装甲车车载电台虚拟维修过程的建模技术

何 彬，冯 瑀，杨新旺

( 装甲兵工程学院 信息工程系，北京 100072)

以往在电台维修时，大都采用故障树的方法对故障信息进行描述，但目前新型电台具有状态复杂和故障现象多样性等特点，难以用故障树去涵盖其所有故障可能。本文采用过程建模技术，从电台维修动作和状态去描述整个维修过程，可以用简单的模型涵盖大量的故障可能，免去了原理级的分析，使虚拟维修系统更易于实现。

1 电台维修的过程建模需求

建立的过程模型能描述整个维修过程内的动态行为特征，研究维修过程的动态行为就可找到更好的过程控制方法或是优化维修流程，因此，过程模型十分注重各操作间的相互关系及相互作用。电台维修是由维修人员参与的、由多个维修操作按照一定的关系组成的、涉及多种维修工具资源的操作集合。完整的维修操作过程是由多个操作组成，每个操作的执行都有其特定的条件。每个维修操作都可视为一个子操作，将所有的操作按照一定的约束关系连接起来，可形成完整的电台维修过程模型。

针对电台维修的实际需求，满足条件的过程建模技术必须具有如下的描述能力:

1)在模型中能够描述不同类型的维修资源或同一类型的多个资源。

2)能够清楚地对“维修动作”与“维修状态”这2 种不同类型的信息进行区分，并可以描述二者的约束和作用关系。

3)能够明确表达维修操作的“前提条件”。

4)能够对维修操作时间信息进行描述，同时也能表达不同维修操作之间的时序约束。

5)能够表达维修操作之间的各种关系，如“顺序”、“并行”、“选择”、“资源竞争”等关系。

由以上的分析可见，若要完整的表示整个维修过程，就必须要考虑到维修资源的种类、数量及时间这3 个要素。

2 基于Petri 的网维修过程建模技术

目前过程建模的主流技术有4 种:IDEF3、UML、PERT 图和Petri 网。从对象处理能力、逻辑关系描述能力、动态行为描述能力、与知识表达的关系和技术的可扩展能力5 个方面对这4 项技术进行对比分析得出，Petri 网建模方法不但描述能力强，易扩展，而且与知识表示结合紧密，能够为系统智能辅助维修的实现打下很好的基础。因此，Petri 网作为维修过程模型的建模工具更为合适。

2.1 维修过程描述网MPDN

由上面分析可得，资源的种类、资源的数量和时间是电台维修过程建模的3 个关键因素。但在基本Petri 网中，库所( place)作为资源的表示元素，仅能表示资源的数量，不能满足表示资源种类的需求。变迁( transition)作为维修动作的表示元素，只具有“瞬间”的特性，也不能满足过程建模的需求。然而研究发现，有色Petri 网( color petri nets，CPN)虽不能描述时间因素，但通过“染色”的方法可区分资源种类; 而时间Petri 网( time petri nets，TPN)虽不能处理资源的类别，但能很好地描述时间因素。结合这两者的特性，对基本Petri网进行扩展，定义了维修过程描述网( maintenance procedure descriptionnets，MPDN)。

定义1 MPDN 网模型可以定义为如下一个八元组:

1)N = ( P，T;F )是个网，称为∑的基网。其中P ={p1，p2，…，pm}( m=)是一个库所的有限集，表示对象的集合，它分为3 种类型:维修状态P、不可变资源Ps1和可变资源Ps2。

T= { t1，t2，…，tn}( n=)是一个变迁的有限集，表示变迁的集合。在MPDN 中，由于电台维修操作的特殊性，本文扩充了变迁的定义:

这里⊕表示不相交并集。Taction表示基本维修操作集对应变迁的集合，这些变迁可以直接触发，不需要再分解。Ttask表示抽象维修操作集，每个维修操作的执行需要新的子网来替换。

2)C: P∪T→颜色集的幂集合，使得: 对于所有p∈P，C( p)是库所p 上所有可能的托肯色之集合; C ( t )是t 上所有可能的出现色之集合。

3)I-和I+分别是P ×T 上的负函数和正函数，使得对所有( p，t)∈P × T: I-( p，t)∈ [C( t)MS→C( p)MS]L且I-( p，t)=0 的 充 分 必 要 条 件 是( p，t)∈F; I+( p，t)∈[C( t)MS→C( p)MS]L且I+( p，t)= 0 的 充 分 必 要 条 件是( p，t)∉F。

4)M0:P→DMS，称为∑的初始标识，它必须满足条件∀p∈P:M0∈C( p)MS，即M0( p)是p 的托肯色集合上的多重集。

5)TL 为变迁时间标签集合，系统初始集合为空，Tj( n)表示变迁Tj在时间n 激活，变迁激活后，TL=TL+ { Tj( n )}。变迁时间标签的引入不仅能够标识电台的操作时间，同时又可以防止变迁的重复激活。

通过以上定义可见，MPDN 网不仅能够通过给托肯“染色”来区分资源的类型和数量，而且能描述过程中的操作响应时延和完成操作的时间，因此可以很好地对电台的维修过程进行建模。

