一种基于DEVS理论的虚拟维修系统模型的研究

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摘 要：随着计算机技术的发展，虚拟现实技术广泛应用于虚拟维修领域，但不同的虚拟维修平台缺乏统一的形式化描述，该文基于DEVS（Discrete Event System Specifications，DEVS）理论，提出了一种统一的虚拟维修系统模型，并搭建了柴油机喷油器虚拟拆装系统。

关键词：虚拟维修 DEVS 模型 Virtools

中图分类号：TP393.01 文献标识码：A 文章编号：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

虚拟现实技术是随着计算机技术发展，尤其是计算机仿真技术发展而兴起的一门多学科综合技术，将视觉、听觉和触觉系统融合到虚拟的立体环境中，使用户沉浸其中，产生逼真的感觉[1]。其应用范围覆盖军事仿真、文化教育等多个领域，虚拟维修技术正是虚拟现实技术与维修技术培训结合的产物，将维修过程的培训和演示通过虚拟现实技术展现出来，不仅对提升维修人员的训练效果和技能水平有明显的促进作用，而且整个系统状态稳定，重复性好，故障率低。

国外一些机构很早就建立了自己的虚拟维修系统[2]，从1995年起，美国的洛克希德马丁公司就开始研究虚拟维修技术，并应用于F16和F22等战机的研发中，取代的物理样机和金属模型，促进了维修分析的标准化和信息共享交流，取得了显著成效；国内对虚拟维修技术的研究今年来也取得了长足进步，如国防科技大学研制的某型号直升机虚拟维修系统；清华大学研制的航空虚拟维修系统以及江苏大学研制的船用柴油机虚拟维修系统等。这些系统针对特定的应用领域，采用不同的技术实现，其虚拟维修平台和虚拟维修设备均缺乏统一的形式化描述。本文针对这一问题，提出了一种基于DEVS（Discrete Event System Specifications，DEVS）的虚拟维修系统模型，对虚拟维修系统进行了统一的描述。

1 DEVS理论

DEVS 是美国学者 Bernard P. Zeigler提出的一种离散事件系统形式化描述模型[3]。在该模型中，事件被划分为多个独立的分系统，每一个分系统都具有相对独立的内部结构和I/O接口，利用这些独立的分系统，描述整个事件，具体的内容包括系统对外部的输出、系统内部状态的转变以及系统对外部事件做出的响应等等。这样的模型被称作DEVS原子模型，即Atomic DEVS。用形式化的表达方法即[4]：

Atomic DEVS ={X， Y， S，δint，δext，λ， ta}

其中，X是输入集；Y是输出集；S是系统的有序状态集；ta为时间推进函数，当ta（s）=+∞时，系统的状态不发生改变，当ta（s）=0时，系统处于瞬时状态，此时对系统状态的求解不消耗时间，所以在该状态下，系统的运行与仿真时钟无关；Q={（s，e）"s∈S，0≤e≤ta（s）}是atomic DEVS的全状态集合，其中e表示系统在状态S停留的时间；δint表达系统内部的状态转移，表达系统在没有输入的情况下，在经历一定时间后，自动发生状态的转换，并将时间e置为零；δext则是表达系统在外部事件，或者外部输入作用的情况下，状态发生转移和变化的函数，变换完成后，时间e也置零；λ為输出函数，利用系统状态转移前的状态，在转移发生时产生输出。

将多个DEVS原子模型按照一定的规则联系在一起，构成的更大、更复杂的模型称为DEVS耦合模型，即Coupled DEVS。这样，就可以将整个系统进行模块化分割，将单个模块的描述结合起来，构成对整个系统的描述[3]。DEVS耦合模型的结构描述如下：

CoupledDEVS={X，Y，M，EIC，EOC，IC，SELECT}

其中，M是系统模型各模块构成的集合，该集合中的每一个元素都是一个DEVS原子模型；EIC表达外部输入，将作用到整个系统的外部输入转化和连接到对应各模块的输入端；EOC表达系统外部输出，该输出是由系统内部不同模块产生的，通过一定的耦合规则，构成了系统的外部输出；IC表达不同模块之间的连接关系，即模块与模块之间的数据传送；SELECT表达系统的优先级选择，在对模块进行优先级排序的前提下，将优先级最高的模块输出作为系统输出[4]。在 DEVS中，利用仿真器实现模型的功能，两者之间是一一映射。

