基于peri網(wǎng)的通信裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修系統(tǒng)建模與仿真

基于peri網(wǎng)的通信裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修系統(tǒng)建模與仿真

0通信裝備作戰(zhàn)效能分析戰(zhàn)場(chǎng)修復(fù)是軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行的維修活動(dòng)，是維護(hù)和恢復(fù)裝備戰(zhàn)斗力的重要因素。在未來戰(zhàn)場(chǎng)上,通信裝備不但是保障裝備也將扮演著主戰(zhàn)裝備的角色,因此其必將成為敵方的主要打擊目標(biāo)。為保持戰(zhàn)時(shí)通信裝備作戰(zhàn)能力的正常發(fā)揮,平時(shí)積極通過建模、仿真等方法加強(qiáng)對(duì)通信裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修系統(tǒng)效能進(jìn)行分析研究是非常必要的,也是擺在軍事裝備研究人員面前的一個(gè)重要課題。有色Petri網(wǎng)作為當(dāng)前離散動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的重要建模工具,其本身以及由此拓展出來的相關(guān)理論和仿真工具,對(duì)探討如何有效分析和評(píng)估通信裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修系統(tǒng)效能提供了重要的理論支持。1顏色連接網(wǎng)絡(luò)cpn1.1輸出弧的組成1)位置和轉(zhuǎn)移是有色Petri網(wǎng)所包括的兩種典型的節(jié)點(diǎn),分別用于描述系統(tǒng)中的組成組件和進(jìn)程。在有色Petri網(wǎng)中,位置用一個(gè)圓圈“○”來表示,轉(zhuǎn)移用矩形“□”表示。位置和轉(zhuǎn)移用一個(gè)有向弧連起來。如果一個(gè)位置有一個(gè)弧由該位置指向轉(zhuǎn)移,則稱它為轉(zhuǎn)移的輸入位置,這弧稱為輸入弧;如果一個(gè)位置有一條從轉(zhuǎn)移指向該位置的弧,則稱它為轉(zhuǎn)移的輸出位置,這弧稱為輸出弧。一個(gè)有色Petri網(wǎng)可以畫成一組由位置、轉(zhuǎn)移和弧組成的有向圖,并允許從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)有多重弧,所以有色Petri網(wǎng)是一個(gè)多重有向圖。2)令牌和標(biāo)識(shí)。令牌代表了系統(tǒng)中的可利用資源情況。令牌在有色Petri網(wǎng)中用一個(gè)處于位置中的小圓點(diǎn)或具體數(shù)值表示。標(biāo)識(shí)是表示令牌在有色Petri網(wǎng)中各個(gè)位置的分布情況。標(biāo)識(shí)可以定義為M(i),它表示每個(gè)位置的令牌數(shù),反映了該位置的狀態(tài);標(biāo)識(shí)也可以定義成集合,它表示所有位置的令牌情況,反映了整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)。在模型中,可以對(duì)具有同種性質(zhì)或具備某種相同行為特性的標(biāo)識(shí)賦予同樣顏色,并稱著了顏色的標(biāo)識(shí)為有色標(biāo)識(shí)或色點(diǎn)。3)轉(zhuǎn)移的引發(fā)。令牌的運(yùn)動(dòng)由轉(zhuǎn)移的引發(fā)決定。轉(zhuǎn)移的引發(fā)是指轉(zhuǎn)移上游位置的令牌被傳送到該轉(zhuǎn)移下游位置的這一過程。它只能在其上游位置中至少有一個(gè)令牌的情況下才能發(fā)生,該轉(zhuǎn)移是可以引發(fā)的或有效的。一個(gè)轉(zhuǎn)移的引發(fā)造成從其上游位置中拉出一個(gè)令牌,并在其下游位置中放上一個(gè)令牌。每個(gè)轉(zhuǎn)移的引發(fā)將產(chǎn)生一個(gè)新的標(biāo)識(shí),每個(gè)標(biāo)識(shí)定義了一種系統(tǒng)狀態(tài),所以有色Petri網(wǎng)是由轉(zhuǎn)移的引發(fā)來運(yùn)行的。