基于Petri網建模方法建立無人機系統放飛指揮流程及 用語模型

沈曉帆 張展赫 周曉衛

摘? 要：針對近年來我軍多型號無人機科研任務飛行的新常態，本文采用基于包含狹義時序的Petri網建模方法對無人機系統放飛流程進行建模。首先在不同型號所使用的放飛流程及用語的基礎上，對建模對象“無人機放飛指揮操作流程”中的構成元素和執行條件進行了重新定義，簡要介紹了基礎Petri網建模方法以及契合本模型符合狹義相對論時序的特點。最后，舉例建立了以本文所述方法為基礎的無人機放飛指揮流程，提出了結合令牌維度的樹狀組織結構圖和資源管理表的方法擴展到Petri網的流程及模型，旨在為當前及未來其他無人機型號放飛指揮操作流程以及用語體系的建立提供思路。

關鍵詞：無人機系統;放飛流程;指揮操作流程;指揮用語

中圖分類號：TP301.1;E072 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）08-0018-03

Abstract：In response to the new normal of our military multi-model drone research missions in recent years，the UAV system flight process is modeled based on the Petri net method including narrow timing. Firstly，based on the release process and terminology used by different models，the constituent elements and execution conditions in the modeling object “The UAV Flight Command Operation Process” are redefined，and the basic Petri net modeling method is briefly introduced. The fit model conforms to the characteristics of the special relativity time series. Finally，an example of the unmanned aircraft flight command flow based on the method described in this paper is established. The process and model of the tree structure chart and resource management table combined with the token dimension are extended to the Petri net. Current and future models of other drone models are available to provide operational guidance and operational language systems.

Keywords：UAV system;flight process;command operation process;command language

0? 引? 言

近年來，無人機系統發展迅速，各型無人機在保障設計理念方面不盡相同，在放飛指揮流程方面各成體系，就目前各型無人機放飛指揮流程而言，多側重于以放飛階段為分類依據，以清單式的單一模式進行指揮，而對于各環節中的地域、崗位、資源以及耗時的因素未做出相應的描述。本文以試驗指揮為核心，對包含以上各因素的指揮流程進行通用化建模。

1? 無人機系統放飛指揮流程

流程的建立是從執行的角度針對個人或者組織確立的目標進行部署，從而實現既定的決策目標。在工程問題中，工作流程通常由資源、過程、過程中的相互作用（即結構）、結果、對象和價值六個要素構成，串聯起來即為：流程的輸入資源、流程中的若干活動、流程中的相互作用（例如：串行還是并行，哪個活動先做，哪個活動后做）、輸出結果、對象、最終流程創造的價值。

相似地，我們可以將放飛指揮流程有選擇性地抽象成流程模型，現對無人機系統放飛指揮流程做出如下定義：

定義1：無人機系統放飛指揮流程是指導無人機系統通過有序執行各崗位任務從而最終完成放飛任務的操作過程，由約定進行的多個崗位的若干操作和放飛條件組成，每一個操作結果和完成狀態組合成一個基本環節，每一個基本環節構成完整的放飛指揮流程。

定義2：無人機系統放飛指揮流程模型是指由各型號無人機放飛流程抽象出來的具有階段性、通用性和模塊性的流程模型，包括各環節顯性內容、隱性內容（輸出結果和條件滿足情況）、操作內容、狀態元素、描述環節間的依賴關系的流程邏輯、資源利用狀況和命令的流動。

對以上定義中使用的幾個概念做出如下闡述，環節是指揮流程中以各崗位進行工作的單位;一個操作產生的信息如果是選擇后繼操作的依據，則稱該信息為顯性內容，否則稱為隱性內容;操作內容是指崗位作為操作主體在約定階段執行的約定任務;狀態元素是指資源的抽象集合表述;若工作流程中后一個操作的執行依賴于前一個操作的結果，則稱這兩個操作之間存在因果依賴關系;工作流程中前一個流程的結果決定后一個流程的走向，則稱這兩個操作的前后關系為選擇依賴;工作流程中完成操作的人員、設備、耗材等必要支持統稱為資源;指揮中心（崗位）發出的操作指令稱為命令。

放飛指揮流程的建模，不僅要如實反映各個崗位的工作過程，更深層的目的是希望發現流程中的沖突問題，建立放飛過程中突發情況快速應急機制，使得放飛過程更加有序，保持指揮機構中各組成部分的密切高效配合，并對放飛過程中資源需求、資源合理分配、命令合理下達等進行整體評估，以作為制定飛行計劃的參考。

2? Petri網建模方法

2.1? Petri網的基本概念

Petri網是對離散并行系統的數學表示。Petri網是20世紀60年代由卡爾·A·佩特里發明，適用于描述異步的、并發的流程模型，具有豐富的系統描述手段和系統行為分析技術，適用于對離散事件動態系統的建模，廣泛應用于制造系統、計算機系統、通訊系統的建模與分析。

