1、分布式虚拟环境下不确定性问题的探索性分析第 19 卷第 3 期2007 年 2 月系统仿真JournalofSystemSimulationVOI.19No.3Feb.2oo7分布式虚拟环境下不确定性问题的探索性分析邹湘军 1,2,顾邦军,张平,张荣明(1.华南农业大学,广州 510642;2.南华大学,湖南衡阳 421001;3 广东工业大学,广州510090)摘要:针对复杂系统决策所面临的不确定性问题以及数据的离散性 ,提出了基于分布式虚拟环境的不确定性问题的协同探索性分析方法.对复杂产品设计方案和数据进行分析和处理,建立了仿真模型,用 EONStudio 和 HLA 构建了基于探索性分析
2、的分布式体系结构 .最后给出了复杂机构的方案设计实例,用动态仿真协同探索求解系统干涉的问题,对运动特性参数进行了探索性分析,再通过聚类分析得到合理结果.关键词:分布式虚拟环境;探索性分析;协作;不确定性;复杂产品设计中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号;1004731X(2007)03068704CollaborativeExploratoryAnalysisofUncertaintyProblemBasedonDistributedVirtualEnvironmentsZOUXiang-jun._.GUBangun,ZHANGPing,ZHANGRongming(1.TheC
3、ollegeofEngineering,SouthChinaAgricultureUniversity,Guangzhou510642,China;2.NanhuaUniversity,Hengyang421001,China;3.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510090,China)Abstract:Targetingtothecomplicatedsystemdecisionwithfacinguncertaintyproblemandrandomicityanddiscretenessofdata.anewmethodofcollab
4、orativeexploratoryanalysisEA1basedondistributedvirtualenvironmentforsolutiontotheuncertaintyproblemwasproposed.Firstly,theschemeanddataofthecomplicatedproductdesignwasanalyzedandprocessedrespectively,andthesimulationmodelandthevirtualenvironmentwassetup.Secondly,thedistributedframeworkofEON-HLAbased
5、onEAwasbuiltuDwithEONStudioandHighLevelArchitecture(HLA).Thirdly,usingthecollaborativeEAsolvedtheuncertaintyproblemintheproductdesignintheenvironmentviavisualizationsimulation.Finally,anexampleforschemeofcomplexmechanismwasgivenintheenvironment,whichsolvedtheuncertaintyinterferentialproblemwithcolla
