沈晓帆 张展赫 周晓卫

摘  要：针对近年来我军多型号无人机科研任务飞行的新常态，本文采用基于包含狭义时序的Petri网建模方法对无人机系统放飞流程进行建模。首先在不同型号所使用的放飞流程及用语的基础上，对建模对象“无人机放飞指挥操作流程”中的构成元素和执行条件进行了重新定义，简要介绍了基础Petri网建模方法以及契合本模型符合狭义相对论时序的特点。最后，举例建立了以本文所述方法为基础的无人机放飞指挥流程，提出了结合令牌维度的树状组织结构图和资源管理表的方法扩展到Petri网的流程及模型，旨在为当前及未来其他无人机型号放飞指挥操作流程以及用语体系的建立提供思路。

关键词：无人机系统;放飞流程;指挥操作流程;指挥用语

中图分类号：TP301.1;E072      文献标识码：A 文章编号：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，无人机系统发展迅速，各型无人机在保障设计理念方面不尽相同，在放飞指挥流程方面各成体系，就目前各型无人机放飞指挥流程而言，多侧重于以放飞阶段为分类依据，以清单式的单一模式进行指挥，而对于各环节中的地域、岗位、资源以及耗时的因素未做出相应的描述。本文以试验指挥为核心，对包含以上各因素的指挥流程进行通用化建模。

1  无人机系统放飞指挥流程

流程的建立是从执行的角度针对个人或者组织确立的目标进行部署，从而实现既定的决策目标。在工程问题中，工作流程通常由资源、过程、过程中的相互作用（即结构）、结果、对象和价值六个要素构成，串联起来即为：流程的输入资源、流程中的若干活动、流程中的相互作用（例如：串行还是并行，哪个活动先做，哪个活动后做）、输出结果、对象、最终流程创造的价值。

相似地，我们可以将放飞指挥流程有选择性地抽象成流程模型，现对无人机系统放飞指挥流程做出如下定义：

定义1：无人机系统放飞指挥流程是指导无人机系统通过有序执行各岗位任务从而最终完成放飞任务的操作过程，由约定进行的多个岗位的若干操作和放飞条件组成，每一个操作结果和完成状态组合成一个基本环节，每一个基本环节构成完整的放飞指挥流程。

定义2：无人机系统放飞指挥流程模型是指由各型号无人机放飞流程抽象出来的具有阶段性、通用性和模块性的流程模型，包括各环节显性内容、隐性内容（输出结果和条件满足情况）、操作内容、状态元素、描述环节间的依赖关系的流程逻辑、资源利用状况和命令的流动。

对以上定义中使用的几个概念做出如下阐述，环节是指挥流程中以各岗位进行工作的单位;一个操作产生的信息如果是选择后继操作的依据，则称该信息为显性内容，否则称为隐性内容;操作内容是指岗位作为操作主体在约定阶段执行的约定任务;状态元素是指资源的抽象集合表述;若工作流程中后一个操作的执行依赖于前一个操作的结果，则称这两个操作之间存在因果依赖关系;工作流程中前一个流程的结果决定后一个流程的走向，则称这两个操作的前后关系为选择依赖;工作流程中完成操作的人员、设备、耗材等必要支持统称为资源;指挥中心（岗位）发出的操作指令称为命令。

放飞指挥流程的建模，不仅要如实反映各个岗位的工作过程，更深层的目的是希望发现流程中的冲突问题，建立放飞过程中突发情况快速应急机制，使得放飞过程更加有序，保持指挥机构中各组成部分的密切高效配合，并对放飞过程中资源需求、资源合理分配、命令合理下达等进行整体评估，以作为制定飞行计划的参考。

2  Petri网建模方法

2.1  Petri网的基本概念

Petri网是对离散并行系统的数学表示。Petri网是20世纪60年代由卡尔·A·佩特里发明，适用于描述异步的、并发的流程模型，具有丰富的系统描述手段和系統行为分析技术，适用于对离散事件动态系统的建模，广泛应用于制造系统、计算机系统、通讯系统的建模与分析。

