基于共享子網合成Petri網的協同虛擬維修系統

李 彬，崔漢國，李正民，崔霽月(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

維修理論

基于共享子網合成Petri網的協同虛擬維修系統

李 彬，崔漢國，李正民，崔霽月
(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

為實現大型復雜裝備多人協同虛擬維修訓練，解決并行、資源競爭等協同工作問題，提出了面向協同維修的共享子網合成Perti網的過程建模方法，實現了仿真任務的層次化建模、虛擬樣機建模、維修過程建模以及視景仿真及程序驅動等關鍵技術。分析協同系統的功能需求、基于虛擬現實開發平臺EON Studio功能節點的人機交互技術和EON X與Visual Studio 2005的集成通信功能，搭建了協同虛擬維修仿真平臺的系統框架，開發了協同虛擬維修訓練仿真系統。以某型號船舶主動力裝置齒輪箱故障軸承維修拆換為例，說明了協同虛擬維修系統的工作過程并對相關關鍵技術進行了驗證。

虛擬維修；協同；合成Perti網

隨著數字化技術和虛擬現實技術的發展，維修訓練技術已經從傳統的實裝維修訓練發展到以計算機仿真技術與虛擬現實技術結合的虛擬維修訓練階段。同時，隨著虛擬維修任務要求的不斷提高，特別是針對大型復雜裝備及多維修人員參與的維修任務，虛擬維修訓練逐漸向網絡化協同化維修新模式發展，協同虛擬維修技術因此應運而生。協同虛擬維修技術就是以計算機、網絡和虛擬現實等技術為基礎，把分散在不同地點、運行于不同計算機平臺上的各種維修仿真通過局域網聯結在一起，共享一個逼真的虛擬環境，使得維修人員在其中進行各種復雜的訓練任務的同時進行實時、同步的協作討論和交互設計。近年來，計算機支持的協同問題受得到了國內外學者的廣泛關注[1-2]，雖然國內外很多學者在不同領域對協同問題的研究取得了很多成果[3-5]，但對支持多人并行操作的協同虛擬維修系統及其過程建模研究有限。

本文重點研究了協同虛擬維修系統的體系結構并提出面向協同維修的共享子網合成Petri網過程建模方法，結合虛擬現實仿真平臺EON Studio開發了非沉浸式協同虛擬維修仿真系統，實現了資源的有效共享和復雜Petri網的同步操作。

1 協同虛擬維修系統體系結構

1.1系統功能需求分析

針對實裝維修訓練中裝備不允許隨意拆卸、多人次協同配合訓練很難展開、人員的安全無法保障、訓練成本高等問題，協同虛擬維修系統的功能需求應主要包括：①構建虛擬維修資源模型，實現設備的虛擬拆裝演示；②實現支持協同虛擬維修的各計算資源的有效訪問和共享；③實現裝備虛擬維修中組織協同的仿真，維修人員可以利用多臺計算機共享各地各人的維修經驗、維修技術，實現任務和資源的有效調度和分配；④實現用戶與非沉浸式虛擬現實系統的實時交互，用戶能夠通過鼠標、鍵盤等輸入設備對虛擬場景進行維修操作。

1.2系統總體框架

本文采用面向數據的建模方法來構造協同虛擬維修系統，將客觀世界存在的實體對象映射成數據表從而形成以數據表為核心的系統架構。針對系統的功能需求，設計了基于協同維修的多層次結構體系，包括界面表現層、業務邏輯層、數據訪問層。三個層次中系統功能和業務邏輯主要在業務邏輯層進行處理。

1)界面表現層。界面顯示層位于最上層，用于顯示和接收用戶提交的數據，為用戶提供交互式的訪問界面。界面顯示層將系統分為4大模塊即維修裝配仿真模塊、協同虛擬維修模塊、理論知識考核模塊以及用戶管理模塊。

