（海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院 煙臺(tái) 264001）

1 引言

隨著航空裝備近年來(lái)的飛速發(fā)展，不斷出現(xiàn)的新技術(shù)讓航空裝備變得越來(lái)越復(fù)雜，也給航空裝備的維修工作帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。近些年現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展也在表明，航空裝備的維修情況，包括維修速度，維修質(zhì)量等，將對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的走向起到相當(dāng)重要的作用。維修（maintenance）指的是使裝備保持、恢復(fù)到或改善其規(guī)定技術(shù)狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng)，它既包括技術(shù)活動(dòng)也包括管理活動(dòng)［1］?？梢哉f(shuō)裝備維修能力是保持和恢復(fù)戰(zhàn)斗力的重要保障［2］。與此同時(shí)，維修保障過(guò)程又是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，不管是維修的人員，維修的設(shè)備還是維修的資源等等，都需要進(jìn)行合理的安排。所以對(duì)于裝備維修活動(dòng)的研究，在裝備的設(shè)計(jì)和使用階段，都需要對(duì)維修保障流程進(jìn)行建模仿真分析［3］。

Petri網(wǎng)在處理離散時(shí)間系統(tǒng)問(wèn)題不僅可以描述系統(tǒng)的靜態(tài)行為，也可以很好地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。相比較其他方法來(lái)說(shuō)，對(duì)于進(jìn)程或部件的順序、沖突以及同步等關(guān)系，Petri網(wǎng)在描述起來(lái)更方便一些，并且具有自己的運(yùn)算方法，便于修改與改進(jìn)［4］，具有強(qiáng)大的系統(tǒng)行為分析能力［5］。在 Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上的工作流模型，兼具了數(shù)學(xué)語(yǔ)言與圖形符號(hào)的特點(diǎn)，能夠具體形象地反映出維修工作流程的特點(diǎn)，是較為優(yōu)秀的一種建模方法［6］。

2 Petri網(wǎng)理論

2.1 層次Petri網(wǎng)

在一般的Petri網(wǎng)中，有以下幾個(gè)基本的構(gòu)成要素［7］。

用庫(kù)所（place）來(lái)表示狀態(tài)，一般用一個(gè)圓表示；

用變遷（transition）表示事件或者轉(zhuǎn)換過(guò)程，一般用一個(gè)矩形來(lái)表示；

用流關(guān)系（flow relation）表示事件發(fā)生的條件，或者用弧（arc）來(lái)表示庫(kù)所與變遷之間的關(guān)系；

標(biāo)志（token）一般用庫(kù)所里的點(diǎn)來(lái)表示，或者直接寫成數(shù)字，表示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)、狀態(tài)或者資源。

以上這幾個(gè)要素構(gòu)成了網(wǎng)（net）的基本結(jié)構(gòu)。

對(duì)于裝備維修活動(dòng)來(lái)說(shuō)，雖然用Petri網(wǎng)能很好地模擬出動(dòng)態(tài)過(guò)程，但是維修活動(dòng)本來(lái)就是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，且有著很強(qiáng)的交互性，這種狀態(tài)空間上的問(wèn)題，普通的Petri網(wǎng)就會(huì)有些捉襟見肘，在這種情況下，利用層次分解的方法就能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，可以把網(wǎng)內(nèi)的一些復(fù)雜工作流分解為子網(wǎng)，子網(wǎng)里的復(fù)雜流程還可以繼續(xù)分解為子網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)概念如圖1所示。

圖1 層次Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)概念圖

采用層次Petri網(wǎng)建模方法具有以下的優(yōu)點(diǎn)［3］：

1）在高一級(jí)的工作流網(wǎng)中可以將子網(wǎng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隱藏起來(lái)，這樣就可以更多地關(guān)注其頂層的分析；

2）對(duì)于不同的修理任務(wù)，如果具有相同的結(jié)構(gòu)，就不必再去重復(fù)建模；

3）經(jīng)過(guò)層次分解后的網(wǎng)系統(tǒng)具有更好的結(jié)構(gòu)性，更便于分析計(jì)算處理。

2.2 基于層次Petri網(wǎng)的工作流網(wǎng)

在工作流研究上，Aalst等始利用Petri網(wǎng)對(duì)工作流進(jìn)行建模研究的相對(duì)較多，可以說(shuō)采用基于Petri網(wǎng)工作流方法建模，一直都是一個(gè)研究熱點(diǎn)。在基礎(chǔ)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上，可以給出工作流網(wǎng)的定義［8～9］：

