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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于虛擬維修領(lǐng)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(jī)噴油器虛擬拆裝系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：虛擬維修 DEVS 模型 Virtools

中圖分類號：TP393.01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0159-03

Abstract：With the development 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 disassembly and assembly system.

Key Words：Virtual Maintenance； DEVS Model Virtools

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展而興起的一門多學(xué)科綜合技術(shù)，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(yīng)用范圍覆蓋軍事仿真、文化教育等多個(gè)領(lǐng)域，虛擬維修技術(shù)正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與維修技術(shù)培訓(xùn)結(jié)合的產(chǎn)物，將維修過程的培訓(xùn)和演示通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)展現(xiàn)出來，不僅對提升維修人員的訓(xùn)練效果和技能水平有明顯的促進(jìn)作用，而且整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，重復(fù)性好，故障率低。

國外一些機(jī)構(gòu)很早就建立了自己的虛擬維修系統(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(shù)，并應(yīng)用于F16和F22等戰(zhàn)機(jī)的研發(fā)中，取代的物理樣機(jī)和金屬模型，促進(jìn)了維修分析的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的研究今年來也取得了長足進(jìn)步，如國防科技大學(xué)研制的某型號直升機(jī)虛擬維修系統(tǒng)；清華大學(xué)研制的航空虛擬維修系統(tǒng)以及江蘇大學(xué)研制的船用柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域，采用不同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其虛擬維修平臺和虛擬維修設(shè)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）的虛擬維修系統(tǒng)模型，對虛擬維修系統(tǒng)進(jìn)行了統(tǒng)一的描述。

1 DEVS理論

DEVS 是美國學(xué)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(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)，每一個(gè)分系統(tǒng)都具有相對獨(dú)立的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和I/O接口，利用這些獨(dú)立的分系統(tǒng)，描述整個(gè)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(yīng)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(dá)方法即[4]：

Atomic DEVS ={X， Y， S，δint，δext，λ， 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(shí)間推進(jìn)函數(shù)，當(dāng)ta（s）=+∞時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)不發(fā)生改變，當(dāng)ta（s）=0時(shí)，系統(tǒng)處于瞬時(shí)狀態(tài)，此時(shí)對系統(tǒng)狀態(tài)的求解不消耗時(shí)間，所以在該狀態(tài)下，系統(tǒng)的運(yùn)行與仿真時(shí)鐘無關(guān)；Q={（s，e）|s∈S，0≤e≤ta（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(shí)間；δint表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，表達(dá)系統(tǒng)在沒有輸入的情況下，在經(jīng)歷一定時(shí)間后，自動(dòng)發(fā)生狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并將時(shí)間e置為零；δext則是表達(dá)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(shí)間e也置零；λ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(shí)產(chǎn)生輸出。

將多個(gè)DEVS原子模型按照一定的規(guī)則聯(lián)系在一起，構(gòu)成的更大、更復(fù)雜的模型稱為DEVS耦合模型，即Coupled DEVS。這樣，就可以將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化分割，將單個(gè)模塊的描述結(jié)合起來，構(gòu)成對整個(gè)系統(tǒng)的描述[3]。DEVS耦合模型的結(jié)構(gòu)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(gòu)成的集合，該集合中的每一個(gè)元素都是一個(gè)DEVS原子模型；EIC表達(dá)外部輸入，將作用到整個(gè)系統(tǒng)的外部輸入轉(zhuǎn)化和連接到對應(yīng)各模塊的輸入端；EOC表達(dá)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(gòu)成了系統(tǒng)的外部輸出；IC表達(dá)不同模塊之間的連接關(guān)系，即模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)傳送；SELECT表達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)先級選擇，在對模塊進(jìn)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(shí)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(shí)體的DEVS模型

根據(jù)DEVS理論，虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)包含（Virtual Maintaining System，VMS）可以分為虛擬角色（Virtual Character，VC）、虛擬設(shè)備（Virtual Instrument，VI）、虛擬場景（Virtual Scenes，VS）三大元素[5]，即：

VES ={VS， VCi， VIj |i，j∈N}

虛擬角色（VC）是虛擬維修中進(jìn)行維修工作的主體，本身并不具備決策的能力，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(shè)備的維修工作。

虛擬設(shè)備（VI）是虛擬維修中涉及到的儀器和設(shè)備，和實(shí)物一樣，虛擬設(shè)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(dú)立進(jìn)行工作。同時(shí)，可以根據(jù)訓(xùn)練需求對虛擬設(shè)備的故障進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。虛擬設(shè)備DEVS模型框架與虛擬血色模型框架類似，抽象仿真器以設(shè)備模型為基礎(chǔ)進(jìn)行抽象，功能模塊根據(jù)虛擬角色的操作完成執(zhí)行設(shè)備的對應(yīng)功能。虛擬設(shè)備模型框架中新增了交互模塊，定義虛擬設(shè)備與外界的交互方式，產(chǎn)生交互事件，完成人機(jī)交互。這一模塊的主要用于系統(tǒng)管理者進(jìn)行故障設(shè)置時(shí)使用。

虛擬場景（VS）是對維修環(huán)境的仿真，主要包括：虛擬角色的活動(dòng)空間（Space）、可操作的設(shè)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(shè)備之間的關(guān)聯(lián)方案（Relation）、設(shè)備正常運(yùn)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(chǔ)上，我們構(gòu)建了虛擬維修系統(tǒng)的耦合模型，如圖1所示。整個(gè)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(shè)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(jìn)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(jìn)行仿真運(yùn)算，控制虛擬角色對設(shè)備進(jìn)行維修，或者由虛擬場景直接對設(shè)備施加干預(yù)。虛擬角色在于虛擬場景進(jìn)行互動(dòng)過程中也要進(jìn)行信息傳輸和處理，如取工具、避開障礙等等，力求實(shí)現(xiàn)逼真的虛擬維修效果。整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)獨(dú)立的仿真時(shí)鐘運(yùn)行，依托輸入輸出接口進(jìn)行信息交換。

3 虛擬維修系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

目前，開發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)最有效的方法即面向?qū)ο蠹夹g(shù)，所謂對象，就是現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的實(shí)體，每一個(gè)實(shí)體都是一個(gè)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(fù)用性、交互性和擴(kuò)展能力較好[6]。一個(gè)虛擬維修系統(tǒng)由一個(gè)虛擬場景和多個(gè)虛擬設(shè)備以及虛擬角色組成，虛擬場景、虛擬設(shè)備和虛擬角色是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，因此，面向?qū)ο蟮募夹g(shù)可以較好的應(yīng)用到虛擬維修系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中。

用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)各個(gè)組成部分的模塊化，利用三維建模平臺搭建虛擬場景、虛擬角色、虛擬設(shè)備的三維模型，利用Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中不同的Building Blocks構(gòu)建信息交互接口和仿真運(yùn)算模塊[7]。圖2是利用該技術(shù)搭建的柴油機(jī)噴油器虛擬拆裝系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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