6、borativeEAanddynamicsimulation.ThekinematicafcharacteristicsparameterofthesystemwasanalyzedwithEAandclusteringmethod.TheresultoftheapplicationshowsthatthesystemiSofpracticabilityandvalidity.KeyWOrds:distributedvirtualenvironment;exploratoryanalysis;collaborative;uncertaintypblem;complicatedproductde
7、sign引言随着信息和网络技术发展,人们获取知识和求解问题变得越来越复杂.在复杂系统方案设计与决策过程中,不确定性的问题(包括知识和数据) 成为企业新产品研发,方针制订,投资与决策的重要技术问题和制约企业发展的一个主要瓶颈.信息化时代,解决复杂系统决策过程中不确定性问题已形成一个研究方向,人们在不断地寻求各种有效快捷的新方法来解决不确定性的问题.文献 I1,21 对不确定知识进行推理和融合,等效地改进了 DS(Dempster-Shafer)i据组合规则,用于复杂系统的设计与决策.为了有效和直观地解决不确定性问题,文献3】在海战效能评估中采用可视化仿真和探索性分析(EA)方法来改进战法,提高反
8、舰导弹攻击效果及节约弹药的可能性,并得到优化解,提高了结果的可信度.分布式虚拟环境(VE,VirtualEnvironments)下协同设计中的不确定性问题及其海量数据处理需更直观的方法来求收藕日期:2005,11.25 修回日期:2006.05.19基金项目 l 国家自然基金(5o475o47);广东省自然科学基金(05006661);湖南省教育厅科研项(040582);湖南省学位办研究生教研基金(04B21).作者简介:邹湘军(1957.), 女 ,湖南人,教授,博士,研究方向为虚拟现实与仿真,智能设计与制造,知识融合.解.文献4 】提出基于远程沉浸式 VE 协作探索性分析方法,用探索性分
9、析方法和虚拟现实实现分布式复杂系统方案决策和海量数据处理.在不特别强调沉浸式 VE 下,可采用虚拟现实的三个关键元素“Imagination,Interaction,Behavior“1 实现设计与决策者对不确定性问题的协同探索,做出优化决策.目前探索性分析方法用于复杂产品系统设计方案还较少,本文提出分布式 VE 的不确定性问题的协作探索性分析,结合虚拟现实与探索性分析方法求解问题,使决策者在逼真的环境下,用三维可视化和实体行为的仿真对复杂问题求解,并对复杂产品系统方案进行优化决策与评估.1 探索性分析方法EA 是上个世纪九十年代美国 Rand 公司提出的一种新的系统分析方法,主要用于大型复杂
10、系统不确定性问题的分析和辅助决策 I3J.1.1 探索性分析方法EA 方法是对各种复杂不确定问题所对应的解进行整体性和系统性的分析.帮助人们分析问题的属性,抽取知识特征利于决策.它是系统分析方法中的一种.它是基于一种哲?687?第 l9 眷第 3 期2007 年 2 月系统仿真,b1.19No.3Feb.20o7学思想,告诉人们如何剖析一个系统中的复杂问题,方案或数据集,告诉人们该找什么?怎样去找? 如何解释?最后帮助人们预测和做出优化决策.常用的 EA 方法有:输入参数探索分析,概率探索分析和混合探索分析【3】.EA 在复杂系统方案设计中的应用主要是用来解决方案设计中不确定性问题.特别是变量
11、参数的不确定性,模型的不确定性.由于 EA 方法可用不同的技术来分析数据,人们把该方法用于对数据处理,即探索性数据分析.1.2 探索性数据分析方法探索性数据分析-EDA(ExploratoryDataAnalysis)l4】告诉人们怎样剖析一个数据集,怎样对一个数据集进行分析,得出优化解.EDA 特点:耐抗性,稳健性和对不确定性的数据的分析与决策.EDA 主要分为两个阶段,探索性阶段和验证性阶段.探索性阶段主要对数据进行分析,分离出其模式和特点,再结合可视化仿真的方法把它们的特点和一些隐含属性显示出来.探索性阶段既可用于数据结构,也可灵活地展现后续分析所发现的模式和特点.验证性阶段用于评估所分
