基于HTCPN的裝備維修仿真與資源需求確定

高穎杰，曹繼平，楊閱兵，許澤中

(火箭軍工程大學(xué) 作戰(zhàn)保障學(xué)院，陜西 西安 710025)

隨著我軍信息化建設(shè)的推進(jìn)，部隊(duì)“高精尖”裝備列裝種類(lèi)數(shù)量大幅提升，對(duì)裝備保障提出了更高要求。維修保障資源的科學(xué)配置，能極大提升裝備保障能力，而配置的前提是準(zhǔn)確掌握裝備對(duì)維修資源的需求，因此確定維修資源需求是提高資源配置水平的重要內(nèi)容和主要影響因素。

目前，關(guān)于維修資源需求確定的研究區(qū)分宏觀(guān)與微觀(guān)兩個(gè)方面。宏觀(guān)上多采用基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和產(chǎn)品可靠性的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的常用方法有回歸預(yù)測(cè)法[1]、時(shí)間序列法[2]、支持向量機(jī)(SVM)[3]等，基于產(chǎn)品可靠性的預(yù)測(cè)方法有相似產(chǎn)品法、案例推理法[4]等。另外還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]、灰色預(yù)測(cè)[6]等系統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)的方法。微觀(guān)上的研究相對(duì)較少，主要針對(duì)裝備指定故障確定維修資源，主要有傳統(tǒng)的維修工作分析法(Maintenance Task Analysis，MTA)[7]、基于仿真的實(shí)體流圖法、ARIS法和Petri網(wǎng)方法[8]等。

通過(guò)研究現(xiàn)狀分析，發(fā)現(xiàn)存在幾個(gè)問(wèn)題：

1)宏觀(guān)預(yù)測(cè)法適用于裝備預(yù)防性維修所需資源的預(yù)測(cè)，但使用不同的方法對(duì)同一裝備預(yù)測(cè)出的結(jié)果差別較大，可用于資源初始配置。對(duì)于修復(fù)性維修，宏觀(guān)預(yù)測(cè)法就不適用了。

2)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)更加注重保障的精準(zhǔn)和高效，在高強(qiáng)度、高損耗的戰(zhàn)場(chǎng)上，更加注重提高維修資源的使用率，結(jié)合具體的維修任務(wù)進(jìn)行資源配置在戰(zhàn)時(shí)能有效提高資源使用率，使資源配置更加精準(zhǔn)。因此研究微觀(guān)故障維修的資源需求具有重大意義。而當(dāng)前相關(guān)研究還比較少，需要加強(qiáng)。

3)維修工作分析將裝備的維修工作分解為作業(yè)步驟進(jìn)行詳細(xì)分析，從而確定各類(lèi)維修保障資源種類(lèi)數(shù)量，避免了因采用一般估計(jì)資源的臆測(cè)性和經(jīng)驗(yàn)法所引起的資源浪費(fèi)或短缺[9]，但是需要分析每一項(xiàng)工作任務(wù)，過(guò)程會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的文件表格，比較繁瑣復(fù)雜，而且對(duì)于占用型資源的占用與釋放過(guò)程不能很好體現(xiàn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者對(duì)裝備維修過(guò)程進(jìn)行分析，運(yùn)用Petri網(wǎng)理論和方法，提出層次時(shí)間顏色Petri網(wǎng)，并建立維修過(guò)程模型，運(yùn)用基于JAVA環(huán)境下的PIPE軟件對(duì)模型進(jìn)行分析和仿真，直觀(guān)展示資源占用、釋放和消耗的過(guò)程，并提取所需維修資源。通過(guò)實(shí)例，驗(yàn)證方法的合理性和有效性。

1 HTCPN基本理論

層次時(shí)間顏色Petri網(wǎng)HTCPN(Hierarchical Timed Colored Petri Net,HTCPN)，可定義為一個(gè)多元組[10-11]：

HTCPN={P,T；F,H,K,R,C,G,I}，其中：

1)P={p1,p2,…,pm}是一個(gè)庫(kù)所的有限集，表示對(duì)象的集合。

2)T是一個(gè)變遷的有限集：P∩T=?,P∪T≠?，其中Ti={t1,t2,…,tk}為瞬時(shí)變遷集合，Tt={tk+1,tk+2,…,tm}為延時(shí)變遷集合，Tc={tm+1,tm+2,…,tn}為子網(wǎng)的變遷集合；且有T=Ti∪Tt∪Tc，Ti∩Tt∩Tc=?.

