夏文俊

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

面向復(fù)雜工程系統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用研究

夏文俊

(浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004)

現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)認(rèn)知上的復(fù)雜性和仿真過程中的計(jì)算復(fù)雜性，導(dǎo)致復(fù)雜工程系統(tǒng)的建模與仿真方法不同于一般工程系統(tǒng).根據(jù)復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理與施工的一般習(xí)慣，運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，將建模仿真過程分為面向不同層次工程施工管理人員與施工操作技術(shù)人員的結(jié)構(gòu)化任務(wù)建模和面向仿真技術(shù)人員的模塊化實(shí)體建模2大階段.分階段面向不同層次管理需求的建模方法,降低了復(fù)雜工程系統(tǒng)虛擬施工過程建模的復(fù)雜度，所得模型能更真實(shí)地反映工程系統(tǒng)的實(shí)際施工過程，提高了建模和仿真效率.

復(fù)雜工程系統(tǒng)；虛擬仿真；元任務(wù)；任務(wù)模型；結(jié)構(gòu)化；模塊化

0 引 言

復(fù)雜工程系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和系統(tǒng)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，而將設(shè)計(jì)結(jié)果付諸實(shí)施的施工過程同樣也是復(fù)雜的.大型復(fù)雜工程對建造精度、環(huán)境、時(shí)間等要求非常嚴(yán)格，為保證施工過程的順利進(jìn)行和施工結(jié)果的精確性，必須通過一定的技術(shù)手段來保證.利用虛擬仿真技術(shù)可以對施工過程進(jìn)行仿真分析，準(zhǔn)確及時(shí)地處理大量施工信息資料，實(shí)現(xiàn)施工過程的事前控制和動(dòng)態(tài)管理，以優(yōu)化施工方案和組織計(jì)劃，從而控制風(fēng)險(xiǎn).

本文以施工任務(wù)整體為對象，從結(jié)構(gòu)化工程任務(wù)建模和模塊化工程實(shí)體建模2個(gè)方面研究了虛擬仿真技術(shù)在復(fù)雜工程系統(tǒng)施工中的應(yīng)用.在Dassault Systemes DELMIA軟件環(huán)境下，通過一個(gè)復(fù)雜工程系統(tǒng)的虛擬施工過程的建模與仿真說明與驗(yàn)證本文思想.

1 復(fù)雜工程系統(tǒng)復(fù)雜性的處理

復(fù)雜系統(tǒng)和復(fù)雜性的研究原則是定性與定量相結(jié)合、微觀與宏觀相結(jié)合、還原論與整體論相結(jié)合、科學(xué)推理與哲學(xué)思辨相結(jié)合，在研究中需要重視對復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜性動(dòng)力特征及其運(yùn)行規(guī)律的理解[1].由于復(fù)雜系統(tǒng)所具有的涌現(xiàn)性、非線性和復(fù)雜關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)，很難自上而下建立傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型，對系統(tǒng)的微觀行為和宏觀行為也不能有效結(jié)合起來進(jìn)行分析，同時(shí)復(fù)雜系統(tǒng)所具有的不可計(jì)算性的本質(zhì)，使得數(shù)學(xué)分析方法也無能為力.因此，除了從哲學(xué)角度研究復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性之外，還需要通過計(jì)算機(jī)仿真方法演繹復(fù)雜系統(tǒng)的生命周期過程，再通過歸納方法對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以認(rèn)識復(fù)雜系統(tǒng)，是研究復(fù)雜系統(tǒng)的重要的、甚至是唯一的手段.

復(fù)雜工程系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng)的一種具現(xiàn)，計(jì)算機(jī)仿真同樣是一種行之有效的研究方法.復(fù)雜工程系統(tǒng)的建模仿真不同于一般的復(fù)雜系統(tǒng)，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)認(rèn)識的復(fù)雜性和對虛擬系統(tǒng)的仿真計(jì)算復(fù)雜性上[2- 3].因此，如何理解現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、如何使模型易于被不同層次的工程人員接受、如何使仿真模型易于建立和修改就成為復(fù)雜工程系統(tǒng)虛擬施工過程建模仿真的重點(diǎn).復(fù)雜工程系統(tǒng)的建模仿真通常是在已有較為完備的理論基礎(chǔ)上，建立機(jī)理相似的模型[4],其建模要求如下：

1)模型應(yīng)能夠被復(fù)雜工程系統(tǒng)所涉及領(lǐng)域中的不同層次的工程人員所理解.

2)模型應(yīng)具備模塊性、重用性、易修改性.復(fù)雜工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常是往復(fù)多次的過程，模型具備以上性質(zhì)有利于在設(shè)計(jì)修改后快速建立仿真模型，使建模工作量和仿真計(jì)算量控制在可承受范圍內(nèi).

