一種基于DEVS理論的虛擬維修系統模型的研究

張皓月　陳志剛　李小瑩　唐小平

摘 要：隨著計算機技術的發(fā)展，虛擬現實技術廣泛應用于虛擬維修領域，但不同的虛擬維修平臺缺乏統一的形式化描述，該文基于DEVS（Discrete Event System Specifications，DEVS）理論，提出了一種統一的虛擬維修系統模型，并搭建了柴油機噴油器虛擬拆裝系統。

關鍵詞：虛擬維修 DEVS 模型 Virtools

中圖分類號：TP393.01 文獻標識碼：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

虛擬現實技術是隨著計算機技術發(fā)展，尤其是計算機仿真技術發(fā)展而興起的一門多學科綜合技術，將視覺、聽覺和觸覺系統融合到虛擬的立體環(huán)境中，使用戶沉浸其中，產生逼真的感覺[1]。其應用范圍覆蓋軍事仿真、文化教育等多個領域，虛擬維修技術正是虛擬現實技術與維修技術培訓結合的產物，將維修過程的培訓和演示通過虛擬現實技術展現出來，不僅對提升維修人員的訓練效果和技能水平有明顯的促進作用，而且整個系統狀態(tài)穩(wěn)定，重復性好，故障率低。

國外一些機構很早就建立了自己的虛擬維修系統[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，并應用于F16和F22等戰(zhàn)機的研發(fā)中，取代的物理樣機和金屬模型，促進了維修分析的標準化和信息共享交流，取得了顯著成效；國內對虛擬維修技術的研究今年來也取得了長足進步，如國防科技大學研制的某型號直升機虛擬維修系統；清華大學研制的航空虛擬維修系統以及江蘇大學研制的船用柴油機虛擬維修系統等。這些系統針對特定的應用領域，采用不同的技術實現，其虛擬維修平臺和虛擬維修設備均缺乏統一的形式化描述。本文針對這一問題，提出了一種基于DEVS（Discrete Event System Specifications，DEVS）的虛擬維修系統模型，對虛擬維修系統進行了統一的描述。

1 DEVS理論

DEVS 是美國學者 Bernard P. Zeigler提出的一種離散事件系統形式化描述模型[3]。在該模型中，事件被劃分為多個獨立的分系統，每一個分系統都具有相對獨立的內部結構和I/O接口，利用這些獨立的分系統，描述整個事件，具體的內容包括系統對外部的輸出、系統內部狀態(tài)的轉變以及系統對外部事件做出的響應等等。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是系統的有序狀態(tài)集；ta為時間推進函數，當ta（s）=+∞時，系統的狀態(tài)不發(fā)生改變，當ta（s）=0時，系統處于瞬時狀態(tài)，此時對系統狀態(tài)的求解不消耗時間，所以在該狀態(tài)下，系統的運行與仿真時鐘無關；Q={（s，e）|s∈S，0≤e≤ta（s）}是atomic DEVS的全狀態(tài)集合，其中e表示系統在狀態(tài)S停留的時間；δint表達系統內部的狀態(tài)轉移，表達系統在沒有輸入的情況下，在經歷一定時間后，自動發(fā)生狀態(tài)的轉換，并將時間e置為零；δext則是表達系統在外部事件，或者外部輸入作用的情況下，狀態(tài)發(fā)生轉移和變化的函數，變換完成后，時間e也置零；λ為輸出函數，利用系統狀態(tài)轉移前的狀態(tài)，在轉移發(fā)生時產生輸出。

將多個DEVS原子模型按照一定的規(guī)則聯系在一起，構成的更大、更復雜的模型稱為DEVS耦合模型，即Coupled DEVS。這樣，就可以將整個系統進行模塊化分割，將單個模塊的描述結合起來，構成對整個系統的描述[3]。DEVS耦合模型的結構描述如下：

CoupledDEVS={X，Y，M，EIC，EOC，IC，SELECT}

其中，M是系統模型各模塊構成的集合，該集合中的每一個元素都是一個DEVS原子模型；EIC表達外部輸入，將作用到整個系統的外部輸入轉化和連接到對應各模塊的輸入端；EOC表達系統外部輸出，該輸出是由系統內部不同模塊產生的，通過一定的耦合規(guī)則，構成了系統的外部輸出；IC表達不同模塊之間的連接關系，即模塊與模塊之間的數據傳送；SELECT表達系統的優(yōu)先級選擇，在對模塊進行優(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輸出[4]。在 DEVS中，利用仿真器實現模型的功能，兩者之間是一一映射。