Petri網(wǎng)PN=(P,T,F) 是一個(gè)工作流網(wǎng)（Work-flow Net），當(dāng)且僅當(dāng)：

1）存在一個(gè)源庫(kù)所i∈P，使得·i=?（·i指的是i的庫(kù)所前集，也就是說(shuō)i是唯一的源庫(kù)所）；

2）存在一個(gè)匯結(jié)庫(kù)所o∈P，使得o·=?（o·指的是o的庫(kù)所后集，也就是說(shuō)o是唯一的匯結(jié)庫(kù)所）；而且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)x∈P∪T都位于i到o的一條路徑上。

一個(gè)工作流網(wǎng)有一個(gè)輸入庫(kù)所（i）和一個(gè)輸出庫(kù)所（o），因?yàn)樵诰W(wǎng)系統(tǒng)中的任何一個(gè)標(biāo)志只要進(jìn)入工作流，那么它所代表的修理任務(wù)就會(huì)開始，然后直到工作結(jié)束的輸出庫(kù)所；也可以這樣理解，就是當(dāng)一個(gè)工作流網(wǎng)被確定之后，整個(gè)修理工作的時(shí)間也就被確定了下來(lái)。

3 航空裝備維修過(guò)程邏輯分析

航空裝備相比較于其他裝備來(lái)說(shuō)，具有工作強(qiáng)度大，裝備質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，尤其是對(duì)于軍用飛機(jī)來(lái)說(shuō)，一方面在日常的訓(xùn)練工作和戰(zhàn)時(shí)的作戰(zhàn)任務(wù)中有著很高的出勤率，一架飛機(jī)往往要承擔(dān)數(shù)小時(shí)的工作任務(wù)，有時(shí)甚至還需要跨晝夜飛行。另一方面，航空裝備對(duì)于質(zhì)量要求非常高，除了要滿足飛機(jī)完好率和出勤率這樣的指標(biāo)之外，飛機(jī)在空中工作時(shí)也必須盡量保證不出問(wèn)題，這是對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)與飛行員生命的負(fù)責(zé)，這些因素決定了航空裝備的維修就必須滿足高質(zhì)量與高效率。

然而與此同時(shí)，航空裝備維修又是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，首先是因?yàn)檠b備自身的構(gòu)造復(fù)雜，機(jī)械、電子等專業(yè)相互交叉，工作責(zé)任難以界定，其次是工作流程一般較為復(fù)雜，一個(gè)工作往往需要分為很多步驟和流程，因此需要用基于Petri網(wǎng)的工作流方法，將復(fù)雜的工作細(xì)化、層次化。通過(guò)對(duì)維修工作的分析，可以將裝備維修工作細(xì)化分解為以下幾種基本流路［10～11］。

順序流路：這是一種串聯(lián)式的順序，按照由前至后。先執(zhí)行流路前面的任務(wù)，完畢后再執(zhí)行后面的任務(wù)，這也是最為簡(jiǎn)單的一種形式，例如必須要先把故障件拆下，再安裝新件，就是一種無(wú)法改變的順序流路；

并行流路：這是一種并聯(lián)式的順序，在流路里的任務(wù)可以同時(shí)進(jìn)行，并且任務(wù)之間并沒有什么影響，比如準(zhǔn)備修理工具和準(zhǔn)備修理設(shè)備可以同時(shí)間進(jìn)行，這就是一種并行流路的形式。

圖2 順序流路

圖3 并行流路

選擇流路：這種流路又被稱為條件流路，它的運(yùn)行規(guī)則是在幾項(xiàng)任務(wù)中選擇一項(xiàng)執(zhí)行，這種流路更多地是一種維修方式的選擇；

圖4 選擇流路

循環(huán)流路：在這種情況下，任務(wù)需要被循環(huán)執(zhí)行，一直到滿足最后的條件，例如在校準(zhǔn)一些參數(shù)時(shí)就要采取這種循環(huán)的形式。

圖5 循環(huán)流路

在建模的過(guò)程中，采取的是以維修對(duì)象狀態(tài)為中心的建模方式，首先將維修對(duì)象在維修過(guò)程中可能處于的各個(gè)狀態(tài)列舉出來(lái)，第一個(gè)狀態(tài)為“故障狀態(tài)”，最后一個(gè)狀態(tài)為“修理完畢”，每個(gè)狀態(tài)都用庫(kù)所表示；然后引起狀態(tài)變化的“維修操作”用變遷表示；確定能夠觸發(fā)變遷所需要的各種條件，并用變遷的“前置庫(kù)所”表達(dá)；最后針對(duì)需要展開的節(jié)點(diǎn)，按照以上的步驟，逐步展開，從而實(shí)現(xiàn)層次化的建模［12］。

