面向復雜工程系統的虛擬仿真技術應用研究

夏文俊

(浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004)

面向復雜工程系統的虛擬仿真技術應用研究

夏文俊

(浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004)

現實系統認知上的復雜性和仿真過程中的計算復雜性，導致復雜工程系統的建模與仿真方法不同于一般工程系統.根據復雜工程系統設計、管理與施工的一般習慣，運用虛擬仿真技術，將建模仿真過程分為面向不同層次工程施工管理人員與施工操作技術人員的結構化任務建模和面向仿真技術人員的模塊化實體建模2大階段.分階段面向不同層次管理需求的建模方法,降低了復雜工程系統虛擬施工過程建模的復雜度，所得模型能更真實地反映工程系統的實際施工過程，提高了建模和仿真效率.

復雜工程系統；虛擬仿真；元任務；任務模型；結構化；模塊化

0 引 言

復雜工程系統的系統組成和系統設計是復雜的，而將設計結果付諸實施的施工過程同樣也是復雜的.大型復雜工程對建造精度、環境、時間等要求非常嚴格，為保證施工過程的順利進行和施工結果的精確性，必須通過一定的技術手段來保證.利用虛擬仿真技術可以對施工過程進行仿真分析，準確及時地處理大量施工信息資料，實現施工過程的事前控制和動態管理，以優化施工方案和組織計劃，從而控制風險.

本文以施工任務整體為對象，從結構化工程任務建模和模塊化工程實體建模2個方面研究了虛擬仿真技術在復雜工程系統施工中的應用.在Dassault Systemes DELMIA軟件環境下，通過一個復雜工程系統的虛擬施工過程的建模與仿真說明與驗證本文思想.

1 復雜工程系統復雜性的處理

復雜系統和復雜性的研究原則是定性與定量相結合、微觀與宏觀相結合、還原論與整體論相結合、科學推理與哲學思辨相結合，在研究中需要重視對復雜系統、復雜性動力特征及其運行規律的理解[1].由于復雜系統所具有的涌現性、非線性和復雜關聯性等特點，很難自上而下建立傳統的數學分析模型，對系統的微觀行為和宏觀行為也不能有效結合起來進行分析，同時復雜系統所具有的不可計算性的本質，使得數學分析方法也無能為力.因此，除了從哲學角度研究復雜系統的復雜性之外，還需要通過計算機仿真方法演繹復雜系統的生命周期過程，再通過歸納方法對仿真數據進行分析以認識復雜系統，是研究復雜系統的重要的、甚至是唯一的手段.

復雜工程系統作為復雜系統的一種具現，計算機仿真同樣是一種行之有效的研究方法.復雜工程系統的建模仿真不同于一般的復雜系統，其復雜性主要表現在對現實系統認識的復雜性和對虛擬系統的仿真計算復雜性上[2- 3].因此，如何理解現實系統、如何使模型易于被不同層次的工程人員接受、如何使仿真模型易于建立和修改就成為復雜工程系統虛擬施工過程建模仿真的重點.復雜工程系統的建模仿真通常是在已有較為完備的理論基礎上，建立機理相似的模型[4],其建模要求如下：

1)模型應能夠被復雜工程系統所涉及領域中的不同層次的工程人員所理解.

2)模型應具備模塊性、重用性、易修改性.復雜工程系統設計通常是往復多次的過程，模型具備以上性質有利于在設計修改后快速建立仿真模型，使建模工作量和仿真計算量控制在可承受范圍內.

2 虛擬施工過程建模與仿真分析

虛擬施工的目的是為了在實際施工前在仿真環境中檢測和分析系統結構的可施工性，對結構設計、施工方案和管理方案等進行仿真、分析與優化，其結果直接面向工程管理人員和施工技術人員.通過對復雜工程實際施工管理和施工過程分析，將建模工作分為2大階段：結構化施工任務建模階段和對象化施工實體建模階段[4- 5].整個虛擬施工階段分為以下幾步：

第1步，施工任務逐層分解.根據施工任務和目標，考慮施工過程中不同層次工程管理的需要、時間規劃及功能、環境等約束條件，對施工任務進行層次化分解，并重建子任務間的聯系.

第2步，結構化施工任務建模.在任務逐層分解結果的基礎上，建立每一層次子任務結構矩陣，利用ISM方法建立結構化的任務模型.

第3步，對象化仿真實體建模.根據結構、功能、任務、環境等約束條件，對參與施工過程的所有工程實體進行幾何結構、動力學和運動學屬性建模.

第4步，對象化仿真實體任務建模.為了簡化仿真任務流程建模工作，在施工任務模型的基礎上，將具備一定屬性和基本行為的仿真實體組裝成具有較大粒度、能夠完成一定工程任務的實體任務模塊.