2 虛擬維修系統的DEVS模型

2.1 虛擬維修系統中實體的DEVS模型

根據DEVS理論，虛擬維修系統應包含（Virtual Maintaining System，VMS）可以分為虛擬角色（Virtual Character，VC）、虛擬設備（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備的維修工作。

虛擬設備（VI）是虛擬維修中涉及到的儀器和設備，和實物一樣，虛擬設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，可以獨立進行工作。同時，可以根據訓練需求對虛擬設備的故障進行預先設定。虛擬設備DEVS模型框架與虛擬血色模型框架類似，抽象仿真器以設備模型為基礎進行抽象，功能模塊根據虛擬角色的操作完成執(zhí)行設備的對應功能。虛擬設備模型框架中新增了交互模塊，定義虛擬設備與外界的交互方式，產生交互事件，完成人機交互。這一模塊的主要用于系統管理者進行故障設置時使用。

虛擬場景（VS）是對維修環(huán)境的仿真，主要包括：虛擬角色的活動空間（Space）、可操作的設備三維模型、維修所需的工具（Instrument）和常見故障的判斷方法（Method）、各設備之間的關聯方案（Relation）、設備正常運轉所需的其他物質條件。

2.2 虛擬維修系統的耦合模型

在前面分析的基礎上，我們構建了虛擬維修系統的耦合模型，如圖1所示。整個虛擬維修系統由三類DEVS源自模型組成，分別是虛擬角色、虛擬設備和虛擬場景。其中，用戶通過可視化的圖形接口（GUI）與系統進行交互，信息分為系統信息和角色操控信息，交互接口感知信息后進行仿真運算，控制虛擬角色對設備進行維修，或者由虛擬場景直接對設備施加干預。虛擬角色在于虛擬場景進行互動過程中也要進行信息傳輸和處理，如取工具、避開障礙等等，力求實現逼真的虛擬維修效果。整個系統根據獨立的仿真時鐘運行，依托輸入輸出接口進行信息交換。

3 虛擬維修系統的實現

目前，開發(fā)復雜系統最有效的方法即面向對象技術，所謂對象，就是現實環(huán)境中的實體，每一個實體都是一個完整的系統，具備信息接收和處理、狀態(tài)轉移等特性，復用性、交互性和擴展能力較好[6]。一個虛擬維修系統由一個虛擬場景和多個虛擬設備以及虛擬角色組成，虛擬場景、虛擬設備和虛擬角色是一個個獨立的實體，因此，面向對象的技術可以較好的應用到虛擬維修系統的實現中。

用面向對象的方法實現了虛擬現實各個組成部分的模塊化，利用三維建模平臺搭建虛擬場景、虛擬角色、虛擬設備的三維模型，利用Virtools虛擬現實技術中不同的Building Blocks構建信息交互接口和仿真運算模塊[7]。圖2是利用該技術搭建的柴油機噴油器虛擬拆裝系統。

參考文獻

[1] 胡西偉.基于三維動畫與虛擬現實技術的理論研究[碩士]：武漢大學；2005：53.

[2] 姜學智，李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報.2004，23（2）：238-240.

[3] 李昕龍，向毛.基于DEVS理論的指控系統建模與分析[J].系統仿真學報，2015，27（8）：1708-1714.

[4] 唐俊，張明清，劉建峰.離散事件系統規(guī)范DEVS研究[J].計算機仿真，2004，21（6）：62-64.

[5] 孫顯營.面向對象車輛動力學系統建模研究及應用[J].[碩士]：昆明理工大學，2002.

[6] 黃秀麗.面向對象的微機接口虛擬實驗建模技術研究[J].中國科技信息，2009（4）：136-137.

[7] 胡亮，王蘭美，宋宏鵬，等.SolidWorks、3DSMax結合Virtools實現虛擬現實應用研究[J].山東理工大學學報（自然科學版）.2010，24（3）：103-106.