基于peri网的通信装备战场抢修系统建模与仿真

基于peri网的通信装备战场抢修系统建模与仿真

0通信装备作战效能分析战场修复是军队在战场上进行的维修活动，是维护和恢复装备战斗力的重要因素。在未来战场上,通信装备不但是保障装备也将扮演着主战装备的角色,因此其必将成为敌方的主要打击目标。为保持战时通信装备作战能力的正常发挥,平时积极通过建模、仿真等方法加强对通信装备战场抢修系统效能进行分析研究是非常必要的,也是摆在军事装备研究人员面前的一个重要课题。有色Petri网作为当前离散动态系统的重要建模工具,其本身以及由此拓展出来的相关理论和仿真工具,对探讨如何有效分析和评估通信装备战场抢修系统效能提供了重要的理论支持。1颜色连接网络cpn1.1输出弧的组成1)位置和转移是有色Petri网所包括的两种典型的节点,分别用于描述系统中的组成组件和进程。在有色Petri网中,位置用一个圆圈“○”来表示,转移用矩形“□”表示。位置和转移用一个有向弧连起来。如果一个位置有一个弧由该位置指向转移,则称它为转移的输入位置,这弧称为输入弧;如果一个位置有一条从转移指向该位置的弧,则称它为转移的输出位置,这弧称为输出弧。一个有色Petri网可以画成一组由位置、转移和弧组成的有向图,并允许从一个节点到另一个节点有多重弧,所以有色Petri网是一个多重有向图。2)令牌和标识。令牌代表了系统中的可利用资源情况。令牌在有色Petri网中用一个处于位置中的小圆点或具体数值表示。标识是表示令牌在有色Petri网中各个位置的分布情况。标识可以定义为M(i),它表示每个位置的令牌数,反映了该位置的状态;标识也可以定义成集合,它表示所有位置的令牌情况,反映了整个系统的状态。在模型中,可以对具有同种性质或具备某种相同行为特性的标识赋予同样颜色,并称着了颜色的标识为有色标识或色点。3)转移的引发。令牌的运动由转移的引发决定。转移的引发是指转移上游位置的令牌被传送到该转移下游位置的这一过程。它只能在其上游位置中至少有一个令牌的情况下才能发生,该转移是可以引发的或有效的。一个转移的引发造成从其上游位置中拉出一个令牌,并在其下游位置中放上一个令牌。每个转移的引发将产生一个新的标识,每个标识定义了一种系统状态,所以有色Petri网是由转移的引发来运行的。1.2色petri网流变的描述用有色Petri网建模的目的是为了分析它所描述的系统,所以要求能通过技术手段对有色Petri网的行为特性进行分析,从而掌握它所描述系统的特性。有色Petri网的几个重要行为特性为1)可达性与覆盖性。可达性问题是有色Petri网分析中一个最基本的问题,是研究系统动态特性的基础。根据有色Petri网转移的引发条件,有效的转移引发将会改变令牌在各位置中的分布,即会产生新的标识。如果存在一个从M0到Mn的引发序列,称标识Mn是从M0可达的。引发序列表示为δ=(M0,t1M1,t2M2,…,tnMn),简化为δ=(t1,t2,…,tn)。该有色Petri网演变过程可表示为M0→M1→M2→…→Mn。覆盖性是指已知一个带标识M的有色Petri网C和一个标识M′,存在一个可达的标识M″∈R(C,M)使M″≥M′,则称M″覆盖M′。2)活性与死锁。活性定义:如果对于可采纳的Mi∈M0,经过一系列有序转移最终可到达初始标记M0,称该初始标记M0是活的。死锁定义:一个有色Petri网的标记通过转移序列演变,当某些转移不能再被引发时,即当有色Petri网所有的或一部分不再工作时,则该有色Petri网出现死锁问题。3)安全性和有界性。如果有色Petri网中一个位置的令牌数永不超过1个,即该位置中的令牌数始终为1或0,则称该位置是安全的。若有色Petri网的每个位置都是安全的,则该有色Petri网也是安全的。