基于Petri網(wǎng)的虛擬維修作業(yè)過程模型分析

王霞

【摘 要】在虛擬維修領(lǐng)域，一般采用Petri網(wǎng)進(jìn)行維修過程建模，Petri網(wǎng)方法相對于其他過程建模方法，更適合于描述具有沖突、并發(fā)關(guān)系及復(fù)雜的行為關(guān)系等問題的系統(tǒng)，且該模型具有直觀性；能嚴(yán)格定義過程任務(wù)，具有強大的動態(tài)仿真性，能夠?qū)討B(tài)的非確定性的作業(yè)過程進(jìn)行有力的描述。本文針對基于Petri網(wǎng)虛擬維修作業(yè)過程的建模做幾種方法的比較。

【關(guān)鍵詞】Petri網(wǎng)；過程模型；虛擬維修作業(yè)

1 Petri網(wǎng)原理

Petri網(wǎng)為描述和研究具有并行、異步、分布式和隨機等特征的復(fù)雜系統(tǒng)提供了強有力的手段。作為一種圖形化工具，可以把 Petri 網(wǎng)看作是與數(shù)據(jù)流圖和網(wǎng)絡(luò)相似的通訊輔助方法；作為一種數(shù)學(xué)化方法，它可以用來建立狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其它描述系統(tǒng)行為的數(shù)學(xué)模型。

一般系統(tǒng)模型均由兩類元素組成，表示狀態(tài)的元素和表示變化的元素。表示狀態(tài)的元素成為庫所，表示變化的元素成為變遷。一個變遷有一定數(shù)量的輸入和輸出庫所，分別代表事件的前置條件和后置條件。Petri網(wǎng)作為一種形式化描述工具，主要用來對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、分析和模擬。Petri網(wǎng)的特點在于它側(cè)重于系統(tǒng)的變化，包括變化發(fā)生的條件、變化的結(jié)果以及變化之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2 基于Petri網(wǎng)的虛擬維修作業(yè)過程建模的實現(xiàn)

2.1 建模中描述的資源看作是具有動態(tài)的隨機變化的特點

第一種方法認(rèn)為，在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了維修知識描述網(wǎng)MKDN（ maintenance knowledge description nets. MKDN）。即用于維修知識描述的高級 Petri網(wǎng)技術(shù)，MKDN是對Petri網(wǎng)的功能擴充，這類方法認(rèn)為MKDN更適合描述層次多、關(guān)系復(fù)雜的維修知識。

1）資源建模

將維修保障資源分為：維修人員、保障設(shè)備、設(shè)施、維修工具、備件和維修信息資料。從作為資源的角度來看，這些元素具有兩種基本狀態(tài)：“空閑”狀態(tài)與“忙”狀態(tài)。因此，通過使用兩個庫所表示通用狀態(tài)“空閑”與“忙”， 則可以通過判斷庫所中有無對應(yīng)的托肯來判斷資源的可用與否，如圖1（a）中所示 。

（a）分別建立各資源庫所

（b）建立全局資源庫所

采用此方式 ， 用于表示各個資源的托肯可能屬于不同的類型。另外，也可以采用建立全局“資源”庫所的方法來描述資源問題。如圖1（b）中所示。

若此庫所中存在所需要的托肯，則表示相應(yīng)的資源可用；若此庫所中不含有該托肯，則表明沒有所需的資源，相應(yīng)的維修工作無法展開。一般說來，可以根據(jù)具體的研究問題進(jìn)行圖1（a）或圖1（b）方法的選擇。

2）維修操作動作建模

維修操作包含了兩個方面的內(nèi)容：（1）維修操作的可行條件；（2）維修操作的過程信息。采用“變遷”來描述維修操作，變遷的“可觸發(fā)”條件對應(yīng)該操作的可執(zhí)行條件。具體來說每項操作所需的工具、人員， 均表達(dá)為“資源”庫所。如果該庫所中存在托肯，變遷處于可觸發(fā)狀態(tài)，則當(dāng)前操作所需要的保障資源得到滿足。變遷所需資源的具體信息，一般通過指向變遷的弧標(biāo)明。這種對變遷的分解可以一直持續(xù)下去，直到所有的操作任務(wù)都用基本動作來描述，從而完成對維修操作的描述。

3）約束條件建模

某項維修操作是否可行，不但受維修保障資源的約束，而且還與維修工作自身的特點密切相關(guān)。例如 ， 在涂完膠水后，必須等待膠水凝固后方可進(jìn)行下一步操作，如圖2所示。這是一種時間方面的約束。此外， 還有一種維修之間的時序約束。例如，拆卸某電子零部件時，必須要等到所有與該電子零部件相連接的電纜斷開后才能執(zhí)行?？傊?，對于這些約束，均可通過建立表示前提條件的庫所、聯(lián)結(jié)庫所與變遷庫所的弧、 配置相應(yīng)的標(biāo)識以及設(shè)定固定時延量來進(jìn)行描述。

4）優(yōu)缺點

優(yōu)點：其適合描述層次多、關(guān)系復(fù)雜的維修知識。實踐證明，用于維修知識描述的高級Petri網(wǎng)技術(shù)-維修知識描述Petri網(wǎng)為復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)中的維修知識描述，提供了一種新的有效途徑和手段。

缺點：

①分解過程中的屬性保持要求：可達(dá)性判斷Petri網(wǎng)要能達(dá)到需要的狀態(tài)、活性Petri網(wǎng)是非死鎖的系統(tǒng)、邊界性保證不會超過額定的容量，可達(dá)性、活性、邊界性、安全性和可逆性等屬性的保持在許多需要進(jìn)行模型校驗的情形下是必須的。

