远程 UUV 指挥控制流程分层 Petri 网建模及延时分析

刘海光，张源原，李厚全

(1. 海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛 266045；2. 海军潜艇学院，山东 青岛 266199)

远程 UUV 指挥控制流程分层 Petri 网建模及延时分析

刘海光1,2，张源原1，李厚全2

(1. 海军航空工程学院 青岛分院，山东 青岛 266045；2. 海军潜艇学院，山东 青岛 266199)

对于控制节点多、流程复杂的远程 UUV 指挥控制流程建模及延时分析问题，传统建模方法往往难于对其进行详细描述和分析。文中建立远程 UUV 指挥控制流程分层延时 Petri 网模型，采用基于 Petri 网的层次化建模方法提升模型对复杂流程的表达能力，将变迁引入时间参数，使模型具备对时间的描述和分析能力，并给出不同结构的延时计算方法。仿真结果表明所建模型可用于对远程 UUV 指挥控制流程进行分析和计算，分析方法正确、适用性好，可为远程 UUV 指挥控制系统评价及完善提供参考和技术支持。

远程 UUV；分层 Petri 网；指挥控制流程；描述和分析

0 引 言

远程 UUV 工作时间长，控制节点多，进行及时有效的指挥控制是保障其任务完成的重要前提。由于远程 UUV 应用领域少、工作流程复杂，目前针对远程UUV 的指挥控制研究相对还不多。建立准确恰当的模型是从事性能研究的基础，远程 UUV 指挥控制流程具有分布、并行、异步、协调等特点，是典型的离散系统，传统流程建模方法主要有 UML、活动网络及事件驱动过程链等。UML 方法适用于以案例为驱动，以体系结构为中心的系统建模，一般灵活性较弱，语义清晰度差，难以应对复杂系统[1-2]。复杂网络法多应用于工作流建模及生产系统的建模中，虽具有较强的语义清晰度，但不具备层次分析能力[3-4]。事件驱动过程链语义清晰度弱，无法处理动态系统，不具备系统分析能力[5-6]。由于远程 UUV 指控流程复杂，传统的研究方法很难对其各个环节进行详细描述和分析。Petri 网建模方法能够完成复杂系统建模并具备强大的分析能力，其较强的层次分析能力，在描述和分析动态复杂系统流程上具有独特的优势[7-9]。Petri 网的灵活性强，可方便引入时间参数，为分析远程 UUV 指挥控制流程的延时特性提供了有力的分析工具。针对远程 UUV 指挥控制流程的复杂性及指挥决策延时时间要求，本文采用分层 Petri 网解决复杂流程建模及分层结构下的延时分析的问题。

1 分层延时 Petri 网

1.1 分层延时 Petri 网概念

分层 Petri 网（Hierarchical Petri Net，HPN）建模方法为复杂系统建模分析提供了高效的解决方案，其不但可以降低模型复杂度，而且可以提高模型利用率，降低模型分析难度[10-11]。HPN 包括库所分层和变迁分层 2 部分内容，其定义如下。

库所分层定义：设N1=(P1,T1;F1) 是顶层 Petri网，库所Pi∈P1,Pi可层次化为N2=(P2,T2;F2)，并且满足P1∩P2=Pi，T1∩T2=∅，则可用N=(P,T;F)表示N1及其库所层次化网N2，N=N1∪N2。

变迁分层定义：N1=(P1,T1;F1) 是顶层网，变迁有可层次化为N2=(P2,T2;F2)，并且T1∩T2=ti，N2的输入变迁是ts，输出变迁是te，则可用N=(P,T;F) 表示N1及其变迁层次化网N2，N=N1∪N2。

由经典 Petri 网概念可知，系统中事件的发生需要一定的时间，因此本文所说的延时只与变迁相关联，而与状态即库所无关。为解决层次化后的延时问题，提出分层延时 Petri 网（Hierarchical Timed Petri Net，HTPN）概念。

2）K是N的容量函数；

3）W是F的权函数；

4）M0为初始标识；

5）I是变迁集的时间函数DI:T→R0,R0为非负实数集。

1.2 Petri 网延时运算规则

延时 Petri 网用户可以根据不同应用定义不同的触发条件[12-13]， UUV 指控过程延时是事件发展所经历的时间，定义变迁触发条件：对于t∈T，I(t)=a，当标识M满足使能条件时，变迁t触发，经历延时时间a后，变迁t完成，当a= 0 时，延时变迁即为瞬时变迁。文中延时变迁用“□”表示，瞬时变迁用“|”表示。

不同的网络结构下，延时运算规则如下：

1）运算规则 1：顺序结构的延时

图1 所示顺序结构的延时计算公式为：

2）运算规则 2：并行结构的延时

3）运算规则 3：选择结构延时

2 远程 UUV 指挥控制流程

2.1 远程 UUV 指挥控制模式

信息化条件下指挥控制过程一般有状态感知、信息融合、命令解释及决策输出 4 个基本过程。远程 UUV指挥控制的 4 个过程由 3 个职能层共同完成，分别为指挥层、控制层及执行层，如图 4 所示。指挥层实现对远程 UUV 的指挥和环境态势掌控，进行环境态势分析和判断，负责 UUV 和各协同伙伴的联合行动。控制层负责远程 UUV 任务规划、远程控制、状态监控和情况上报。执行层负责上传 UUV 状态及环境态势信息等，接收控制层发送的遥控和任务更新信息，并最终实现决策执行。

