚雷武器保障訓練實際需求, 設計了基于虛擬樣機和仿真控制技術的魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)方案。詳細論述了基于維修知識描述Petri網(wǎng)的魚雷保障過程, 通過分析其保障資源、約束條件和操作過程建模, 得出了魚雷保障過程的建模原則, 設計了該虛擬訓練系統(tǒng)仿真流程。通過仿真實例說明, Petri網(wǎng)能很好地解決系統(tǒng)中的資源及作業(yè)結果對操作過程的約束問題。

魚雷保障; 虛擬訓練; Petri網(wǎng); 仿真

0 引言

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

近年來, 虛擬仿真技術在魚雷武器訓練中的應用已經(jīng)不少, 但多數(shù)僅局限于2D的、簡單邏輯關系的鍵盤鼠標模式下的虛擬作業(yè), 其環(huán)境、復雜邏輯關系和訓練方式的仿真度較低。文中針對魚雷技術保障訓練的實際需求, 將基于維修知識描述Petri網(wǎng)技術應用到構建魚雷保障過程模型中, 并在此基礎上對魚雷保障體系及各崗位作業(yè)過程進行了仿真建模, 其能夠真實反映實際保障任務中各種復雜的約束關系、作業(yè)模式和場景。

1 魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)構成

魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)是通過對魚雷的保障作業(yè)體系進行仿真建模, 得到與真實保障過程相同虛擬訓練體系框架。其主要由虛擬裝備樣機和虛擬保障訓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交互、保障作業(yè)過程控制、裝備虛擬樣機及功能行為描述、虛擬訓練效果評估等模塊組成, 其相互間的連接關系如圖1所示。

圖1 技術保障虛擬訓練系統(tǒng)構成

其中各模塊功能如下:

1) 虛擬環(huán)境生成和輸出。建立具有真實感的虛擬環(huán)境, 包括: 生成逼真的技術保障區(qū)場景; 將虛擬裝備、工具和人體模型導入到虛擬場境; 隨著保障訓練工作的展開推進, 通過保障作業(yè)控制模塊對場景和虛擬設備實時刷新和顯示。

2) 虛擬人體建模及控制。將用戶的運動進行跟蹤, 并映射到虛擬人的操作動作。利用碰撞檢測方法對虛擬操作進行判別, 并產(chǎn)生相應的觸覺和聲音信號, 以便形成良好的人機協(xié)同運動。

3) 保障作業(yè)過程控制。規(guī)范保障作業(yè)的相關信息, 包括過程類信息和控制類信息。過程類信息主要指技術保障的規(guī)程和具體操作步驟, 即各項操作的邏輯順序; 控制類信息則是對整個訓練過程進行監(jiān)控、記錄和辨別, 并給出適人化的指導。

4) 裝備虛擬樣機。是虛擬魚雷及設備工具行為模型。借助人機交互平臺, 根據(jù)虛擬魚雷狀態(tài)和虛擬操作響應, 實時更新與管理虛擬魚雷及設備工具狀態(tài)。

該系統(tǒng)可全面反映魚雷保障過程中的各個環(huán)節(jié), 為虛擬訓練提供高仿真度的交互關系和感官體驗, 其核心則是保障作業(yè)過程的仿真建模, 即本文研究的重點內(nèi)容。

2 基于維修知識描述Petri網(wǎng)的魚雷保障過程描述

Petri網(wǎng)是一種由節(jié)點與弧所組成的有向圖, 用托肯(Token)來模擬系統(tǒng)的動態(tài)行為與并發(fā)活動, 非常適合于研究“過程仿真”、“資源共享”、“競爭”等問題。它有很強的模擬能力, 其模型具有動態(tài)的隨機變化的特點。為滿足維修作業(yè)過程的建模需要, 在Petri網(wǎng)的基礎上設計了維修知識描述網(wǎng)(maintenance knowledge description net, MKDN)。

魚雷保障過程由許多保障作業(yè)組成, 在MKDN模型中, 用庫所代表保障對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)絡邏輯關系代表了保障作業(yè)的約束條件; 相關保障資源則利用庫所中的托肯來表示。在整個系統(tǒng)中采用層次分解的辦法進行保障訓練任務描述,利用子網(wǎng)來代替MKDN中的變遷或者庫所。

根據(jù)相互間的邏輯關系, 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)、動作或者狀態(tài)變化。

