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    面向任務(wù)T-Petri網(wǎng)的艦載機(jī)出動(dòng)流程仿真

    2014-08-30 10:00:40司維超
    關(guān)鍵詞:停機(jī)位戰(zhàn)位偏流

    司維超,韓 維,宋 巖

    SIWeichao1,HAN Wei1,SONGYan2

    1.海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系,山東 煙臺 264001

    2.海軍航空工程學(xué)院 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部,山東 煙臺 264001

    1.Department of Airborne Vehicle Engineering,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai,Shandong 264001,China

    2.Foundation Experiment Department,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai,Shandong 264001,China

    1 引言

    航空母艦至今仍是世界各軍事強(qiáng)國海軍最重要的主戰(zhàn)裝備,其絕大多數(shù)作戰(zhàn)使命都需要并且只能由艦載機(jī)來承擔(dān)和完成[1]。合理保障艦載機(jī),對提高航母戰(zhàn)斗力具有重要的意義[2]。為了明確艦載機(jī)在出動(dòng)過程中的狀態(tài),以更好地對其進(jìn)行保障,首先需要對艦載機(jī)的出動(dòng)流程進(jìn)行分析。實(shí)際的艦載機(jī)出動(dòng)流程比較復(fù)雜,需要各部門相關(guān)人員的密切配合,涉及到艦載機(jī)在不同戰(zhàn)位間的保障[3],增加了建模的復(fù)雜性。另外,不同的出動(dòng)任務(wù)其所涉及到艦載機(jī)數(shù)量、停機(jī)位使用范圍、起飛位使用情況等各不相同,若分別對其進(jìn)行建模,則可能導(dǎo)致工作量較大及無法涵蓋所有出動(dòng)任務(wù)的情況。

    為此在分析Petri網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上,通過對艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)梳理分析,提取共同特征,建立了面向任務(wù)的T-Petri網(wǎng)模型。通過對T-Petri的基本網(wǎng)進(jìn)行簡單擴(kuò)充便可以仿真不同的出動(dòng)任務(wù),不僅簡化了出動(dòng)流程,而且可以滿足艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)的多樣性建模要求,避免了重復(fù)建模的復(fù)雜性。

    2 面向任務(wù)T-Petri網(wǎng)設(shè)計(jì)

    Petri網(wǎng)是模擬并行系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的一種強(qiáng)有力的形式化工具[4]。它能夠形象地描述系統(tǒng)的行為特性、分布式特性、異步特性、不確定性、資源競爭等,從而很好地刻畫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為,分析系統(tǒng)的性能[5-6]。

    本部分以Petri網(wǎng)為基礎(chǔ),通過歸納總結(jié)艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù),設(shè)計(jì)了一種面向任務(wù)的綜合T-Petri網(wǎng)模型,其綜合性主要體現(xiàn)可以對不同的出動(dòng)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模。

    2.1 艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)分析

    艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)總體要求是在規(guī)定時(shí)間內(nèi)為規(guī)定數(shù)量艦載機(jī)提供航空保障資源,指揮并管理各項(xiàng)航空保障作業(yè),安全保障艦載機(jī)出動(dòng)。航母作戰(zhàn)任務(wù)的多樣性[7],導(dǎo)致艦載機(jī)的出動(dòng)情況也互不相同,但是所有任務(wù)都必須給出某些特定的參數(shù),主要包括:

    出動(dòng)飛機(jī)數(shù)量:指為完成本次任務(wù)所需要出動(dòng)的艦載機(jī)的數(shù)量。

    停機(jī)位使用情況:明確待出動(dòng)的艦載機(jī)各自分別所處的停機(jī)位。

    起飛位使用情況:明確本次出動(dòng)任務(wù)需要使用起飛位的范圍。每個(gè)起飛位都固定對應(yīng)一個(gè)準(zhǔn)備位和一條起飛跑道。

    出動(dòng)任務(wù)最終完成的目標(biāo):首先,在特定的停機(jī)位使用范圍,對待出動(dòng)艦載機(jī)進(jìn)行無重復(fù)布放;其次,按事先設(shè)定的起飛位使用順序,利用盡量短時(shí)間依次出動(dòng)位于停機(jī)位上的艦載機(jī)。