②如果涉及維修動作和各類維修知識繁多的操作時，進(jìn)行設(shè)計時，維修狀態(tài)和維修知識進(jìn)行描述，數(shù)量將十分龐大，且不易于管理 。

2.2 建模中描述的資源看作是一系列離散的維修事件

裝備的維修過程可以看作是由一系列離散的維修事件組成，對此過程的建模屬于典型的離散系統(tǒng)建模范疇。Petri網(wǎng)是一種動態(tài)圖形描述工具，可以通過標(biāo)記（token） 的流動模擬系統(tǒng)的動態(tài)和活動行為，具有直觀、易懂的特點，適用于處理含有并發(fā)、沖突等復(fù)雜邏輯關(guān)系的系統(tǒng)。同時，Petri網(wǎng)有嚴(yán)格的形式化定義，可以用狀態(tài)方程、代數(shù)方程和其他數(shù)學(xué)模型來描述系統(tǒng)的行為，具有強大的系統(tǒng)行為分析能力。

1）有色Petri網(wǎng)的引入

基本的Petri網(wǎng)由庫所（place）、變遷（transition）和表示單一狀態(tài)或個體信息的托肯（token）組成 ， 在對規(guī)模較大的實際系統(tǒng)建模時，顯得系統(tǒng)節(jié)點過多，不利于模型的理解與分析。為了簡化系統(tǒng)模型，豐富Petri網(wǎng)的表達(dá)能力，人們引入了顏色的概念，用不同的顏色對不同類的個體加以區(qū)分，使一些復(fù)雜的過程模型容易實現(xiàn)。

2）變遷時間的引入

基本的庫所-變遷Petri網(wǎng)中變遷的觸發(fā)是瞬時的，即token的輸入和輸出并無時間的消耗，這不便于一些實際系統(tǒng)的描述和實現(xiàn)其性能分析。為了使模型能夠更加真實地反映維修作業(yè)過程，在維修作業(yè)Petri網(wǎng)中引入時間的概念，給維修作業(yè)變遷的觸發(fā)附加一個時間值。當(dāng)系統(tǒng)中某個操作變遷滿足其發(fā)生條件時，立刻消耗掉其前集庫所中的token，并在持續(xù)一段時間后再輸出產(chǎn)生的token到其后繼庫所。變遷觸發(fā)所持續(xù)的時間可以是已設(shè)定的固定值（如一項簡單的拆卸操作），影響變遷觸發(fā)持續(xù)時間的因素主要有輸入的對象token中所包含的屬性信息，如維修人員的體力信息、技術(shù)等級信息等。

3）優(yōu)缺點

優(yōu)點：

①可以大大減少網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，也使得模型結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，真實的反映維修作業(yè)過程。清晰地反映維修作業(yè)的流程、各維修作業(yè)間的關(guān)系，以及維修保障資源的使用情況。

②對表示維修資源的token進(jìn)行了擴充，豐富了描述能力。此擴展Petri網(wǎng)可以很好地應(yīng)用于裝備維修作業(yè)過程的描述，其模型具有直觀性；對模型進(jìn)行仿真，可以得到維修作業(yè)時間、平均維修時間、資源等待時間等；通過調(diào)整資源的配置也可以優(yōu)化維修作業(yè)過程。

缺點：

①因為公共庫所中代表維修保障資源的有色token的類型和數(shù)量會對模型的運行產(chǎn)生影響，可能改變系統(tǒng)的可達(dá)圖，甚至?xí)斐伤梨i。

②維修資源的配置也會影響某些維修作業(yè)的持續(xù)時間，從而影響整個維修任務(wù)的完成時間。對復(fù)雜系統(tǒng)的維修作業(yè)過程建模分析時，要綜合考慮維修時間與維修成本之間的平衡。

③采用著色Petri 網(wǎng)，傳統(tǒng)的涂色操作對模型的理解帶來了很大困難

3 個人觀點

虛擬維修作業(yè)過程建模的一個明顯優(yōu)勢就是能對建立好的模型進(jìn)行仿真訓(xùn)練，考察該模型是否能夠滿足動態(tài)仿真方面的要求。建模最重要的性能指標(biāo)就是能對動態(tài)的非確定性的作業(yè)過程或復(fù)雜的行為關(guān)系等進(jìn)行有力的描述。它是衡量虛擬維修作業(yè)過程優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。在開發(fā)過程的建模實踐中，為了適應(yīng)不同的建模需要，經(jīng)典的petri網(wǎng)方法已經(jīng)被擴展為不同的形式，為了解決復(fù)雜性問題，提出了有色petri網(wǎng)方法；為了表示任務(wù)執(zhí)行所需要的時間，提出時間petri網(wǎng)；為了表示開發(fā)過程模型的層次性，提出了層次petri網(wǎng)方法。但在產(chǎn)品開發(fā)建模時，因為不確定性，經(jīng)常多種方法結(jié)合起來用，如：時間網(wǎng)和層次網(wǎng)結(jié)合；有色網(wǎng)、時間網(wǎng)及層次網(wǎng)結(jié)合等。而在虛擬維修作業(yè)過程建模中，對于一些復(fù)雜的維修作業(yè)，可以按照以上相同的建模方法，即有色網(wǎng)、時間網(wǎng)及層次網(wǎng)結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)中的虛擬維修作業(yè)變遷或狀態(tài)庫所展開成子網(wǎng)， 逐級細(xì)化， 從而完善維修過程模型。

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[責(zé)任編輯：曹明明]