12、析和观察到的模式及其属性或者是效应的重复性和再现性.1.3EA 的可视化EA 方法以其独特的分析和可视化特点已在各个学科取得了较好的应用.EA 与可视化仿真可帮助决策者快速理解分析结果.文献5J 指出下一步这个领域的研究方向 :如何提高 EA 的网络复杂性和问题属性的理解,如何改进和提高对协作探索分析的理解.基于虚拟环境的 EA 将有效地提高决策者对问题的理解和分析能力.2 基于 EA 的分布式虚拟环境建模在分布式虚拟环境的协同 EA 中,虚拟现实的三个关键元素和 3I 特性体现了其优势,可将逼真的三维动态可视化实体,人机交互式的行为以及三维知识展现给决策人员,加快了对问题的理解和分析速度.2
13、.1 基于 EA 的 EON.HLA 的体系结构设计EON-Studio 是一种基于网络的 3D 可视化的交互虚拟现实软件,可以在网上创建三维和多媒体集成等特点的交互式VE 平台 ,提供一系列机制,适合分布式应用;它与 VRML 的相似,人机交互方式的实现是基于事件驱动与路由机制 I2】.生成的文件比 VRML 生成的小.I|_JA(HighLevelArchitecture)是由美国国防部 1995年提出的软件支撑框架,主要目的是实现各种仿真应用的集成,提高互操作性.把 HLA 作为分布式 VE 的底层支撑结构 ,能够利用其提供的一系列管理服务使对复杂方案设计与操作及其通讯处于可控状态,便于
14、数据的采集和分析 f9】.分布式 VE 的体系结构如图 1 示.oo交互处理(本地,成员)信息管理模块RTI 接口模块釜图 1 基于 EA 的 EONHLA 的体系结构2.2 分布式 vE 中数据表达形式与传输虚拟环境中不确定性的问题表达形式:数据与文本,二维和三维可视化图形,三维实体动态仿真,虚拟场景等.分布式 VE 下,模块间通过调用成员函数以及读写全局变量的方式来保证数据的流通和一致性【l1.分布式 VE 下协同探索分析对问题求解的数据交互过程除了利用数据,图形,三维动态仿真,还可以利用声音和手势等方式.3 分布式 VE 中系统方案设计的协作 EA在分布式 VE 的新产品研发过程中需要进
15、行复杂系统设计,存在着设计,方案和决策等复杂的不确定性问题.不确定性以是多种形式存在的,如系统的干涉问题属于变量参数和模型的不确定性;相似因素影响及其部分要素的实验数据是以数据的形式存在.分布式的虚拟环境 EA 分析可先对方案的变量参数进行 EA 分析,再对数据进行 EDA 分析 .以分布式 VE 下的高速贴标机开发系统(图 2)中的复杂机构运动作为应用实例来说明虚拟环境下协同 EA 的决策.图 2 分布式虚拟环境下的高速贴标机设计与仿真3.1 系统运动特性高速贴标机中的运动是复杂系统,其影响因素很多.传统的方法是先按数学模型计算和参考以前的经验数据分?688?.第 19 卷第 3 期2007
16、 年 2 月邹湘军,等:式虚拟环境下不确定性问题的探索性分析 ,b1.19NO.3Feb.2oo7析得出设计方案,对机构样机作实验,得到数据后进行分析,根据分析结果确定变量系数和权系数代入数学模型,进行修改.有时经反复试制还很难成功,因此极大地增加了成本.系统中的主要运动由凸轮机构实现.凸轮的运动规律常有正,余弦加速度,匀加速一匀减速等.为减少冲击,提高稳定性还考虑加加速度对运动特性的影响.设 v 为凸轮机构速度,为加速度,y 为位移,程,为推程角,0 为凸轮转角,则有:0=o)t式中:国为角速度,t 为凸轮转角时的时间.其运动曲线的特性方程如下:h,1.1一“1=cos2Idv.f“JI,:
17、d|ll 为推(1)(2)3.2 取标机构取标机构的主要任务是在规定的时间内自动把标签纸上从标签盒中取出一张标签纸,上好胶,再贴到运动过程中容器上指定的位置(如:酒瓶),容器作公转的同时还作自转.影响系统的要素较多(如:旋转惯性力,容器定位精度 ,取标精度,万象节运动速度的精度,滚标精度,加加速度等等).该方案设计中有运动变量参数,结构变量参数,相似机构误差实验数据.以下给出部分运动参数,详细可见参考文献【1】和【10】.取标板中心摆线的参数坐卡,示 Im:xb(t)Rt 一 si“l(3)Yb(f):Recostl上式中,Xb.Yb 为摆线二维坐标.保证取标板和曲率中心尺(见图 3)满足功能