2)業務邏輯層。業務邏輯層是針對系統的需求的具體操作，是整個協同虛擬維修系統的核心。系統采用CATIA軟件建立仿真資源的數字樣機，將虛擬維修流程分解為任務層、作業單元層、動作單元層3個作業層次。利用虛擬現實軟件EON Studio功能節點的人機交互技術與EON X同Visual Studio 2005的集成通信功能，將仿真程序嵌入到基于對話框的Windows應用程序中，用共享子網合成Petri網模型的分析結果驅動虛擬場景并控制整個維修仿真過程。同時通過本層結構實現對數據業務邏輯的處理，包括系統管理及配置管理等。

3)數據訪問層。數據訪問層把系統對底層運行、維修仿真資源等數據庫的訪問進行封裝，為業務邏輯層或表示層提供服務，避免在業務過程代碼中形成重復編碼，并且便于后期維護。業務人員只需要根據定義的接口進行編程實現業務邏輯，而無須關心底層數據庫的結構。

2 系統實現的關鍵技術

2.1仿真任務的層次化建模

為了能夠準確快捷的控制維修仿真過程，實現對維修活動的建模與封裝，必須要對虛擬維修仿真任務進行層次分解從而更好地操控虛擬人執行指定的維修動作。本文參考機械加工工藝過程[6]和現有的虛擬維修仿真任務層次分解方法，將虛擬維修流程分解為維修任務層、作業單元層、動作單元層3個作業層次。

維修任務層是維修人員針對裝備可能發生的故障利用工具對設備進行的全部維修操作的統稱。作業單元層用來描述虛擬人模型在一段時間內實現某一維修任務而完成的各項維修活動，包括拆裝序列規劃、故障零件的更換以及基于語義的維修活動。動作層是指在虛擬維修仿真環境中，涉及虛擬維修人員彎腰、轉身、取放工具、定位等不同的動作形式。通過任務層-作業單元層-動作層3個層次不僅可以完整地刻畫任意維修任務，而且能夠更好地支持維修活動的仿真，進而更有效地支持維修分析與評價。3個層次間的作業活動既可以形成前后相依的線性關系也可以同時進行各個層次的作業任務，在仿真任務的流程分解結構圖上則體現出一種錯綜復雜的父子或兄弟關系。

2.2虛擬維修資源建模技術

為了模擬構建真實的虛擬維修環境，協同虛擬維修系統需要建立基本的虛擬維修資源模型，主要包括維修設備的數字樣機三維模型、常用維修工具模型以及虛擬人模型。

建立維修設備的數字樣機三維模型最重要的原則就是比例準確、結構嚴謹，所以必須嚴格按照給定的圖紙進行設計。本系統采用參數化建模軟件CATIA建立某型號船舶主動力裝置的三維模型，然后導入到Deep Exploration 6.0中進行模型數據的優化處理，減少多邊形的數目以提高渲染效率，最后將保存的wrl文件導入到虛擬現實開發平臺EON Studio中進行虛擬維修場景的構建。

人體建模的基本工作是要構建逼真準確的人體可視化幾何模型。本文采用CATIA V5的人體模型測量編輯(Human Measurements Editor)模塊，通過修改臨界參數建立面向我國人體測量學數據標準的虛擬人幾何模型。

2.3基于共享子網合成Petri網的協同維修過程建模

協同虛擬維修條件下，多名維修人員在不同地點、不同計算機終端同時通過網絡對同一操作對象進行拆裝維修，由于個體用戶操作的未知性以及共享資源的有限性，零件的可拆性可能受到用戶獨立行為間的沖突操作影響，處理不當則會阻滯維修拆裝進程，無法模擬真實的維修訓練場景，為此需要建立一套完整的建模、分析、控制和優化的方法，本文采用Petri網作為建模分析工具，先建立各個維修人員拆裝維修子模型，然后再進行合成得到系統整體模型。