Petri网是一种网状信息流模型，包括库所和变迁两类节点，同时在库所集上添加表示状态信息的托肯分布（标识）。库所表示条件、资源、等待队列和信道等。变迁表示事件、动作、语句执行和消息发送/接受等。一个变迁（事件）有一定数量的输入和输出库所，分别代表事件的前置条件和后置条件。库所中的托肯代表可以使用的资源数量或数据。

2.2  Petri网络的表达

2.2.1  Petri网的数学表达

Petri网用一个三元组表示的PN=（P，T;F），其中P是一个有限的库所集合，T是一个有限的变迁集合，F是流关系集合，并满足以下条件：

其中：

这里：P表示库所（Place）集合;T表示变迁（Tran-sition）集合;F是网的流关系（Flow）。

2.2.2  Petri网的图形表达

Petri网以图形的方式描述系统，使复杂系统形象化，其分层建立的特点便于描述分布式递阶系统，并可以在描述系统静态特性的同时，描述动态特性。

3  使用Petri网建模方法建立某无人机系统放飞指挥流程模型

本文以某型无人机系统所固有的硬件条件以及其规程规定的操作及合格操作结果作为资源基础和资源状态，利用Petri网建模方法建立放飞指挥流程以及用语规范。

3.1  指挥用语示例

放飞过程中的指挥要求表达准确、内容完整，则在用语的规定上力求简洁、全面、清晰，采用先呼叫对方，指令发出方再表明身份，最后发出命令，指令接收方要表明自己已经收到，并执行操作后及时回报操作执行的最新状态，用语示例如图1所示。

3.2  利用Petri网建立可视化放飞流程

定义每个岗位为一个库所，库所可以存放资源或状态元素;每个岗位的一次完整操作以及操作结果为一个环节;环节中所需人员、设备、耗材以及客观放飞条件（如天气情况、空域情况等）作为资源，资源抽象集合后的状态称为状态元素;资源的消耗、使用及产生对应于状态元素的变化称为变迁。

由此，我们列出每一个库所中所需资源，如飞行使用的场站设备设施、保障车辆、气象条件、工具设备等，从宏观的角度对各离散事件进行排序，其中方格所代表的岗位操作为流程的变迁，有向弧代表状态元素变迁的方向，圆圈代表对应岗位满足操作要求后的新状态，即库所。本例中放飞流程的指令规定由试验指挥员统一发出并接收反馈，也即认为令牌的数量始终只有一个，且来自同一主体。因此，本示例中不标出实心圆点表示的令牌，由前述规则产生宏观工作流程图，如图2所示，由于篇幅所限，宏观指挥流程图只做一示例，如图3所示。另外，我们将外界可能随时终止放飞的独立条件设置为孤岛，表达相应岗位通过自身资源的状态元素改变得出的令牌所随时可能触发的变迁，如图2中Pix和Tix环节。

4  结  论

通过对无人机系统放飞流程的梳理和结合Petri网建立可视化流程及用语，本文主要解决了以下问题：（1）根据无人机系统放飞所需资源、规程规定所需完成操作、客观条件等完成了对放飞流程的整合，理清了各操作环节之间的逻辑关系;（2）利用Petri网建模方法对放飞流程进行了建模，对流程中的各因素以及命令执行的动态过程进行了抽象，为未来多型无人机的放飞流程通用化提供思路;（3）对放飞所需求的资源进行整合，方便对放飞所需资源进行评估。

同时，本文值得延伸探究的问题有以下两个方面：（1）对于资源分类的问题没有在流程中解决，后续涉及不同单位分类时，可加入相应标签戳继续讨论;（2）未来可利用基于颜色的高级Petri网络细分各环节的执行者、资源的技术支持方以及设备的状态等。

参考文献：

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作者简介：沈晓帆（1985.03-），男，汉族，陕西岐山人，本科，工程师，机务，研究方向：大型无人机系统操作及维修保障。