    2.2 T-Petri網(wǎng)定義

    T-Petri網(wǎng)是建立在Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上,融合艦載機(jī)出動(dòng)所形成的一種特殊模型。定義如下。

    定義一個(gè)六元組 Σ=(P,T;F,K,W,M0),其中:(P,T;F)是一個(gè)基本Petri網(wǎng),P 元素是庫所(Place,即為 S元素),T 元素是變遷(Transition);K:P→N+∪{∞}是位置容量函數(shù),其中N+是指大于0的所有整數(shù)集合;W:F→N+是弧權(quán)函數(shù);M0:P→N是初始標(biāo)識(marking),滿足:?p∈P,M0(p)≤K(p),K(p)為位置 p的容量。

    在T-Petri網(wǎng)系統(tǒng)的圖形表示中,用圓“○”表示位置,用短劃線“□”表示轉(zhuǎn)移,用有向弧“→”表示有序偶,標(biāo)記仍由在位置中的黑點(diǎn)“·”來表示。對于弧 f∈F,當(dāng)W(f)>1時(shí),將W(f)標(biāo)注在弧上。當(dāng)一個(gè)位置的容量有限時(shí),通常將 K(p)標(biāo)注在位置 p的圓圈旁。若K(p)=∞,通常省略 K(p)的標(biāo)注;若 K(p)≠∞,K函數(shù)僅為 K:P→N+,此時(shí)當(dāng) K(p)=1時(shí),通常省略 K(p)的標(biāo)注。

    運(yùn)行規(guī)則:

    函數(shù) M:P→N叫做 Σ 的標(biāo)識 iff?p∈P:M(p)≤K(p),即小于額定容量時(shí)才可發(fā)生;

    一個(gè)轉(zhuǎn)移t∈T在M下是可實(shí)施的條件是:?p∈P,W(p,t)≤M(p)≤K(p)-W(t,p)

    若抑制弧起始庫所 p的容量K(p)≠0,則所限制的變遷T不能發(fā)生。

    根據(jù)艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)的特點(diǎn),T-Petri基本網(wǎng)模型應(yīng)主要包含四個(gè)模塊,分別是艦載機(jī)設(shè)置模塊、停機(jī)位設(shè)置模塊、起飛位設(shè)置模塊和艦載機(jī)起飛操作設(shè)置模塊。通過對出動(dòng)過程進(jìn)行合并抽象,以不同類來表示不同的對象,建立面向任務(wù)的T-Petri模型的基本網(wǎng)如圖1所示。

    (1)圖中圓圈代表庫所,表示某一類對象。

    艦載機(jī)庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所需要出動(dòng)的所有艦載機(jī);

    停機(jī)位庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所使用停機(jī)位;

    準(zhǔn)備位庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所使用準(zhǔn)備位;

    起飛位庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所使用起飛位;

    待起飛艦載機(jī)庫所,包含在起飛位準(zhǔn)備完畢且等待起飛的艦載機(jī);

    偏流板庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所使用偏流板;

    起飛跑道庫所,包含出動(dòng)任務(wù)所使用跑道。

    (2)長方形代表變遷,表示針對出動(dòng)任務(wù)的某種操作。

    停機(jī)位配置,指根據(jù)不同出動(dòng)任務(wù),為艦載機(jī)配置相應(yīng)的停機(jī)位。

    移至準(zhǔn)備位,指將位于停機(jī)位的艦載機(jī)移至相應(yīng)的準(zhǔn)備位待命。

    移至起飛位,指將位于準(zhǔn)備位的艦載機(jī)移至起飛位。

    起飛前準(zhǔn)備,指艦載機(jī)在起飛位進(jìn)行起飛前的準(zhǔn)備。

    起飛位動(dòng)態(tài)使用,指根據(jù)不同的出動(dòng)任務(wù),通過加入虛擬庫所,以動(dòng)態(tài)設(shè)定起飛位的使用順序。

