基于Petri網(wǎng)的虛擬維修動作流程層次化建模研究

張中波

ZHANG Zhong-bo

(中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，廣漢 618307)

0 引言

虛擬維修仿真是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真產(chǎn)品實際維修過程中的拆裝、更換零部件等活動，它是一種人機(jī)交互的過程仿真。虛擬人的維修動作仿真是維修過程仿真的基礎(chǔ)，如何方便、高效率地模擬維修動作，成為虛擬維修的一項關(guān)鍵性技術(shù)。

在維修工程中，產(chǎn)品維修常被分為四個層次：維修、維修事件、維修作業(yè)和基本維修作業(yè)[1]。基本維修作業(yè)是指一項維修活動可以分解成的工作單元，它是維修分解的最低層次。

目前大多數(shù)虛擬現(xiàn)實軟件都提供了虛擬人動作仿真功能，但是這些軟件提供的都是低層的人體運動控制，即通過對人體關(guān)節(jié)或運動鏈的控制來完成人體動作仿真。相比較而言，上述的基本維修作業(yè)描述則太過于概括，劃分比較粗糙，并不適合直接刻畫維修仿真過程，無法達(dá)到虛擬維修仿真軟件所支持的動作細(xì)化程度。本文針對這個問題，自頂向下建立各層次虛擬維修動作流程，將維修動作細(xì)分至虛擬維修軟件可以支持的程度(動素級)，然后將動素過程流映射至Petri網(wǎng)，建立虛擬維修動作流程Petri網(wǎng)模型，最后封裝虛擬現(xiàn)實軟件的基本動作函數(shù)為動素單元，利用Tcl/Tk和Python語言驅(qū)動Petri模型實現(xiàn)對動素單元的重復(fù)調(diào)度使用，快速逼真地實現(xiàn)虛擬維修動作流程仿真。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究

愛荷華大學(xué)CAD中心的Ranko Vujoservic[2]提出了維修作業(yè)的分解層次結(jié)構(gòu)模型，將維修作業(yè)分為四層，從上到下依次是：維修作業(yè)層、拆裝順序?qū)印⒉鹧b步驟層和宏運動層。其中，宏運動是由一列有序微運動組成的復(fù)雜的人的運動，如姿勢改變或行走。微運動則是指身體部位的基本運動，如手指彎曲、轉(zhuǎn)動頭等。作為一種適合描述離散并發(fā)現(xiàn)象的系統(tǒng)模型，用Petri網(wǎng)控制虛擬人的運動是虛擬人運動控制的研究方向之一。賓夕法尼亞大學(xué)的Badler等[3]人提出用有限自動機(jī)實現(xiàn)對多關(guān)節(jié)的并發(fā)控制，其所領(lǐng)導(dǎo)的人體建模與仿真中心則將這一思想應(yīng)用于高層任務(wù)決策和人體運動仿真。為了能夠便于在虛擬樣機(jī)的過程模型中對拆卸過程進(jìn)行描述，喬治亞工學(xué)院的SRL實驗室將基本的動作稱為“操作”，并將操作具體分為：抓取、移物、徒手操作和利用工具操作[4]。

軍械工程學(xué)院的李星新等[5]提出了一種包含維修、維修事件、維修作業(yè)、維修作業(yè)單元、維修動素的分解層次結(jié)構(gòu)，提出了維修動素的概念，定義了兩類共十個維修動素。海軍大連艦艇學(xué)院的常高祥等[6]提出了一種基于維修任務(wù)分解的虛擬人動作模型設(shè)計方法，將虛擬維修任務(wù)分解為三個過程，建立了三個相應(yīng)的維修動作層次化模型。上述的研究主要是從不同的層面上對維修動作進(jìn)行分層設(shè)計，其層次化建模思想值得學(xué)習(xí)。但對于分解后的動素如何組裝，相同動素的重復(fù)調(diào)度使用，如何高效逼真地實現(xiàn)一個維修動作流程考慮較少。

國防科技大學(xué)的盧曉軍等[7]和海軍工程大學(xué)王政等[8]分別提出了基于Petri網(wǎng)的虛擬人行走動作模型和虛擬手部動素模型，他們完成了一個獨立維修動作的Petri網(wǎng)模型，但未從任務(wù)級層面考慮一個維修動作流程的建模。

2 維修動作流程的Petri網(wǎng)建模

2.1 維修動作流程的層次化分解

描述一項維修作業(yè)，一般將其視為一個維修動作流程，然后將維修動作流程分解成若干的基本維修動作并描述，只要描述出每個基本維修動作就可以完成整個維修過程的仿真，對維修動作流程進(jìn)行層次化分解是維修仿真的前提。

目前人機(jī)功效分析中對維修動作的分解，主要采用的是美國工程師吉爾布雷斯所創(chuàng)立的動素分析理論，他認(rèn)為人所進(jìn)行的作業(yè)是由某些基本動作要素(簡稱動素或基本動素)按不同方式、不同順序組合而成的[9]。吉爾布雷斯提出了17個動素，包括：伸手、移物、握取、裝配和拆卸等，后來美機(jī)械工程師學(xué)會增加了“發(fā)現(xiàn)”這個動素，這樣組成人的動作的最基本單元就是18個動素。