4 模型實(shí)例與分析

針對(duì)某型軍用教練機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)更換工作為例。在飛機(jī)的維修更換工作中，可以說(shuō)更換發(fā)動(dòng)機(jī)工作是常見的大項(xiàng)維修工作，流程較為復(fù)雜，且更換前的準(zhǔn)備工作與更換后的檢查驗(yàn)收工作都應(yīng)當(dāng)計(jì)算在維修工作時(shí)間內(nèi)，而且每一項(xiàng)主要流程內(nèi)都包含了許多小的工作項(xiàng)目，各個(gè)工作項(xiàng)目或并行，或串行。如果將所有的工作細(xì)化完成后放在一個(gè)網(wǎng)系統(tǒng)中顯示，勢(shì)必會(huì)比較復(fù)雜且邏輯關(guān)系難以判斷：這樣就違反了航空裝備維修過(guò)程要高效的要求，因此采用基于Petri網(wǎng)的工作流方法，將修理工作分層顯示，將使維修過(guò)程的建模直觀化，精簡(jiǎn)化。

在建模時(shí)，先建立整體的主要流程的頂層模型，之后再將其中的流程抽出建立子網(wǎng)模型，本文在建立頂層模型后，抽取修理過(guò)程中具有代表性的工作項(xiàng)目建立子網(wǎng)。

4.1 頂層網(wǎng)模型

在對(duì)工作流程的分析基礎(chǔ)上，將更換發(fā)動(dòng)機(jī)的流程盡量簡(jiǎn)化，并按照工作流的時(shí)間順序排列，其主要流程如圖6。

在以上的主要工作流程中，“工作前準(zhǔn)備”和“更換前期工作”可以同時(shí)進(jìn)行，也就是說(shuō)屬于并行流路，之后的所有流程都必須嚴(yán)格按照時(shí)間前后順序進(jìn)行，也就是串聯(lián)流路，這樣可以建立起發(fā)動(dòng)機(jī)更換工作的頂層網(wǎng)模型。

圖6 更換發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作流程

圖7 更換發(fā)動(dòng)機(jī)頂層網(wǎng)模型

在頂層網(wǎng)模型中，每一個(gè)變遷代表的是一個(gè)工作項(xiàng)目，每一個(gè)庫(kù)所代表的是一個(gè)工作狀態(tài)，各變遷及庫(kù)所含義如表1。

表1 頂層網(wǎng)中各變遷、庫(kù)所含義

4.2 子網(wǎng)模型

在頂層網(wǎng)中的每一個(gè)變遷都能夠進(jìn)行進(jìn)一步的子網(wǎng)建模，所以在這里我們選取工作流程中的恢復(fù)檢查工作為例來(lái)進(jìn)行子網(wǎng)建模。

圖8 恢復(fù)檢查工作子網(wǎng)模型

這里將t6恢復(fù)檢查工作拿出來(lái)進(jìn)行子網(wǎng)的建模，在子網(wǎng)中的各變遷及庫(kù)所含義如表2。

表2 頂層網(wǎng)中各變遷、庫(kù)所含義

相比較來(lái)說(shuō)，利用基于層次Petri網(wǎng)的工作流方法建立起來(lái)的模型，更能夠顯示出維修工作的從屬性與邏輯性，假如將不建立層次模型，而僅僅用一個(gè)網(wǎng)系統(tǒng)建立模型，如圖9。

可以看到網(wǎng)的復(fù)雜程度開始增加，且較難看出主要工作流程與從屬流程的關(guān)系，邏輯性也很難體現(xiàn)出來(lái)，不利于下一步對(duì)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行定量的邏輯計(jì)算，不能很好的提高維修工作的效率性與準(zhǔn)確性。

圖9 將恢復(fù)檢查子工作在同一張網(wǎng)中展開

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)于Petri網(wǎng)的層次性擴(kuò)展，結(jié)合工作流方法，以更換發(fā)動(dòng)機(jī)維修任務(wù)為例建立了層次Petri網(wǎng)模型，將基于層次Petri網(wǎng)的工作流方法與航空裝備維修相結(jié)合，能夠很好地解決維修工作中的復(fù)雜性問(wèn)題，也為下一步進(jìn)行定量分析奠定了基礎(chǔ)。

與此同時(shí)模型還有這需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題，首先是本文僅僅做了模型的建立工作，并沒有進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，所以模型還需要進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)，這也是下一步最主要的工作。其次本文只是對(duì)維修流程進(jìn)行了建模，而在實(shí)際的修理過(guò)程中還需要考慮到很多諸如維修資源等條件，下一步也需要在這方面進(jìn)行改進(jìn)。