1.2色petri網(wǎng)流變的描述用有色Petri網(wǎng)建模的目的是為了分析它所描述的系統(tǒng),所以要求能通過技術(shù)手段對(duì)有色Petri網(wǎng)的行為特性進(jìn)行分析,從而掌握它所描述系統(tǒng)的特性。有色Petri網(wǎng)的幾個(gè)重要行為特性為1)可達(dá)性與覆蓋性?？蛇_(dá)性問題是有色Petri網(wǎng)分析中一個(gè)最基本的問題,是研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。根據(jù)有色Petri網(wǎng)轉(zhuǎn)移的引發(fā)條件,有效的轉(zhuǎn)移引發(fā)將會(huì)改變令牌在各位置中的分布,即會(huì)產(chǎn)生新的標(biāo)識(shí)。如果存在一個(gè)從M0到Mn的引發(fā)序列,稱標(biāo)識(shí)Mn是從M0可達(dá)的。引發(fā)序列表示為δ=(M0,t1M1,t2M2,…,tnMn),簡(jiǎn)化為δ=(t1,t2,…,tn)。該有色Petri網(wǎng)演變過程可表示為M0→M1→M2→…→Mn。覆蓋性是指已知一個(gè)帶標(biāo)識(shí)M的有色Petri網(wǎng)C和一個(gè)標(biāo)識(shí)M′,存在一個(gè)可達(dá)的標(biāo)識(shí)M″∈R(C,M)使M″≥M′,則稱M″覆蓋M′。2)活性與死鎖?；钚远x:如果對(duì)于可采納的Mi∈M0,經(jīng)過一系列有序轉(zhuǎn)移最終可到達(dá)初始標(biāo)記M0,稱該初始標(biāo)記M0是活的。死鎖定義:一個(gè)有色Petri網(wǎng)的標(biāo)記通過轉(zhuǎn)移序列演變,當(dāng)某些轉(zhuǎn)移不能再被引發(fā)時(shí),即當(dāng)有色Petri網(wǎng)所有的或一部分不再工作時(shí),則該有色Petri網(wǎng)出現(xiàn)死鎖問題。3)安全性和有界性。如果有色Petri網(wǎng)中一個(gè)位置的令牌數(shù)永不超過1個(gè),即該位置中的令牌數(shù)始終為1或0,則稱該位置是安全的。若有色Petri網(wǎng)的每個(gè)位置都是安全的,則該有色Petri網(wǎng)也是安全的。安全性是有界性的一種特殊情況。若有色Petri網(wǎng)中一個(gè)位置的令牌數(shù)不超過整數(shù)k,則稱這個(gè)位置是k有界的或k安全的。如果有色Petri網(wǎng)的每個(gè)位置都是k有界的,則該有色Petri網(wǎng)是k有界的或k安全的。1.3關(guān)聯(lián)矩陣p,tp定義一個(gè)有色Petri網(wǎng)(CPN)是一個(gè)六元組CPN=(P,T,Pre,Post,C,cd),其中:P是一個(gè)有窮集合,為庫所集合;T是一個(gè)有窮集合,為變遷集合,并且和P不相交;C是顏色類的集合;cd:P∪T→C是顏色域的映射;Pre,Post分別為網(wǎng)的向前和向后關(guān)聯(lián)矩陣,使得對(duì)于每一對(duì)(p,t)∈P×T。C=Post-Pre稱為關(guān)聯(lián)矩陣。發(fā)生規(guī)則有色Petri網(wǎng)變遷發(fā)生的一般原則同基本Petri網(wǎng)是一致的,均為變遷的輸入庫所具有變遷發(fā)生所需要的標(biāo)識(shí)數(shù)量,則引發(fā)變遷激發(fā),變遷結(jié)果由變遷輸出弧的參量定義所決定。但是,在有色Petri網(wǎng)中,庫所往往包含有不同顏色的標(biāo)識(shí),它們有不同的變遷規(guī)則,這個(gè)規(guī)則在變遷中定義,并決定著不同顏色標(biāo)識(shí)通過變遷后的不同結(jié)果。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說明變遷發(fā)生規(guī)則,如圖1所示,初始狀態(tài)庫所p1中包含有顏色為a和b的令牌各一個(gè),庫所p2含有兩個(gè)顏色為b和一個(gè)顏色為c的令牌,p3含有一個(gè)顏色為c的令牌,p4含有一個(gè)顏色為a的令牌。