3)F? (P×T)∪(T×P)是有向弧集,包括輸入弧和輸出弧線(xiàn)。

4)H為禁止弧的集合，H?(P×T),當(dāng)與禁止弧相連的庫(kù)所中托肯數(shù)量滿(mǎn)足變遷激發(fā)條件時(shí)，禁止該變遷的激發(fā)。

5)K:P→N+∪{∞}為庫(kù)所的容量函數(shù)，表示庫(kù)所中容納令牌的數(shù)目，N+={1,2,3,…}.

6)R是延時(shí)變遷的值，一旦變遷t被觸發(fā)，變遷t的所有輸入庫(kù)所均要去除相應(yīng)數(shù)量的令牌，并經(jīng)過(guò)定義在變遷上的時(shí)間延遲R(t) 后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的輸出庫(kù)所。在實(shí)際系統(tǒng)中，部分時(shí)間延遲具有一定的隨機(jī)性，因此規(guī)定可以是常量或隨機(jī)變量。

7)C為顏色集合，不同顏色代表不同類(lèi)托肯。

8)G為識(shí)別函數(shù)，為定義在T上的表達(dá)式，表示變遷觸發(fā)需滿(mǎn)足的條件。

9)I為初始化函數(shù)，為定義在P上的表達(dá)式，表示各庫(kù)所初始令牌數(shù)量和顏色類(lèi)別。

為了更形象地表達(dá)網(wǎng)的層次，特引入符號(hào)“可拓展變遷”[12-13]。HTCPN中的元素及其符號(hào)，以及代表的意義，如表1所示。

表1 HTCPN符號(hào)及意義說(shuō)明

2 裝備維修HTCPN建模

2.1 裝備維修任務(wù)模型

2.1.1 裝備維修任務(wù)介紹

裝備維修任務(wù)是按照裝備故障維修策略，所進(jìn)行的一系列活動(dòng)的集合。例如，故障裝備送至維修點(diǎn)，經(jīng)過(guò)故障定位、分解、故障維修、組裝調(diào)試等過(guò)程，輸出修竣裝備。根據(jù)故障部件是否可修，分為換件維修和修復(fù)性維修。換件維修是當(dāng)備件充足時(shí)直接更換，若缺少備件需向上級(jí)請(qǐng)領(lǐng)，領(lǐng)回后再更換。修復(fù)性維修有兩種方式供選擇，一種是原件修復(fù)后裝回；另一種是先安裝備件，故障件修復(fù)后再作為備件儲(chǔ)存起來(lái)。維修任務(wù)流程如圖1所示。

2.1.2 裝備維修任務(wù)HTCPN模型

基于裝備維修任務(wù)抽象出的裝備維修任務(wù)HTCPN模型，如圖2所示。

圖中庫(kù)所及變遷的代號(hào)及含義如表2、3所示。

表2 庫(kù)所的代號(hào)及意義說(shuō)明

表3 變遷的代號(hào)及意義說(shuō)明

圖2(a)中可拓展變遷TM用來(lái)簡(jiǎn)化表示維修過(guò)程，可以進(jìn)一步分解為維修過(guò)程子網(wǎng)來(lái)詳細(xì)描述，如圖2(b)所示，這也體現(xiàn)了HTCPN模型的層次性，降低了模型復(fù)雜度。在維修過(guò)程子網(wǎng)模型中，P3指向T3的禁止弧和P4指向T2的禁止弧，表達(dá)了維修方式的選擇，若P3中有令牌代表進(jìn)行換件維修，因此修復(fù)性維修T3被禁止。同理，P5指向T5的禁止弧和P6指向T4的禁止弧、P9指向T9的禁止弧和P10指向T8的禁止弧，也用來(lái)描述選擇關(guān)系。

2.2 裝備維修作業(yè)建模

2.2.1 PIPE軟件簡(jiǎn)介

PIPE v4.3.0是一款基于JAVA環(huán)境下的Petri網(wǎng)仿真軟件，該軟件支持有色Petri網(wǎng)、隨機(jī)Petri網(wǎng)的建模，庫(kù)所可設(shè)置容量，連接弧權(quán)值可設(shè)置，變遷時(shí)間可用隨機(jī)函數(shù)表示，同時(shí)具備模擬仿真功能，支持邊修改邊仿真，并能對(duì)Petri網(wǎng)模型進(jìn)行分析，包括安全性分析、關(guān)聯(lián)矩陣輸出、響應(yīng)時(shí)間分析等，是一款使用方便，功能強(qiáng)大的Petri網(wǎng)仿真分析軟件。

