一種基于DEVS理論的虛擬維修系統(tǒng)模型的研究

1、    一種基于devs理論的虛擬維修系統(tǒng)模型的研究    張皓月陳志剛李小瑩唐小平摘 要：隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術廣泛應用于虛擬維修領域，但不同的虛擬維修平臺缺乏統(tǒng)一的形式化描述，該文基于devs（discrete event system specifications，devs）理論，提出了一種統(tǒng)一的虛擬維修系統(tǒng)模型，并搭建了柴油機噴油器虛擬拆裝系統(tǒng)。關鍵詞：虛擬維修 devs 模型 virtools：tp393.01 ：a ：1674-098x（2017）06（a）-0159-03abstract：with the development

2、 of computer technology， virtual reality technology is widely used in virtual maintenance field，but there is a lack of uniform formalized description for different platforms. based on the theory of devs， put forward a unified model of virtual maintenance system， and build the fuel injector virtual d

3、isassembly and assembly system.key words：virtual maintenance； devs model virtools虛擬現(xiàn)實技術是隨著計算機技術發(fā)展，尤其是計算機仿真技術發(fā)展而興起的一門多學科綜合技術，將視覺、聽覺和觸覺系統(tǒng)融合到虛擬的立體環(huán)境中，使用戶沉浸其中，產(chǎn)生逼真的感覺1。其應用范圍覆蓋軍事仿真、文化教育等多個領域，虛擬維修技術正是虛擬現(xiàn)實技術與維修技術培訓結合的產(chǎn)物，將維修過程的培訓和演示通過虛擬現(xiàn)實技術展現(xiàn)出來，不僅對提升維修人員的訓練效果和技能水平有明顯的促進作用，而且整個系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，重復性好，故障率低。國外一些機構很早就建立了自己

4、的虛擬維修系統(tǒng)2，從1995年起，美國的洛克希德馬丁公司就開始研究虛擬維修技術，并應用于f16和f22等戰(zhàn)機的研發(fā)中，取代的物理樣機和金屬模型，促進了維修分析的標準化和信息共享交流，取得了顯著成效；國內(nèi)對虛擬維修技術的研究今年來也取得了長足進步，如國防科技大學研制的某型號直升機虛擬維修系統(tǒng)；清華大學研制的航空虛擬維修系統(tǒng)以及江蘇大學研制的船用柴油機虛擬維修系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)針對特定的應用領域，采用不同的技術實現(xiàn)，其虛擬維修平臺和虛擬維修設備均缺乏統(tǒng)一的形式化描述。本文針對這一問題，提出了一種基于devs（discrete event system specifications，devs）的虛擬維

5、修系統(tǒng)模型，對虛擬維修系統(tǒng)進行了統(tǒng)一的描述。1 devs理論devs 是美國學者 bernard p. zeigler提出的一種離散事件系統(tǒng)形式化描述模型3。在該模型中，事件被劃分為多個獨立的分系統(tǒng)，每一個分系統(tǒng)都具有相對獨立的內(nèi)部結構和i/o接口，利用這些獨立的分系統(tǒng)，描述整個事件，具體的內(nèi)容包括系統(tǒng)對外部的輸出、系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的轉(zhuǎn)變以及系統(tǒng)對外部事件做出的響應等等。這樣的模型被稱作devs原子模型，即atomic devs。用形式化的表達方法即4：atomic devs =x， y， s，int，ext， ta其中，x是輸入集；y是輸出集；s是系統(tǒng)的有序狀態(tài)集；ta為時間推進函數(shù)，當ta（s

6、）=+時，系統(tǒng)的狀態(tài)不發(fā)生改變，當ta（s）=0時，系統(tǒng)處于瞬時狀態(tài)，此時對系統(tǒng)狀態(tài)的求解不消耗時間，所以在該狀態(tài)下，系統(tǒng)的運行與仿真時鐘無關；q=（s，e）|ss，0eta（s）是atomic devs的全狀態(tài)集合，其中e表示系統(tǒng)在狀態(tài)s停留的時間；int表達系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，表達系統(tǒng)在沒有輸入的情況下，在經(jīng)歷一定時間后，自動發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并將時間e置為零；ext則是表達系統(tǒng)在外部事件，或者外部輸入作用的情況下，狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移和變化的函數(shù)，變換完成后，時間e也置零；為輸出函數(shù)，利用系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移前的狀態(tài)，在轉(zhuǎn)移發(fā)生時產(chǎn)生輸出。將多個devs原子模型按照一定的規(guī)則聯(lián)系在一起，構成的更大、更復雜

7、的模型稱為devs耦合模型，即coupled devs。這樣，就可以將整個系統(tǒng)進行模塊化分割，將單個模塊的描述結合起來，構成對整個系統(tǒng)的描述3。devs耦合模型的結構描述如下：coupleddevs=x，y，m，eic，eoc，ic，select其中，m是系統(tǒng)模型各模塊構成的集合，該集合中的每一個元素都是一個devs原子模型；eic表達外部輸入，將作用到整個系統(tǒng)的外部輸入轉(zhuǎn)化和連接到對應各模塊的輸入端；eoc表達系統(tǒng)外部輸出，該輸出是由系統(tǒng)內(nèi)部不同模塊產(chǎn)生的，通過一定的耦合規(guī)則，構成了系統(tǒng)的外部輸出；ic表達不同模塊之間的連接關系，即模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送；select表達系統(tǒng)的優(yōu)先級選擇，

