何 彬，馮 瑀，楊新旺

( 裝甲兵工程學(xué)院 信息工程系，北京 100072)

以往在電臺維修時，大都采用故障樹的方法對故障信息進行描述，但目前新型電臺具有狀態(tài)復(fù)雜和故障現(xiàn)象多樣性等特點，難以用故障樹去涵蓋其所有故障可能。本文采用過程建模技術(shù)，從電臺維修動作和狀態(tài)去描述整個維修過程，可以用簡單的模型涵蓋大量的故障可能，免去了原理級的分析，使虛擬維修系統(tǒng)更易于實現(xiàn)。

1 電臺維修的過程建模需求

建立的過程模型能描述整個維修過程內(nèi)的動態(tài)行為特征，研究維修過程的動態(tài)行為就可找到更好的過程控制方法或是優(yōu)化維修流程，因此，過程模型十分注重各操作間的相互關(guān)系及相互作用。電臺維修是由維修人員參與的、由多個維修操作按照一定的關(guān)系組成的、涉及多種維修工具資源的操作集合。完整的維修操作過程是由多個操作組成，每個操作的執(zhí)行都有其特定的條件。每個維修操作都可視為一個子操作，將所有的操作按照一定的約束關(guān)系連接起來，可形成完整的電臺維修過程模型。

針對電臺維修的實際需求，滿足條件的過程建模技術(shù)必須具有如下的描述能力:

1)在模型中能夠描述不同類型的維修資源或同一類型的多個資源。

2)能夠清楚地對“維修動作”與“維修狀態(tài)”這2 種不同類型的信息進行區(qū)分，并可以描述二者的約束和作用關(guān)系。

3)能夠明確表達維修操作的“前提條件”。

4)能夠?qū)S修操作時間信息進行描述，同時也能表達不同維修操作之間的時序約束。

5)能夠表達維修操作之間的各種關(guān)系，如“順序”、“并行”、“選擇”、“資源競爭”等關(guān)系。

由以上的分析可見，若要完整的表示整個維修過程，就必須要考慮到維修資源的種類、數(shù)量及時間這3 個要素。

2 基于Petri 的網(wǎng)維修過程建模技術(shù)

目前過程建模的主流技術(shù)有4 種:IDEF3、UML、PERT 圖和Petri 網(wǎng)。從對象處理能力、邏輯關(guān)系描述能力、動態(tài)行為描述能力、與知識表達的關(guān)系和技術(shù)的可擴展能力5 個方面對這4 項技術(shù)進行對比分析得出，Petri 網(wǎng)建模方法不但描述能力強，易擴展，而且與知識表示結(jié)合緊密，能夠為系統(tǒng)智能輔助維修的實現(xiàn)打下很好的基礎(chǔ)。因此，Petri 網(wǎng)作為維修過程模型的建模工具更為合適。

2.1 維修過程描述網(wǎng)MPDN

由上面分析可得，資源的種類、資源的數(shù)量和時間是電臺維修過程建模的3 個關(guān)鍵因素。但在基本Petri 網(wǎng)中，庫所( place)作為資源的表示元素，僅能表示資源的數(shù)量，不能滿足表示資源種類的需求。變遷( transition)作為維修動作的表示元素，只具有“瞬間”的特性，也不能滿足過程建模的需求。然而研究發(fā)現(xiàn)，有色Petri 網(wǎng)( color petri nets，CPN)雖不能描述時間因素，但通過“染色”的方法可區(qū)分資源種類; 而時間Petri 網(wǎng)( time petri nets，TPN)雖不能處理資源的類別，但能很好地描述時間因素。結(jié)合這兩者的特性，對基本Petri網(wǎng)進行擴展，定義了維修過程描述網(wǎng)( maintenance procedure descriptionnets，MPDN)。

定義1 MPDN 網(wǎng)模型可以定義為如下一個八元組:

1)N = ( P，T;F )是個網(wǎng)，稱為∑的基網(wǎng)。其中P ={p1，p2，…，pm}( m=)是一個庫所的有限集，表示對象的集合，它分為3 種類型:維修狀態(tài)P、不可變資源Ps1和可變資源Ps2。

T= { t1，t2，…，tn}( n=)是一個變遷的有限集，表示變遷的集合。在MPDN 中，由于電臺維修操作的特殊性，本文擴充了變遷的定義:

這里⊕表示不相交并集。Taction表示基本維修操作集對應(yīng)變遷的集合，這些變遷可以直接觸發(fā)，不需要再分解。Ttask表示抽象維修操作集，每個維修操作的執(zhí)行需要新的子網(wǎng)來替換。

2)C: P∪T→顏色集的冪集合，使得: 對于所有p∈P，C( p)是庫所p 上所有可能的托肯色之集合; C ( t )是t 上所有可能的出現(xiàn)色之集合。

3)I-和I+分別是P ×T 上的負函數(shù)和正函數(shù)，使得對所有( p，t)∈P × T: I-( p，t)∈ [C( t)MS→C( p)MS]L且I-( p，t)=0 的 充 分 必 要 條 件 是( p，t)∈F; I+( p，t)∈[C( t)MS→C( p)MS]L且I+( p，t)= 0 的 充 分 必 要 條 件是( p，t)?F。

4)M0:P→DMS，稱為∑的初始標(biāo)識，它必須滿足條件?p∈P:M0∈C( p)MS，即M0( p)是p 的托肯色集合上的多重集。

5)TL 為變遷時間標(biāo)簽集合，系統(tǒng)初始集合為空，Tj( n)表示變遷Tj在時間n 激活，變遷激活后，TL=TL+ { Tj( n )}。變遷時間標(biāo)簽的引入不僅能夠標(biāo)識電臺的操作時間，同時又可以防止變遷的重復(fù)激活。

通過以上定義可見，MPDN 網(wǎng)不僅能夠通過給托肯“染色”來區(qū)分資源的類型和數(shù)量，而且能描述過程中的操作響應(yīng)時延和完成操作的時間，因此可以很好地對電臺的維修過程進行建模。

2.2 MPDN 的分析方法

MPDN 依循先簡單后復(fù)雜、先外部后內(nèi)部、先部件后模件的順序進行分析。在MPDN 網(wǎng)中，變遷一步步被子網(wǎng)替換。通過這種方法能夠獲得一個任意大的Petri 網(wǎng)，但會增加Petri 網(wǎng)的分析難度。本文根據(jù)保持Petri 網(wǎng)的有界性和活性的理論，對MPDN 進行特定模塊的劃分，建立基本設(shè)計模塊，使原網(wǎng)模型的屬性被設(shè)計模塊替代。

1)MPDN 的基本設(shè)計模塊。MPDN 的分析方法從根本上說就是一個從上往下逐步求解的過程，使用基本設(shè)計模塊或子系統(tǒng)來代替變遷?；驹O(shè)計模塊包括順序MPDN、并行MPDN 和選擇MPDN，在這里僅給出選擇MPDN 模塊的定義。

2)MPDN 分解過程中的屬性保持?？蛇_性判斷Petri 網(wǎng)是否能達到需要的狀態(tài)，活性決定系統(tǒng)是否死鎖，邊界性保證不會超過額定的容量，可逆性使系統(tǒng)能夠重新初始化。這些屬性的保持在需要進行模型校驗的情形下是必須的。MPDN 網(wǎng)的3 個基本設(shè)計模塊是按照REPN 的理論進行劃分的，因此MPDN 在分解過程中的可達性、活性、邊界性和可逆性得到了保持。

3 基于MPDN 的電臺維修過程建模技術(shù)

3.1 MPDN 在電臺維修過程建模上的基本定義

為了使MPDN 網(wǎng)能夠更好地應(yīng)用到電臺維修的過程建模上，本文給庫所和變遷分別賦予了新的涵義。

對于庫所，根據(jù)電臺維修時的資源使用情況，將其分為不變資源和可變資源。不變資源如檢測設(shè)備、維修工具等，這類資源在操作過程中數(shù)量不變，映射到MPDN 中就是庫所初始化的托肯是常數(shù)，用庫所Ps表示?？勺冑Y源如螺絲、替換模件等，這類資源在操作過程中會有消耗，映射到MPDN中就是庫所中的托肯數(shù)的改變。同時本文將電臺在維修過程中的各種狀態(tài)用狀態(tài)庫所Pi表示，其中角標(biāo)i 的取值為1 ～n，n 為維修涉及的狀態(tài)數(shù)。

