遠程 UUV 指揮控制流程分層 Petri 網建模及延時分析

劉海光，張源原，李厚全

(1. 海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島 266045；2. 海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

遠程 UUV 指揮控制流程分層 Petri 網建模及延時分析

劉海光1,2，張源原1，李厚全2

(1. 海軍航空工程學院 青島分院，山東 青島 266045；2. 海軍潛艇學院，山東 青島 266199)

對于控制節點多、流程復雜的遠程 UUV 指揮控制流程建模及延時分析問題，傳統建模方法往往難于對其進行詳細描述和分析。文中建立遠程 UUV 指揮控制流程分層延時 Petri 網模型，采用基于 Petri 網的層次化建模方法提升模型對復雜流程的表達能力，將變遷引入時間參數，使模型具備對時間的描述和分析能力，并給出不同結構的延時計算方法。仿真結果表明所建模型可用于對遠程 UUV 指揮控制流程進行分析和計算，分析方法正確、適用性好，可為遠程 UUV 指揮控制系統評價及完善提供參考和技術支持。

遠程 UUV；分層 Petri 網；指揮控制流程；描述和分析

0 引 言

遠程 UUV 工作時間長，控制節點多，進行及時有效的指揮控制是保障其任務完成的重要前提。由于遠程 UUV 應用領域少、工作流程復雜，目前針對遠程UUV 的指揮控制研究相對還不多。建立準確恰當的模型是從事性能研究的基礎，遠程 UUV 指揮控制流程具有分布、并行、異步、協調等特點，是典型的離散系統，傳統流程建模方法主要有 UML、活動網絡及事件驅動過程鏈等。UML 方法適用于以案例為驅動，以體系結構為中心的系統建模，一般靈活性較弱，語義清晰度差，難以應對復雜系統[1-2]。復雜網絡法多應用于工作流建模及生產系統的建模中，雖具有較強的語義清晰度，但不具備層次分析能力[3-4]。事件驅動過程鏈語義清晰度弱，無法處理動態系統，不具備系統分析能力[5-6]。由于遠程 UUV 指控流程復雜，傳統的研究方法很難對其各個環節進行詳細描述和分析。Petri 網建模方法能夠完成復雜系統建模并具備強大的分析能力，其較強的層次分析能力，在描述和分析動態復雜系統流程上具有獨特的優勢[7-9]。Petri 網的靈活性強，可方便引入時間參數，為分析遠程 UUV 指揮控制流程的延時特性提供了有力的分析工具。針對遠程 UUV 指揮控制流程的復雜性及指揮決策延時時間要求，本文采用分層 Petri 網解決復雜流程建模及分層結構下的延時分析的問題。

1 分層延時 Petri 網

1.1 分層延時 Petri 網概念

分層 Petri 網（Hierarchical Petri Net，HPN）建模方法為復雜系統建模分析提供了高效的解決方案，其不但可以降低模型復雜度，而且可以提高模型利用率，降低模型分析難度[10-11]。HPN 包括庫所分層和變遷分層 2 部分內容，其定義如下。

庫所分層定義：設N1=(P1,T1;F1) 是頂層 Petri網，庫所Pi∈P1,Pi可層次化為N2=(P2,T2;F2)，并且滿足P1∩P2=Pi，T1∩T2=?，則可用N=(P,T;F)表示N1及其庫所層次化網N2，N=N1∪N2。

變遷分層定義：N1=(P1,T1;F1) 是頂層網，變遷有可層次化為N2=(P2,T2;F2)，并且T1∩T2=ti，N2的輸入變遷是ts，輸出變遷是te，則可用N=(P,T;F) 表示N1及其變遷層次化網N2，N=N1∪N2。

由經典 Petri 網概念可知，系統中事件的發生需要一定的時間，因此本文所說的延時只與變遷相關聯，而與狀態即庫所無關。為解決層次化后的延時問題，提出分層延時 Petri 網（Hierarchical Timed Petri Net，HTPN）概念。