2 虚拟维修系统的DEVS模型

2.1 虚拟维修系统中实体的DEVS模型

根据DEVS理论，虚拟维修系统应包含（Virtual Maintaining System，VMS）可以分为虚拟角色（Virtual Character，VC）、虚拟设备（Virtual Instrument，VI）、虚拟场景（Virtual Scenes，VS）三大元素[5]，即：

VES ={VS， VCi， VIj |i，j∈N}

虚拟角色（VC）是虚拟维修中进行维修工作的主体，本身并不具备决策的能力，只具备执行的能力，根据操作者的指令，按照既定的程序完成位置的变换和对虚拟设备的维修工作。

虚拟设备（VI）是虚拟维修中涉及到的仪器和设备，和实物一样，虛拟设备也具备信号的接收、处理和输出功能，并对其形状/特性和使用规则做了明确，可以独立进行工作。同时，可以根据训练需求对虚拟设备的故障进行预先设定。虚拟设备DEVS模型框架与虚拟血色模型框架类似，抽象仿真器以设备模型为基础进行抽象，功能模块根据虚拟角色的操作完成执行设备的对应功能。虚拟设备模型框架中新增了交互模块，定义虚拟设备与外界的交互方式，产生交互事件，完成人机交互。这一模块的主要用于系统管理者进行故障设置时使用。

虚拟场景（VS）是对维修环境的仿真，主要包括：虚拟角色的活动空间（Space）、可操作的设备三维模型、维修所需的工具（Instrument）和常见故障的判断方法（Method）、各设备之间的关联方案（Relation）、设备正常运转所需的其他物质条件。

2.2 虚拟维修系统的耦合模型

在前面分析的基础上，我们构建了虚拟维修系统的耦合模型，如图1所示。整个虚拟维修系统由三类DEVS源自模型组成，分别是虚拟角色、虚拟设备和虚拟场景。其中，用户通过可视化的图形接口（GUI）与系统进行交互，信息分为系统信息和角色操控信息，交互接口感知信息后进行仿真运算，控制虚拟角色对设备进行维修，或者由虚拟场景直接对设备施加干预。虚拟角色在于虚拟场景进行互动过程中也要进行信息传输和处理，如取工具、避开障碍等等，力求实现逼真的虚拟维修效果。整个系统根据独立的仿真时钟运行，依托输入输出接口进行信息交换。

3 虚拟维修系统的实现

目前，开发复杂系统最有效的方法即面向对象技术，所谓对象，就是现实环境中的实体，每一个实体都是一个完整的系统，具备信息接收和处理、状态转移等特性，复用性、交互性和扩展能力较好[6]。一个虚拟维修系统由一个虚拟场景和多个虚拟设备以及虚拟角色组成，虚拟场景、虚拟设备和虚拟角色是一个个独立的实体，因此，面向对象的技术可以较好的应用到虚拟维修系统的实现中。

用面向对象的方法实现了虚拟现实各个组成部分的模块化，利用三维建模平台搭建虚拟场景、虚拟角色、虚拟设备的三维模型，利用Virtools虚拟现实技术中不同的Building Blocks构建信息交互接口和仿真运算模块[7]。图2是利用该技术搭建的柴油机喷油器虚拟拆装系统。

参考文献

[1]胡西伟.基于三维动画与虚拟现实技术的理论研究[硕士]：武汉大学；2005：53.

[2]姜学智，李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报.2004，23（2）：238-240.

[3]李昕龙，向毛.基于DEVS理论的指控系统建模与分析[J].系统仿真学报，2015，27（8）：1708-1714.

[4]唐俊，张明清，刘建峰.离散事件系统规范DEVS研究[J].计算机仿真，2004，21（6）：62-64.

[5]孙显营.面向对象车辆动力学系统建模研究及应用[J].[硕士]：昆明理工大学，2002.

[6]黄秀丽.面向对象的微机接口虚拟实验建模技术研究[J].中国科技信息，2009（4）：136-137.

[7]胡亮，王兰美，宋宏鹏，等.SolidWorks、3DSMax结合Virtools实现虚拟现实应用研究[J].山东理工大学学报（自然科学版）.2010，24（3）：103-106.

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