高穎杰，曹繼平，楊閱兵，許澤中

(火箭軍工程大學 作戰(zhàn)保障學院，陜西 西安 710025)

隨著我軍信息化建設的推進，部隊“高精尖”裝備列裝種類數(shù)量大幅提升，對裝備保障提出了更高要求。維修保障資源的科學配置，能極大提升裝備保障能力，而配置的前提是準確掌握裝備對維修資源的需求，因此確定維修資源需求是提高資源配置水平的重要內(nèi)容和主要影響因素。

目前，關于維修資源需求確定的研究區(qū)分宏觀與微觀兩個方面。宏觀上多采用基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計和產(chǎn)品可靠性的方法進行預測，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計的常用方法有回歸預測法[1]、時間序列法[2]、支持向量機(SVM)[3]等，基于產(chǎn)品可靠性的預測方法有相似產(chǎn)品法、案例推理法[4]等。另外還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡[5]、灰色預測[6]等系統(tǒng)觀點的方法。微觀上的研究相對較少，主要針對裝備指定故障確定維修資源，主要有傳統(tǒng)的維修工作分析法(Maintenance Task Analysis，MTA)[7]、基于仿真的實體流圖法、ARIS法和Petri網(wǎng)方法[8]等。

通過研究現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)存在幾個問題：

1)宏觀預測法適用于裝備預防性維修所需資源的預測，但使用不同的方法對同一裝備預測出的結(jié)果差別較大，可用于資源初始配置。對于修復性維修，宏觀預測法就不適用了。

2)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭更加注重保障的精準和高效，在高強度、高損耗的戰(zhàn)場上，更加注重提高維修資源的使用率，結(jié)合具體的維修任務進行資源配置在戰(zhàn)時能有效提高資源使用率，使資源配置更加精準。因此研究微觀故障維修的資源需求具有重大意義。而當前相關研究還比較少，需要加強。

3)維修工作分析將裝備的維修工作分解為作業(yè)步驟進行詳細分析，從而確定各類維修保障資源種類數(shù)量，避免了因采用一般估計資源的臆測性和經(jīng)驗法所引起的資源浪費或短缺[9]，但是需要分析每一項工作任務，過程會產(chǎn)生相當數(shù)量的文件表格，比較繁瑣復雜，而且對于占用型資源的占用與釋放過程不能很好體現(xiàn)。

針對以上問題，筆者對裝備維修過程進行分析，運用Petri網(wǎng)理論和方法，提出層次時間顏色Petri網(wǎng)，并建立維修過程模型，運用基于JAVA環(huán)境下的PIPE軟件對模型進行分析和仿真，直觀展示資源占用、釋放和消耗的過程，并提取所需維修資源。通過實例，驗證方法的合理性和有效性。

1 HTCPN基本理論

層次時間顏色Petri網(wǎng)HTCPN(Hierarchical Timed Colored Petri Net,HTCPN)，可定義為一個多元組[10-11]：

HTCPN={P,T；F,H,K,R,C,G,I}，其中：

1)P={p1,p2,…,pm}是一個庫所的有限集，表示對象的集合。

2)T是一個變遷的有限集：P∩T=?,P∪T≠?，其中Ti={t1,t2,…,tk}為瞬時變遷集合，Tt={tk+1,tk+2,…,tm}為延時變遷集合，Tc={tm+1,tm+2,…,tn}為子網(wǎng)的變遷集合；且有T=Ti∪Tt∪Tc，Ti∩Tt∩Tc=?.

3)F? (P×T)∪(T×P)是有向弧集,包括輸入弧和輸出弧線。

4)H為禁止弧的集合，H?(P×T),當與禁止弧相連的庫所中托肯數(shù)量滿足變遷激發(fā)條件時，禁止該變遷的激發(fā)。

5)K:P→N+∪{∞}為庫所的容量函數(shù)，表示庫所中容納令牌的數(shù)目，N+={1,2,3,…}.

6)R是延時變遷的值，一旦變遷t被觸發(fā)，變遷t的所有輸入庫所均要去除相應數(shù)量的令牌，并經(jīng)過定義在變遷上的時間延遲R(t) 后，進入對應的輸出庫所。在實際系統(tǒng)中，部分時間延遲具有一定的隨機性，因此規(guī)定可以是常量或隨機變量。

7)C為顏色集合，不同顏色代表不同類托肯。

8)G為識別函數(shù)，為定義在T上的表達式，表示變遷觸發(fā)需滿足的條件。

9)I為初始化函數(shù)，為定義在P上的表達式，表示各庫所初始令牌數(shù)量和顏色類別。

為了更形象地表達網(wǎng)的層次，特引入符號“可拓展變遷”[12-13]。HTCPN中的元素及其符號，以及代表的意義，如表1所示。

表1 HTCPN符號及意義說明

2 裝備維修HTCPN建模

2.1 裝備維修任務模型

2.1.1 裝備維修任務介紹

裝備維修任務是按照裝備故障維修策略，所進行的一系列活動的集合。例如，故障裝備送至維修點，經(jīng)過故障定位、分解、故障維修、組裝調(diào)試等過程，輸出修竣裝備。根據(jù)故障部件是否可修，分為換件維修和修復性維修。換件維修是當備件充足時直接更換，若缺少備件需向上級請領，領回后再更換。修復性維修有兩種方式供選擇，一種是原件修復后裝回；另一種是先安裝備件，故障件修復后再作為備件儲存起來。維修任務流程如圖1所示。