2) 并行子網(wǎng)。用以表示幾個在同一時間并行進行的作業(yè)、動作或者狀態(tài)變化。且這些事件的結果直接決定與之相關的其他事件是否開始。

3) 選擇子網(wǎng)。用以表示對一個連續(xù)的作業(yè)、動作或者作業(yè)對象進行多種選擇。例如: 在進行某項作業(yè)前的資源選用; 或者在某個階段, 可以根據(jù)實際情況選擇要進行的作業(yè)項目等。

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

5) 開關子網(wǎng)。根據(jù)存儲在“開關”變遷中作業(yè)對象的技術狀態(tài), 允許對應的作業(yè)項目或動作使用該對象或資源。

3　魚雷保障過程模型的建立

魚雷保障過程建模包括了對魚雷及其各艙段的技術狀態(tài)、保障作業(yè)的執(zhí)行、約束條件以及對相關保障資源的描述, 在此基礎上確定保障操作過程建模規(guī)則。

3.1 資源建模

保障資源包括人員、設備工具、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)。通過使用兩個庫所表示通用狀態(tài)“空閑”與“忙”, 則可以通過判斷對應托肯的有無來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”庫所來存放所有的資源對象托肯, 如圖2(b)所示。即在此庫所中存在所需要的托肯, 表示相應資源可用; 若此不含有該托肯, 則表明沒有所需的資源。

圖2 資源庫所建模

3.2 保障過程的約束建模

保障過程中的變遷在受保障資源制約的同時, 還與對象的技術狀態(tài)密切相關。圖3(a)表示保障作業(yè)只有在保障作業(yè)完成后才能開始, 圖3(b)則表示保障作業(yè)需要有保障資源和才能進行。

圖3 保障過程的約束建模

Fig.3 Modeling of restriction during support process

3.3 保障操作過程建模

魚雷保障一般由關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, 這里以魚雷的自導系統(tǒng)保障作業(yè)為例。準備魚雷任務書下達后, 首先需要組織準備總裝資源對雷進行分段, 將自導段拆下; 同時, 準備自導系統(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; 可變資源主要指備用件及消耗品, 無需考慮占用。而對于不變資源則判斷是否被占用, 只有其不被占用時才能開始保障作業(yè)。其保障作業(yè)流程見圖4。

圖4 魚雷自導系統(tǒng)保障作業(yè)流程圖

在進行過程建模時應考慮各種資源狀態(tài)、約束條件和各種實際情況等操作過程因素, 其主要規(guī)則如下。1) 每個保障操作用變遷(=1, 2, …,)描述, 為每個操作單元變遷建立觸發(fā)后的狀態(tài)庫所; 2) 庫所描述的是對象的集合, 通過托肯描述對象狀態(tài)的變化。可變資源, 將其狀態(tài)分為“有”或“無”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“變遷解釋庫所”表達; 4) 將基本動作對應的變遷替換為“開關”變遷, 并給它增加幾個分支。“開關”變遷存儲著控制型知識, 多以產(chǎn)生式的形式進行表達; 5) 為庫所到變遷的有向弧賦權值; 6) 針對需要展開的節(jié)點, 按照上述條目逐步展開, 進行層次化建模。

4 系統(tǒng)仿真流程

魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)屬于過程仿真系統(tǒng), 系統(tǒng)根據(jù)初始狀態(tài)設置和保障過程變遷的觸發(fā), 不斷判讀網(wǎng)絡模型中的結點狀態(tài), 刷新相關對象和虛擬場景, 直至整個保障訓練任務完成, 并進行效果評估。其仿真流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真流程圖

5 仿真實例

依據(jù)系統(tǒng)框架、過程建模規(guī)則和仿真流程, 本文利用Pipe 3.0中的Petri網(wǎng)建模功能建立過程模型, 利用Vega Prime對虛擬環(huán)境和虛擬人進行交互控制, 實現(xiàn)了對魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)的仿真。圖6為建立某系統(tǒng)保障作業(yè)過程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)過程Petri網(wǎng)模型

6 結束語

本文針對魚雷保障虛擬訓練系統(tǒng)的構架, 深入研究了基于MKDN的魚雷保障過程描述, 論述了魚雷保障過程建模方法和系統(tǒng)仿真流程。仿真實例證明, Petri網(wǎng)在構建魚雷保障作業(yè)過程的邏輯關系中具備很強的優(yōu)勢, 對開發(fā)復雜裝備虛擬訓練系統(tǒng)有著直接現(xiàn)實意義。

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

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(責任編輯: 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, 研究方向為魚雷武器系統(tǒng).