2）K是N的容量函數；

3）W是F的權函數；

4）M0為初始標識；

5）I是變遷集的時間函數DI:T→R0,R0為非負實數集。

1.2 Petri 網延時運算規則

延時 Petri 網用戶可以根據不同應用定義不同的觸發條件[12-13]， UUV 指控過程延時是事件發展所經歷的時間，定義變遷觸發條件：對于t∈T，I(t)=a，當標識M滿足使能條件時，變遷t觸發，經歷延時時間a后，變遷t完成，當a= 0 時，延時變遷即為瞬時變遷。文中延時變遷用“□”表示，瞬時變遷用“|”表示。

不同的網絡結構下，延時運算規則如下：

1）運算規則 1：順序結構的延時

圖1 所示順序結構的延時計算公式為：

2）運算規則 2：并行結構的延時

3）運算規則 3：選擇結構延時

2 遠程 UUV 指揮控制流程

2.1 遠程 UUV 指揮控制模式

信息化條件下指揮控制過程一般有狀態感知、信息融合、命令解釋及決策輸出 4 個基本過程。遠程 UUV指揮控制的 4 個過程由 3 個職能層共同完成，分別為指揮層、控制層及執行層，如圖 4 所示。指揮層實現對遠程 UUV 的指揮和環境態勢掌控，進行環境態勢分析和判斷，負責 UUV 和各協同伙伴的聯合行動。控制層負責遠程 UUV 任務規劃、遠程控制、狀態監控和情況上報。執行層負責上傳 UUV 狀態及環境態勢信息等，接收控制層發送的遙控和任務更新信息，并最終實現決策執行。

2.2 遠程 UUV 指揮控制流程描述

遠程 UUV 指揮控制流程如下：

1）指揮中心根據情報信息網提供的環境態勢，協調各個協同伙伴，定下決心，下達行動命令。

2）待命狀態下的遠程 UUV 接到行動命令后完成技術準備， UUV 裝載，發射平臺完成各項出航準備。

3）指揮中心向 UUV 控制系統發送作戰命令，控制系統完成環境態勢評估及武器任務規劃并向 UUV 傳送預置信息。

4）發射平臺按計劃出航，到達發射海域，待機等待發射。

5）經參數裝訂并發射后，遠程 UUV 進入工作狀態，UUV 向目標區域航渡。

6）UUV 發射后武器控制臺實時監測 UUV 的工作狀態，遠程監測偵察平臺實時監測海情信息， UUV 工作狀態及海情實時上傳指揮中心。

7）當 UUV 偏離預定航路時，武器控制系統控制其按規劃航路航行，當環境態勢發生變化時，根據指揮中心指令適時調整 UUV 航路或目的海域。

8）UUV 到達目的海域，進入任務模式， UUV 按照預定程序自主執行任務。

9）任務執行完畢， UUV 將任務完成情況經控制系統上傳指揮中心，指揮中心評估任務執行效果，以便再次組織任務或任務結束。

3 遠程 UUV 指揮控制流程建模

由以上指揮控制流程可知，遠程 UUV 指控系統主要包含指控中心、控制系統、UUV 及發射平臺 4 個對象，指揮控制過程主要就是對象間的交互協調通訊、指揮、控制過程。為降低模型復雜度，采用面向對象的分層 Petri 網建模方法，所建立的頂層 Petri 網模型如圖5所示，模型中庫所及變遷含義如表 1 所示。

表1 頂層庫所及變遷含義Tab. 1 Meaning of top level places and transitions

根據研究需求，圖 5 所示的模型中多個變遷可進一步層次化，其中虛線有向弧表示的是 UUV 狀態監測及控制過程，在遠程 UUV 指揮決策過程中，狀態監測及控制是及時感知 UUV 工作狀態，根據環境態勢需求及時調整應對策略的過程，其對實時性要求較高，對UUV 的性能有重要影響。本文以這一過程為例進行深入分析，其變遷T3，T7，T8，T15，T16分層延時 Petri 網模型如圖 6～圖 10 所示。含義如表 2～表 6 所示。