2 虛擬施工過程建模與仿真分析

虛擬施工的目的是為了在實(shí)際施工前在仿真環(huán)境中檢測和分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可施工性，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方案和管理方案等進(jìn)行仿真、分析與優(yōu)化，其結(jié)果直接面向工程管理人員和施工技術(shù)人員.通過對復(fù)雜工程實(shí)際施工管理和施工過程分析，將建模工作分為2大階段：結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)建模階段和對象化施工實(shí)體建模階段[4- 5].整個(gè)虛擬施工階段分為以下幾步：

第1步，施工任務(wù)逐層分解.根據(jù)施工任務(wù)和目標(biāo)，考慮施工過程中不同層次工程管理的需要、時(shí)間規(guī)劃及功能、環(huán)境等約束條件，對施工任務(wù)進(jìn)行層次化分解，并重建子任務(wù)間的聯(lián)系.

第2步，結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)建模.在任務(wù)逐層分解結(jié)果的基礎(chǔ)上，建立每一層次子任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣，利用ISM方法建立結(jié)構(gòu)化的任務(wù)模型.

第3步，對象化仿真實(shí)體建模.根據(jù)結(jié)構(gòu)、功能、任務(wù)、環(huán)境等約束條件，對參與施工過程的所有工程實(shí)體進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性建模.

第4步，對象化仿真實(shí)體任務(wù)建模.為了簡化仿真任務(wù)流程建模工作，在施工任務(wù)模型的基礎(chǔ)上，將具備一定屬性和基本行為的仿真實(shí)體組裝成具有較大粒度、能夠完成一定工程任務(wù)的實(shí)體任務(wù)模塊.

第5步，施工過程仿真與優(yōu)化.運(yùn)行仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果對施工流程進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，從而得到可執(zhí)行的優(yōu)化方案.

幾個(gè)階段之間的任務(wù)關(guān)系如圖1所示.

圖1 虛擬施工過程

3 結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)建模

施工任務(wù)模型是結(jié)合工程目標(biāo)對任務(wù)完成方案及可能產(chǎn)生問題的結(jié)構(gòu)化描述，目的是得到工程系統(tǒng)的抽象任務(wù)描述[6- 8].為了滿足不同層次的管理人員對任務(wù)模型的需要，按照自頂向下逐層細(xì)化的原則建立結(jié)構(gòu)化的任務(wù)模型.

3.1 元任務(wù)分析

任務(wù)分解的目的是要獲得一系列的基本任務(wù)，即元任務(wù)，以便在實(shí)體任務(wù)建模時(shí)據(jù)此分解實(shí)體模型和分配施工工具.其中，元任務(wù)是指施工任務(wù)執(zhí)行過程中系統(tǒng)對應(yīng)關(guān)系相對固定、能夠?qū)崿F(xiàn)一定任務(wù)目標(biāo)或達(dá)到一定的目的、相互獨(dú)立且互不包含的最小任務(wù)單元.例如，使用天車進(jìn)行設(shè)備的起吊，天車運(yùn)動(dòng)的起訖過程即可作為一個(gè)元任務(wù).

通過對施工任務(wù)、工程管理過程與方式、實(shí)際施工過程的深入分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜工程系統(tǒng)施工的總體任務(wù)過程復(fù)雜且?guī)в幸欢ǖ碾S機(jī)性，但其組成成分可以分解成多個(gè)相對獨(dú)立的元任務(wù)事件.

劃分元任務(wù)時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則[6]：1)相對獨(dú)立性，所劃分的元任務(wù)應(yīng)滿足相對的獨(dú)立性，且又符合實(shí)際要求，在一些特殊情況下可給出一定的合理假設(shè)來滿足相對獨(dú)立性；2)不可再分性，所劃分的元任務(wù)必須簡單明了、不可再分；3)與習(xí)慣的相符性，必須充分考慮到實(shí)際施工人員的習(xí)慣，這樣才能使所建立施工元任務(wù)在實(shí)際中得到驗(yàn)證.

3.2 任務(wù)的層次化分解

如圖2所示，采用自頂向下、面向?qū)ο蟮姆椒▽?fù)雜工程的施工任務(wù)進(jìn)行逐層分解.

任務(wù)分解是在任務(wù)施工要求和管理要求指導(dǎo)下進(jìn)行的，分解所得的任務(wù)層次結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的針對性，保證了以此為基礎(chǔ)建立的任務(wù)模型易于理解，能降低復(fù)雜工程的認(rèn)識復(fù)雜度.同時(shí)，這種層次化的結(jié)構(gòu)使所建立的模型具有較好的可重用性和可修改性.

3.3 結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)模型

3.3.1 任務(wù)間相互聯(lián)系類型分析

施工元任務(wù)之間的相互聯(lián)系、相互作用關(guān)系可以歸納為3種形式[6]：1)順序型，即施工元任務(wù)間只存在單向依賴關(guān)系的先后順序約束；2)并列型，即2個(gè)或多個(gè)施工元任務(wù)之間存在相互依賴程度低的、可同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行的約束關(guān)系；3)耦合型，即2個(gè)或多個(gè)元任務(wù)間存在雙向信息交換的關(guān)系.結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 任務(wù)分解的層次結(jié)構(gòu)

圖3 任務(wù)間的3種聯(lián)系類型

3.3.2 結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)模型的建立

分解之后的施工任務(wù)的同一層內(nèi)任務(wù)間的相互聯(lián)系即為3種聯(lián)系類型中的一種或幾種；對相鄰層的任務(wù)來說，上層任務(wù)間的邏輯約束關(guān)系完全被下層子任務(wù)或元任務(wù)繼承.同層內(nèi)和相鄰層間的分解任務(wù)間的邏輯關(guān)系如圖4所示.

圖4 分解任務(wù)的層次關(guān)系

按照任務(wù)之間的相互聯(lián)系，將同層內(nèi)分解得到的n個(gè)任務(wù)ai(i=1,2,…,n)用如圖5所示n×n階的任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣表示.

圖5 任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣

元素aij表示任務(wù)ai和aj間的聯(lián)系邏輯關(guān)系，其值用0 或1表示.當(dāng)aij=0(i≠j)時(shí)，表示ai和aj之間沒有直接的聯(lián)系；當(dāng)aij=1(i≠j)時(shí)，表示ai到aj存在直接的聯(lián)系.主對角元素表示元素本身，其值用1表示.

以此結(jié)構(gòu)矩陣為基礎(chǔ)，用解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM)對其進(jìn)行進(jìn)一步分析，最終可得到反映任務(wù)實(shí)施級別劃分的遞階結(jié)構(gòu)模型.根據(jù)遞階結(jié)構(gòu)模型，即可得出在該層次中所有任務(wù)的明確聯(lián)系類型.

結(jié)構(gòu)化的任務(wù)模型是各級工程管理人員和專業(yè)施工技術(shù)人員相互交流的基礎(chǔ)，是虛擬施工任務(wù)實(shí)施的重要階段性成果.

4 模塊化實(shí)體模型建模

虛擬施工中的實(shí)體建模包括2大部分：實(shí)體結(jié)構(gòu)建模和實(shí)體任務(wù)建模.實(shí)體結(jié)構(gòu)建模是對參與工程施工過程的工程實(shí)體的幾何結(jié)構(gòu)建模、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性建模；實(shí)體任務(wù)建模是在施工任務(wù)模型的基礎(chǔ)上，將具備一定屬性和基本行為的仿真實(shí)體封裝成具有較大粒度而且能夠完成一定工程任務(wù)的實(shí)體任務(wù)模塊[9- 10].

4.1 實(shí)體結(jié)構(gòu)建模

工程對象的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型可繼承于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的3D模型，或者在仿真建模平臺中根據(jù)二維CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖樣建立仿真專用的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，其他施工工具模型、環(huán)境模型等需要在仿真建模平臺中單獨(dú)建模.

對實(shí)體模型的要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和虛擬施工中是不同的，設(shè)計(jì)模型中的很多信息在仿真中并不需要，在復(fù)雜工程系統(tǒng)的虛擬施工的仿真中，直接使用設(shè)計(jì)模型進(jìn)行仿真會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，必須對其進(jìn)行簡化.

虛擬施工過程可視化中，模型位置、姿態(tài)、空間干涉情況、安裝過程順序等的仿真分析，不需要修改模型本身的結(jié)構(gòu)參數(shù).因此，可將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為一種專門為仿真所用的文件格式，以減輕系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān).在DELMIA所支持的文件格式里，CGR格式的文件是一種單純用來進(jìn)行可視化的文件，只保存零件的外形信息，不包含任何參數(shù)化的數(shù)據(jù).例如一個(gè)圓柱體的模型文件，保存為CATPart格式的文件，占用52.8 kB的磁盤空間，而保存為CGR格式的文件時(shí)，僅占用5 kB的磁盤空間.因此，在虛擬施工的實(shí)體結(jié)構(gòu)建模過程中，可根據(jù)施工任務(wù)劃分結(jié)果，將部分實(shí)體結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的CGR格式文件，從而減輕系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的負(fù)擔(dān).

4.2 實(shí)體任務(wù)建模

實(shí)體任務(wù)模型是在系統(tǒng)整體模型形成之后，在仿真技術(shù)人員和專業(yè)施工人員交流的基礎(chǔ)上，為了表現(xiàn)工程系統(tǒng)施工演化過程中物理實(shí)體的行為軌跡、特征參數(shù)和任務(wù)目標(biāo)等信息，根據(jù)結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)模型構(gòu)建而成的.