安全性是有界性的一种特殊情况。若有色Petri网中一个位置的令牌数不超过整数k,则称这个位置是k有界的或k安全的。如果有色Petri网的每个位置都是k有界的,则该有色Petri网是k有界的或k安全的。1.3关联矩阵p,tp定义一个有色Petri网(CPN)是一个六元组CPN=(P,T,Pre,Post,C,cd),其中:P是一个有穷集合,为库所集合;T是一个有穷集合,为变迁集合,并且和P不相交;C是颜色类的集合;cd:P∪T→C是颜色域的映射;Pre,Post分别为网的向前和向后关联矩阵,使得对于每一对(p,t)∈P×T。C=Post-Pre称为关联矩阵。发生规则有色Petri网变迁发生的一般原则同基本Petri网是一致的,均为变迁的输入库所具有变迁发生所需要的标识数量,则引发变迁激发,变迁结果由变迁输出弧的参量定义所决定。但是,在有色Petri网中,库所往往包含有不同颜色的标识,它们有不同的变迁规则,这个规则在变迁中定义,并决定着不同颜色标识通过变迁后的不同结果。下面以一个简单的例子说明变迁发生规则,如图1所示,初始状态库所p1中包含有颜色为a和b的令牌各一个,库所p2含有两个颜色为b和一个颜色为c的令牌,p3含有一个颜色为c的令牌,p4含有一个颜色为a的令牌。变迁规则为p1至少同时具有一个令牌a和一个令牌b(x=a,y=b,x+y=a+b),p2至少有两个令牌b(z=b,2′z=2b),则t发生,且发生结果为t向p3输入一个令牌b(y=b),向p4输入一个令牌b(z=b)。2故障评估和分析1)装备故障具有有限个状态,且一旦装备故障只能且必定处于其中某一种状态,故障状态分为基本故障状态(或单一故障状态)和多故障状态,具体划分根据实际情况而定;2)抢修人员分成3组,分工明确,每组负责装备特定部位故障的维修;3)在抢修前,有一组检测人员对装备故障进行评估和分析。因为战场装备出现故障的数量是随机的,也很难评估,但维修队伍修复故障装备却要花一定的时间。为了使分析故障这个环节能更好地工作,在分析和具体维修中间设置一个缓冲器,假设其容量为10个;4)检测人员得出的结论是正确的,即能够准确查找出装备的故障部分,并确定故障该属于哪组人员维修;5)维修人员尽力抢修属于自己的那部分故障,其他部分交给其他组人员完成;6)各组抢修属于自己的那部分故障所花的时间是随机的,其概率为时间的函数,在此假设3组分别服从参数为λ1、λ2、λ3的指数分布;7)通信装备故障具有n种状态,其状态空间用F表示,则F={f1,f2,…,fi},式中,fi表示装备处于第i种状态(i=1,2,…,n)。战场上通信装备出现的故障状态是随机的;8)3组抢修人员分别编号为z1,z2,z3,他们修复属于自己的那部分故障是具有一定概率的,这个概率是可以通过平时训练、演习和演练总结出来的。2.2维修机构现场运行过程通信装备维修保障能力主要包括装备本身的可靠性、维修性、保障性,维修工具满足装备维修的需要程度,保障人员维修的熟练程度和技术水平,备件的供应情况等因素。体现在装备故障后送至维修机构接受拆卸、检测、维修方案确定、确定备件和工具、故障排除、装机等一系列的过程,如图2所示。其流程描述为步骤1)故障装备送至维修机构;步骤2)首长签收;步骤3)相关人员验收;步骤4)故障分析人员进行分析,确定故障状态和维修程序及人员;步骤5)维修人员开始维修属于自己的部分故障,故障装备如果属于单一故障状态,能修复则返回战场,不能修复则退出战场;如果属于多故障状态,该组维修人员能修复属于自己的那部分装备,则将修复后装备交给下一组人员进行维修,否则将装备作退出战场处理;步骤6)每个工序做好记录,登记好来了多少台故障装备,最终返回战场多少装备。