Petri網是一種網狀信息流模型，包括庫所和變遷兩類節點，同時在庫所集上添加表示狀態信息的托肯分布（標識）。庫所表示條件、資源、等待隊列和信道等。變遷表示事件、動作、語句執行和消息發送/接受等。一個變遷（事件）有一定數量的輸入和輸出庫所，分別代表事件的前置條件和后置條件。庫所中的托肯代表可以使用的資源數量或數據。

2.2? Petri網絡的表達

2.2.1? Petri網的數學表達

Petri網用一個三元組表示的PN=（P，T;F），其中P是一個有限的庫所集合，T是一個有限的變遷集合，F是流關系集合，并滿足以下條件：

其中：

這里：P表示庫所（Place）集合;T表示變遷（Tran-sition）集合;F是網的流關系（Flow）。

2.2.2? Petri網的圖形表達

Petri網以圖形的方式描述系統，使復雜系統形象化，其分層建立的特點便于描述分布式遞階系統，并可以在描述系統靜態特性的同時，描述動態特性。

3? 使用Petri網建模方法建立某無人機系統放飛指揮流程模型

本文以某型無人機系統所固有的硬件條件以及其規程規定的操作及合格操作結果作為資源基礎和資源狀態，利用Petri網建模方法建立放飛指揮流程以及用語規范。

3.1? 指揮用語示例

放飛過程中的指揮要求表達準確、內容完整，則在用語的規定上力求簡潔、全面、清晰，采用先呼叫對方，指令發出方再表明身份，最后發出命令，指令接收方要表明自己已經收到，并執行操作后及時回報操作執行的最新狀態，用語示例如圖1所示。

3.2? 利用Petri網建立可視化放飛流程

定義每個崗位為一個庫所，庫所可以存放資源或狀態元素;每個崗位的一次完整操作以及操作結果為一個環節;環節中所需人員、設備、耗材以及客觀放飛條件（如天氣情況、空域情況等）作為資源，資源抽象集合后的狀態稱為狀態元素;資源的消耗、使用及產生對應于狀態元素的變化稱為變遷。

由此，我們列出每一個庫所中所需資源，如飛行使用的場站設備設施、保障車輛、氣象條件、工具設備等，從宏觀的角度對各離散事件進行排序，其中方格所代表的崗位操作為流程的變遷，有向弧代表狀態元素變遷的方向，圓圈代表對應崗位滿足操作要求后的新狀態，即庫所。本例中放飛流程的指令規定由試驗指揮員統一發出并接收反饋，也即認為令牌的數量始終只有一個，且來自同一主體。因此，本示例中不標出實心圓點表示的令牌，由前述規則產生宏觀工作流程圖，如圖2所示，由于篇幅所限，宏觀指揮流程圖只做一示例，如圖3所示。另外，我們將外界可能隨時終止放飛的獨立條件設置為孤島，表達相應崗位通過自身資源的狀態元素改變得出的令牌所隨時可能觸發的變遷，如圖2中Pix和Tix環節。

4? 結? 論

通過對無人機系統放飛流程的梳理和結合Petri網建立可視化流程及用語，本文主要解決了以下問題：（1）根據無人機系統放飛所需資源、規程規定所需完成操作、客觀條件等完成了對放飛流程的整合，理清了各操作環節之間的邏輯關系;（2）利用Petri網建模方法對放飛流程進行了建模，對流程中的各因素以及命令執行的動態過程進行了抽象，為未來多型無人機的放飛流程通用化提供思路;（3）對放飛所需求的資源進行整合，方便對放飛所需資源進行評估。

同時，本文值得延伸探究的問題有以下兩個方面：（1）對于資源分類的問題沒有在流程中解決，后續涉及不同單位分類時，可加入相應標簽戳繼續討論;（2）未來可利用基于顏色的高級Petri網絡細分各環節的執行者、資源的技術支持方以及設備的狀態等。

參考文獻：

[1] 曹宜英，秦現生，張曉云.基于多色Petri網的產品開發過程建模 [J].系統工程理論與實踐，2010，30（5）：909-918.

[2] 韓云祥，湯新民，韓松臣，等.基于微分Petri網的民機航跡演化通用模型構建 [J].南京航空航天大學學報，2014，46（2）：322-328.

[3] 杜玉越，朱鴻儒，王路，等.一種基于邏輯Petri網的過程挖掘方法 [J].電子學報，2016，44（11）：2742-2751.

作者簡介：沈曉帆（1985.03-），男，漢族，陜西岐山人，本科，工程師，機務，研究方向：大型無人機系統操作及維修保障。