基于dews的抗戰(zhàn)時期通信裝備維修保障系統(tǒng)層次時間peri網(wǎng)建模與應(yīng)用

備維修保障系統(tǒng)隨著武器裝備從機械化向智能的轉(zhuǎn)變，對裝備維護的保障提出了更高的要求。也就是說，安裝準(zhǔn)備系統(tǒng)必須能夠正確的位置和時間，正確的設(shè)備和支撐力量，并以正確的數(shù)量為單位提供正確的人員、設(shè)備和保障能力。裝備維修保障系統(tǒng)是包含裝備、人員、物資調(diào)運、信息和管理等因素的離散事件動態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。筆者采用DEVS(DiscreteEVentSystemSpecifications)和時間Petri網(wǎng)建模理論相結(jié)合的方法,對戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)進(jìn)行分層建模,在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建了戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)層次時間Petri網(wǎng)模型,通過對維修保障系統(tǒng)建模,能詳細(xì)分析系統(tǒng)中的每個環(huán)節(jié),科學(xué)的配置保障資源和優(yōu)化維修保障過程,也可為制定相對合理的戰(zhàn)時裝備維修保障系統(tǒng)預(yù)案提供科學(xué)的依據(jù),對提高我軍裝備維修保障能力具有重要意義。1網(wǎng)絡(luò)釣魚網(wǎng)絡(luò)和時間捕捉網(wǎng)絡(luò)1.1復(fù)雜動態(tài)仿真中的小程序目前,對復(fù)雜離散事件建模與仿真多使用Petri網(wǎng)。它是一種系統(tǒng)的數(shù)學(xué)和圖形描述工具,對具有并發(fā)、異步、分布、并行、不確定性和隨機性信息處理,都可利用它構(gòu)造出相應(yīng)的Petri網(wǎng)模型;但簡單的Petri網(wǎng)主要有兩大不足:一是表達(dá)能力有限,對稍微復(fù)雜的系統(tǒng)需使用大量的庫所和變遷;二是不能表示各事件之間的時間關(guān)系。為了有效解決這兩個問題,人們提出了高級Petri網(wǎng),如隨機Petri網(wǎng)(SPN:StochasticPetriNet)、時間Petri網(wǎng)(TPN:TimePetrinet)和彩色Petri網(wǎng)(CPN:ColourePetriNet)。CPN在復(fù)雜離散動態(tài)系統(tǒng)建模仿真中具有明顯的優(yōu)勢,可對系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)的結(jié)構(gòu)分析和動態(tài)的行為分析,同時還有仿真平臺(CPN-TOOLS)對其有效的仿真技術(shù)支撐。由于Petri網(wǎng)是一種廣為人知的建模工具,這里只給出與筆者討論相關(guān)的重要概念和術(shù)語。1.2時間petri網(wǎng)基本定義時間Petri網(wǎng)通過在Petri網(wǎng)中引入時間概念,能較好地反映網(wǎng)系統(tǒng)的實時性和系統(tǒng)狀態(tài)。時間Petri網(wǎng)在對一類含時間因素工作流的建模中有其獨到之處,戰(zhàn)損裝備從戰(zhàn)損到恢復(fù)之間的一系列搶修活動含有許多時間因素,用時間Petri網(wǎng)對裝備戰(zhàn)場搶修系統(tǒng)建模,能清晰地反映裝備戰(zhàn)場搶修每個環(huán)節(jié)的時間關(guān)系,并能估算出戰(zhàn)損裝備的最短搶修時間和最長搶修時間?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭戰(zhàn)場態(tài)勢瞬息萬變,戰(zhàn)場上大量的戰(zhàn)損裝備如何盡快搶修恢復(fù),戰(zhàn)損裝備恢復(fù)時間的長短對維修指揮人員及時掌握戰(zhàn)場情況,合理安排人員、調(diào)運裝備,顯得尤為重要。高效、快捷的戰(zhàn)場裝備搶修,無疑將成為提高整體戰(zhàn)斗力的倍增器。