糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)可靠性建模與分析

黃海

（廣東培正學(xué)院教務(wù)處，廣東廣州510830）

糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)可靠性建模與分析

黃海

（廣東培正學(xué)院教務(wù)處，廣東廣州510830）

針對糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)缺乏可靠性評估手段的難題，引入廣義隨機Petri網(wǎng)建模與分析技術(shù)，建立了糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)可靠性分析模型.該模型有效地模擬了各類故障在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)行為.在TimeNET 4.2軟件環(huán)境下實現(xiàn)糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)可靠性分析模型，分析了系統(tǒng)可用度的動態(tài)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(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估提供參考.

糧庫監(jiān)控系統(tǒng)；總線網(wǎng)絡(luò)；廣義隨機Petri網(wǎng)；可靠性；可用度

糧庫監(jiān)控系統(tǒng)是保證糧庫安全生產(chǎn)的“電子警察”，總線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)糧庫監(jiān)控系統(tǒng)信息實時、可靠傳輸?shù)纳窠?jīng)中樞［1］.目前關(guān)于糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)的研究大多集中在軟硬件設(shè)計等方面，而關(guān)于可靠性建模與分析缺乏針對性研究［2］.如何建立糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析模型，對驗證糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路設(shè)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(wǎng)（Generalized Stochastic Petri Net，GSPN）是在普通Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上通過擴展變遷類型得到的一種高級Petri網(wǎng)形式，可以更加有效地描述系統(tǒng)的動態(tài)變化運行過程，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到了重視與研究［4］.筆者將GSPN引入糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析領(lǐng)域中，探討GSPN在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性建模與分析中的應(yīng)用價值.

1 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路故障模式分析

1.1 網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由幾個功能單元和模塊組成：主控節(jié)點（MN）、備份主控節(jié)點（BMN）和各個功能節(jié)點FNi(1≤i≤8).為了保證糧庫監(jiān)控系統(tǒng)實時可靠工作，該糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路采用雙冗余設(shè)計［5］.圖1為某糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu).

圖1 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)故障模式

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

2 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性建模

在GSPN的建?？蚣芟?，首先定義GSPN的模型要素及其在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性建模用法的對應(yīng)關(guān)系；其次，應(yīng)用GSPN建立糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(yīng)關(guān)系

圖2 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路動態(tài)故障樹模型

廣義隨機Petri網(wǎng)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(tǒng)初始標識的集合；

（7）W為弧權(quán)函數(shù)的有窮集合；

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

在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性建模過程中，定義GSPN的建模要素與用法的對應(yīng)關(guān)系見表1.

表1 GSPN模型要素與用法的對應(yīng)關(guān)系

2.2 網(wǎng)路可靠性分析的GSPN模型

根據(jù)糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路的故障模式，分別建立總線子系統(tǒng)故障A的GSPN模型、功能節(jié)點子系統(tǒng)故障B的GSPN模型和主控節(jié)點子系統(tǒng)故障C的GSPN模型.在此基礎(chǔ)上，綜合這3部分模型得到糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(shè)某一時刻，糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路的功能節(jié)點FN4發(fā)生故障，即：指數(shù)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(jié)點FN4發(fā)生故障；同時庫所P31生成標記，表明處于故障狀態(tài)的功能節(jié)點或單元的個數(shù)為1，即功能節(jié)點FN4發(fā)生故障，由于禁止弧的存在，其他功能節(jié)點或單元不能同時發(fā)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(jié)點子系統(tǒng)B發(fā)生故障，同時庫所P33生成標記，表明糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路IES發(fā)生故障.稍后某個時刻，指數(shù)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(jié)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(jié)點子系統(tǒng)B故障的維修完成.同時P33標記被清空，表明糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路又進入正常工作狀態(tài).

圖3 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(xiàn)與仿真分析

3.1 模型實現(xiàn)

TimeNET 4.2是德國柏林工業(yè)大學(xué)開發(fā)用于支持GSPN的建模與仿真工具.本文在該軟件環(huán)境下實現(xiàn)了糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析的GSPN模型（見圖4）.

在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析的GSPN模型中，定義糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可用度為：AIES=1－P {#P33＞0}；定義總線子系統(tǒng)可用度為：AA=1－P{#P6＞0}；定義功能節(jié)點子系統(tǒng)可用度為：AB=1－P{#P32＞0}；定義主控節(jié)點子系統(tǒng)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(fù)率的參數(shù)設(shè)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(huán)境下，模型運行成功得到糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路整體的可用度曲線和總線子系統(tǒng)、功能節(jié)點子系統(tǒng)及主控節(jié)點子系統(tǒng)的可用度曲線（見圖5～圖8）.

圖4 模型實現(xiàn)

表4 故障率和修復(fù)率的設(shè)置

有仿真結(jié)果可知：糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(wěn)，最后為59.9%.總線子系統(tǒng)、功能節(jié)點子系統(tǒng)和主控節(jié)點子系統(tǒng)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(tǒng)和主控節(jié)點子系統(tǒng)對糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(shè)計，而功能節(jié)點子系統(tǒng)的可用度曲線與糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路整體的可用度的變化趨勢基本一致，功能節(jié)點子系統(tǒng)的可用度對糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路整體的可用度的影響是最大的，這是因為糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路的故障是由總線子系統(tǒng)、功能子系統(tǒng)和主控節(jié)點子系統(tǒng)的故障以或門邏輯疊加得到的，而總線子系統(tǒng)與主控節(jié)點子系統(tǒng)的可靠性又是極高的.在設(shè)計糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路時，需要根據(jù)工程設(shè)計的任務(wù)要求，設(shè)計滿足特定可靠性指標的功能節(jié)點子系統(tǒng).

圖5 糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可用度

圖6 總線子系統(tǒng)可用度

圖7 功能節(jié)點子系統(tǒng)可用度

圖8 主控節(jié)點子系統(tǒng)可用度

4 結(jié)論

在GSPN的建?？蚣芟拢x了GSPN的模型要素及其在糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性建模用法的對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建了糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)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(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路中的動態(tài)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(huán)境實現(xiàn)了糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析GSPN模型，分析了系統(tǒng)可用度曲線的變化趨勢和變化原因，為糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路可靠性分析、優(yōu)化與設(shè)計提供依據(jù).結(jié)合新型糧庫監(jiān)控系統(tǒng)總線網(wǎng)路的可靠性需求，實現(xiàn)進一步的可靠性分析與設(shè)計是下一步的工作重點.

［1］呂宗旺，吳建軍，孫福艷，等.現(xiàn)代智慧糧庫系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，34（5）：79-82.

［2］周軼捷，高雪霞.全信息化大型糧庫監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（6）：79-83.

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

［4］王鑫，黃翌.基于PIC單片機的糧庫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2015（2）：85-87.

［5］李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee的糧庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)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(tǒng)可靠性模型[J].航空學(xué)報，2011，32（5）：920-933.

［8］谷春英，姚青山.基于GSPN的計算機硬件系統(tǒng)可靠性分析[J].微電子學(xué)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(zhuǎn)彎系統(tǒng)安全性評估[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)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(wǎng)的Web服務(wù)組合性能預(yù)測模型[J].計算機科學(xué)，2011，38（8）：125-129.

［11］劉雪艷，張強，寇曉東.基于Petri網(wǎng)的嵌入式軟件組件的實時性研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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(xué)院教務(wù)處教師，碩士；研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù).