基于dews的抗战时期通信装备维修保障系统层次时间peri网建模与应用

基于dews的抗战时期通信装备维修保障系统层次时间peri网建模与应用

备维修保障系统随着武器装备从机械化向智能的转变，对装备维护的保障提出了更高的要求。也就是说，安装准备系统必须能够正确的位置和时间，正确的设备和支撑力量，并以正确的数量为单位提供正确的人员、设备和保障能力。装备维修保障系统是包含装备、人员、物资调运、信息和管理等因素的离散事件动态复杂系统。笔者采用DEVS(DiscreteEVentSystemSpecifications)和时间Petri网建模理论相结合的方法,对战时通信装备维修保障系统进行分层建模,在此基础上,构建了战时通信装备维修保障系统层次时间Petri网模型,通过对维修保障系统建模,能详细分析系统中的每个环节,科学的配置保障资源和优化维修保障过程,也可为制定相对合理的战时装备维修保障系统预案提供科学的依据,对提高我军装备维修保障能力具有重要意义。1网络钓鱼网络和时间捕捉网络1.1复杂动态仿真中的小程序目前,对复杂离散事件建模与仿真多使用Petri网。它是一种系统的数学和图形描述工具,对具有并发、异步、分布、并行、不确定性和随机性信息处理,都可利用它构造出相应的Petri网模型;但简单的Petri网主要有两大不足:一是表达能力有限,对稍微复杂的系统需使用大量的库所和变迁;二是不能表示各事件之间的时间关系。为了有效解决这两个问题,人们提出了高级Petri网,如随机Petri网(SPN:StochasticPetriNet)、时间Petri网(TPN:TimePetrinet)和彩色Petri网(CPN:ColourePetriNet)。CPN在复杂离散动态系统建模仿真中具有明显的优势,可对系统进行静态的结构分析和动态的行为分析,同时还有仿真平台(CPN-TOOLS)对其有效的仿真技术支撑。由于Petri网是一种广为人知的建模工具,这里只给出与笔者讨论相关的重要概念和术语。1.2时间petri网基本定义时间Petri网通过在Petri网中引入时间概念,能较好地反映网系统的实时性和系统状态。时间Petri网在对一类含时间因素工作流的建模中有其独到之处,战损装备从战损到恢复之间的一系列抢修活动含有许多时间因素,用时间Petri网对装备战场抢修系统建模,能清晰地反映装备战场抢修每个环节的时间关系,并能估算出战损装备的最短抢修时间和最长抢修时间。现代战争战场态势瞬息万变,战场上大量的战损装备如何尽快抢修恢复,战损装备恢复时间的长短对维修指挥人员及时掌握战场情况,合理安排人员、调运装备,显得尤为重要。高效、快捷的战场装备抢修,无疑将成为提高整体战斗力的倍增器。时间Petri网一般是指对Petri网中的每个变迁引入一个延迟量(固定值或区间值),时间Petri网是个五元组,其基本定义如下Σ={S,T;F,M,I}Σ={S,Τ;F,Μ,Ι}其中{S,T;F,M}是原形Petri网,I是变迁集上的时间区间函数。I:T→R0(R0∪{∞})Τ→R0(R0∪{∞}),R0表示非负实数集。对于t⊂T,若I(t)=[α,β],则当变迁t表示M有发生权时,至少要经过α单位时间才能发生;如果在此期间没有别的变迁发生使t失去发生权,则变迁t最晚在β时间单位内必然发生。变迁的时间是瞬间的,即变迁一旦发生,立即导致标识的改变。变迁t发生产生的新标识M′(M|t>M′]的计算公式和原形Petri网的计算公式见文献。时间Petri网中表示事件持续时间的标注方法有两种:一种是将时间标注在变迁旁边,表示当该变迁具有发生条件时,要延迟一段时间后才能发生,或该变迁发生后,立即从相应的输入库所中移走相应托肯,但要延迟一段时间后才能在相应的输出库所中产生相应的托肯;另一种是将各事件的持续时间标在库所旁边,表示库所中产生的托肯要经过一定的时间后才能参与网中的运行,该方法常用于对具体问题的性能分析,如最短路径分析,更加简单明了,不易出现分析错误。