2.2.2 基本維修操作模型

裝備維修作業(yè)由若干個(gè)基本維修操作按照確定順序組合而成，首先對(duì)維修基本操作進(jìn)行建模與分析。建立一個(gè)基本維修操作模型，并使用PIPE軟件模擬，如圖3所示。

模型由3個(gè)庫(kù)所、2個(gè)變遷以及若干有向弧組成，黑色和紅色托肯分別表示修理工與工具?！熬S修過(guò)程”為延時(shí)變遷，r=20表示該變遷需要消耗20個(gè)單位時(shí)間，“返還工具”為瞬時(shí)變遷，用于表達(dá)工具使用完畢后由“占用”態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱臻e”態(tài)，返回“資源庫(kù)所”。庫(kù)所既可以表示裝備的狀態(tài)，也可以表示資源的集合，“資源庫(kù)所”中k=5表示庫(kù)所的最大容量為5，即最大存放5件工具。有向弧上的數(shù)字表示該弧的權(quán)值，例如“資源庫(kù)所”至“修理過(guò)程”的有向弧權(quán)值為(紅色1)，代表資源庫(kù)所向變遷提供1件工具。

使用PIPE軟件對(duì)該模型進(jìn)行分析，如圖4所示。結(jié)果表明該模型有界、安全且不存在死鎖，符合維修的實(shí)際情況。

使用PIPE軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真，如圖5所示。

圖5(a)為初始狀態(tài)，“準(zhǔn)備維修”和“資源庫(kù)所”中存在令牌，且令牌數(shù)量滿(mǎn)足有向弧權(quán)值要求，此時(shí)“修理過(guò)程”變遷使能(使能表示變遷激發(fā)的前提條件已經(jīng)滿(mǎn)足，此時(shí)變遷用紅色凸顯)。圖5(b)為“修理過(guò)程”，變遷觸發(fā)后經(jīng)過(guò)20個(gè)單位時(shí)間，令牌轉(zhuǎn)移至“修理完畢”庫(kù)所，此時(shí)“返還工具”變遷使能。圖5(c)為本階段修理結(jié)束，修理工具返回“資源庫(kù)所”，“修理工”令牌為下階段維修操作開(kāi)始做準(zhǔn)備，模型運(yùn)行結(jié)束不進(jìn)行循環(huán)，符合維修實(shí)際。顯然，該模型正常運(yùn)行所需令牌的最小值，即該基本維修操作所需維修資源為1名工人和1件工具。

2.2.3 裝備維修作業(yè)模型

裝備維修作業(yè)是由若干個(gè)基本維修操作根據(jù)維修手冊(cè)規(guī)定，按照一定順序執(zhí)行的基本維修操作序列。一個(gè)典型的裝備維修作業(yè)模型如圖6所示。

該模型表示一個(gè)基本的備件更換作業(yè)，首先拆下裝備外殼，之后更換備件，最后安裝外殼。模型中庫(kù)所和變遷的代號(hào)及意義如表4所示。

表4 庫(kù)所、變遷代號(hào)及意義說(shuō)明

模型中螺絲刀令牌為紅色，備件令牌為藍(lán)色，修理工令牌為黑色，由于修理工是每一個(gè)基本維修操作的執(zhí)行者，屬于維修資源的一種，但是為了降低模型復(fù)雜度，未將修理工納入維修資源庫(kù)所，而是將修理工作為啟動(dòng)令牌，認(rèn)為在工具和備件準(zhǔn)備就緒的前提下，修理工令牌到位后就可以執(zhí)行基本維修操作。整個(gè)過(guò)程需要的維修資源為修理工1名、螺絲刀1把、消耗備件1個(gè)，其中螺絲刀使用了2次。模型中延時(shí)變遷的延遲時(shí)間代表基本維修操作消耗的時(shí)間，瞬時(shí)變遷表示資源使用后的釋放。

綜上所述，該方法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

1)直觀(guān)展示了維修過(guò)程，詳細(xì)刻畫(huà)了維修步驟，確定了維修工序的緊前緊后關(guān)系，便于安排維修計(jì)劃。

2)準(zhