裝甲車車載電臺虛擬維修過程的建模技術

何 彬，馮 瑀，楊新旺

( 裝甲兵工程學院 信息工程系，北京 100072)

以往在電臺維修時，大都采用故障樹的方法對故障信息進行描述，但目前新型電臺具有狀態復雜和故障現象多樣性等特點，難以用故障樹去涵蓋其所有故障可能。本文采用過程建模技術，從電臺維修動作和狀態去描述整個維修過程，可以用簡單的模型涵蓋大量的故障可能，免去了原理級的分析，使虛擬維修系統更易于實現。

1 電臺維修的過程建模需求

建立的過程模型能描述整個維修過程內的動態行為特征，研究維修過程的動態行為就可找到更好的過程控制方法或是優化維修流程，因此，過程模型十分注重各操作間的相互關系及相互作用。電臺維修是由維修人員參與的、由多個維修操作按照一定的關系組成的、涉及多種維修工具資源的操作集合。完整的維修操作過程是由多個操作組成，每個操作的執行都有其特定的條件。每個維修操作都可視為一個子操作，將所有的操作按照一定的約束關系連接起來，可形成完整的電臺維修過程模型。

針對電臺維修的實際需求，滿足條件的過程建模技術必須具有如下的描述能力:

1)在模型中能夠描述不同類型的維修資源或同一類型的多個資源。

2)能夠清楚地對“維修動作”與“維修狀態”這2 種不同類型的信息進行區分，并可以描述二者的約束和作用關系。

3)能夠明確表達維修操作的“前提條件”。

4)能夠對維修操作時間信息進行描述，同時也能表達不同維修操作之間的時序約束。

5)能夠表達維修操作之間的各種關系，如“順序”、“并行”、“選擇”、“資源競爭”等關系。

由以上的分析可見，若要完整的表示整個維修過程，就必須要考慮到維修資源的種類、數量及時間這3 個要素。

2 基于Petri 的網維修過程建模技術

目前過程建模的主流技術有4 種:IDEF3、UML、PERT 圖和Petri 網。從對象處理能力、邏輯關系描述能力、動態行為描述能力、與知識表達的關系和技術的可擴展能力5 個方面對這4 項技術進行對比分析得出，Petri 網建模方法不但描述能力強，易擴展，而且與知識表示結合緊密，能夠為系統智能輔助維修的實現打下很好的基礎。因此，Petri 網作為維修過程模型的建模工具更為合適。

2.1 維修過程描述網MPDN

由上面分析可得，資源的種類、資源的數量和時間是電臺維修過程建模的3 個關鍵因素。但在基本Petri 網中，庫所( place)作為資源的表示元素，僅能表示資源的數量，不能滿足表示資源種類的需求。變遷( transition)作為維修動作的表示元素，只具有“瞬間”的特性，也不能滿足過程建模的需求。然而研究發現，有色Petri 網( color petri nets，CPN)雖不能描述時間因素，但通過“染色”的方法可區分資源種類; 而時間Petri 網( time petri nets，TPN)雖不能處理資源的類別，但能很好地描述時間因素。結合這兩者的特性，對基本Petri網進行擴展，定義了維修過程描述網( maintenance procedure descriptionnets，MPDN)。

定義1 MPDN 網模型可以定義為如下一個八元組:

1)N = ( P，T;F )是個網，稱為∑的基網。其中P ={p1，p2，…，pm}( m=)是一個庫所的有限集，表示對象的集合，它分為3 種類型:維修狀態P、不可變資源Ps1和可變資源Ps2。

T= { t1，t2，…，tn}( n=)是一個變遷的有限集，表示變遷的集合。在MPDN 中，由于電臺維修操作的特殊性，本文擴充了變遷的定義:

這里⊕表示不相交并集。Taction表示基本維修操作集對應變遷的集合，這些變遷可以直接觸發，不需要再分解。Ttask表示抽象維修操作集，每個維修操作的執行需要新的子網來替換。

2)C: P∪T→顏色集的冪集合，使得: 對于所有p∈P，C( p)是庫所p 上所有可能的托肯色之集合; C ( t )是t 上所有可能的出現色之集合。

3)I-和I+分別是P ×T 上的負函數和正函數，使得對所有( p，t)∈P × T: I-( p，t)∈ [C( t)MS→C( p)MS]L且I-( p，t)=0 的 充 分 必 要 條 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 條 件是( p，t)?F。

4)M0:P→DMS，稱為∑的初始標識，它必須滿足條件?p∈P:M0∈C( p)MS，即M0( p)是p 的托肯色集合上的多重集。

5)TL 為變遷時間標簽集合，系統初始集合為空，Tj( n)表示變遷Tj在時間n 激活，變遷激活后，TL=TL+ { Tj( n )}。變遷時間標簽的引入不僅能夠標識電臺的操作時間，同時又可以防止變遷的重復激活。

通過以上定義可見，MPDN 網不僅能夠通過給托肯“染色”來區分資源的類型和數量，而且能描述過程中的操作響應時延和完成操作的時間，因此可以很好地對電臺的維修過程進行建模。