2层时间管理系统建模方法2.1基于时间petri网的战时通信装备维修保障系统流程层次仿真模型细化理论的基本思想借用了DEVS(DiscreteEVentSystemSpecifications)理论,它是对离散事件系统的一种形式化描述,具有层次化和模块化的特点,并提供了一种层次化和模块化的系统说明方法。它由已知或容易分析的简单网开始,逐步用更加详细的子网代替初始简单网中的库所或变迁,新加进去的子网不改变原先网的某些性质。基于时间Petri网的战时通信装备维修保障系统流程多层次仿真模型,从简单Petri网开始,用子网代替初始简单网的库所或变迁,自顶向下重复至理想的细化程度。具有层次化和模块化的特点,这种“自顶向下”的过程可重复进行到建模人员想要的细化程度。2.2战时装备维修保障系统流程模型战时通信装备维修保障过程是包含装备、人员、物资调运、信息和管理等因素的离散动态的、多阶段的事件序列,它包含装备的战损评估、故障定位、备件请求、部件更换和装备恢复等一系列的抢修活动直到装备重新回到正常状态。建立战时装备维修保障系统流程的多层次时间Petri网(HTPN:NHierarchyTimePetriNet)模型主要是在把整个过程划分为构成战时装备维修保障流程的独立子事件序列的基础上,利用多层次时间Petri网模型清晰、明了地表达所研究的维修任务。其流程框图如图1所示。战时装备维修保障系统流程的多层次时间Petri网模型采用从上到下逐层细化的方法。在建立上层Petri模型的过程中,分析其中的关键过程后,再通过Petri网模型建立底层流程,完成多层次Petri网模型。2.3多层化建模模型为了降低复杂系统Petri网建立的复杂程度,多层次时间Petri网模型在建立复杂系统的Petri网中,应用细化理论建立多层次时间Petri网。在业务流程中,有些任务是不可分的或者说是可以直接执行的,称为原子的。而有些任务是可进一步划分的,称为复合的,它实际上也是个业务过程。同理,复合任务中还可以含有复合任务。相应地,在Petri网描述中,将变迁分为两种:基本变迁和子网变迁。基本变迁表示原子任务,子网变迁表示复合任务,它有其内部结构、内部行为和内部状态。下面以3层次的Petri网为例(见图2)说明Petri网的多层化建模的优点。1)隐藏子网内部结构,在建模时集中于相应的抽象层次。2)对于有相同结构的子网,不必重复建模和分析。3)使业务流程模型具有良好的结构,便于对其分析处理。为了便于实现子网变迁的替代,以及规范子网结构建立模型库(为后续流程建模提供相同结构子网模型),在基本Petri网基础上,为子网模型增加Start和Finish两个库所和初始变迁tin与终止变迁tout两个瞬时变迁。Start库所表示子网的开始,Finish库所表示子网结束。用子网代替子网变迁时,只需找到子网的初始变迁tin和终止变迁tout,这两个变迁之间的Petri网就能代替上一层Petri网中相应的等待细化的变迁。3战争通信系统的层次结构模型3.1成立维修组,放线装战时通信装备维修保障系统组成情况:平时为两级维修保障,即基层级维修和基地级维修;战时改为3级,即基层级、野战级和基地级,后两级都相应配有备件仓库,保障人员构成有基层级维修组,野战修理所和修理所维修组。基地级维修组装备战场抢修过程是:装备一旦战损,首先由装备使用人员换用备用装备,然后通知战时抢修分队和基层维修保障人员,评估人员快速做出决断,战损装备就地抢修还是送修,尽可能就地抢修,战损装备不能就地抢修的,可根据装备损伤情况划分维修等级,轻损的装备送往基层级,由装备使用分队和基层级修理分队维修;中度损伤装备送野战级,由野战修理所维修组维修;重损装备送基地级维修组维修,没有抢修价值或不能及时修复的装备退出战斗。