實(shí)體任務(wù)建模具有明確的目的性，是為了完成某項(xiàng)明確任務(wù)而進(jìn)行的.從有利于工程管理的角度出發(fā)，根據(jù)任務(wù)分解的情況確定實(shí)體任務(wù)建模.實(shí)體任務(wù)建模包括面向施工過程的工程結(jié)構(gòu)實(shí)體模型分解、實(shí)體對象的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性添加、實(shí)體動(dòng)作序列設(shè)計(jì)等.

5 實(shí)例分析

某大型激光裝置的建造工程涉及大量的工程組件，施工空間有限，工程人員復(fù)雜，工程資源復(fù)雜，施工精度要求極高，不允許返工，是一個(gè)典型的復(fù)雜工程系統(tǒng).為保證工程質(zhì)量，其建造方案需要通過虛擬施工進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試及驗(yàn)證.在本文建模仿真方法的指導(dǎo)下，在Dassault Systemes DELMIA軟件環(huán)境下對該工程系統(tǒng)進(jìn)行建造仿真.

按照自頂向下的任務(wù)分解原則和任務(wù)結(jié)構(gòu)建模方法，將工程任務(wù)分解為如圖6所示的5個(gè)層次.

第1層、第2層和第3層的任務(wù)分解粒度較大，其邏輯約束關(guān)系較為明顯，不需要建立這些層的任務(wù)結(jié)構(gòu)模型.第4層和第5層的任務(wù)分解粒度較小，特別是第5層，任務(wù)粒度為元任務(wù)級，直接面向基層建造技術(shù)人員，任務(wù)間的3種聯(lián)系形式表現(xiàn)得更為明顯，在確定了任務(wù)間的約束之后，即可建立任務(wù)結(jié)構(gòu)矩陣，得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)化模型.

圖6 任務(wù)分解

圖7 第5層任務(wù)模型片段

圖7所示為第5層的任務(wù)模型片段.在該5層任務(wù)模型中，前4層任務(wù)模型和工程管理密切相關(guān)，第5層的任務(wù)模型和實(shí)際施工過程緊密相關(guān).

仿真實(shí)體建模中，在DELMIA仿真平臺上建立工程對象、施工工具、環(huán)境、人體等仿真實(shí)體模型，同時(shí)在Device Building模塊中定義各種運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)屬性.根據(jù)所要仿真的任務(wù)層次，將實(shí)體模型分解到相應(yīng)的粒度.根據(jù)第5層的任務(wù)模型，得到每個(gè)實(shí)體所參與的任務(wù)序列，再針對每個(gè)元任務(wù)建立相應(yīng)的動(dòng)作序列，按照任務(wù)序列的順序?qū)?dòng)作序列連接之后即可得到施工任務(wù)的仿真流程.圖8所示為安裝某個(gè)對象時(shí)的仿真截圖.

圖9所示為在DELMIA環(huán)境中該安裝任務(wù)的動(dòng)作序列.

6 結(jié) 語

本文著重研究并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工程系統(tǒng)虛擬施工的結(jié)構(gòu)化施工任務(wù)建模和模塊化實(shí)體結(jié)構(gòu)建模，對虛擬施工的元任務(wù)、虛擬施工任務(wù)的層次化分解和結(jié)構(gòu)化建模、虛擬施工實(shí)體及其實(shí)體任務(wù)建模等進(jìn)行了分析，通過應(yīng)用于具體的工程實(shí)踐檢驗(yàn)，表明該建模與仿真方法能夠快速建立復(fù)雜工程系統(tǒng)的虛擬施工模型并進(jìn)行仿真.

圖8 虛擬施工場景截圖

圖9 施工元任務(wù)的動(dòng)作序列

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(責(zé)任編輯 陶立方)

The application of virtual simulation technology to complex engineering systems

XIA Wenjun

(CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

The cognitive complexity for actual systems and the computational complexity for simulation processes, led to the complex engineering system modeling and simulation methods different from general engineering systems. Based on the general habits for complex engineering system design, management and construction, modeling and simulation process were divided into two different stages through the virtual simulation technology; one was the structured task modeling stage oriented engineering executives and construction technicians, the other was modular entity modeling stage oriented simulation technicians. The results showed that the complexity of virtual construction process modeling approach oriented different levels of personnel was reduced, and the model became more realistic response to the actual engineering systems construction process, the efficiency of modeling and simulation was also improved.Key words： complex engineering system; virtual simulation; meta task; task model; structured; modularization

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.008

2015- 12- 20；

2016- 03- 17

夏文俊(1981-),男，河南信陽人，講師，博士.研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造.

TP391.9

A

1001- 5051(2017)02- 0168- 06