    圖2 庫茲涅佐夫航母艦面模型

    起飛安全間隔,指相鄰艦載機(jī)安全起飛的時(shí)間間隔。

    偏流板冷卻,指艦載機(jī)由起飛位起飛后,對應(yīng)偏流板進(jìn)行冷卻。

    (3)帶圈弧線代表抑制弧[8],表示假如前面庫所中有托肯,則該變遷不發(fā)生。

    抑制弧A表示在某一起飛位的偏流板冷卻完畢之前,后續(xù)艦載機(jī)不能移至該起飛位。艦載機(jī)在起飛位起飛時(shí),高溫尾焰使偏流板急速升溫。后續(xù)艦載機(jī)必須等待偏流板冷卻完畢后,才能安全經(jīng)過偏流板移至起飛位[9]。

    為形象表述航母各戰(zhàn)位,以下給出庫茲涅佐夫號航母各戰(zhàn)位示意圖,如圖2所示。

    2.3 T-Petri網(wǎng)模塊功能分析

    本部分主要針對T-Petri網(wǎng)模型所完成的功能進(jìn)行分析。該模型通過提取不同出動(dòng)任務(wù)的共性并轉(zhuǎn)化為基本網(wǎng)的形式,使得可以通過簡單的擴(kuò)展便能夠動(dòng)態(tài)地為不同任務(wù)建立相應(yīng)的仿真模型。各模塊完成的主要功能為:

    (1)艦載機(jī)設(shè)置模塊,主要完成的功能為根據(jù)某次具體出動(dòng)任務(wù)的情況,動(dòng)態(tài)設(shè)置所需實(shí)例化艦載機(jī)對象的數(shù)量等。

    (2)停機(jī)位設(shè)置模塊,主要根據(jù)實(shí)例化的艦載機(jī)情況動(dòng)態(tài)設(shè)定所使用停機(jī)位的數(shù)量及范圍,并進(jìn)行實(shí)例化。

    (3)起飛位設(shè)置模塊,該模塊包括準(zhǔn)備位設(shè)置和起飛位設(shè)置兩部分。準(zhǔn)備位主要是為等待進(jìn)入起飛位的艦載機(jī)提供臨時(shí)停機(jī)位,與起飛位是一一對應(yīng)的。此處根據(jù)出動(dòng)任務(wù)要求,動(dòng)態(tài)實(shí)例化準(zhǔn)備位和起飛位,完成對艦載機(jī)的“加載”及放飛前準(zhǔn)備操作。

    (4)起飛操作設(shè)置模塊,主要完成的功能包括實(shí)例化起飛跑道;根據(jù)任務(wù)要求動(dòng)態(tài)配置起飛位使用順序;根據(jù)艦載機(jī)出動(dòng)順序、起飛位使用順序,在滿足安全間隔的前提下[10],動(dòng)態(tài)放飛艦載機(jī);實(shí)例化偏流板,在艦載機(jī)起飛后,執(zhí)行對偏流板的冷卻操作。

    面向任務(wù)的T-Petri網(wǎng)模型可以通過對其基本網(wǎng)進(jìn)行簡單的實(shí)例化擴(kuò)充,便可以動(dòng)態(tài)的與某一具體任務(wù)對應(yīng)起來,避免了要為每個(gè)不同任務(wù)分別建立不同基本網(wǎng)模型的復(fù)雜性。它是建立在Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上的進(jìn)一步抽象,將不同出動(dòng)任務(wù)所要求對象的多樣性以類的方式予以概括,針對某一具體任務(wù)再對所有類進(jìn)行實(shí)例化,它用在艦載機(jī)調(diào)度方面除具有Petri網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)[11]外,還具有以下優(yōu)點(diǎn):