3.2维修人员和组件顶层:由战损评估、战损装备后送、战场抢修分队、野战级维修中心、基地维修中心、野战级备件仓库、基地级备件仓库和装备送返战场等相对独立的子系统组成。平时通信装备维修保障系统结构为树结构且为两级维修,为了战时需要,战时通信装备维修保障机构相应调整为3级且为偏平结构(见图3)。战时装备抢修可直接向每个级别的维修中心申请维修人员和备件,这样可极大地缩短战损装备的抢修时间,同时也体现了战时靠前维修的指导思想。中间层:由战损装备到达、检测设备准备、检测设备空闲、检测设备不足、维修人员准备、维修人员空闲、维修人员不足、维修人员准备到位、检测设备准备到位、开始检修、检修备件申请、维修结束和人员检测设备资源释放等相对独立的子系统组成。在战时通信装备维修保障系统建模过程中,资源可分为通用资源和专用资源。专用资源主要包括维修备件等不可再生资源,通用资源主要包括维修人员、检修设备、维修资料和场地等,这类资源在占用过后可以释放,在仿真过程中可遇到通用资源“占用”和“释放”的问题,在仿真结果中,直接体现在装备维修排队等待时间和平均维修时间。为此把通用资源放在中间层(以野战级为例),而把装备维修过程和专用资源放在底层。底层:由战损装备到达、维修人员到位、检测设备到位、故障分析、故障定位、故障隔离、故障分解、备件申请、领导审批、等待领取、备件出库登记、备件送达、更换部件、装备恢复、装备调整和结束维修等相对独立的子系统组成。4s1331库所描述的损伤装备实现根据前面所构建的战时通信装备维修保障系统3层次时间Petri网层次结构模型,可构建出战时通信装备维修保障系统顶层、中间层和底层时间Petri网模型。由于文章篇幅有限,笔者只给出野战级顶层时间Petri网模型(见图4),中间层和底层时间Petri网模型可参见文献。顶层时间Petri网模型执行过程描述如下。根据战斗计划,完好通信装备以一定数量的托肯(token)放入P1111库所,战损的通信装备以一定损伤概率到达P1221库所。P1331库所描述的是对损伤装备进行损伤评估和维修级别划分后,按照损伤评估的结论和维修级别的划分时间延迟t1331,决定战损装备退出战斗或送往基地级维修基地、野战级维修中心或抢修分队的维修任务,故障装备没有抢修价值,故障装备退出战斗送P1441库所。属于特装维修中心维修的送P1551库所,故障装备属于抢修分队维修的装备送往P1661库所,属于野战级维修的装备则转送往P112121库所,属于基地级维修的装备送往P118181库所。故障装备属于抢修分队维修的,送入P1661库所后,进入维修阶段库所P1771和P1881,经抢修分队维修的装备恢复正常的,转入送返战场库所P111111,未修复的送野战级维修。故障装备属于野战级维修的,送入P112121库所后;转入野战级维修库所P114141和P115151,经野战级维修恢复正常的,转入送返战场库所P117171,未修复的送基地级维修。故障装备属于基地级维修的,送入P118181库所后,转入基地级维修库所P120201和P121211,经过基地级维修恢复正常的,转入送返战场库所P125251,P123231和P122221库所分别代表野战级和基地级备件仓库,随时为野战级和基地级维修基地提供备件。顶层时间Petri模型中战损评估过程为t1331,抢修分队维修过程为t1771,t1881,野战级维修过程为t114141,t116161,基地级维修过程为t120201,t121211,延迟时间均可根据情况假定为指数分布、平均分布、三角分布和正态分布等。5战时装备维修仿真对系统的特性分析可采用理论分析和仿真两种方法进行。理论上根据时间Petri网中每个变迁最大最小时间,依据一定的推算规则和算法,可推算出战时通信装备维修的最短维修时间,从而得到最佳维修路径;通过选取适合的仿真软件(例如可视化交互仿真软件Arena)对模型进行仿真