基于Petri網和語義網絡的虛擬維修過程建模與應用

劉家學， 劉 濤， 耿 宏

（中國民航大學航空自動化學院，天津 300300）

虛擬維修由于其不可替代的顯著優點，近幾年被廣泛應用在各個領域。虛擬維修可以應用虛擬設計及制造領域的三維建模軟件，在虛擬的環境中進行維修訓練。目前的研究主要針對機械裝備的虛擬維修，研究內容包括虛擬裝配/拆卸過程規劃、虛擬人體模型在維修環境中的應用等。然而在民航領域，虛擬維修技術應用較少，民用飛機仿真器方面的研究比較落后。由于國內航空發展的滯后、航材價格的昂貴等原因導致民機維修人員在維修過程中的維修能力不足。本文從開發虛擬機載設備維修平臺的角度出發，著重研究虛擬維修過程建模方案。

現有的過程建模方法大多支持對過程各種相關信息的收集、組織，但存在一些不足，例如，一般工作流模型缺乏對某一系統內部部件重復性操作的考慮，規模較大的部件建模比較龐大和復雜，不利于實現和分析，而且對大型部件的維修缺乏協同維修工作的考慮。文獻[1]提出了元模型融合的定義，把整個模型劃分為多個相對獨立、容易處理、通用的部分分別建模，然后再綜合來完成建模工作，提高了建模的通用性，方法值得借鑒，但文中缺乏對大規模部件建模的考慮，比如民航飛機的虛擬維修，系統繁多，部件關系復雜。文獻[2]中提出的MTN（Maintenance Task Net）維修任務仿真模型，采用圖形化建模，做到了將抽象的維修任務描述與底層維修活動仿真相結合。但是過程模型單一，與實際操作結合度不夠，沒有考慮到反復性操作等實際維修狀況。文獻[3]利用語義網絡的知識表達較產生式規則及框架知識表示更靈活、表達能力也較強，也更接近人的思維習慣的優勢，邏輯的表達了復雜的機械結構和故障，對本項目的研究有重要的借鑒意義。

本文結合語義網絡和Petri網二者的優點開發了TJ(Training Join)網。Petri網以其圖形化的形式在描述系統中進程或部件的順序、并發、沖突以及同步等關系方面有著先天的優勢，文中結合實際維修流程需求，提出反復操作、躍級操作、并行操作元素模型，用于完善維修過程模型。語義網絡通過采用新的計算模式和新的資源組織和管理的模型，實現了資源的規范組織和語義互聯。通過語義相似度和語義聚類實現部件的邏輯分層，可以有效地解決現有的過程建模方法中結構分解不合理和模型過于龐大的問題，同時增強了虛擬維修平臺的擴展能力。

1 虛擬維修平臺框架結構設計

本方案由遠程控制終端，人機交互終端和虛擬現實引擎三部分構成。本文從該維護平臺出發，著重解決在民機的大型部件拆裝維修過程存在的問題，使其在民機各系統部件3D模型充分的情況下，實現虛擬維修各系統部件的強大擴展能力。

遠程控制終端由場景數據庫和故障數據庫組成，可通過網絡接口向虛擬現實場景中導入需要維護的機體部件模型。人機交互終端采用人性化的交互機制，主要功能是培訓人員確定故障源后，按照操作手冊選擇合適的操作模式、工具及設備備件逐步排除故障。虛擬現實場景由虛擬現實引擎、后臺操作邏輯模塊和實時信息顯示模塊組成[4]。虛擬現實引擎接受來自遠程控制終端和人機交互終端的消息，完成導入模型，視點設置的工作，同時根據后臺操作邏輯模塊的指令實時計算處理數據和指令信息,并根據處理結果實時繪制更新場景。平臺框架結構圖如圖1所示。