時間Petri網(wǎng)一般是指對Petri網(wǎng)中的每個變遷引入一個延遲量(固定值或區(qū)間值),時間Petri網(wǎng)是個五元組,其基本定義如下Σ={S,T;F,M,I}Σ={S,Τ;F,Μ,Ι}其中{S,T;F,M}是原形Petri網(wǎng),I是變遷集上的時間區(qū)間函數(shù)。I:T→R0(R0∪{∞})Τ→R0(R0∪{∞}),R0表示非負(fù)實數(shù)集。對于t?T,若I(t)=[α,β],則當(dāng)變遷t表示M有發(fā)生權(quán)時,至少要經(jīng)過α單位時間才能發(fā)生;如果在此期間沒有別的變遷發(fā)生使t失去發(fā)生權(quán),則變遷t最晚在β時間單位內(nèi)必然發(fā)生。變遷的時間是瞬間的,即變遷一旦發(fā)生,立即導(dǎo)致標(biāo)識的改變。變遷t發(fā)生產(chǎn)生的新標(biāo)識M′(M|t>M′]的計算公式和原形Petri網(wǎng)的計算公式見文獻(xiàn)。時間Petri網(wǎng)中表示事件持續(xù)時間的標(biāo)注方法有兩種:一種是將時間標(biāo)注在變遷旁邊,表示當(dāng)該變遷具有發(fā)生條件時,要延遲一段時間后才能發(fā)生,或該變遷發(fā)生后,立即從相應(yīng)的輸入庫所中移走相應(yīng)托肯,但要延遲一段時間后才能在相應(yīng)的輸出庫所中產(chǎn)生相應(yīng)的托肯;另一種是將各事件的持續(xù)時間標(biāo)在庫所旁邊,表示庫所中產(chǎn)生的托肯要經(jīng)過一定的時間后才能參與網(wǎng)中的運行,該方法常用于對具體問題的性能分析,如最短路徑分析,更加簡單明了,不易出現(xiàn)分析錯誤。2層時間管理系統(tǒng)建模方法2.1基于時間petri網(wǎng)的戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)流程層次仿真模型細(xì)化理論的基本思想借用了DEVS(DiscreteEVentSystemSpecifications)理論,它是對離散事件系統(tǒng)的一種形式化描述,具有層次化和模塊化的特點,并提供了一種層次化和模塊化的系統(tǒng)說明方法。它由已知或容易分析的簡單網(wǎng)開始,逐步用更加詳細(xì)的子網(wǎng)代替初始簡單網(wǎng)中的庫所或變遷,新加進(jìn)去的子網(wǎng)不改變原先網(wǎng)的某些性質(zhì)?；跁r間Petri網(wǎng)的戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)流程多層次仿真模型,從簡單Petri網(wǎng)開始,用子網(wǎng)代替初始簡單網(wǎng)的庫所或變遷,自頂向下重復(fù)至理想的細(xì)化程度。具有層次化和模塊化的特點,這種“自頂向下”的過程可重復(fù)進(jìn)行到建模人員想要的細(xì)化程度。2.2戰(zhàn)時裝備維修保障系統(tǒng)流程模型戰(zhàn)時通信裝備維修保障過程是包含裝備、人員、物資調(diào)運、信息和管理等因素的離散動態(tài)的、多階段的事件序列,它包含裝備的戰(zhàn)損評估、故障定位、備件請求、部件更換和裝備恢復(fù)等一系列的搶修活動直到裝備重新回到正常狀態(tài)。建立戰(zhàn)時裝備維修保障系統(tǒng)流程的多層次時間Petri網(wǎng)(HTPN:NHierarchyTimePetriNet)模型主要是在把整個過程劃分為構(gòu)成戰(zhàn)時裝備維修保障流程的獨立子事件序列的基礎(chǔ)上,利用多層次時間Petri網(wǎng)模型清晰、明了地表達(dá)所研究的維修任務(wù)。其流程框圖如圖1所示。戰(zhàn)時裝備維修保障系統(tǒng)流程的多層次時間Petri網(wǎng)模型采用從上到下逐層細(xì)化的方法。在建立上層Petri模型的過程中,分析其中的關(guān)鍵過程后,再通過Petri網(wǎng)模型建立底層流程,完成多層次Petri網(wǎng)模型。2.3多層化建模模型為了降低復(fù)雜系統(tǒng)Petri網(wǎng)建立的復(fù)雜程度,多層次時間Petri網(wǎng)模型在建立復(fù)雜系統(tǒng)的Petri網(wǎng)中,應(yīng)用細(xì)化理論建立多層次時間Petri網(wǎng)。在業(yè)務(wù)流程中,有些任務(wù)是不可分的或者說是可以直接執(zhí)行的,稱為原子的。