遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程分層 Petri 網(wǎng)建模及延時分析

劉海光，張源原，李厚全

(1. 海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266045；2. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程分層 Petri 網(wǎng)建模及延時分析

劉海光1,2，張源原1，李厚全2

(1. 海軍航空工程學(xué)院 青島分院，山東 青島 266045；2. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199)

對于控制節(jié)點多、流程復(fù)雜的遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程建模及延時分析問題，傳統(tǒng)建模方法往往難于對其進(jìn)行詳細(xì)描述和分析。文中建立遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程分層延時 Petri 網(wǎng)模型，采用基于 Petri 網(wǎng)的層次化建模方法提升模型對復(fù)雜流程的表達(dá)能力，將變遷引入時間參數(shù)，使模型具備對時間的描述和分析能力，并給出不同結(jié)構(gòu)的延時計算方法。仿真結(jié)果表明所建模型可用于對遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程進(jìn)行分析和計算，分析方法正確、適用性好，可為遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制系統(tǒng)評價及完善提供參考和技術(shù)支持。

遠(yuǎn)程 UUV；分層 Petri 網(wǎng)；指揮控制流程；描述和分析

0 引 言

遠(yuǎn)程 UUV 工作時間長，控制節(jié)點多，進(jìn)行及時有效的指揮控制是保障其任務(wù)完成的重要前提。由于遠(yuǎn)程 UUV 應(yīng)用領(lǐng)域少、工作流程復(fù)雜，目前針對遠(yuǎn)程UUV 的指揮控制研究相對還不多。建立準(zhǔn)確恰當(dāng)?shù)哪Ｐ褪菑氖滦阅苎芯康幕A(chǔ)，遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程具有分布、并行、異步、協(xié)調(diào)等特點，是典型的離散系統(tǒng)，傳統(tǒng)流程建模方法主要有 UML、活動網(wǎng)絡(luò)及事件驅(qū)動過程鏈等。UML 方法適用于以案例為驅(qū)動，以體系結(jié)構(gòu)為中心的系統(tǒng)建模，一般靈活性較弱，語義清晰度差，難以應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)[1-2]。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)法多應(yīng)用于工作流建模及生產(chǎn)系統(tǒng)的建模中，雖具有較強的語義清晰度，但不具備層次分析能力[3-4]。事件驅(qū)動過程鏈語義清晰度弱，無法處理動態(tài)系統(tǒng)，不具備系統(tǒng)分析能力[5-6]。由于遠(yuǎn)程 UUV 指控流程復(fù)雜，傳統(tǒng)的研究方法很難對其各個環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)描述和分析。Petri 網(wǎng)建模方法能夠完成復(fù)雜系統(tǒng)建模并具備強大的分析能力，其較強的層次分析能力，在描述和分析動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)流程上具有獨特的優(yōu)勢[7-9]。Petri 網(wǎng)的靈活性強，可方便引入時間參數(shù)，為分析遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程的延時特性提供了有力的分析工具。針對遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程的復(fù)雜性及指揮決策延時時間要求，本文采用分層 Petri 網(wǎng)解決復(fù)雜流程建模及分層結(jié)構(gòu)下的延時分析的問題。

1 分層延時 Petri 網(wǎng)

1.1 分層延時 Petri 網(wǎng)概念

分層 Petri 網(wǎng)（Hierarchical Petri Net，HPN）建模方法為復(fù)雜系統(tǒng)建模分析提供了高效的解決方案，其不但可以降低模型復(fù)雜度，而且可以提高模型利用率，降低模型分析難度[10-11]。HPN 包括庫所分層和變遷分層 2 部分內(nèi)容，其定義如下。

庫所分層定義：設(shè)N1=(P1,T1;F1) 是頂層 Petri網(wǎng)，庫所Pi∈P1,Pi可層次化為N2=(P2,T2;F2)，并且滿足P1∩P2=Pi，T1∩T2=?，則可用N=(P,T;F)表示N1及其庫所層次化網(wǎng)N2，N=N1∪N2。

變遷分層定義：N1=(P1,T1;F1) 是頂層網(wǎng)，變遷有可層次化為N2=(P2,T2;F2)，并且T1∩T2=ti，N2的輸入變遷是ts，輸出變遷是te，則可用N=(P,T;F) 表示N1及其變遷層次化網(wǎng)N2，N=N1∪N2。

由經(jīng)典 Petri 網(wǎng)概念可知，系統(tǒng)中事件的發(fā)生需要一定的時間，因此本文所說的延時只與變遷相關(guān)聯(lián)，而與狀態(tài)即庫所無關(guān)。為解決層次化后的延時問題，提出分層延時 Petri 網(wǎng)（Hierarchical Timed Petri Net，HTPN）概念。

2）K是N的容量函數(shù)；

3）W是F的權(quán)函數(shù)；

4）M0為初始標(biāo)識；

5）I是變遷集的時間函數(shù)DI:T→R0,R0為非負(fù)實數(shù)集。

1.2 Petri 網(wǎng)延時運算規(guī)則

延時 Petri 網(wǎng)用戶可以根據(jù)不同應(yīng)用定義不同的觸發(fā)條件[12-13]， UUV 指控過程延時是事件發(fā)展所經(jīng)歷的時間，定義變遷觸發(fā)條件：對于t∈T，I(t)=a，當(dāng)標(biāo)識M滿足使能條件時，變遷t觸發(fā)，經(jīng)歷延時時間a后，變遷t完成，當(dāng)a= 0 時，延時變遷即為瞬時變遷。文中延時變遷用“□”表示，瞬時變遷用“|”表示。

不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，延時運算規(guī)則如下：

1）運算規(guī)則 1：順序結(jié)構(gòu)的延時

圖1 所示順序結(jié)構(gòu)的延時計算公式為：

2）運算規(guī)則 2：并行結(jié)構(gòu)的延時

3）運算規(guī)則 3：選擇結(jié)構(gòu)延時

2 遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程

2.1 遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制模式

信息化條件下指揮控制過程一般有狀態(tài)感知、信息融合、命令解釋及決策輸出 4 個基本過程。遠(yuǎn)程 UUV指揮控制的 4 個過程由 3 個職能層共同完成，分別為指揮層、控制層及執(zhí)行層，如圖 4 所示。指揮層實現(xiàn)對遠(yuǎn)程 UUV 的指揮和環(huán)境態(tài)勢掌控，進(jìn)行環(huán)境態(tài)勢分析和判斷，負(fù)責(zé) UUV 和各協(xié)同伙伴的聯(lián)合行動。控制層負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程 UUV 任務(wù)規(guī)劃、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控和情況上報。執(zhí)行層負(fù)責(zé)上傳 UUV 狀態(tài)及環(huán)境態(tài)勢信息等，接收控制層發(fā)送的遙控和任務(wù)更新信息，并最終實現(xiàn)決策執(zhí)行。

2.2 遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程描述

遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程如下：

1）指揮中心根據(jù)情報信息網(wǎng)提供的環(huán)境態(tài)勢，協(xié)調(diào)各個協(xié)同伙伴，定下決心，下達(dá)行動命令。

2）待命狀態(tài)下的遠(yuǎn)程 UUV 接到行動命令后完成技術(shù)準(zhǔn)備， UUV 裝載，發(fā)射平臺完成各項出航準(zhǔn)備。

3）指揮中心向 UUV 控制系統(tǒng)發(fā)送作戰(zhàn)命令，控制系統(tǒng)完成環(huán)境態(tài)勢評估及武器任務(wù)規(guī)劃并向 UUV 傳送預(yù)置信息。

4）發(fā)射平臺按計劃出航，到達(dá)發(fā)射海域，待機(jī)等待發(fā)射。

5）經(jīng)參數(shù)裝訂并發(fā)射后，遠(yuǎn)程 UUV 進(jìn)入工作狀態(tài)，UUV 向目標(biāo)區(qū)域航渡。

6）UUV 發(fā)射后武器控制臺實時監(jiān)測 UUV 的工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程監(jiān)測偵察平臺實時監(jiān)測海情信息， UUV 工作狀態(tài)及海情實時上傳指揮中心。

7）當(dāng) UUV 偏離預(yù)定航路時，武器控制系統(tǒng)控制其按規(guī)劃航路航行，當(dāng)環(huán)境態(tài)勢發(fā)生變化時，根據(jù)指揮中心指令適時調(diào)整 UUV 航路或目的海域。

8）UUV 到達(dá)目的海域，進(jìn)入任務(wù)模式， UUV 按照預(yù)定程序自主執(zhí)行任務(wù)。

9）任務(wù)執(zhí)行完畢， UUV 將任務(wù)完成情況經(jīng)控制系統(tǒng)上傳指揮中心，指揮中心評估任務(wù)執(zhí)行效果，以便再次組織任務(wù)或任務(wù)結(jié)束。