對于變遷，本文根據(jù)維修過程的特點，將其分為抽象操作集和基本操作集。抽象變遷集只是整個大的操作集的名稱，仍需繼續(xù)向下細分，用tai表示?；静僮骷瘎t是具體的維修動作，可以直接觸發(fā)，不需要再分解，用ti表示。在變遷的“可觸發(fā)”條件的控制上，MPDN 中添加了一個TL 元素。當(dāng)變遷激活后，TL =TL +{Tj(n)} 。這樣通過TL 元素的控制，就可以很好的將MPDN 應(yīng)用到電臺維修過程建模中。

在應(yīng)用MPDN 網(wǎng)描述電臺維修的過程模型時，其基本設(shè)計模塊在模型的簡化上起到了十分重要的作用。

下面通過一個電臺維修實例，對MPDN 并行基本設(shè)計模塊的應(yīng)用進行介紹。

在裝甲車車載電臺虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)任務(wù)描述中，并行MPDN 描述n 個任務(wù)或操作同時觸發(fā)。在這些事件結(jié)束后，其他事件才能開始。圖1 描述的是從電臺上分別拆卸功放單元和收發(fā)信機單元的維修動作。由于拆卸功放單元和拆卸收發(fā)信機單元的動作可以同時觸發(fā)，因此在并行基本設(shè)計模塊描述時，通過2 個并行的控制流關(guān)系來表達出這種關(guān)系。其中ta1和ta2分別用來表示拆卸功放單元和拆卸收發(fā)信機單元的抽象操作集。

圖1 并行基本設(shè)計模塊在電臺維修中的應(yīng)用

3.2 MPDN 在電臺維修過程建模上的基本流程

針對維修工作過程的初始信息，對維修工作任務(wù)進行分解，結(jié)合MPDN 的建模規(guī)則，給出如圖2 所示的建模方式。

1)列舉出維修過程中可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，第1 狀態(tài)為“故障狀態(tài)”，最后一個狀態(tài)為“修理完畢”。每個狀態(tài)都用庫所表示。

2)將引起狀態(tài)改變的“維修操作”用變遷表示。

3)列舉出維修中涉及到的維修資源，根據(jù)資源分類，將其分為可變庫所和不可變庫所。

4)確定能夠觸發(fā)轉(zhuǎn)移所需要的各種條件，并用轉(zhuǎn)移的“前置庫所”表達。

5)針對需要展開的節(jié)點，逐步展開，從而實現(xiàn)層次化建模。

圖2 建模流程

4 MPDN 在電臺維修過程建模上的應(yīng)用實例

以裝甲車車載電臺功放單元內(nèi)PS 電源模件故障為例，建立基于MPDN 的維修過程模型。首先分析此維修工作的過程，擬定出它的維修工序，而后根據(jù)工序確定出所需的資源，如圖3 所示。

圖3 裝甲車載電臺功放單元PS 模件故障維修任務(wù)分析圖

圖3對整個故障維修任務(wù)進行了分解，同時也明確了每個任務(wù)所需的資源，并且將每個步驟的任務(wù)進行了明確，為模型的建立奠定了基礎(chǔ)。分析維修任務(wù)，結(jié)合MPDN 規(guī)則，可以得到如圖4 所示的層次化維修過程模型。

可以看出，應(yīng)用MPDN 建立的模型涵蓋了較多的故障現(xiàn)象，并且Petri 網(wǎng)的分析難度沒有顯著增加。

圖4 車載電臺功放單元PS 模件故障維修過程建模

5 結(jié)束語

MPDN 擴充了Petri 網(wǎng)的功能，使其不僅能夠描述資源的數(shù)量和種類，而且可以描述過程中消耗的時間和存在的延時。本文提出了MPDN 在電臺維修過程建模上的基本應(yīng)用方式和一般規(guī)程，通過實際案例驗證了在電臺維修中應(yīng)用MPDN 建模的可行性和優(yōu)越性。

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