糧庫監控系統總線網絡可靠性建模與分析

黃海

（廣東培正學院教務處，廣東廣州510830）

糧庫監控系統總線網絡可靠性建模與分析

黃海

（廣東培正學院教務處，廣東廣州510830）

針對糧庫監控系統總線網絡缺乏可靠性評估手段的難題，引入廣義隨機Petri網建模與分析技術，建立了糧庫監控系統總線網絡可靠性分析模型.該模型有效地模擬了各類故障在糧庫監控系統總線網絡中的動態行為.在TimeNET 4.2軟件環境下實現糧庫監控系統總線網絡可靠性分析模型，分析了系統可用度的動態變化趨勢及原因，驗證了模型的正確性和有效性.模型可以為糧庫監控系統總線網絡的可靠性評估提供參考.

糧庫監控系統；總線網絡；廣義隨機Petri網；可靠性；可用度

糧庫監控系統是保證糧庫安全生產的“電子警察”，總線網絡是實現糧庫監控系統信息實時、可靠傳輸的神經中樞［1］.目前關于糧庫監控系統總線網絡的研究大多集中在軟硬件設計等方面，而關于可靠性建模與分析缺乏針對性研究［2］.如何建立糧庫監控系統總線網路可靠性分析模型，對驗證糧庫監控系統總線網路設計方案的可行性和正確性具有非常重要的意義［3］.

廣義隨機Petri網（Generalized Stochastic Petri Net，GSPN）是在普通Petri網基礎上通過擴展變遷類型得到的一種高級Petri網形式，可以更加有效地描述系統的動態變化運行過程，已經在諸多領域中得到了重視與研究［4］.筆者將GSPN引入糧庫監控系統總線網路可靠性分析領域中，探討GSPN在糧庫監控系統總線網路可靠性建模與分析中的應用價值.

1 糧庫監控系統總線網路故障模式分析

1.1 網路拓撲結構

系統由幾個功能單元和模塊組成：主控節點（MN）、備份主控節點（BMN）和各個功能節點FNi(1≤i≤8).為了保證糧庫監控系統實時可靠工作，該糧庫監控系統總線網路采用雙冗余設計［5］.圖1為某糧庫監控系統總線網路拓撲結構.

圖1 糧庫監控系統總線網路拓撲結構

1.2 系統故障模式

結合糧庫監控系統總線網路拓撲結構的連接關系，分析糧庫監控系統總線網路功能的基礎上，建立該糧庫監控系統總線網路動態故障樹模型（見圖2），用以描述糧庫監控系統總線網路的故障模式［6］.其中：頂層故障是整個糧庫監控系統總線網路故障IES；中間層故障分別是總線子系統故障A、功能節點子系統故障B和主控節點子系統故障C，它們以或門連接關系導致整個糧庫監控系統總線網路故障IES；底層故障分別是總線、功能節點或主控節點的故障［7］.Bus0與Bus1故障和MN與BMN故障都是以與門連接關系分別導致總線子系統故障A和主控節點子系統故障C，其余的功能節點FNi(1≤i≤8)故障以或門連接關系導致功能節點子系統故障B.

2 糧庫監控系統總線網路可靠性建模

在GSPN的建模框架下，首先定義GSPN的模型要素及其在糧庫監控系統總線網路可靠性建模用法的對應關系；其次，應用GSPN建立糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型［8］.

2.1 定義GSPN模型要素與用法的對應關系

圖2 糧庫監控系統總線網路動態故障樹模型

廣義隨機Petri網可以描述為一個8元組［9］：GSPN=(P，T，I，O，H，M0，W，λ)，其中：

（1）P={P1,P2,…,Pn}為庫所的有窮集合；

（2）T={T1,T2,…,Tm}為變遷的有窮集合；

（3）I?P×T為輸入弧的有窮集合；

（4）O?T×P為輸出弧的有窮集合；

（5）H為禁止弧的有窮集合；

（6）M0為系統初始標識的集合；

（7）W為弧權函數的有窮集合；

（8）λ={λ1,λ2,…,λm}是與變遷集合T={T1,T2,…,Tm}一一對應的平均實施速率集合.

在糧庫監控系統總線網路可靠性建模過程中，定義GSPN的建模要素與用法的對應關系見表1.

表1 GSPN模型要素與用法的對應關系

2.2 網路可靠性分析的GSPN模型

根據糧庫監控系統總線網路的故障模式，分別建立總線子系統故障A的GSPN模型、功能節點子系統故障B的GSPN模型和主控節點子系統故障C的GSPN模型.在此基礎上，綜合這3部分模型得到糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型（見圖3），其中主要庫所和變遷的名稱及含義見表2和表3.

模型工作原理：假設某一時刻，糧庫監控系統總線網路的功能節點FN4發生故障，即：指數時間變遷T18激活，庫所P20和P30的標記被清空，庫所P21生成標記，表明功能節點FN4發生故障；同時庫所P31生成標記，表明處于故障狀態的功能節點或單元的個數為1，即功能節點FN4發生故障，由于禁止弧的存在，其他功能節點或單元不能同時發生故障［10］.瞬時變遷T28激活，庫所P31標記被清空，庫所P32生成標記，表明功能節點子系統B發生故障，同時庫所P33生成標記，表明糧庫監控系統總線網路IES發生故障.稍后某個時刻，指數時間變遷T19激活，庫所P21和P31的標記被清空，庫所P20生成標記，表明功能節點FN4故障的維修完成［11］.同時庫所P30生成標記，瞬時變遷T29激活，庫所P30標記不變，庫所P32標記被清空，表明功能節點子系統B故障的維修完成.同時P33標記被清空，表明糧庫監控系統總線網路又進入正常工作狀態.