而有些任務(wù)是可進(jìn)一步劃分的,稱為復(fù)合的,它實際上也是個業(yè)務(wù)過程。同理,復(fù)合任務(wù)中還可以含有復(fù)合任務(wù)。相應(yīng)地,在Petri網(wǎng)描述中,將變遷分為兩種:基本變遷和子網(wǎng)變遷?；咀冞w表示原子任務(wù),子網(wǎng)變遷表示復(fù)合任務(wù),它有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部行為和內(nèi)部狀態(tài)。下面以3層次的Petri網(wǎng)為例(見圖2)說明Petri網(wǎng)的多層化建模的優(yōu)點。1)隱藏子網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu),在建模時集中于相應(yīng)的抽象層次。2)對于有相同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng),不必重復(fù)建模和分析。3)使業(yè)務(wù)流程模型具有良好的結(jié)構(gòu),便于對其分析處理。為了便于實現(xiàn)子網(wǎng)變遷的替代,以及規(guī)范子網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立模型庫(為后續(xù)流程建模提供相同結(jié)構(gòu)子網(wǎng)模型),在基本Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上,為子網(wǎng)模型增加Start和Finish兩個庫所和初始變遷tin與終止變遷tout兩個瞬時變遷。Start庫所表示子網(wǎng)的開始,Finish庫所表示子網(wǎng)結(jié)束。用子網(wǎng)代替子網(wǎng)變遷時,只需找到子網(wǎng)的初始變遷tin和終止變遷tout,這兩個變遷之間的Petri網(wǎng)就能代替上一層Petri網(wǎng)中相應(yīng)的等待細(xì)化的變遷。3戰(zhàn)爭通信系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)模型3.1成立維修組,放線裝戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)組成情況:平時為兩級維修保障,即基層級維修和基地級維修;戰(zhàn)時改為3級,即基層級、野戰(zhàn)級和基地級,后兩級都相應(yīng)配有備件倉庫,保障人員構(gòu)成有基層級維修組,野戰(zhàn)修理所和修理所維修組?；丶壘S修組裝備戰(zhàn)場搶修過程是:裝備一旦戰(zhàn)損,首先由裝備使用人員換用備用裝備,然后通知戰(zhàn)時搶修分隊和基層維修保障人員,評估人員快速做出決斷,戰(zhàn)損裝備就地?fù)屝捱€是送修,盡可能就地?fù)屝?戰(zhàn)損裝備不能就地?fù)屝薜?可根據(jù)裝備損傷情況劃分維修等級,輕損的裝備送往基層級,由裝備使用分隊和基層級修理分隊維修;中度損傷裝備送野戰(zhàn)級,由野戰(zhàn)修理所維修組維修;重?fù)p裝備送基地級維修組維修,沒有搶修價值或不能及時修復(fù)的裝備退出戰(zhàn)斗。3.2維修人員和組件頂層:由戰(zhàn)損評估、戰(zhàn)損裝備后送、戰(zhàn)場搶修分隊、野戰(zhàn)級維修中心、基地維修中心、野戰(zhàn)級備件倉庫、基地級備件倉庫和裝備送返戰(zhàn)場等相對獨立的子系統(tǒng)組成。平時通信裝備維修保障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為樹結(jié)構(gòu)且為兩級維修,為了戰(zhàn)時需要,戰(zhàn)時通信裝備維修保障機構(gòu)相應(yīng)調(diào)整為3級且為偏平結(jié)構(gòu)(見圖3)。戰(zhàn)時裝備搶修可直接向每個級別的維修中心申請維修人員和備件,這樣可極大地縮短戰(zhàn)損裝備的搶修時間,同時也體現(xiàn)了戰(zhàn)時靠前維修的指導(dǎo)思想。中間層:由戰(zhàn)損裝備到達(dá)、檢測設(shè)備準(zhǔn)備、檢測設(shè)備空閑、檢測設(shè)備不足、維修人員準(zhǔn)備、維修人員空閑、維修人員不足、維修人員準(zhǔn)備到位、檢測設(shè)備準(zhǔn)備到位、開始檢修、檢修備件申請、維修結(jié)束和人員檢測設(shè)備資源釋放等相對獨立的子系統(tǒng)組成。在戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)建模過程中,資源可分為通用資源和專用資源。專用資源主要包括維修備件等不可再生資源,通用資源主要包括維修人員、檢修設(shè)備、維修資料和場地等,這類資源在占用過后可以釋放,在仿真過程中可遇到通用資源“占用”和“釋放”的問題,在仿真結(jié)果中,直接體現(xiàn)在裝備維修排隊等待時間和平均維修時間。為此把通用資源放在中間層(以野戰(zhàn)級為例),而把裝備維修過程和專用資源放在底層。底層:由戰(zhàn)損裝備到達(dá)、維修人員到位、檢測設(shè)備到位、故障分析、故障定位、故障隔離、故障分解、備件申請、領(lǐng)導(dǎo)審批、等待領(lǐng)取、備件出庫登記、備件送達(dá)、更換部件、裝備恢復(fù)、裝備調(diào)整和結(jié)束維修等相對獨立的子系統(tǒng)組成。4s1331庫所描述的損傷裝備實現(xiàn)根據(jù)前面所構(gòu)建的戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)3層次時間Petri網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)模型,可構(gòu)建出戰(zhàn)時通信裝備維修保障系統(tǒng)頂層、中間層和底層時間Petri網(wǎng)模型。由于文章篇幅有限,筆者只給出野戰(zhàn)級頂層時間Petri網(wǎng)模型(見圖4),中間層和底層時間Petri網(wǎng)模型可參見文獻(xiàn)。頂層時間Petri網(wǎng)模型執(zhí)行過程描述如下。根據(jù)戰(zhàn)斗計劃,完好通信裝備以一定數(shù)量的托肯(token)放入P1111庫所,戰(zhàn)損的通信裝備以一定損傷概率到達(dá)P1221庫所。P1331庫所描述的是對損傷裝備進(jìn)行損傷評估和維修級別劃分后,按照損傷評估的結(jié)論和維修級別的劃分時間延遲t1331,決定戰(zhàn)損裝備退出戰(zhàn)斗或送往基地級維修基地、野戰(zhàn)級維修中心或搶修分隊的維修任務(wù),故障裝備沒有搶修價值,故障裝備退出戰(zhàn)斗送P1441庫所。屬于特裝維修中心維修的送P1551庫所,故障裝備屬于搶修分隊維修的裝備送往P1661庫所,屬于野戰(zhàn)級維修的裝備則轉(zhuǎn)送往P112121庫所,屬于基地級維修的裝備送往P118181庫所。故障裝備屬于搶修分隊維修的,送入P1661庫所后,進(jìn)入維修階段庫所P1771和P1881,經(jīng)搶修分隊維修的裝備恢復(fù)正常的,轉(zhuǎn)入送返戰(zhàn)場庫所P111111,未修復(fù)的送野戰(zhàn)級維修。故障裝備屬于野戰(zhàn)級維修的,送入P112121庫所后;轉(zhuǎn)入野戰(zhàn)級維修庫所P114141和P115151,經(jīng)野戰(zhàn)級維修恢復(fù)正常的,轉(zhuǎn)入送返戰(zhàn)場庫所P117171,未修復(fù)的送基地級維修。故障裝備屬于基地級維修的,送入P118181庫所后,轉(zhuǎn)入基地級維修庫所P120201和P121211,經(jīng)過基地級維修恢復(fù)正常的,轉(zhuǎn)入送返戰(zhàn)場庫所P125251,P123231和P122221庫所分別代表野戰(zhàn)級和基地級備件倉庫,隨時為野戰(zhàn)級和基地級維修基地提供備件。頂層時間Petri模型中戰(zhàn)損評估過程為t1331,搶修分隊維修過程為t1771,t1881,野戰(zhàn)級維修過程為t114141,t116161,基地級維修過程為t120201,t121211,延遲時間均可根據(jù)情況假定為指數(shù)分布、平均分布、三角分布和正態(tài)分布等。5戰(zhàn)時裝備維修仿真對系統(tǒng)的特性分析可采用理論分析和仿真兩種方法進(jìn)行。理論上根據(jù)時間Petri網(wǎng)中每個變遷最大最小時間,依據(jù)一定的推算規(guī)則和算法,可推算出戰(zhàn)時通信裝備維修的最短維修時間,從而得到最佳維修路徑;通過選取適合的仿真軟件(例如可視化交互仿真軟件Arena)對模型進(jìn)行仿真