    (1)T-Petri網(wǎng)能很好地描述艦載機(jī)出動(dòng)過程中的并發(fā)和順序的關(guān)系。

    (2)T-Petri網(wǎng)模型特別適合用于描述以有規(guī)則的流動(dòng)行為為特征的動(dòng)態(tài)系統(tǒng),因?yàn)門-Petri網(wǎng)是借助標(biāo)志和網(wǎng)來運(yùn)行規(guī)則的,可以自由地運(yùn)行。

    (3)T-Petri網(wǎng)的圖形表達(dá)方式,非常容易理解,而且可讀性也很強(qiáng),并且可以直觀地看到艦載機(jī)整個(gè)出動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)變化。

    (4)T-Petri網(wǎng)模型是從組織結(jié)構(gòu)和控制的角度,去模擬艦載機(jī)出動(dòng)的,并沒有涉及艦載機(jī)出動(dòng)所依賴的具體細(xì)節(jié),例如艦載機(jī)的出動(dòng)過程是以艦載機(jī)在停機(jī)位布放完畢為前提的,而在T-Petri網(wǎng)模型中并沒有具體考慮艦載機(jī)的布放細(xì)節(jié);為了完成起飛操作,艦載機(jī)需要在不同戰(zhàn)位間進(jìn)行移動(dòng),而在T-Petri網(wǎng)模型中也沒有體現(xiàn)其移動(dòng)的細(xì)節(jié)。T-Petri網(wǎng)是對實(shí)際的艦載機(jī)出動(dòng)過程共性的高度抽象概括,簡化了建模的復(fù)雜性。

    3 艦載機(jī)出動(dòng)流程仿真

    為了清楚地表示T-Petri網(wǎng)模型的仿真過程,此處以庫茲涅佐夫號航母的艦載機(jī)出動(dòng)流程為例進(jìn)行分析。

    3.1 基礎(chǔ)模型建立

    (1)艦面戰(zhàn)位設(shè)置

    艦載機(jī)在出動(dòng)過程中,需要在不同戰(zhàn)位完成不同的操作,為此需要首先對航母艦面各戰(zhàn)位進(jìn)行數(shù)字化建模,如圖2所示。庫茲涅佐夫號航母[12]具有3個(gè)起飛位(1號、2號及3號),對應(yīng)有3個(gè)噴氣偏流板和3個(gè)準(zhǔn)備位;3條起飛跑道,其中1號和2號跑道為短跑道,3號跑道為長跑道,且1號和3號部分重合;停機(jī)位主要位于右舷及左舷后部,圖2列出了常用的10個(gè)停機(jī)位,并分別進(jìn)行了編號。

    (2)艦面戰(zhàn)位間距離計(jì)算

    在計(jì)算艦載機(jī)出動(dòng)時(shí)間時(shí),要考慮艦載機(jī)由停機(jī)位移至準(zhǔn)備位的時(shí)間,為此需要測量停機(jī)位與準(zhǔn)備位間的距離。此處為了更近似表示艦載機(jī)的移動(dòng)路線[13],利用弧線予以表示。如圖3所示。

    圖3 距離測量示意圖

    由此給出各戰(zhàn)位間示意距離測量如表1所示。

    表中“AABBCC”含義為:AA代表艦載機(jī)在兩點(diǎn)之間近似移動(dòng)距離;BB代表艦載機(jī)在起點(diǎn)的朝向與起點(diǎn)和終點(diǎn)連線的夾角;CC代表起點(diǎn)和終點(diǎn)直線距離。

    3.2 實(shí)例仿真

    (1)出動(dòng)任務(wù)及出動(dòng)流程描述

    此處以某一出動(dòng)任務(wù)X作為具體的仿真實(shí)例。任務(wù)X描述如下:假設(shè)出動(dòng)4架艦載機(jī),以A、B、C、D表示,其所在停機(jī)位分別為 aA,aB,aC,aD;順序使用1、2、3號起飛位執(zhí)行起飛操作。