圖3 糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型

表2 主要庫所及其含義

3 模型實現與仿真分析

3.1 模型實現

TimeNET 4.2是德國柏林工業大學開發用于支持GSPN的建模與仿真工具.本文在該軟件環境下實現了糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型（見圖4）.

在糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型中，定義糧庫監控系統總線網路可用度為：AIES=1－P {#P33＞0}；定義總線子系統可用度為：AA=1－P{#P6＞0}；定義功能節點子系統可用度為：AB=1－P{#P32＞0}；定義主控節點子系統可用度為：AB=1－P{#P13＞0}.模型中，各個功能模塊或單元的故障率和修復率的參數設置見表4.

表3 主要變遷及其含義

3.2 模型仿真與分析

在TimeNET 4.2軟件環境下，模型運行成功得到糧庫監控系統總線網路整體的可用度曲線和總線子系統、功能節點子系統及主控節點子系統的可用度曲線（見圖5～圖8）.

圖4 模型實現

表4 故障率和修復率的設置

有仿真結果可知：糧庫監控系統總線網路整體的可用度的變化范圍為[59.9%,100%]，其隨著時間的變化逐漸減少，到115 h之后趨于平穩，最后為59.9%.總線子系統、功能節點子系統和主控節點子系統的可用度變化范圍分別為[99.9%,100%]、[60.6%,100%]和[99.8%,100%].總線子系統和主控節點子系統對糧庫監控系統總線網路整體的可用度幾乎沒有影響，這是因為它們都基于與門邏輯進行的冗余設計，而功能節點子系統的可用度曲線與糧庫監控系統總線網路整體的可用度的變化趨勢基本一致，功能節點子系統的可用度對糧庫監控系統總線網路整體的可用度的影響是最大的，這是因為糧庫監控系統總線網路的故障是由總線子系統、功能子系統和主控節點子系統的故障以或門邏輯疊加得到的，而總線子系統與主控節點子系統的可靠性又是極高的.在設計糧庫監控系統總線網路時，需要根據工程設計的任務要求，設計滿足特定可靠性指標的功能節點子系統.

圖5 糧庫監控系統總線網路可用度

圖6 總線子系統可用度

圖7 功能節點子系統可用度

圖8 主控節點子系統可用度

4 結論

在GSPN的建模框架下，定義了GSPN的模型要素及其在糧庫監控系統總線網路可靠性建模用法的對應關系，構建了糧庫監控系統總線網路可靠性分析的GSPN模型，該模型可以有效模擬各類故障在糧庫監控系統總線網路中的動態行為過程.為驗證模型的正確性和有效性，基于TimeNET 4.2軟件環境實現了糧庫監控系統總線網路可靠性分析GSPN模型，分析了系統可用度曲線的變化趨勢和變化原因，為糧庫監控系統總線網路可靠性分析、優化與設計提供依據.結合新型糧庫監控系統總線網路的可靠性需求，實現進一步的可靠性分析與設計是下一步的工作重點.

［1］呂宗旺，吳建軍，孫福艷，等.現代智慧糧庫系統的設計與研究[J].河南工業大學學報（自然科學版），2013，34（5）：79-82.

［2］周軼捷，高雪霞.全信息化大型糧庫監測系統的設計與實現[J].河南工業大學學報（自然科學版），2014，35（6）：79-83.

［3］岳龍旺，顏丙生，張世雄.大型糧庫綜合監控系統研究[J].糧食與食料工業，2015（2）：10-12，19.

［4］王鑫，黃翌.基于PIC單片機的糧庫監控系統的設計[J].微型機與應用，2015（2）：85-87.

［5］李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee的糧庫環境監控系統設計[J].電子技術應用，2016（1）：65-67，71.

［6］Zimmermann A.Stochastic Discrete Event Systems：Modeling,Evaluation,Applications[M].New York：Springer-Verlag,Inc.2007.

［7］石健，王少萍，王康.基于GSPN的機載液壓作動系統可靠性模型[J].航空學報，2011，32（5）：920-933.

［8］谷春英，姚青山.基于GSPN的計算機硬件系統可靠性分析[J].微電子學與計算機，2013，30（6）：122-125.

［9］趙喆，賈玉紅，鄭昕，等.基于GSPN的飛機前輪轉彎系統安全性評估[J].北京航空航天大學學報，2011，37（12）：1546-1551.

［10］朱俊，郭長國，吳泉源.一種基于廣義隨機Petri網的Web服務組合性能預測模型[J].計算機科學，2011，38（8）：125-129.

［11］劉雪艷，張強，寇曉東.基于Petri網的嵌入式軟件組件的實時性研究[J].電子技術應用，2009（2）：27-29.

Modeling and Reliability Analysis of Bus Network of Granary Monitoring and Control System

HUANG Hai
（Dean's Office,Guangdong Peizheng College,Guangzhou 453000,Guangdong,China）

In view of the problem that there are more difficulties in the reliability analysis of the bus network of granary monitoring and control system（GMCS）,the generalized stochastic petri net（GSPN）in the application of reliability analysis of bus network of GMCS is introduced.The reliability analysis model of bus network of GMCS is constructed.It can describe the dynamic behavior of all kinds of faults in bus network of GMCS.The reliability analysis model of bus network of GMCS is realized in the software TimeNET 4.2 and the dynamic change trend and the cause of availability is analyzed to validate the proposed model.It can provide theoretical basis for the reliability analysis of bus network of GMCS.

granary monitoring and control system；bus network；generalized stochastic petri net；reliability; availability

TP391.9

A

1007-5348（2017）06-0027-05

（責任編輯：歐愷）

2017-03-14

黃海（1987-），男，江西南昌人，廣東培正學院教務處教師，碩士；研究方向：計算機科學與技術.