2.2 MPDN 的分析方法

MPDN 依循先简单后复杂、先外部后内部、先部件后模件的顺序进行分析。在MPDN 网中，变迁一步步被子网替换。通过这种方法能够获得一个任意大的Petri 网，但会增加Petri 网的分析难度。本文根据保持Petri 网的有界性和活性的理论，对MPDN 进行特定模块的划分，建立基本设计模块，使原网模型的属性被设计模块替代。

1)MPDN 的基本设计模块。MPDN 的分析方法从根本上说就是一个从上往下逐步求解的过程，使用基本设计模块或子系统来代替变迁。基本设计模块包括顺序MPDN、并行MPDN 和选择MPDN，在这里仅给出选择MPDN 模块的定义。

2)MPDN 分解过程中的属性保持。可达性判断Petri 网是否能达到需要的状态，活性决定系统是否死锁，边界性保证不会超过额定的容量，可逆性使系统能够重新初始化。这些属性的保持在需要进行模型校验的情形下是必须的。MPDN 网的3 个基本设计模块是按照REPN 的理论进行划分的，因此MPDN 在分解过程中的可达性、活性、边界性和可逆性得到了保持。

3 基于MPDN 的电台维修过程建模技术

3.1 MPDN 在电台维修过程建模上的基本定义

为了使MPDN 网能够更好地应用到电台维修的过程建模上，本文给库所和变迁分别赋予了新的涵义。

对于库所，根据电台维修时的资源使用情况，将其分为不变资源和可变资源。不变资源如检测设备、维修工具等，这类资源在操作过程中数量不变，映射到MPDN 中就是库所初始化的托肯是常数，用库所Ps表示。可变资源如螺丝、替换模件等，这类资源在操作过程中会有消耗，映射到MPDN中就是库所中的托肯数的改变。同时本文将电台在维修过程中的各种状态用状态库所Pi表示，其中角标i 的取值为1 ～n，n 为维修涉及的状态数。

对于变迁，本文根据维修过程的特点，将其分为抽象操作集和基本操作集。抽象变迁集只是整个大的操作集的名称，仍需继续向下细分，用tai表示。基本操作集则是具体的维修动作，可以直接触发，不需要再分解，用ti表示。在变迁的“可触发”条件的控制上，MPDN 中添加了一个TL 元素。当变迁激活后，TL =TL +{Tj(n)} 。这样通过TL 元素的控制，就可以很好的将MPDN 应用到电台维修过程建模中。

在应用MPDN 网描述电台维修的过程模型时，其基本设计模块在模型的简化上起到了十分重要的作用。

下面通过一个电台维修实例，对MPDN 并行基本设计模块的应用进行介绍。

在装甲车车载电台虚拟维修训练系统任务描述中，并行MPDN 描述n 个任务或操作同时触发。在这些事件结束后，其他事件才能开始。图1 描述的是从电台上分别拆卸功放单元和收发信机单元的维修动作。由于拆卸功放单元和拆卸收发信机单元的动作可以同时触发，因此在并行基本设计模块描述时，通过2 个并行的控制流关系来表达出这种关系。其中ta1和ta2分别用来表示拆卸功放单元和拆卸收发信机单元的抽象操作集。

图1 并行基本设计模块在电台维修中的应用

3.2 MPDN 在电台维修过程建模上的基本流程

针对维修工作过程的初始信息，对维修工作任务进行分解，结合MPDN 的建模规则，给出如图2 所示的建模方式。

1)列举出维修过程中可能出现的所有状态，第1 状态为“故障状态”，最后一个状态为“修理完毕”。每个状态都用库所表示。

2)将引起状态改变的“维修操作”用变迁表示。

3)列举出维修中涉及到的维修资源，根据资源分类，将其分为可变库所和不可变库所。

4)确定能够触发转移所需要的各种条件，并用转移的“前置库所”表达。

5)针对需要展开的节点，逐步展开，从而实现层次化建模。

图2 建模流程

4 MPDN 在电台维修过程建模上的应用实例

以装甲车车载电台功放单元内PS 电源模件故障为例，建立基于MPDN 的维修过程模型。首先分析此维修工作的过程，拟定出它的维修工序，而后根据工序确定出所需的资源，如图3 所示。

图3 装甲车载电台功放单元PS 模件故障维修任务分析图

图3对整个故障维修任务进行了分解，同时也明确了每个任务所需的资源，并且将每个步骤的任务进行了明确，为模型的建立奠定了基础。分析维修任务，结合MPDN 规则，可以得到如图4 所示的层次化维修过程模型。

可以看出，应用MPDN 建立的模型涵盖了较多的故障现象，并且Petri 网的分析难度没有显著增加。

图4 车载电台功放单元PS 模件故障维修过程建模

5 结束语

MPDN 扩充了Petri 网的功能，使其不仅能够描述资源的数量和种类，而且可以描述过程中消耗的时间和存在的延时。本文提出了MPDN 在电台维修过程建模上的基本应用方式和一般规程，通过实际案例验证了在电台维修中应用MPDN 建模的可行性和优越性。

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