18、要求,运动轨迹是一条直线(刚好压过标签纸,达到取纸目的),且与标签纸同宽.则:纯滚动条件是:()p(R-a)C-e-k)(4)式 qh(3)(4)qhltm 标板转动角度变量;P. 偏心值;一压缩变量;C 一标签纸最大宽度;k 一标板几何中心与回转中心在%方向上的变量;不发生干涉的约束目标:0A0.12(5)即:取标时,取标板压入标签的误差在 00.12 范围. 仿真时大于 0.12 值则发生干涉,小于 0 时,取不到标签纸.依(3),(4),(5)和式 (1),(2),实验数据进行综合分析.3.3 分布式虚拟环境的取标机构 EA 分析取标数量(生产纲领). 分析步骤如下:1)按生产纲领定出目
19、标;2)按虚拟产品开发系统中相似重用模块11 初步确定取标机构的主参数;3)利用系统设计和动态仿真得到初步参数及其方案;4)在分布式的虚拟环境进行 EA 优化,协同分析,使取标系统能达到目标;5)进行协作 EA 分析与决策,验证结果,终止,否则返回 1).3.3.1 取标系统的 EA 分析先用 EA 对变量参数和模型的不确定问题求解,可求解系统中的关键设计参数.再对系统的数据及其运动特性的实验数据进行 EDA 进行分析,抽取其属性和特征,帮助设计者进一步分析相关要素的问题和综合决策.以两个制造企业协同方案设计为例说明分析过程.在进行 EA 时,调用服务器的数据,决策者 1 用 VE 系统进行探
20、索分析,通过对不同的参数选择,决策和动态仿真,分析系统方案,如果不满足条件(5), 改变变量值,重新输入.决策者 2 可以在异地协同 EA,修改输入变量,观察仿真结果.0t?.兰曼毒毫,t:舶萤_|每?毫一一一一:叠: 冀高速贴标枫取标机构设汁及干涉检溯tt 雌埔0壮一埔 E:H忡- 一埘口奢鼬-竞千母 ?R取标板图 3 取标系统干涉的动态仿真与 EA系统结构参数方案,系统干涉的不确定问题协同探索性分析见图 3,图中通过改变变量参数输入可以得到不同的仿真结果和设计方案.每次输入的变量参数值得出的不同结果被记录在服务器的数据库中.取标机构的三维可视化动态仿真的方案设计见图 4(为了观察内部运动,
21、剖开了外壳).决策者 2 可以用手势指出想看三维动态仿真,可通过声音给出自己的分析意见.图 4 取标系统的三维动态仿真该方案设计的目标是:保证取标精度在一定的范围,满足约束条件,取标时不发生运动干涉,每小时完成给定的系统中的凸轮运动是按照式(1)(2)数学模型及其约束条?689?第 l9 卷第 3 期2007 年 2 月系统仿真,bl_19NO.3Feb.2O07件,加上修正系数进行的.该系数常由加加速度系数因子,实验权系数组成.当基本参数确定后,如果运动的突变较大,在允许位移修正范围内,可不断地对这两个系数进行修正,直到获得满意的结果.3.3.2 取标系统的 EDA 分析用 EDA 方法对系
22、统方案的部分数据进行抽取和求解.利用软件 SPSS12.0 进行分析和仿真,然后再进行聚类分析.图 5 是对部分运动参数性能的 EDA 仿真分析,用 X 坐标表示运动角度变化,),坐标表示运动参数变量(控制取标系统运动轨迹的曲率).案设计为实例,建立了求解模型,用动态仿真协同探索性求解系统干涉的不确定问题,对运动特性参数进行了探索性分析,再通过聚类分析得到合理的结果.图 6EDA 分析的部分结果参考文献:1邹湘军.虚拟环境下基于知识融合的机械产品建模与设计研究D.广东工业大学 ,2005.2邹湘军,孙健 ,何汉武,等.虚拟环境中多 Agent 决策的冲突证据合成研究J】.系统仿真,2006,18(4):1010-1014.3曾宪钊.基于作战仿真和探索性分析的海战效能评估J 】.系统仿广告索引ADI 实时解决方案 北京银凯科技有限公司】.封 2MATLABsuLINK.基于模型的设计 北京恒润科技有限公司】