8、在對模塊進行優(yōu)先級排序的前提下，將優(yōu)先級最高的模塊輸出作為系統(tǒng)輸出4。在 devs中，利用仿真器實現(xiàn)模型的功能，兩者之間是一一映射。2 虛擬維修系統(tǒng)的devs模型2.1 虛擬維修系統(tǒng)中實體的devs模型根據(jù)devs理論，虛擬維修系統(tǒng)應包含（virtual maintaining system，vms）可以分為虛擬角色（virtual character，vc）、虛擬設備（virtual instrument，vi）、虛擬場景（virtual scenes，vs）三大元素5，即：ves =vs， vci， vij |i，jn 虛擬角色（vc）是虛擬維修中進行維修工作的主體，本身并不具備決策的能力

9、，只具備執(zhí)行的能力，根據(jù)操作者的指令，按照既定的程序完成位置的變換和對虛擬設備的維修工作。虛擬設備（vi）是虛擬維修中涉及到的儀器和設備，和實物一樣，虛擬設備也具備信號的接收、處理和輸出功能，并對其形狀/特性和使用規(guī)則做了明確，可以獨立進行工作。同時，可以根據(jù)訓練需求對虛擬設備的故障進行預先設定。虛擬設備devs模型框架與虛擬血色模型框架類似，抽象仿真器以設備模型為基礎進行抽象，功能模塊根據(jù)虛擬角色的操作完成執(zhí)行設備的對應功能。虛擬設備模型框架中新增了交互模塊，定義虛擬設備與外界的交互方式，產(chǎn)生交互事件，完成人機交互。這一模塊的主要用于系統(tǒng)管理者進行故障設置時使用。虛擬場景（vs）是對維修環(huán)境

10、的仿真，主要包括：虛擬角色的活動空間（space）、可操作的設備三維模型、維修所需的工具（instrument）和常見故障的判斷方法（method）、各設備之間的關聯(lián)方案（relation）、設備正常運轉(zhuǎn)所需的其他物質(zhì)條件。2.2 虛擬維修系統(tǒng)的耦合模型在前面分析的基礎上，我們構建了虛擬維修系統(tǒng)的耦合模型，如圖1所示。整個虛擬維修系統(tǒng)由三類devs源自模型組成，分別是虛擬角色、虛擬設備和虛擬場景。其中，用戶通過可視化的圖形接口（gui）與系統(tǒng)進行交互，信息分為系統(tǒng)信息和角色操控信息，交互接口感知信息后進行仿真運算，控制虛擬角色對設備進行維修，或者由虛擬場景直接對設備施加干預。虛擬角色在于虛擬場

11、景進行互動過程中也要進行信息傳輸和處理，如取工具、避開障礙等等，力求實現(xiàn)逼真的虛擬維修效果。整個系統(tǒng)根據(jù)獨立的仿真時鐘運行，依托輸入輸出接口進行信息交換。3 虛擬維修系統(tǒng)的實現(xiàn)目前，開發(fā)復雜系統(tǒng)最有效的方法即面向?qū)ο蠹夹g，所謂對象，就是現(xiàn)實環(huán)境中的實體，每一個實體都是一個完整的系統(tǒng)，具備信息接收和處理、狀態(tài)轉(zhuǎn)移等特性，復用性、交互性和擴展能力較好6。一個虛擬維修系統(tǒng)由一個虛擬場景和多個虛擬設備以及虛擬角色組成，虛擬場景、虛擬設備和虛擬角色是一個個獨立的實體，因此，面向?qū)ο蟮募夹g可以較好的應用到虛擬維修系統(tǒng)的實現(xiàn)中。用面向?qū)ο蟮姆椒▽崿F(xiàn)了虛擬現(xiàn)實各個組成部分的模塊化，利用三維建模平臺搭建虛擬場景

12、、虛擬角色、虛擬設備的三維模型，利用virtools虛擬現(xiàn)實技術中不同的building blocks構建信息交互接口和仿真運算模塊7。圖2是利用該技術搭建的柴油機噴油器虛擬拆裝系統(tǒng)。參考文獻1 胡西偉.基于三維動畫與虛擬現(xiàn)實技術的理論研究碩士：武漢大學；2005：53.2 姜學智，李忠華.國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術的研究現(xiàn)狀j.遼寧工程技術大學學報.2004，23（2）：238-240.3 李昕龍，向毛.基于devs理論的指控系統(tǒng)建模與分析j.系統(tǒng)仿真學報，2015，27（8）：1708-1714.4 唐俊，張明清，劉建峰.離散事件系統(tǒng)規(guī)范devs研究j.計算機仿真，2004，21（6）：62-64.5 孫顯