變遷規(guī)則為p1至少同時(shí)具有一個(gè)令牌a和一個(gè)令牌b(x=a,y=b,x+y=a+b),p2至少有兩個(gè)令牌b(z=b,2′z=2b),則t發(fā)生,且發(fā)生結(jié)果為t向p3輸入一個(gè)令牌b(y=b),向p4輸入一個(gè)令牌b(z=b)。2故障評(píng)估和分析1)裝備故障具有有限個(gè)狀態(tài),且一旦裝備故障只能且必定處于其中某一種狀態(tài),故障狀態(tài)分為基本故障狀態(tài)(或單一故障狀態(tài))和多故障狀態(tài),具體劃分根據(jù)實(shí)際情況而定;2)搶修人員分成3組,分工明確,每組負(fù)責(zé)裝備特定部位故障的維修;3)在搶修前,有一組檢測(cè)人員對(duì)裝備故障進(jìn)行評(píng)估和分析。因?yàn)閼?zhàn)場(chǎng)裝備出現(xiàn)故障的數(shù)量是隨機(jī)的,也很難評(píng)估,但維修隊(duì)伍修復(fù)故障裝備卻要花一定的時(shí)間。為了使分析故障這個(gè)環(huán)節(jié)能更好地工作,在分析和具體維修中間設(shè)置一個(gè)緩沖器,假設(shè)其容量為10個(gè);4)檢測(cè)人員得出的結(jié)論是正確的,即能夠準(zhǔn)確查找出裝備的故障部分,并確定故障該屬于哪組人員維修;5)維修人員盡力搶修屬于自己的那部分故障,其他部分交給其他組人員完成;6)各組搶修屬于自己的那部分故障所花的時(shí)間是隨機(jī)的,其概率為時(shí)間的函數(shù),在此假設(shè)3組分別服從參數(shù)為λ1、λ2、λ3的指數(shù)分布;7)通信裝備故障具有n種狀態(tài),其狀態(tài)空間用F表示,則F={f1,f2,…,fi},式中,fi表示裝備處于第i種狀態(tài)(i=1,2,…,n)。戰(zhàn)場(chǎng)上通信裝備出現(xiàn)的故障狀態(tài)是隨機(jī)的;8)3組搶修人員分別編號(hào)為z1,z2,z3,他們修復(fù)屬于自己的那部分故障是具有一定概率的,這個(gè)概率是可以通過平時(shí)訓(xùn)練、演習(xí)和演練總結(jié)出來的。2.2維修機(jī)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過程通信裝備維修保障能力主要包括裝備本身的可靠性、維修性、保障性,維修工具滿足裝備維修的需要程度,保障人員維修的熟練程度和技術(shù)水平,備件的供應(yīng)情況等因素。體現(xiàn)在裝備故障后送至維修機(jī)構(gòu)接受拆卸、檢測(cè)、維修方案確定、確定備件和工具、故障排除、裝機(jī)等一系列的過程,如圖2所示。其流程描述為步驟1)故障裝備送至維修機(jī)構(gòu);步驟2)首長簽收;步驟3)相關(guān)人員驗(yàn)收;步驟4)故障分析人員進(jìn)行分析,確定故障狀態(tài)和維修程序及人員;步驟5)維修人員開始維修屬于自己的部分故障,故障裝備如果屬于單一故障狀態(tài),能修復(fù)則返回戰(zhàn)場(chǎng),不能修復(fù)則退出戰(zhàn)場(chǎng);如果屬于多故障狀態(tài),該組維修人員能修復(fù)屬于自己的那部分裝備,則將修復(fù)后裝備交給下一組人員進(jìn)行維修,否則將裝備作退出戰(zhàn)場(chǎng)處理;步驟6)每個(gè)工序做好記錄,登記好來了多少臺(tái)故障裝備,最終返回戰(zhàn)場(chǎng)多少裝備。根據(jù)修復(fù)好的裝備(即返回戰(zhàn)場(chǎng)的裝備數(shù)量)占所有故障裝備數(shù)量的權(quán)重值,即修復(fù)率,來做好通信裝備戰(zhàn)場(chǎng)搶修效能分析。2.3維修組i/p54的故障分析和維修過程模型如圖3所示。模型中各要素的具體意義如下:庫所的意義:p01為維修機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo);p02為維修機(jī)構(gòu)接收人員;p1為裝備故障;p2為裝備等待接收;p3為接收后的故障裝備;p4為故障分析人員進(jìn)行故障分析;p41為故障分析人員;p5為故障裝備分析后維修前的過渡空間;p51為輔助庫所,用于限定維修機(jī)構(gòu)過渡空間容納裝備的數(shù)量;p6為經(jīng)分析人員按故障類型分類的裝備;p6i適合維修組i進(jìn)行修復(fù)的故障裝備;p7i維修組i對(duì)p6i中故障裝備進(jìn)行維修中;p8i為維修組i;p9為修復(fù)的故障裝備;sp為隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。