3 遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程建模

由以上指揮控制流程可知，遠(yuǎn)程 UUV 指控系統(tǒng)主要包含指控中心、控制系統(tǒng)、UUV 及發(fā)射平臺 4 個對象，指揮控制過程主要就是對象間的交互協(xié)調(diào)通訊、指揮、控制過程。為降低模型復(fù)雜度，采用面向?qū)ο蟮姆謱?Petri 網(wǎng)建模方法，所建立的頂層 Petri 網(wǎng)模型如圖5所示，模型中庫所及變遷含義如表 1 所示。

表1 頂層庫所及變遷含義Tab. 1 Meaning of top level places and transitions

根據(jù)研究需求，圖 5 所示的模型中多個變遷可進(jìn)一步層次化，其中虛線有向弧表示的是 UUV 狀態(tài)監(jiān)測及控制過程，在遠(yuǎn)程 UUV 指揮決策過程中，狀態(tài)監(jiān)測及控制是及時感知 UUV 工作狀態(tài)，根據(jù)環(huán)境態(tài)勢需求及時調(diào)整應(yīng)對策略的過程，其對實時性要求較高，對UUV 的性能有重要影響。本文以這一過程為例進(jìn)行深入分析，其變遷T3，T7，T8，T15，T16分層延時 Petri 網(wǎng)模型如圖 6～圖 10 所示。含義如表 2～表 6 所示。

表2 任務(wù)調(diào)整變遷模型含義Tab. 2 Meaning of task adjustment transition hierarchical model

表3 狀態(tài)及態(tài)勢感知變遷分層模型含義Tab. 3 Meaning of state and situational awareness transition hierarchical model

4 基于的 Stateflow 指控流程延時分析

為仿真分析指控流程延時特性，本文使用 Simulink環(huán)境下的 Stateflow 工具包進(jìn)行仿真，Stateflow 將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和流程圖等理論相結(jié)合，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄m合用來對 Petri 網(wǎng)進(jìn)行仿真[14-15]。

以上遠(yuǎn)程 UUV 指揮及控制流程延時時間是基于各個階段所需時間為常數(shù)的假定，由于實際指控過程中依據(jù)任務(wù)不同，戰(zhàn)場態(tài)勢不同，其所用時間是隨機(jī)的，一般呈正態(tài)分布。假設(shè)和延時分別為 35 和 15 個時間單位，底層延時時間如圖 6～圖 10 所示，每個離散事件的持續(xù)時間相互獨立，且滿足σ2= 5 的正態(tài)分布，為取得狀態(tài)監(jiān)測及控制過程運行總延時情況及分布規(guī)律，在 Stateflow 環(huán)境下進(jìn)行了 500 次仿真計算，總延時情況及其分布如圖 11 所示。

表4 命令解釋變遷分層模型含義Tab. 4 Meaning of command interpretation transition hierarchical model

表5 狀態(tài)參數(shù)上傳變遷分層模型含義Tab. 5 Meaning of state parameters upload transition hierarchical model

表6 目標(biāo)狀態(tài)修正變遷分層模型含義Tab. 6 Meaning of state adjustment transition hierarchical model

建模及分析過程表明所建模型可詳細(xì)描述遠(yuǎn)程UUV 指揮控制流程，適用性較好。通過以上 2 種情況的總延時及延時分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在各離散事件延時滿足正態(tài)分布的情況下，總延時時間大致符合正態(tài)分布，與實際延時規(guī)律相符。模型對延時時間有良好的描述和分析功能，可以基于此模型進(jìn)一步對整個指揮控制流程的時間特性進(jìn)行定量及定性分析。所提出的分層延時 Petri 網(wǎng)可以方便對復(fù)雜流程進(jìn)行建模，且降低了模型分析難度。

5 結(jié) 語

為降低模型復(fù)雜度，增強分析便利性，本文結(jié)合

分層 Petri 網(wǎng)及延時 Petri 網(wǎng)的概念，提出了分層延時Petri 網(wǎng)的概念，建立了遠(yuǎn)程 UUV 指揮控制流程分層延時 Petri 網(wǎng)模型，并對模型的延時特性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明所建模型準(zhǔn)確描述了遠(yuǎn)程 UUV 的指揮控制流程，延時情況分析結(jié)果能夠反映實際規(guī)律。基于所建模型不但可以對指揮控制系統(tǒng)其他特性進(jìn)行深入分析和研究，也可為 UUV 科研人員分析指揮控制流程的合理性提供決策依據(jù)，同時為描述和分析復(fù)雜流程提供了一種便利的方法。

[ 1 ]衛(wèi)紅春. UML 軟件建模教程[M]. 高等教育出版社, 北京, 2012.08.