Petri網通過節點與弧組成的有向圖來描述系統模型，是一種系統的數學和圖形的建模分析工具。庫所與變遷節點之間用有向弧來連接，“變遷”的觸發受其觸發規則控制。Petri網合成操作是復雜系統過程建模的一條重要途徑，因而廣泛應用于復雜系統的建模過程中。合成操作就是按某種方式將所有子系統結合起來綜合成復雜大系統，從而達到通過研究小系統的性質來研究大系統性質的目的。Petri網系統的合成運算中一般可劃分為共享合成和同步合成2種合成形式。共享合成可實現合成網系統的資源共享，減少公共資源(特別是非消耗資源，如、維修工具等)的占用，從而達到節省系統資源的目的；同步合成一般用于實現復雜Petri網的同步操作。而共享子網合成Petri網同時具備共享合成和同步合成的優點，既可以實現資源的有效共享，又能實現控制器的同步操作。

現對本文涉及到Petri網的相關概念進行如下基本定義。

定義1：設∑=(P，T；F，M0)是一個簡單的Petri網系統，其中P表示變遷，T表示庫所，F表示變遷指向庫所或庫所指向變遷的流關系，M0表示Petri網的初始標識。

定義2：設∑i=(Pi，Ti；Fi，M0i)(i=1,2)是2個Perti網系統，滿足下列條件：

P=P1∪P2,P1∩P2≠Φ,

(1)

T=T1∪T2,T1∩T2≠Φ,

(2)

F=F1∪F2。

(3)

若2個Petri網子網N1,N2共享一個單鏈子網，則可對N1,N2進行合成，N即為共享子網合成網。

以下以維修人員1和維修人員2使用同種維修資源(同一維修工具)替換維修設備的故障零件、替換后對設備重新裝配為例，應用Petri網共享子網合成方法進行系統建模。

步驟1：根據設備零件的約束關系，先建立各個維修Petri網子模型。

圖1給出了N1的Petri網子模型，其中變遷和庫所的含義如下：t1為開始維修；p1為零件1；t2為拆卸零件；p2為零件2；t3為拆卸零件……p8為待拆卸故障零件；t9為拆卸故障零件；p9為替換的零件9；t10為替換故障零件；p10為拆卸出的故障零件；t11為裝配零件；p11為完成維修拆裝后的裝備。對于N2，圖2給出了它的Petri網子模型，其中部分變遷和庫所的含義類似于圖1中的說明。t12為拆卸故障零件；p12為替換的零件9；t13為替換故障零件；p13為拆卸出的故障零件；t14為裝配零件；p14為完成維修拆裝后的裝備。

圖 2 Petri網子模型(N2)圖

步驟2:若N1,N2共享一個子網，則判斷是否有以下公式成立:

?x,y∈P∪T:W(x,y)=W1(x,y)+W2(x,y),

(4)

式中：W表示從變遷P到庫所T的權函數。

步驟3:對N1,N2進行共享子網合成：

N=N1∪N2。

(5)

因為維修人員1和維修人員2可同時共用同一工作臺的維修工具替換故障零件，即可共享同一組資源，反映在Petri網模型上，就是對N1,N2進行共享子網合成，得到共享子網合成網N(圖3所示)，即整體模型。可見，通過共享子網合成可以實現資源的有效共享，減少公用資源的占用，又能實現控制器的同步操作。

圖3 共享子網合成Petri網(N)圖

2.4視景驅動與程序控制

本系統的虛擬維修場景以及三維可視化模型的交互都是通過虛擬現實軟件EON Studio的驅動和路由機制實現的。通過系統中設置的傳感器節點clicksensor接收用戶指令，然后由路由發送相關的數據信息，通過EON Studio的OutEvent與InEvent 2個接口節點接收Visual Studio 2005中SendEvent函數發送的信息，將共享子網合成Petri網生成的拆卸序列數據鏈表中的數據傳遞給EON Studio內部接口Script節點，然后向拆卸過程對應零件的Place節點發送使能信號，驅動對應的零件拆卸，零件經過短暫停留后移動到指定位置，完成拆卸過程。通過Task和Latch節點控制某一零件拆卸完畢后，系統才能讀取拆卸鏈表中的下一個節點，以免造成所有零件同時拆卸的現象。利用Counter節點記錄錯誤拆卸操作的次數。