2.1.2 裝備維修任務HTCPN模型

基于裝備維修任務抽象出的裝備維修任務HTCPN模型，如圖2所示。

圖中庫所及變遷的代號及含義如表2、3所示。

表2 庫所的代號及意義說明

表3 變遷的代號及意義說明

圖2(a)中可拓展變遷TM用來簡化表示維修過程，可以進一步分解為維修過程子網(wǎng)來詳細描述，如圖2(b)所示，這也體現(xiàn)了HTCPN模型的層次性，降低了模型復雜度。在維修過程子網(wǎng)模型中，P3指向T3的禁止弧和P4指向T2的禁止弧，表達了維修方式的選擇，若P3中有令牌代表進行換件維修，因此修復性維修T3被禁止。同理，P5指向T5的禁止弧和P6指向T4的禁止弧、P9指向T9的禁止弧和P10指向T8的禁止弧，也用來描述選擇關系。

2.2 裝備維修作業(yè)建模

2.2.1 PIPE軟件簡介

PIPE v4.3.0是一款基于JAVA環(huán)境下的Petri網(wǎng)仿真軟件，該軟件支持有色Petri網(wǎng)、隨機Petri網(wǎng)的建模，庫所可設置容量，連接弧權(quán)值可設置，變遷時間可用隨機函數(shù)表示，同時具備模擬仿真功能，支持邊修改邊仿真，并能對Petri網(wǎng)模型進行分析，包括安全性分析、關聯(lián)矩陣輸出、響應時間分析等，是一款使用方便，功能強大的Petri網(wǎng)仿真分析軟件。

2.2.2 基本維修操作模型

裝備維修作業(yè)由若干個基本維修操作按照確定順序組合而成，首先對維修基本操作進行建模與分析。建立一個基本維修操作模型，并使用PIPE軟件模擬，如圖3所示。

模型由3個庫所、2個變遷以及若干有向弧組成，黑色和紅色托肯分別表示修理工與工具?！熬S修過程”為延時變遷，r=20表示該變遷需要消耗20個單位時間，“返還工具”為瞬時變遷，用于表達工具使用完畢后由“占用”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱臻e”態(tài)，返回“資源庫所”。庫所既可以表示裝備的狀態(tài)，也可以表示資源的集合，“資源庫所”中k=5表示庫所的最大容量為5，即最大存放5件工具。有向弧上的數(shù)字表示該弧的權(quán)值，例如“資源庫所”至“修理過程”的有向弧權(quán)值為(紅色1)，代表資源庫所向變遷提供1件工具。

使用PIPE軟件對該模型進行分析，如圖4所示。結(jié)果表明該模型有界、安全且不存在死鎖，符合維修的實際情況。

使用PIPE軟件對該模型進行仿真，如圖5所示。

圖5(a)為初始狀態(tài)，“準備維修”和“資源庫所”中存在令牌，且令牌數(shù)量滿足有向弧權(quán)值要求，此時“修理過程”變遷使能(使能表示變遷激發(fā)的前提條件已經(jīng)滿足，此時變遷用紅色凸顯)。圖5(b)為“修理過程”，變遷觸發(fā)后經(jīng)過20個單位時間，令牌轉(zhuǎn)移至“修理完畢”庫所，此時“返還工具”變遷使能。圖5(c)為本階段修理結(jié)束，修理工具返回“資源庫所”，“修理工”令牌為下階段維修操作開始做準備，模型運行結(jié)束不進行循環(huán)，符合維修實際。顯然，該模型正常運行所需令牌的最小值，即該基本維修操作所需維修資源為1名工人和1件工具。

2.2.3 裝備維修作業(yè)模型

裝備維修作業(yè)是由若干個基本維修操作根據(jù)維修手冊規(guī)定，按照一定順序執(zhí)行的基本維修操作序列。一個典型的裝備維修作業(yè)模型如圖6所示。

該模型表示一個基本的備件更換作業(yè)，首先拆下裝備外殼，之后更換備件，最后安裝外殼。模型中庫所和變遷的代號及意義如表4所示。

表4 庫所、變遷代號及意義說明

模型中螺絲刀令牌為紅色，備件令牌為藍色，修理工令牌為黑色，由于修理工是每一個基本維修操作的執(zhí)行者，屬于維修資源的一種，但是為了降低模型復雜度，未將修理工納入維修資源庫所，而是將修理工作為啟動令牌，認為在工具和備件準備就緒的前提下，修理工令牌到位后就可以執(zhí)行基本維修操作。整個過程需要的維修資源為修理工1名、螺絲刀1把、消耗備件1個，其中螺絲刀使用了2次。模型中延時變遷的延遲時間代表基本維修操作消耗的時間，瞬時變遷表示資源使用后的釋放。