[ 2 ]DAVID B, JURGEN D, TORSTEN L. Model driven security: from UML models to access control infrastructures[J]. ACM Trans on Software Engineering and Methodology(TOSEM), 2006, 15(1):39-91.

[ 3 ]付偉. 基于活動網(wǎng)絡(luò)的工作流模型設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 天津: 天津大學(xué), 2007.

[ 4 ]蔡冽, 李世其. 基于活動網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)系統(tǒng)仿真集成模型研究[J]. 計算機(jī)應(yīng)用研究, 2005, 22(12): 63-65.

[ 5 ]MENDING J, NEUMAN G. Towards workflow pattern support of eent-driven process chains[J]. Proc of Workshop Xm14bpm, 2005:23-38

[ 6 ]于曉浩, 劉俊先, 陳濤, 等. 事件驅(qū)動過程鏈在軍事信息系統(tǒng)建模中的應(yīng)用[J]. 火力與指揮控制2011, 36(07): 21-24.

[ 7 ]張耀鴻, 樊建才, 廖曉林. 基于 Petri 網(wǎng)的指揮控制流程仿真方法[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2012, 24(7): 1418-1421.

[ 8 ]朱敏潔, 張偉. 作戰(zhàn)指揮工作流程的建模與仿真[J]. 火力與指揮控制, 2008, 33(12): 45-48.

[ 9 ]楊志華, 劉順利, 劉己斌. 基于 Peter 網(wǎng)的防空兵群指揮信息結(jié)構(gòu)建模分析[J]. 兵工自動化, 2012, 31(4): 39-42.

[10]HAO K, DING J. Hierarchical petri nets[J]. Journal of Frontiers of Computer Science & Technology, 2008, 5(91): 281-290.

[11]DAI X, LI J, MENG Z. Hierarchical petri net modelling of reconfigurable manufacturing systems with improved net rewriting systems[J]. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2009, 22(2):158-177.

[12]ZUBEREK W M. Invariant-based performance analysis of timed petri net models[M]. Dependability Engineering and Complex Systems. 2016.

[13]TOYOSHIMA I, NAKANO S, YAMAGUCHI S. Reduction operators based on behavioral inheritance for timed petri nets[J]. Ieice Transactions on Fundamentals of Electronics Communications & Computer Sciences, 2014, E97. A(2): 484-489.

[14]陶繼平, 徐文艷, 楊根科, 等. 基于 Stateflow 的 Petri 網(wǎng)仿真方法[J]. 計算機(jī)仿真, 2006, 23(12): 96-99.

[15]L V Feng-yu. Research and application of stateflow modeling method based on petri nets[J]. Measurement & Control Technology, 2014.

Remote UUV command and control process modeling and delay analysis based on hierarchical petri net

LIU Hai-guang1,2, ZHANG Yuan-yuan1, LI Hou-quan2
(1. Qingdao Branch of Naval University of Aeronautics &Astronautics, Qingdao 266045, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

Command and control process of remote UUV has many control nodes and is complicated, modeling and analysis of the process is difficult by using traditional modeling methods. In order to improve the modeling ability, hierarchical modeling method based on Petri net is introduced and in order to depict the time character, timed transition is introduced and the computing algorithm is given, based on which, the command and control process model of remote UUV is constructed based on hierarchical timed Petri net model. The simulation results verify the applicability of the proposed model and the effectiveness of the analysis method. This model can be used to in-depth analysis and research on the command and control process of the remote UUV and can also provide reference for the evaluation and improvement of the command and control system of the remote UUV.

remote UUV；hierarchical Petri net；command and control process；description and analysis

E925

A

1672 - 7619(2017)04 - 0106 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.021

2016 - 10 - 09；

2016 - 12 - 05

中國博士后基金資助項目(2014M552658)

劉海光(1975 - )，男，博士，講師，主要從事水中兵器裝備保障及作戰(zhàn)應(yīng)用研究。