產(chǎn)品的維修是由多個相對獨立維修事件組成，因此本文自維修事件層向下對維修動作流程進(jìn)行層次化分解，按照動作的復(fù)雜性和任務(wù)相關(guān)語義的抽象程度，可以將動作流程分為維修作業(yè)層、基本維修作業(yè)層和動素層。進(jìn)行層次化分解的思想是：為了仿真虛擬人的運動，首先將人機(jī)工程分析中的18個基本動素進(jìn)行擴(kuò)展，增加行走和攀爬兩類人體移動動素；然后將維修事件分解為維修作業(yè)流程，再將維修作業(yè)流程細(xì)分為基本維修作業(yè)流程，最后基本維修作業(yè)流程分解為動素的組合。這些動素可以由虛擬現(xiàn)實軟件提供的基本動作函數(shù)封裝完成，如伸手動素可以由肩關(guān)節(jié)運動函數(shù)、肘關(guān)節(jié)運動函數(shù)、腕關(guān)節(jié)運動函數(shù)和軀干協(xié)調(diào)運動函數(shù)封裝完成。圖1所示的是某型叉車更換油濾動作流程層次分解圖。

2.2 動素流程的Petri網(wǎng)映射模型

圖1 某型叉車更換油濾動作流程層次分解圖

Petri網(wǎng)能夠以圖形方式形象、深刻地描述離散事件動態(tài)系統(tǒng)的過程，精確地描述事件順序、并發(fā)和沖突關(guān)系。為了把 Petri 網(wǎng)應(yīng)用到虛擬維修領(lǐng)域，必須把庫所和變遷賦予特有的涵義。在這里，庫所代表維修動作進(jìn)行時設(shè)備和虛擬人等的狀態(tài)，變遷則表示維修動作的進(jìn)行，各個維修動作或維修狀態(tài)之間的關(guān)系由庫所與變遷之間的有向弧表達(dá)。

從上面的層次分解圖可以看出，伸手、握取、移物、放手等動素的使用頻率最高。因此，可以封裝虛擬現(xiàn)實軟件提供的基本動作函數(shù)形成動素單元，重復(fù)調(diào)度使用。如圖2所示，將拆卸油濾基本作業(yè)的動素流程設(shè)計為一個Petri網(wǎng)，通過一個仿真循環(huán)實現(xiàn)對伸手、握取、移物等動素單元的多次調(diào)度。在進(jìn)行拆卸螺釘時，需要左右手配合進(jìn)行，圖2所示的是右手的動作流程，左手與右手類似。

圖2 拆卸油濾的動素流程Petri網(wǎng)模型

模型中各個庫所和變遷的含義如表1所示。

表1 庫所和變遷的含義說明

從圖2中可以看出，此Petri網(wǎng)模型清晰地反映出維修動作的流程、各維修動作間的關(guān)系，以及維修動作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換情況。

3 基于JACK的模型驗證

驗證仿真實驗是基于虛擬現(xiàn)實軟件Jack 4.0，在Intel(R) Core(TM) i32.53GHz CPU，ATI HD 545V顯卡，Windows XP操作系統(tǒng)的環(huán)境下，以Tcl/Tk和Python語言設(shè)計實現(xiàn)完成。

圖3 更換油濾的虛擬動作流程仿真視頻截圖

Tcl/Tk和Python語言驅(qū)動Petri模型實現(xiàn)分為兩個階段完成。首先封裝Jack的基本動作函數(shù)形成動素單元，然后利用Tcl/Tk和Python設(shè)計上面建立的動作流程Pertri網(wǎng)模型，在Pertri網(wǎng)模型中反復(fù)調(diào)用前面的動素單元。圖3所示的是虛擬人更換某型叉車油濾動作流程仿真的視頻截圖。

4 結(jié)束語

本文針對維修工程中基本維修作業(yè)描述過于概括，劃分比較粗糙，在虛擬維修仿真軟件中無法實現(xiàn)的問題，提出將維修事件的維修動作流程自頂向下進(jìn)行層次化分解，并建立了各層次動作流程，維修動作細(xì)分至動素級，封裝虛擬現(xiàn)實軟件提供的基本動作函數(shù)形成動素單元。同時為實現(xiàn)虛擬人的移動仿真，擴(kuò)展了人機(jī)功效的動素，增加了行走和攀爬行走和攀爬兩類人體移動動素。

由于Petri網(wǎng)能夠以圖形方式形象、深刻地描述離散事件動態(tài)系統(tǒng)的過程，精確地描述事件順序、并發(fā)和沖突關(guān)系，將動素動作流程映射為Petri網(wǎng)模型。通過對更換某型叉車油濾的動作流程仿真說明，利用Tcl/Tk和Python設(shè)計動作流程Pertri網(wǎng)模型，在Pertri網(wǎng)模型中反復(fù)調(diào)用已封裝好的動素單元，可快速逼真地實現(xiàn)虛擬維修動作流程仿真，也驗證了該模型的有效性和可行性。

[1]可靠性維修性保障性術(shù)語集編寫組. 可靠性維修性保障性術(shù)語集[M],北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[2]Ranko Vujosevic.Maintainability analysis in concurrent engineering of mechanical system[J].Research and Applications,1995,3(1):20-23.

[3]N.I.Badler,C.B.Phillips,B.L.Webber.Simulating Humans:Computer Graphics,Animation and Control[M].Oxford University Press,1993.

[4]Bauer M D,Siddique Z,Rosen D W.Virtual prototyping in simultaneous product/process design for disassembly.Dong J ed.Contemporary Methodologies,Tools and Technologies.London:Chapman Hall,1997.

[5]李星新,郝建平,柳輝.虛擬維修仿真中維修動素的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國機(jī)械工程,2005,16(2):156-160.

[6]常高祥,徐曉剛,張雷.虛擬維修中虛擬人的動作模型設(shè)計[J].工程圖學(xué)學(xué)報,2011,No.1:99-103.

[7]盧曉軍,李焱賀,賀漢根.基于Petri網(wǎng)的虛擬人行走動作建模及其仿真實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005,17(11):2679-2682.

[8]王政,朱曉軍,閔少松.基于Petri網(wǎng)的虛擬維修手部動素建模[J].船海工程,2007,36 (2):77-80.