第5步，施工過程仿真與優化.運行仿真模型，根據仿真結果對施工流程進行各項參數的優化調整，從而得到可執行的優化方案.

幾個階段之間的任務關系如圖1所示.

圖1 虛擬施工過程

3 結構化施工任務建模

施工任務模型是結合工程目標對任務完成方案及可能產生問題的結構化描述，目的是得到工程系統的抽象任務描述[6- 8].為了滿足不同層次的管理人員對任務模型的需要，按照自頂向下逐層細化的原則建立結構化的任務模型.

3.1 元任務分析

任務分解的目的是要獲得一系列的基本任務，即元任務，以便在實體任務建模時據此分解實體模型和分配施工工具.其中，元任務是指施工任務執行過程中系統對應關系相對固定、能夠實現一定任務目標或達到一定的目的、相互獨立且互不包含的最小任務單元.例如，使用天車進行設備的起吊，天車運動的起訖過程即可作為一個元任務.

通過對施工任務、工程管理過程與方式、實際施工過程的深入分析發現，復雜工程系統施工的總體任務過程復雜且帶有一定的隨機性，但其組成成分可以分解成多個相對獨立的元任務事件.

劃分元任務時應遵循以下基本原則[6]：1)相對獨立性，所劃分的元任務應滿足相對的獨立性，且又符合實際要求，在一些特殊情況下可給出一定的合理假設來滿足相對獨立性；2)不可再分性，所劃分的元任務必須簡單明了、不可再分；3)與習慣的相符性，必須充分考慮到實際施工人員的習慣，這樣才能使所建立施工元任務在實際中得到驗證.

3.2 任務的層次化分解

如圖2所示，采用自頂向下、面向對象的方法對復雜工程的施工任務進行逐層分解.

任務分解是在任務施工要求和管理要求指導下進行的，分解所得的任務層次結構具有很強的針對性，保證了以此為基礎建立的任務模型易于理解，能降低復雜工程的認識復雜度.同時，這種層次化的結構使所建立的模型具有較好的可重用性和可修改性.

3.3 結構化施工任務模型

3.3.1 任務間相互聯系類型分析

施工元任務之間的相互聯系、相互作用關系可以歸納為3種形式[6]：1)順序型，即施工元任務間只存在單向依賴關系的先后順序約束；2)并列型，即2個或多個施工元任務之間存在相互依賴程度低的、可同時獨立進行的約束關系；3)耦合型，即2個或多個元任務間存在雙向信息交換的關系.結構如圖3所示.

圖2 任務分解的層次結構

圖3 任務間的3種聯系類型

3.3.2 結構化施工任務模型的建立

分解之后的施工任務的同一層內任務間的相互聯系即為3種聯系類型中的一種或幾種；對相鄰層的任務來說，上層任務間的邏輯約束關系完全被下層子任務或元任務繼承.同層內和相鄰層間的分解任務間的邏輯關系如圖4所示.

圖4 分解任務的層次關系

按照任務之間的相互聯系，將同層內分解得到的n個任務ai(i=1,2,…,n)用如圖5所示n×n階的任務結構矩陣表示.

圖5 任務結構矩陣

元素aij表示任務ai和aj間的聯系邏輯關系，其值用0 或1表示.當aij=0(i≠j)時，表示ai和aj之間沒有直接的聯系；當aij=1(i≠j)時，表示ai到aj存在直接的聯系.主對角元素表示元素本身，其值用1表示.

以此結構矩陣為基礎，用解釋結構模型法(ISM)對其進行進一步分析，最終可得到反映任務實施級別劃分的遞階結構模型.根據遞階結構模型，即可得出在該層次中所有任務的明確聯系類型.

結構化的任務模型是各級工程管理人員和專業施工技術人員相互交流的基礎，是虛擬施工任務實施的重要階段性成果.

4 模塊化實體模型建模

虛擬施工中的實體建模包括2大部分：實體結構建模和實體任務建模.實體結構建模是對參與工程施工過程的工程實體的幾何結構建模、動力學和運動學屬性建模；實體任務建模是在施工任務模型的基礎上，將具備一定屬性和基本行為的仿真實體封裝成具有較大粒度而且能夠完成一定工程任務的實體任務模塊[9- 10].

4.1 實體結構建模

工程對象的實體結構模型可繼承于結構設計中的3D模型，或者在仿真建模平臺中根據二維CAD結構設計圖樣建立仿真專用的實體結構模型，其他施工工具模型、環境模型等需要在仿真建模平臺中單獨建模.

對實體模型的要求在結構設計和虛擬施工中是不同的，設計模型中的很多信息在仿真中并不需要，在復雜工程系統的虛擬施工的仿真中，直接使用設計模型進行仿真會嚴重影響系統的性能，必須對其進行簡化.