根据修复好的装备(即返回战场的装备数量)占所有故障装备数量的权重值,即修复率,来做好通信装备战场抢修效能分析。2.3维修组i/p54的故障分析和维修过程模型如图3所示。模型中各要素的具体意义如下:库所的意义:p01为维修机构领导;p02为维修机构接收人员;p1为装备故障;p2为装备等待接收;p3为接收后的故障装备;p4为故障分析人员进行故障分析;p41为故障分析人员;p5为故障装备分析后维修前的过渡空间;p51为辅助库所,用于限定维修机构过渡空间容纳装备的数量;p6为经分析人员按故障类型分类的装备;p6i适合维修组i进行修复的故障装备;p7i维修组i对p6i中故障装备进行维修中;p8i为维修组i;p9为修复的故障装备;sp为随机数产生器。变迁的意义为:t1维修机构领导对到来故障装备确认和签收;t2维修机构相关人员进行接收;t3故障装备开始接受故障检测;t4辅助变迁;t5故障分析完毕;t6将故障装备分类送往各维修组;t6i适合维修组i的故障装备开始接受抢修;t7i为维修组i维修完毕或确定故障维修不了;以上i均为1,2,3。3实例分析3.1多故障诊断模型某型通信装备在战场上的故障按部件可分为以下几种状态:f1(接收器故障)、f12(发送器故障)、f13(电源故障)、f14(天线故障)、f2(接收器和发送器同时故障)、f3(接收器和电源同时故障)、f4(接收器和天线同时故障)、f5(接收器、发送器和电源同时故障)、f6(接收器、发送器和天线同时故障)、f7(接收器、电源和天线同时故障)、f15(发送器和电源同时故障)、f16(发送器和天线同时故障)、f18(发送器、电源和天线同时故障)、f17(电源和天线同时故障)、f8(接收器、发送器、电源和天线同时故障)。为了仿真模型建立方便,对以上故障状态的分类编号直接与CPN着色相一致,具体情况如表1所示。设3组维修人员对各自负责的故障部分(如表2所示)的修复概率分别是65%、75%、80%,修复时间分别为t1、t2、t3。不难理解,在t1、t2、t3值差不多的情况下,根据修复概率的大小可以定出故障并发出现时,各组进行维修的优先顺序为z1>z2>z3。在战争的某个阶段此类装备出现了100部的故障。经分析人员统计,得出各类故障的数量,以及维修的程序如表1所示。3.2故障装备数量根据表1中的情况,可以通过数学运算得出该系统对故障装备的修复率,其步骤和结论如下:因为装备的数量均为整数,但在运算过程中会出现非整数,故定义一运算规则:设x为大于零的非整数,比x大的最小整数称为x的向上取整,记为[x]。则有:经1个维修组所修复的故障装备数量为[8×65%]+[12×75%]+[7×80%]+[8×80%]+[7×80%×80%]=31;经2个维修组所修复的故障装备数量为[11×65%×75%]+[4×65%×80%]+[9×65%×80%]+[4×65%×80%×80%]+[9×75%×80%]+[3×75%×80%]+[5×75%×80%×80%]=26;经3个组维修所修复的故障装备数量为[5×65%×75%×80%]+[2×65%×75%×80%]+[6×65%×75%×80%×80%]=5;即在实践中,此抢修系统对该型通信装备的修复率为(31+26+5)/100=62%。3.3故障修复率仿真根据以上情况和具体数值建立以下CPN-tools仿真模型,如图4所示。对以上模型进行仿真运行20次,结果如图5所示。从图中可以统计出这20次仿真结果的均值为61.5,根据上述中的取整原则,得故障装备修复数量为62,即仿真得出此抢修系统对该型通信装备的修复率为62%,与抢修系统的实际统计结果相一致。以上说明,运用CPN建模理论和CPN-too