2.2 远程 UUV 指挥控制流程描述

远程 UUV 指挥控制流程如下：

1）指挥中心根据情报信息网提供的环境态势，协调各个协同伙伴，定下决心，下达行动命令。

2）待命状态下的远程 UUV 接到行动命令后完成技术准备， UUV 装载，发射平台完成各项出航准备。

3）指挥中心向 UUV 控制系统发送作战命令，控制系统完成环境态势评估及武器任务规划并向 UUV 传送预置信息。

4）发射平台按计划出航，到达发射海域，待机等待发射。

5）经参数装订并发射后，远程 UUV 进入工作状态，UUV 向目标区域航渡。

6）UUV 发射后武器控制台实时监测 UUV 的工作状态，远程监测侦察平台实时监测海情信息， UUV 工作状态及海情实时上传指挥中心。

7）当 UUV 偏离预定航路时，武器控制系统控制其按规划航路航行，当环境态势发生变化时，根据指挥中心指令适时调整 UUV 航路或目的海域。

8）UUV 到达目的海域，进入任务模式， UUV 按照预定程序自主执行任务。

9）任务执行完毕， UUV 将任务完成情况经控制系统上传指挥中心，指挥中心评估任务执行效果，以便再次组织任务或任务结束。

3 远程 UUV 指挥控制流程建模

由以上指挥控制流程可知，远程 UUV 指控系统主要包含指控中心、控制系统、UUV 及发射平台 4 个对象，指挥控制过程主要就是对象间的交互协调通讯、指挥、控制过程。为降低模型复杂度，采用面向对象的分层 Petri 网建模方法，所建立的顶层 Petri 网模型如图5所示，模型中库所及变迁含义如表 1 所示。

表1 顶层库所及变迁含义Tab. 1 Meaning of top level places and transitions

根据研究需求，图 5 所示的模型中多个变迁可进一步层次化，其中虚线有向弧表示的是 UUV 状态监测及控制过程，在远程 UUV 指挥决策过程中，状态监测及控制是及时感知 UUV 工作状态，根据环境态势需求及时调整应对策略的过程，其对实时性要求较高，对UUV 的性能有重要影响。本文以这一过程为例进行深入分析，其变迁T3，T7，T8，T15，T16分层延时 Petri 网模型如图 6～图 10 所示。含义如表 2～表 6 所示。

表2 任务调整变迁模型含义Tab. 2 Meaning of task adjustment transition hierarchical model

表3 状态及态势感知变迁分层模型含义Tab. 3 Meaning of state and situational awareness transition hierarchical model

4 基于的 Stateflow 指控流程延时分析

为仿真分析指控流程延时特性，本文使用 Simulink环境下的 Stateflow 工具包进行仿真，Stateflow 将状态转移图和流程图等理论相结合，采用面向对象的编程思想，适合用来对 Petri 网进行仿真[14-15]。

以上远程 UUV 指挥及控制流程延时时间是基于各个阶段所需时间为常数的假定，由于实际指控过程中依据任务不同，战场态势不同，其所用时间是随机的，一般呈正态分布。假设和延时分别为 35 和 15 个时间单位，底层延时时间如图 6～图 10 所示，每个离散事件的持续时间相互独立，且满足σ2= 5 的正态分布，为取得状态监测及控制过程运行总延时情况及分布规律，在 Stateflow 环境下进行了 500 次仿真计算，总延时情况及其分布如图 11 所示。

表4 命令解释变迁分层模型含义Tab. 4 Meaning of command interpretation transition hierarchical model

表5 状态参数上传变迁分层模型含义Tab. 5 Meaning of state parameters upload transition hierarchical model

表6 目标状态修正变迁分层模型含义Tab. 6 Meaning of state adjustment transition hierarchical model

建模及分析过程表明所建模型可详细描述远程UUV 指挥控制流程，适用性较好。通过以上 2 种情况的总延时及延时分布规律可以发现，在各离散事件延时满足正态分布的情况下，总延时时间大致符合正态分布，与实际延时规律相符。模型对延时时间有良好的描述和分析功能，可以基于此模型进一步对整个指挥控制流程的时间特性进行定量及定性分析。所提出的分层延时 Petri 网可以方便对复杂流程进行建模，且降低了模型分析难度。

5 结 语

为降低模型复杂度，增强分析便利性，本文结合

分层 Petri 网及延时 Petri 网的概念，提出了分层延时Petri 网的概念，建立了远程 UUV 指挥控制流程分层延时 Petri 网模型，并对模型的延时特性进行了仿真分析。仿真结果表明所建模型准确描述了远程 UUV 的指挥控制流程，延时情况分析结果能够反映实际规律。基于所建模型不但可以对指挥控制系统其他特性进行深入分析和研究，也可为 UUV 科研人员分析指挥控制流程的合理性提供决策依据，同时为描述和分析复杂流程提供了一种便利的方法。

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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

中国博士后基金资助项目(2014M552658)

刘海光(1975 - )，男，博士，讲师，主要从事水中兵器装备保障及作战应用研究。