3 系統實現

本文利用虛擬現實軟件EON Studio功能節點的人機交互技術與EonX同Visual Studio 2005的集成通信功能，將仿真程序嵌入到基于對話框的Windows應用程序中，用合成Petri網模型的分析結果驅動虛擬場景進行維修仿真，并控制整個維修仿真過程，完成了協同虛擬維修系統的開發。

船舶主動力裝置主要包括柴油機、齒輪箱、動力軸系以及推進裝置，下面僅以齒輪箱為例進行說明。疲勞磨損、設計不當以及維護保養不善等原因均能導致齒輪箱的運行故障，其中較為常見的是軸承、軸系及泵體失效。熟練掌握齒輪箱故障軸承維修拆換是維修人員應具備的維修技能之一。

通過三維建模軟件CATIA的機械設計模塊及人體模型創建模塊分別建立齒輪箱、維修工具以及本土化的虛擬人模型。其中齒輪箱零件名稱清單列于表1。

表1 齒輪箱三維模型零件清單

利用共享子網合成Perti網過程建模方法對多維修人員協同替換齒輪箱故障軸承進行系統建模，系統模型如圖4所示。

圖4 齒輪箱協同維修共享子網合成Petri網過程模型圖

利用虛擬現實軟件EON Studio構建協同維修仿真動畫，將生成的仿真動畫集成到Visual Studio 2005中，用共享子網合成Petri網模型的分析結果驅動虛擬場景并控制整個維修仿真過程。協同虛擬維修功能模塊運行情況如圖5所示，窗口上端為主要的功能菜單，包括結構演示、協同虛擬維修、考核系統以及用戶管理；左側區域為通信功能模塊，通信界面主要實現了局域網各終端用戶間的通信功能；中間區域為協同虛擬維修模塊，通過此模塊，分布在不同地域不同計算機終端的維修人員可以通過局域網共享完成同一維修任務，分享各人維修經驗，實現協同維修；右側顯示了任務的基本信息，同一任務組的成員進行相關操作后，同組其他成員對此操作信息可見。

圖5 系統運行圖

4 結束語

針對傳統設備維修訓練中存在的問題，本文開發了基于共享子網合成Petri網的協同虛擬維修仿真系統。在系統多層架構的體系結構基礎上，對虛擬維修的仿真任務層次進行分解，提出并實現了共享子網合成petri網的過程建模方法，有效減少了公用資源的占用，實現了資源的有效共享。系統運行提高了協同維修訓練效率，減少了訓練成本，對其他虛擬維修系統的開發有一定的借鑒意義。

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To realize multiuser collaborative virtual maintenance training of large complex equipment and solve the collaborative work problems such as parallel and competition for resources,a method based on synthesis of Petri Nets sharing a kind of subnet for modeling collaborative maintenance process was put forward and the key technologies such as hierarchical modeling of the simulation task,virtual prototype modeling,maintenance process modeling,visual simulation and the program driver were realized.Through analysis of the functional requirements of the system,the integrated communication function between EON X and Visual Studio 2005 and the human-machine interaction of the virtual reality development based on EON studio function node,a system framework is presented for multiuser collaborative virtual maintenance simulation training platform and the multiuser collaborative virtual maintenance simulation training system is developed.Taking the fault bearing maintenance conversion for the main power device of a ship gear box as an example,the working process of the system is illustrated and the key technologies of the system are verified.

virtual maintenance;collaborative;synthesis of Petri Nets

TP391

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.05.013

湖北省自然科學基金(2014CFB233)

李彬(1990-)，男，山東平度人，在讀碩士研究生，研究方向為艦船動力裝置自動化及仿真技術。

2015-06-11