2.2 MPDN 的分析方法

MPDN 依循先簡單后復雜、先外部后內部、先部件后模件的順序進行分析。在MPDN 網中，變遷一步步被子網替換。通過這種方法能夠獲得一個任意大的Petri 網，但會增加Petri 網的分析難度。本文根據保持Petri 網的有界性和活性的理論，對MPDN 進行特定模塊的劃分，建立基本設計模塊，使原網模型的屬性被設計模塊替代。

1)MPDN 的基本設計模塊。MPDN 的分析方法從根本上說就是一個從上往下逐步求解的過程，使用基本設計模塊或子系統來代替變遷。基本設計模塊包括順序MPDN、并行MPDN 和選擇MPDN，在這里僅給出選擇MPDN 模塊的定義。

2)MPDN 分解過程中的屬性保持。可達性判斷Petri 網是否能達到需要的狀態，活性決定系統是否死鎖，邊界性保證不會超過額定的容量，可逆性使系統能夠重新初始化。這些屬性的保持在需要進行模型校驗的情形下是必須的。MPDN 網的3 個基本設計模塊是按照REPN 的理論進行劃分的，因此MPDN 在分解過程中的可達性、活性、邊界性和可逆性得到了保持。

3 基于MPDN 的電臺維修過程建模技術

3.1 MPDN 在電臺維修過程建模上的基本定義

為了使MPDN 網能夠更好地應用到電臺維修的過程建模上，本文給庫所和變遷分別賦予了新的涵義。

對于庫所，根據電臺維修時的資源使用情況，將其分為不變資源和可變資源。不變資源如檢測設備、維修工具等，這類資源在操作過程中數量不變，映射到MPDN 中就是庫所初始化的托肯是常數，用庫所Ps表示。可變資源如螺絲、替換模件等，這類資源在操作過程中會有消耗，映射到MPDN中就是庫所中的托肯數的改變。同時本文將電臺在維修過程中的各種狀態用狀態庫所Pi表示，其中角標i 的取值為1 ～n，n 為維修涉及的狀態數。

對于變遷，本文根據維修過程的特點，將其分為抽象操作集和基本操作集。抽象變遷集只是整個大的操作集的名稱，仍需繼續向下細分，用tai表示。基本操作集則是具體的維修動作，可以直接觸發，不需要再分解，用ti表示。在變遷的“可觸發”條件的控制上，MPDN 中添加了一個TL 元素。當變遷激活后，TL =TL +{Tj(n)} 。這樣通過TL 元素的控制，就可以很好的將MPDN 應用到電臺維修過程建模中。

在應用MPDN 網描述電臺維修的過程模型時，其基本設計模塊在模型的簡化上起到了十分重要的作用。

下面通過一個電臺維修實例，對MPDN 并行基本設計模塊的應用進行介紹。

在裝甲車車載電臺虛擬維修訓練系統任務描述中，并行MPDN 描述n 個任務或操作同時觸發。在這些事件結束后，其他事件才能開始。圖1 描述的是從電臺上分別拆卸功放單元和收發信機單元的維修動作。由于拆卸功放單元和拆卸收發信機單元的動作可以同時觸發，因此在并行基本設計模塊描述時，通過2 個并行的控制流關系來表達出這種關系。其中ta1和ta2分別用來表示拆卸功放單元和拆卸收發信機單元的抽象操作集。

圖1 并行基本設計模塊在電臺維修中的應用

3.2 MPDN 在電臺維修過程建模上的基本流程

針對維修工作過程的初始信息，對維修工作任務進行分解，結合MPDN 的建模規則，給出如圖2 所示的建模方式。

1)列舉出維修過程中可能出現的所有狀態，第1 狀態為“故障狀態”，最后一個狀態為“修理完畢”。每個狀態都用庫所表示。

2)將引起狀態改變的“維修操作”用變遷表示。

3)列舉出維修中涉及到的維修資源，根據資源分類，將其分為可變庫所和不可變庫所。

4)確定能夠觸發轉移所需要的各種條件，并用轉移的“前置庫所”表達。

5)針對需要展開的節點，逐步展開，從而實現層次化建模。

圖2 建模流程

4 MPDN 在電臺維修過程建模上的應用實例

以裝甲車車載電臺功放單元內PS 電源模件故障為例，建立基于MPDN 的維修過程模型。首先分析此維修工作的過程，擬定出它的維修工序，而后根據工序確定出所需的資源，如圖3 所示。

圖3 裝甲車載電臺功放單元PS 模件故障維修任務分析圖

圖3對整個故障維修任務進行了分解，同時也明確了每個任務所需的資源，并且將每個步驟的任務進行了明確，為模型的建立奠定了基礎。分析維修任務，結合MPDN 規則，可以得到如圖4 所示的層次化維修過程模型。

可以看出，應用MPDN 建立的模型涵蓋了較多的故障現象，并且Petri 網的分析難度沒有顯著增加。

圖4 車載電臺功放單元PS 模件故障維修過程建模

5 結束語

MPDN 擴充了Petri 網的功能，使其不僅能夠描述資源的數量和種類，而且可以描述過程中消耗的時間和存在的延時。本文提出了MPDN 在電臺維修過程建模上的基本應用方式和一般規程，通過實際案例驗證了在電臺維修中應用MPDN 建模的可行性和優越性。

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