圖1 平臺框架結構圖

2 虛擬維修過程建模

虛擬維修中最關鍵的問題是與現實的結合度，為了更好的達到虛擬維修訓練的效果，建立的虛擬維修過程模型必須與現實維修有著良好的切合度。分析現有很多維修過程模型可知，一般的工作流模型缺乏對某一系統部件重復性操作的考慮，即工作流模型單向運行，無法達到和滿足現實維修訓練中訓練人員要重復性練習自己不熟悉的部分的效果，現有很多模型必須重新初始化才可以重復操作，這樣會浪費許多時間和精力。IDEF3 過程模型是描述復雜、并發系統業務邏輯強有力的建模工具，具有完備的建模語義，在業務建模中有廣泛的應用。然而IDEF3 過程模型雖然描述了系統的復雜業務過程，卻沒有對業務過程的動態邏輯，特別是隨著時間的演變，業務過程能否正確、合理地反映系統的需求進行描述，實際維修人員往往需要對某一不確定操作反復訓練，是IEDF3缺乏考慮的。本文采用基于Petri網的反復過程元素模型很好的解決了這方便的問題，使過程模型更加有靈活性，且在程序實現上也很方便。另外，現有模型在對大型維修部件建模時，模型容易變的很龐大。傳統模型為了豐富每個元素的各類信息，帶來的缺點就是實際應用過程中模型結點過多，往往一個小型的系統模型就會產生成百上千個結點。這樣導致一個較大的模型結構將會非常復雜，不利于我們進行分析。因此，本文采用語義網絡的知識，分層次且邏輯相連的解決這類問題。最后，把這兩類知識網絡相互結合，以達到更好的效果。

2.1 基于Petri網改進的模型建模

Petri 網以其堅實的數學基礎、基于狀態的建模方法以及并發機制等特性，成為項目過程建模及性能分析的有力工具。首先給出Petri網的基本概念定義。

定義1當且僅當三元組N=(P,T;F)滿足下列條件時稱為基網[5]：

其中，P為庫所集，T為變遷集，F為庫所和變遷連接關系的有向弧集，dom(F)為F的定義域，cod(F)為F的值域。

為了方便把Petri網應用到虛擬維修領域，我們把庫所和變遷賦予特有的涵義，庫所表示設備的操作、資源的狀態或者控制因素；變遷表示操作的開始或結束[6]。但是虛擬維修與現實維修之間總有一定程度的區別，而我們希望達到的程度也是越逼真越好，為了盡量貼近現實維修，所建立的Petri網模型要最大程度的考慮到現實場景中所遇到的問題。本文給出幾種特殊結構的Petri網元素模型，均是根據現實維修的操作場景提煉出的元素模型。

一種是反復操作元素模型如圖2所示。庫所P代表變遷前后的狀態，變遷T+代表正向操作變遷，變遷T-代表逆向操作變遷，T+和T-是相反操作變遷，都是對同一元部件的操作。這一元素模型較于一般操作流程的優勢在于實現某一操作流程的反復性訓練，程序強制的對已經操作過的步驟恢復操作前的狀態，對現實中可重復和不可重復的部件統一適用，而且程序上方便實現。減少了很多不必要的維修訓練時間的浪費。

定義2Ni=(P，T；F；M)，其中i=(1, 2, 3, …,n)

圖2 反復操作元素模型

一種是躍級操作元素模型如圖3所示。庫所P代表變遷前后的狀態，T代表變遷，T*代表躍級變遷，T*有個特殊的輸入是來自if庫所[2]。當if庫所滿足時，即代表操作流程需要跨躍一些操作直接到達想要的狀態，這時就會通過躍級變遷T*。維修人員可以根據需要制定if庫所的內容，當需要進行躍級時，滿足if庫所即可。這種過程模型一定程度上增加了維修過程的靈活性。

定義3Ni=(P，T；F；M；Iif)，其中I=(1,2, 3,…,n)