    對應(yīng)于任務(wù)X下的4架艦載機(jī)的出動(dòng)流程描述如下:

    在開始執(zhí)行出動(dòng)任務(wù)時(shí),艦載機(jī)A、B、C在滿足移動(dòng)安全的前提下,由各自的停機(jī)位分別移至1號、2號、3號起飛位,并進(jìn)行起飛前準(zhǔn)備。

    艦載機(jī)A在1號起飛位準(zhǔn)備完畢后,進(jìn)行起飛。此時(shí),1號偏流板迅速放下并開始冷卻。

    艦載機(jī)B在2號起飛位準(zhǔn)備完畢,且距離艦載機(jī)A起飛一定安全時(shí)間間隔后,B由2號起飛位進(jìn)行起飛。2號偏流板迅速放下并開始冷卻。

    艦載機(jī)C在3號起飛位準(zhǔn)備完畢,且距離艦載機(jī)B起飛一定安全時(shí)間間隔后,C由3號起飛位進(jìn)行起飛。3號偏流板迅速放下并開始冷卻。

    艦載機(jī)D在C起飛完畢后,開始由其所在停機(jī)位aD移至1號準(zhǔn)備位。在1號偏流板冷卻完畢的前提下,D由1號準(zhǔn)備位進(jìn)一步移至1號起飛位進(jìn)行起飛前準(zhǔn)備,并執(zhí)行起飛操作。

    (2)任務(wù)X的T-Petri網(wǎng)模型建立及仿真對應(yīng)于任務(wù)X的T-Petri網(wǎng)模型為如圖4。

    ①庫所初始化

    s1庫所表示實(shí)例化的艦載機(jī)A;s2庫所表示實(shí)例化的艦載機(jī)B;s3庫所表示實(shí)例化的艦載機(jī)C;s4庫所表示實(shí)例化的艦載機(jī)D。

    s5庫所表示實(shí)例化的停機(jī)位aA;s6庫所表示實(shí)例化的停機(jī)位aB;s7庫所表示實(shí)例化的停機(jī)位aC;s8庫所表示實(shí)例化的停機(jī)位aD。

    s9庫所表示實(shí)例化的1號準(zhǔn)備位;s10庫所表示實(shí)例化2號準(zhǔn)備位;s11庫所表示實(shí)例化的3號準(zhǔn)備位。

    s12庫所表示實(shí)例化的1號起飛位;s13庫所表示實(shí)例化2號起飛位;s14庫所表示實(shí)例化的3號起飛位。

    s15、s16、s17庫所表示位于起飛位的艦載機(jī)準(zhǔn)備完畢后的狀態(tài)。

    s18庫所表示實(shí)例化的跑道。

    s19庫所表示實(shí)例化的1號偏流板。

    s20、s21庫所表示設(shè)定起飛位使用順序的虛擬庫所,由此設(shè)定的順序?yàn)椤?-2-3-1”。

    ②變遷初始化

    t1、t2、t3、t4變遷表示設(shè)定艦載機(jī)的停機(jī)位,T(t1)=T(t2)=T(t3)=T(t4)=0。

    t5、t6、t7、t8變遷表示艦載機(jī)由停機(jī)位移至準(zhǔn)備位操 作 ,T(t5)=TA(aA,1P),T(t6)=TB(aB,2P),T(t7)=TC(aC,3P),T(t8)=TD(aD,1P)。