虛擬施工過程可視化中，模型位置、姿態、空間干涉情況、安裝過程順序等的仿真分析，不需要修改模型本身的結構參數.因此，可將設計模型轉換為一種專門為仿真所用的文件格式，以減輕系統運行負擔.在DELMIA所支持的文件格式里，CGR格式的文件是一種單純用來進行可視化的文件，只保存零件的外形信息，不包含任何參數化的數據.例如一個圓柱體的模型文件，保存為CATPart格式的文件，占用52.8 kB的磁盤空間，而保存為CGR格式的文件時，僅占用5 kB的磁盤空間.因此，在虛擬施工的實體結構建模過程中，可根據施工任務劃分結果，將部分實體結構模型轉換成相對應的CGR格式文件，從而減輕系統運行時的負擔.

4.2 實體任務建模

實體任務模型是在系統整體模型形成之后，在仿真技術人員和專業施工人員交流的基礎上，為了表現工程系統施工演化過程中物理實體的行為軌跡、特征參數和任務目標等信息，根據結構化施工任務模型構建而成的.

實體任務建模具有明確的目的性，是為了完成某項明確任務而進行的.從有利于工程管理的角度出發，根據任務分解的情況確定實體任務建模.實體任務建模包括面向施工過程的工程結構實體模型分解、實體對象的運動學和動力學屬性添加、實體動作序列設計等.

5 實例分析

某大型激光裝置的建造工程涉及大量的工程組件，施工空間有限，工程人員復雜，工程資源復雜，施工精度要求極高，不允許返工，是一個典型的復雜工程系統.為保證工程質量，其建造方案需要通過虛擬施工進行設計、調試及驗證.在本文建模仿真方法的指導下，在Dassault Systemes DELMIA軟件環境下對該工程系統進行建造仿真.

按照自頂向下的任務分解原則和任務結構建模方法，將工程任務分解為如圖6所示的5個層次.

第1層、第2層和第3層的任務分解粒度較大，其邏輯約束關系較為明顯，不需要建立這些層的任務結構模型.第4層和第5層的任務分解粒度較小，特別是第5層，任務粒度為元任務級，直接面向基層建造技術人員，任務間的3種聯系形式表現得更為明顯，在確定了任務間的約束之后，即可建立任務結構矩陣，得到相應的結構化模型.

圖6 任務分解

圖7 第5層任務模型片段

圖7所示為第5層的任務模型片段.在該5層任務模型中，前4層任務模型和工程管理密切相關，第5層的任務模型和實際施工過程緊密相關.

仿真實體建模中，在DELMIA仿真平臺上建立工程對象、施工工具、環境、人體等仿真實體模型，同時在Device Building模塊中定義各種運動學、動力學屬性.根據所要仿真的任務層次，將實體模型分解到相應的粒度.根據第5層的任務模型，得到每個實體所參與的任務序列，再針對每個元任務建立相應的動作序列，按照任務序列的順序將動作序列連接之后即可得到施工任務的仿真流程.圖8所示為安裝某個對象時的仿真截圖.

圖9所示為在DELMIA環境中該安裝任務的動作序列.

6 結 語

本文著重研究并實現了復雜工程系統虛擬施工的結構化施工任務建模和模塊化實體結構建模，對虛擬施工的元任務、虛擬施工任務的層次化分解和結構化建模、虛擬施工實體及其實體任務建模等進行了分析，通過應用于具體的工程實踐檢驗，表明該建模與仿真方法能夠快速建立復雜工程系統的虛擬施工模型并進行仿真.

圖8 虛擬施工場景截圖

圖9 施工元任務的動作序列

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(責任編輯 陶立方)

The application of virtual simulation technology to complex engineering systems

XIA Wenjun

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

The cognitive complexity for actual systems and the computational complexity for simulation processes, led to the complex engineering system modeling and simulation methods different from general engineering systems. Based on the general habits for complex engineering system design, management and construction, modeling and simulation process were divided into two different stages through the virtual simulation technology; one was the structured task modeling stage oriented engineering executives and construction technicians, the other was modular entity modeling stage oriented simulation technicians. The results showed that the complexity of virtual construction process modeling approach oriented different levels of personnel was reduced, and the model became more realistic response to the actual engineering systems construction process, the efficiency of modeling and simulation was also improved.Key words： complex engineering system; virtual simulation; meta task; task model; structured; modularization

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.008

2015- 12- 20；

2016- 03- 17

夏文俊(1981-),男，河南信陽人，講師，博士.研究方向：數字化設計與制造.

TP391.9

A

1001- 5051(2017)02- 0168- 06