圖3 躍級操作元素模型

一種是并行操作元素模型如圖4所示。T1、T2代表變遷，庫所P代表狀態，庫所P1、P2、P3分別代表變遷T1之后的可能同時存在的幾種狀態，或幾個相同部件的狀態。

圖4 并行操作元素模型

定義4TJ網系統的組成包含6元素。TJN=（P，T+，T-，T*，Iif；F；M），其中：

1）T+，T-，T*是T的分解

2）?t+∈T+，?t-∈T-，(t+)+(t-)=0。

2.2 語義網絡模型

Petri網模型直觀清晰，但是對于一個龐大的部件來說，只使用Petri網來構造維修流程模型，會使模型變的很龐大，很復雜。本文合理的引入語義網絡來協助建模，就可以解決這個問題。把大的部件分解成各子部件，然后在子部件上采用Petri網進行維修建模，并且通過對每個子部件的實時狀態監視，實時的得知系統各子部件的維修狀況[7]，從而一定程度上達到協同維修的目的。

語義網絡具有父結點與子結點、類與實例結點，便于實現面向對象技術。語義網絡利用各結點之間的聯系組成網狀結構，便于表示復雜的知識，使場景管理更具邏輯性。語義網絡用于表示大型部件各零件的屬性、狀態等，并通過各節點之間的聯系相互傳遞信息，用在維修領域有利于大型系統的協同維修[8]。

語義網絡可以描述事物間多種復雜的語義關系，主要有[9]：

1）分類關系，指事物間的類屬關系；

2）聚集關系，下層概念是其上層概念的一個方面或者一個部分；

3）推論關系，一個概念可由另一個概念推出；

4）時間、位置等關系；

5）多元關系。

如圖5所示是如何用一個簡單的語義網絡來表示關于“虛擬維修”的知識[3]：

圖5 語義網絡表示“虛擬維修”知識

用語義網絡可以同時表示概念層級序列和概念屬性知識。在劃分層次和分解節點時，要遵循以下分層原則[10]：

1）根據具體維修的系統部件劃分層級關系，層次不應過多，同等操作復雜度的部件在同一等級；

2）最低層級所含最小子單元能夠獨立的進行裝配，組合裝配時相互不造成影響。

首先需要確定各部件的語義表示方法。由于不同部件的語義明確程度不同，每個部件都有一個或者幾個關鍵詞對其進行客觀描述。每個關鍵詞的權重ωij反映了該詞對部件的表述準確程度，權重越大，表示該詞描述的越準確。如果兩個部件具有相同的語義關鍵詞，則標記二者為相關部件，相同的關鍵詞越多，它們在語義上越相似，分在同一層級上的可能性比較大。

定義5部件i與部件j之間的語義相似度其中nij是在關鍵詞表述過程中標記為相關部件的次數，

在獲得了部件的語義相似度后，可以對部件進行語義聚類。整個聚類過程分為兩個步驟：首先，對部件進行語義預分類，將每一個部件分到且僅分到一個語義組中。其次，在預分類的基礎上對部件進行語義聚類。

定義 6對于數據集T，部件i的鄰居為：

定義 7部件i與數據集T的關系為：

R(i,T)的值反映了部件與數據集的關系，即R(i,T)越大，則部件i與數據集T的關系越緊密，反之，則關系越松散。

定義 8聚類C是整個部件集U的一個子集，部件i隸屬于一個聚類C的隸屬度為：

以上定義不僅考慮了部件i與聚類C之間的關系，還考慮了部件i與整個部件集U之間的關系。

定義 9C是一個聚類，其聚類密度定義為：

算法的聚類原則是：一個部件是否應該加入或者移出一個聚類主要取決于該部件的加入或移出是否改善了整個聚類的密度[11]。算法在語義預分類中任意選擇一個部件作為聚類種子并進行語義聚類，不斷地更新聚類直至該聚類的密度最大，即可為一個層級。由于語義預分類中的每一個部件都有可能成為聚類種子，理論上聚類的個數應該等于預分類中部件的個數。但事實上，許多以不同部件作為聚類種子所得到的聚類結果都是相同的，此外還有一些聚類間有所重疊，一些部件的所屬層級不是很明確，因此，有必要參考分層原則引入一些啟發式規則去除那些冗余的聚類。對于那些相同的聚類，只保留其中的一個聚類即可；而對于那些有重疊的聚類，只保留具有最大密度的聚類。