    t9、t10、t11變遷表示艦載機(jī)由準(zhǔn)備位移至起飛位,T(t9)=T(t10)=T(t11)=TnMov。

    t12、t13、t14變遷表示艦載機(jī)在起飛位進(jìn)行準(zhǔn)備,T(t12)=T(t13)=T(t14)=TnPre。

    表1 距離測量計(jì)算結(jié)果

    t15、t16、t17變遷表示起飛位上的艦載機(jī)執(zhí)行起飛操作,T(t15)=T(t16)=T′nRun,T(t17)=T″nRun。

    t18變遷表示艦載機(jī)起飛后需要等待安全間隔,T(t18)=TnSafe。

    t19變遷表示艦載機(jī)起飛后對應(yīng)的偏流板需要進(jìn)行冷卻,T(t19)=Tn(1Cold)。

    ③抑制弧初始化

    y1、y2、y3、y4表示常規(guī)抑制弧。

    y5、y6、y7、y8表示在艦載機(jī)C起飛完畢前,艦載機(jī)D不能移至1號準(zhǔn)備位,以避免發(fā)生碰撞。

    ④托肯初始化:由于本波次4架艦載機(jī)均位于停機(jī)位,所以初始令s1、s2、s3、s4中各包含一個(gè)托肯。

    所涉及各符號定義如表2所示。

    利用Tina 2.10.0仿真軟件[14]對圖4所示的T-Petri網(wǎng)進(jìn)行仿真模擬。假設(shè)艦載機(jī)A所在停機(jī)位aA=1;艦載機(jī)B所在停機(jī)位aB=2;艦載機(jī)C所在停機(jī)位aC=9;艦載機(jī)D所在停機(jī)位aD=3。對仿真過程進(jìn)行記錄,并提取相關(guān)時(shí)間,建立甘特圖[15]如圖5。

    (3)結(jié)果分析驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,此處首先通過對任務(wù)X的出動(dòng)流程進(jìn)行分析,給出4架艦載機(jī)的出動(dòng)時(shí)間計(jì)算公式;然后,利用公式對任務(wù)X的出動(dòng)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算;最后,通過比較仿真和計(jì)算所得結(jié)果的一致性,以判斷利用T-Petri網(wǎng)對艦載機(jī)出動(dòng)流程進(jìn)行仿真的可行性。

    4架艦載機(jī)的出動(dòng)時(shí)間計(jì)算公式為:

    圖4 任務(wù)X的T-Petri網(wǎng)模型

    表2 符號定義

    圖5 任務(wù)X艦載機(jī)起飛流程甘特圖

    其中

    通過代入相應(yīng)數(shù)值,計(jì)算任務(wù)X中4架艦載機(jī)的出動(dòng)時(shí)間為126 s,這與利用T-Petri網(wǎng)仿真結(jié)果相吻合。平均到每一架的出動(dòng)時(shí)間約為32 s,這基本符合庫茲涅佐夫號航母的技術(shù)要求,即每架次間隔30~60 s。這表明利用T-Petri網(wǎng)對艦載機(jī)出動(dòng)流程進(jìn)行仿真的可行性和正確性。

    另外,由圖5可以比較清楚地看出每一架艦載機(jī)由停機(jī)位移至起飛位,再到起飛的整個(gè)過程,以及各架艦載機(jī)各個(gè)時(shí)刻所處的狀態(tài)。由此可以對指導(dǎo)艦載機(jī)的出動(dòng)提供輔助參考。

    4 結(jié)論

    本文針對艦載機(jī)出動(dòng)流程仿真問題進(jìn)行研究,所得結(jié)論如下:

    (1)明確艦載機(jī)的出動(dòng)流程,對更好地指導(dǎo)艦載機(jī)的出動(dòng)具有重要的意義。為此,需要對其進(jìn)行仿真。

    (2)通過對艦載機(jī)出動(dòng)流程進(jìn)行分析,建立了一種面向任務(wù)T-Petri網(wǎng)模型。該模型通過對基本網(wǎng)進(jìn)行簡單擴(kuò)充便可以仿真不同的出動(dòng)任務(wù),不僅簡化了出動(dòng)流程,而且可以滿足艦載機(jī)出動(dòng)任務(wù)的多樣性建模要求,避免了重復(fù)建模的復(fù)雜性。

    (3)通過實(shí)例仿真可知,所建立的T-Petri網(wǎng)模型用于艦載機(jī)出動(dòng)流程仿真時(shí)是可行的,且結(jié)果是比較精確的。

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