變遷的意義為:t1維修機(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)到來故障裝備確認(rèn)和簽收;t2維修機(jī)構(gòu)相關(guān)人員進(jìn)行接收;t3故障裝備開始接受故障檢測(cè);t4輔助變遷;t5故障分析完畢;t6將故障裝備分類送往各維修組;t6i適合維修組i的故障裝備開始接受搶修;t7i為維修組i維修完畢或確定故障維修不了;以上i均為1,2,3。3實(shí)例分析3.1多故障診斷模型某型通信裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上的故障按部件可分為以下幾種狀態(tài):f1(接收器故障)、f12(發(fā)送器故障)、f13(電源故障)、f14(天線故障)、f2(接收器和發(fā)送器同時(shí)故障)、f3(接收器和電源同時(shí)故障)、f4(接收器和天線同時(shí)故障)、f5(接收器、發(fā)送器和電源同時(shí)故障)、f6(接收器、發(fā)送器和天線同時(shí)故障)、f7(接收器、電源和天線同時(shí)故障)、f15(發(fā)送器和電源同時(shí)故障)、f16(發(fā)送器和天線同時(shí)故障)、f18(發(fā)送器、電源和天線同時(shí)故障)、f17(電源和天線同時(shí)故障)、f8(接收器、發(fā)送器、電源和天線同時(shí)故障)。為了仿真模型建立方便,對(duì)以上故障狀態(tài)的分類編號(hào)直接與CPN著色相一致,具體情況如表1所示。設(shè)3組維修人員對(duì)各自負(fù)責(zé)的故障部分(如表2所示)的修復(fù)概率分別是65%、75%、80%,修復(fù)時(shí)間分別為t1、t2、t3。不難理解,在t1、t2、t3值差不多的情況下,根據(jù)修復(fù)概率的大小可以定出故障并發(fā)出現(xiàn)時(shí),各組進(jìn)行維修的優(yōu)先順序?yàn)閦1>z2>z3。在戰(zhàn)爭(zhēng)的某個(gè)階段此類裝備出現(xiàn)了100部的故障。經(jīng)分析人員統(tǒng)計(jì),得出各類故障的數(shù)量,以及維修的程序如表1所示。3.2故障裝備數(shù)量根據(jù)表1中的情況,可以通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得出該系統(tǒng)對(duì)故障裝備的修復(fù)率,其步驟和結(jié)論如下:因?yàn)檠b備的數(shù)量均為整數(shù),但在運(yùn)算過程中會(huì)出現(xiàn)非整數(shù),故定義一運(yùn)算規(guī)則:設(shè)x為大于零的非整數(shù),比x大的最小整數(shù)稱為x的向上取整,記為[x]。則有:經(jīng)1個(gè)維修組所修復(fù)的故障裝備數(shù)量為[8×65%]+[12×75%]+[7×80%]+[8×80%]+[7×80%×80%]=31;經(jīng)2個(gè)維修組所修復(fù)的故障裝備數(shù)量為[11×65%×75%]+[4×65%×80%]+[9×65%×80%]+[4×65%×80%×80%]+[9×75%×80%]+[3×75%×80%]+[5×75%×80%×80%]=26;經(jīng)3個(gè)組維修所修復(fù)的故障裝備數(shù)量為[5×65%×75%×80%]+[2×65%×75%×80%]+[6×65%×75%×80%×80%]=5;即在實(shí)踐中,此搶修系統(tǒng)對(duì)該型通信裝備的修復(fù)率為(31+26+5)/100=62%。3.3故障修復(fù)率仿真根據(jù)以上情況和具體數(shù)值建立以下CPN-tools仿真模型,如圖4所示。對(duì)以上模型進(jìn)行仿真運(yùn)行20次,結(jié)果如圖5所示。從圖中可以統(tǒng)計(jì)出這20次仿真結(jié)果的均值為61.5,根據(jù)上述中的取整原則,得故障裝備修復(fù)數(shù)量為62,即仿真得出此搶修系統(tǒng)對(duì)該型通信裝備的修復(fù)率為62%,與搶修系統(tǒng)的實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致。以上說明,運(yùn)用CPN建模理論和CPN-too