聚類C就是一個部件集，包含許多小的子單元，每個子單元是維修的最小獨立單元，包含許多零部件。分解后的各子系統部件利用Petri網對其維修流程進行建模，充分的發揮了兩者的優勢，達到很好的效果。狀態收集反饋模塊對每層級的每個子單元，包括零部件的狀態屬性進行實時的監督收集，達到信息共享。

3 仿真實現與分析

上述內容對維修過程建立了一種改進的模型—TJ網，TJ網體現“整體—局部”的邏輯理念。下面我們針對這種理念，結合三維虛擬設備維修平臺中，A320的電子設備艙的維修過程進行應用分析。民機的電子設備架上存放飛機很多子系統的核心計算機，用于維持飛機正常工作的運算控制、信號傳遞等，所以對電子設備架的維護至關重要。一般電子設備架的故障有兩種：一是組件LRU的故障，另一個是線路的短路斷路故障，所有維修步驟均是與標準操作手冊一致。第1個故障對維修人員來說只需要更換相應的故障組件即可。這里我們主要針對第2個故障進行建模仿真，假設組件HF1的連接線路出現斷路故障，然后對連接線路進行建模維修。

在對電子設備架進行維修過程建模時，首先要把電子設備架維修任務，按照本文提出的模型分解成3層，軟件實現上借助OSG的節點技術。根據語義網絡的語義相似度和語義聚類，得出3大聚類C1，C2，C3，第1層C1是機載電子設備架，作為父節點；第2層C2是各子單元，比如通信系統核心計算機，作為子節點；第3層C3是小的子單元HF1，作為小的子節點。然后在小單元里進行改進的Petri網建模，根據標準維修手冊確定維修流程。

將電子設備架劃分層級之后的維修結構網模型如圖6所示。P1開始，P11結束，T1：將故障線路轉向修理臺，T2：剝線，T3：接線，T4：壓接接線管，T5：固定壓接處，T6：翻轉絕緣層，T7：安裝絕緣管，T8：固定絕緣管，T9：安裝熱縮管，T10：熱縮。其中變遷下面的T-是對相應變遷的逆操作，實現步驟的反復。每個維修工具都有一個匹配的逆向工具，當維修人員需要對操作過的過程進行逆向返回時，選擇匹配的逆向工具，進行操作，這時選擇的零部件狀態會返回到上一層，所有狀態和變遷均到上一層。T*11：躍級變遷，當if庫所中內部線路完好時，即可實現從P3到P8的狀態變化。T12、T14、T16、T18、T20、T22、T24、T26、T28、T30是對操作模式的選擇變遷，有拾取模式、拆裝模式、修理模式等。T13、T15、T17、T19、T21、T23、T25、T27、T29、T31是對每個步驟中維修工具和耗材的選取。

圖6 電子設備架虛擬維修結構模型

后臺匹配表對每個步驟進行規范約束：

建立的模型把電子設備架分解成許多獨立的子單元，每個獨立的子單元都可以拿出來獨立的進行維修；另外，基于維修狀態信息共享的機制，維修訓練人員在進行獨立的維修任務時，能夠得知其他子單元的維修狀態，從而達到一定程度的協同維修[12]。在各子單元維修任務完成后，根據語義網絡把各單元組裝起來，即可完成維修任務。

下面是虛擬維護平臺對HF1修線的操作的部分效果圖。

圖7 標準修線流程部分效果

4 結 束 語

本文對虛擬維修過程建模進行了研究，結合語義網絡知識和Petri網搭建了TJ網模型，并將這種模型用在基于OSG的三維虛擬設備維修平臺上，規范了虛擬維修流程，解決了模型龐大后導致的各子部件關系混亂等問題。并且本三維虛擬設備維修平臺已經應用到幾所高等院校的教育訓練上，用于提高學員的維修能力。TJ網模型雖然在一定程序上達到了協同虛擬維修的目的，但在協同方面還有很多內容有待研究，將是我們下一步的研究方向。

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