綜上所述，該方法的優(yōu)點體現(xiàn)在：

1)直觀展示了維修過程，詳細刻畫了維修步驟，確定了維修工序的緊前緊后關系，便于安排維修計劃。

2)準確描述了維修資源狀態(tài)，對維修過程中維修資源進行了分類和量化，對資源的的占用、釋放和消耗狀態(tài)進行描述，并明確了維修資源的需求。

3)細化了維修時間顆粒度，將維修工序過程化，賦予最小的過程時間屬性，便于控制維修時間。

顯然，運用該方法能夠客觀合理確定維修資源需求，便于控制維修過程，為復雜系統(tǒng)維修資源配置提供了一種輔助決策方法。

3 實例應用

以某自行發(fā)射裝備液壓系統(tǒng)為例，停機時發(fā)生活塞桿自行滑出故障的原因可能有3個：液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計不合理；液壓缸有缺陷，存在內(nèi)部泄漏；雙向液壓鎖不能有效鎖止。筆者以液壓缸內(nèi)漏，需更換活塞Y型密封圈為例進行說明。對液壓機構(gòu)進行維修操作的流程如圖7所示。

建立故障維修過程HTCPN模型，使用PIPE軟件模擬，如圖8所示。

該模型由13個庫所，11個延時變遷和8個瞬時變遷以及若干有向弧組成。使用PIPE軟件對該模型進行分析，結(jié)果表明該模型有界、安全且不存在死鎖，符合維修的實際情況。

模型中庫所的代號及意義，如表5所示。

表5 庫所代號及意義說明

模型中變遷的代號、意義、變遷觸發(fā)的條件以及變遷的延時情況，如表6所示。表中T12～T19表達非消耗性資源釋放返回資源庫所。

表6 變遷的代號與意義說明

模型中不同顏色令牌代表的維修資源種類情況，如表7所示。

表7 令牌名稱與顏色說明

使用PIPE軟件對該模型進行仿真運行，模型運行結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出：

1)模型在維修工作結(jié)束后停止運行，表明維修過程中的各項操作只需執(zhí)行1次，模型不存在循環(huán)，符合維修過程實際。

2)仿真結(jié)束后庫所P7中留有1個橙色令牌，這表示更換密封圈的操作消耗了1個密封圈，該令牌屬于消耗型資源，不再返回資源庫所。

3)圖9左下方列出了仿真過程中變遷觸發(fā)的次序。

4)在不考慮時間延遲的情況下，對延時變遷的時間進行整合，可得出維修過程消耗的總時間。

5)維修過程所需維修資源為：工具(扳手、卡簧鉗、螺絲刀、尼龍棒各1把)，人員(維修工1名)，消耗備件(Y型密封圈1個)，耗費170個單位時間。

綜上所述，該模型以修理工為啟動令牌，能直觀表示維修過程中維修資源的占用、空閑及消耗情況，運行穩(wěn)定，符合實際。

文獻[14]中采用使用與維修工作分析法確定導彈裝備保障資源需求，文獻[15]采用著色時間Petri網(wǎng)，通過構(gòu)建關聯(lián)矩陣，通過狀態(tài)方程以及變遷觸發(fā)條件，通過計算確定維修資源需求，但是這些方法都需要大量的計算，比較繁瑣，不夠直觀。因此，筆者充分利用PIPE軟件工具進行維修資源確定，步驟如下：

1)根據(jù)裝備故障建立維修過程HTCPN模型，根據(jù)變遷觸發(fā)條件，標出有向弧權(quán)值。此時資源庫所為空。

2)統(tǒng)計資源庫所全部輸出弧代表的資源種類，找出各類資源權(quán)值最大的輸出弧。實例中資源庫所輸出弧權(quán)值統(tǒng)計表8所示。

表8 資源庫所輸出弧權(quán)值統(tǒng)計

3)維修資源分為占用型資源(工具、人員)和消耗型資源。在HTCPN模型中，占用型資源采用直接觀察法，即資源庫所中該類占用型資源輸出弧的最大權(quán)值就是該類資源最低需求數(shù)量。對于消耗型資源，則為疊加法，即將資源庫所中該類消耗型資源所有輸出弧權(quán)值相加，得出的值就是該類消耗型資源的最低需求數(shù)量。

4)將計算出的資源令牌顏色和數(shù)量添加到資源庫所，運行模型仿真，驗證資源需求的正確性。

4 結(jié)束語

基于HTCPN建立的維修工作模型直觀展示了裝備維修過程中對維修資源的占用、釋放及消耗，為維修資源運用的可視化提供了可行的技術途徑。HTCPN在處理復雜裝備維修資源確定方面具有更大的優(yōu)勢，如果將時間、概率分布等情況作為變遷的約束條件，模型對裝備維修過程的表達將更加豐富，對維修資源的配置優(yōu)化水平提高和部隊裝備保障能力的提升有重要意義。