表2 任務調整變遷模型含義Tab. 2 Meaning of task adjustment transition hierarchical model

表3 狀態及態勢感知變遷分層模型含義Tab. 3 Meaning of state and situational awareness transition hierarchical model

4 基于的 Stateflow 指控流程延時分析

為仿真分析指控流程延時特性，本文使用 Simulink環境下的 Stateflow 工具包進行仿真，Stateflow 將狀態轉移圖和流程圖等理論相結合，采用面向對象的編程思想，適合用來對 Petri 網進行仿真[14-15]。

以上遠程 UUV 指揮及控制流程延時時間是基于各個階段所需時間為常數的假定，由于實際指控過程中依據任務不同，戰場態勢不同，其所用時間是隨機的，一般呈正態分布。假設和延時分別為 35 和 15 個時間單位，底層延時時間如圖 6～圖 10 所示，每個離散事件的持續時間相互獨立，且滿足σ2= 5 的正態分布，為取得狀態監測及控制過程運行總延時情況及分布規律，在 Stateflow 環境下進行了 500 次仿真計算，總延時情況及其分布如圖 11 所示。

表4 命令解釋變遷分層模型含義Tab. 4 Meaning of command interpretation transition hierarchical model

表5 狀態參數上傳變遷分層模型含義Tab. 5 Meaning of state parameters upload transition hierarchical model

表6 目標狀態修正變遷分層模型含義Tab. 6 Meaning of state adjustment transition hierarchical model

建模及分析過程表明所建模型可詳細描述遠程UUV 指揮控制流程，適用性較好。通過以上 2 種情況的總延時及延時分布規律可以發現，在各離散事件延時滿足正態分布的情況下，總延時時間大致符合正態分布，與實際延時規律相符。模型對延時時間有良好的描述和分析功能，可以基于此模型進一步對整個指揮控制流程的時間特性進行定量及定性分析。所提出的分層延時 Petri 網可以方便對復雜流程進行建模，且降低了模型分析難度。

5 結 語

為降低模型復雜度，增強分析便利性，本文結合

分層 Petri 網及延時 Petri 網的概念，提出了分層延時Petri 網的概念，建立了遠程 UUV 指揮控制流程分層延時 Petri 網模型，并對模型的延時特性進行了仿真分析。仿真結果表明所建模型準確描述了遠程 UUV 的指揮控制流程，延時情況分析結果能夠反映實際規律。基于所建模型不但可以對指揮控制系統其他特性進行深入分析和研究，也可為 UUV 科研人員分析指揮控制流程的合理性提供決策依據，同時為描述和分析復雜流程提供了一種便利的方法。

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Remote UUV command and control process modeling and delay analysis based on hierarchical petri net

LIU Hai-guang1,2, ZHANG Yuan-yuan1, LI Hou-quan2
(1. Qingdao Branch of Naval University of Aeronautics &Astronautics, Qingdao 266045, China; 2. Navy Submarine Academy, Qingdao 266199, China)

Command and control process of remote UUV has many control nodes and is complicated, modeling and analysis of the process is difficult by using traditional modeling methods. In order to improve the modeling ability, hierarchical modeling method based on Petri net is introduced and in order to depict the time character, timed transition is introduced and the computing algorithm is given, based on which, the command and control process model of remote UUV is constructed based on hierarchical timed Petri net model. The simulation results verify the applicability of the proposed model and the effectiveness of the analysis method. This model can be used to in-depth analysis and research on the command and control process of the remote UUV and can also provide reference for the evaluation and improvement of the command and control system of the remote UUV.

remote UUV；hierarchical Petri net；command and control process；description and analysis

E925

A

1672 - 7619(2017)04 - 0106 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.021

2016 - 10 - 09；

2016 - 12 - 05

中國博士后基金資助項目(2014M552658)

劉海光(1975 - )，男，博士，講師，主要從事水中兵器裝備保障及作戰應用研究。