大型复杂装备虚拟操作训练系统设计方法研究

论文摘要

本文将虚拟现实技术、计算机仿真技术、人工智能技术引入大型复杂装备操作训练，设计了大型复杂装备虚拟操作训练系统，为大型复杂装备操作训练提供了一种新的途径和方法。 本文对大型复杂装备虚拟操作训练系统的结构、过程建模方法、面向Agent设计方法、联邦仿真流程进行了深入研究，提出了大型复杂装备操作训练系统通用框架、基于OKDN(Operation Knowledge Description Net)过程建模方法、大型复杂装备操作训练系统的多Agent体系，结合视景仿真循环和HLA联邦循环设计了系统的仿真流程。论文最后应用上述技术完成了某型导弹分布式虚拟操作训练系统的开发。 论文主要研究内容包括： 一、基于HLA的大型复杂装备分布式操作训练系统通用框架研究。首先对虚拟操作训练系统中的作业模型、过程模型以及它们之间的关系进行了研究，为虚拟操作训练系统过程建模指明了思路。然后研究了单操作手虚拟操作训练的结构，给出了系统构成，并进而研究了基于HLA大型复杂装备虚拟操作训练系统结构，给出了HLA联邦与虚拟操作训练的通用映射关系。最后讨论了虚拟操作训练系统面向Agent的设计方法，划分了具体的Agent。 二、虚拟操作训练系统过程建模方法研究。首先分析了操作过程建模需求，然后研究了过程建模工具UML、PERT图、Petri网和IDEF3等，提出了扩展Petri网功能进行操作训练过程建模的思路，并提出了一种用于操作训练过程建模的高级Petri网技术一操作知识描述Petri网(Operation Knowledge Description Nets，OKDN)。OKDN是在随机赋时变迁Petri网(STPM)的基础上进行扩展的，在定义中增加了固定时延量和随机延时量，并对STPN中的变迁进行重新定义，使其不仅方便描述操作过程性知识，而且能够描述操作控制型知识。 三、虚拟操作训练系统多Agent体系设计研究。分别研究了智能训练任务生成Agent(ITPA)、受训者智能评估Agent(ITEA)、智能虚拟人Agent(IVMA)和智能过程控制Agent(IPCA)的设计方法。研究了使用决策表方法实现训练目标与训练任务的映射，设计了操作——响应模型以及误操作和操作延迟数据采集算法，采用混合控制方法实现了虚拟人运动控制，并设计了一种受训者操作水平的智能评估算法。 四、虚拟操作训练系统联邦成员仿真流程设计研究。首先对智能联邦成员间交互处理Agent(IIDFA)进行了研究，将其划分为联邦对象模型设计和联邦成员间交互模型设计两部分，并分别提出了对象模型和联邦成员间交互模型的设计方法。然后在ITPA、ITEA、

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 本文研究的目的及意义
• 1.2 虚拟现实技术发展现状
• 1.2.1 虚拟现实的概念
• 1.2.2 虚拟现实系统的特征及分类
• 1.2.3 虚拟现实系统的构成和软、硬件平台开发
• 1.3 分布式交互仿真技术的特点及其应用、发展现状
• 1.3.1 分布式交互仿真技术的特点
• 1.3.2 分布式交互仿真技术的几种实现方案分析
• 1.4 虚拟样机技术发展现状
• 1.5 国内外分布式仿真训练系统研究现状
• 1.6 本文主要研究内容
• 2 基于HLA大型复杂装备虚拟操作训练系统通用框架研究
• 2.1 虚拟操作训练系统作业模型和过程模型
• 2.1.1 作业模型
• 2.1.2 过程模型
• 2.1.3 作业模型与过程模型的关系
• 2.2 单操作手虚拟操作训练系统结构研究
• 2.2.1 虚拟操作训练子系统
• 2.2.2 视景生成子系统
• 2.2.3 辅助子系统
• 2.2.4 仿真数据库
• 2.3 基于HLA大型复杂装备虚拟操作训练系统研究
• 2.3.1 基于HLA虚拟操作训练系统设计方法
• 2.3.2 基于HLA虚拟操作训练系统结构
• 2.4 虚拟操作训练系统实现方法研究
• 2.5 本章小结
• 3 大型复杂装备虚拟操作训练系统过程建模技术研究
• 3.1 操作过程建模需求
• 3.2 过程模型建模技术的比较分析
• 3.2.1 逻辑关系描述
• 3.2.2 对象类型处理
• 3.2.3 时间的处理
• 3.2.4 层次化建模
• 3.2.5 数学分析
• 3.2.6 与知识表达的关系
• 3.2.7 动态行为的描述能力
• 3.2.8 丰富的工具支持
• 3.2.9 技术的可扩展性
• 3.3 基于Petri网的操作过程建模技术研究
• 3.3.1 基本Petri网介绍
• 3.3.2 操作知识描述网OKDN
• 3.3.3 OKDN自上至下分析法
• 3.4 基于OKDN操作过程建模
• 3.4.1 基于OKDN资源建模
• 3.4.2 基于OKDN虚拟样机建模
• 3.4.3 基于OKDN操作动作建模
• 3.4.4 基于OKDN约束条件建模
• 3.4.5 基于OKDN误操作和操作延迟判断与处理建模
• 3.4.6 基于OKDN操作训练过程建模规则
• 3.5 本章小结
• 4 虚拟操作训练系统多AGENT体系设计研究
• 4.1 Agent技术在虚拟操作训练系统中的应用
• 4.2 ITPA设计
• 4.3 IPCA设计
• 4.3.1 操作——响应模型知识描述和实现
• 4.3.2 操作——响应模型中误操作和操作延迟判断
• 4.4 IVMA设计
• 4.4.1 使用空间球控制虚拟人漫游
• 4.4.2 使用位置跟踪器实现虚拟手臂状态控制
• 4.5 ITEA设计
• 4.6 本章小结
• 5 虚拟操作训练系统联邦成员仿真流程设计研究
• 5.1 IIDFA对象模型设计
• 5.1.1 HLA对象模型的特点及一般性设计方法
• 5.1.2 IIDFA对象模型设计方法
• 5.1.3 联邦对象模型的集成与测试
• 5.2 IIDFA联邦成员间交互模型设计
• 5.3 联邦成员仿真流程设计
• 5.3.1 Vega仿真循环控制机制
• 5.3.2 联邦成员执行过程分析
• 5.3.3 Vega仿真循环与联邦成员执行过程的集成
• 5.3.4 联邦成员仿真流程实现
• 5.4 本章小结
• 6 基于HLA某型导弹分布式虚拟操作训练系统设计
• 6.1 任务描述与仿真目标
• 6.2 仿真系统功能
• 6.3 系统实现的主要技术方案
• 6.4 系统开发环境
• 6.4.1 硬件开发环境
• 6.4.2 软件开发环境
• 6.5 系统设计与实现
• 6.5.1 联邦构成
• 6.5.2 虚拟操作训练过程建模
• 6.5.3 操作训练虚拟样机设计与实现
• 6.5.4 虚拟操作训练系统面向agent设计
• 6.5.5 联邦执行过程实现
• 6.5.6 视景生成子系统实现
• 6.6 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表论文和参与的课题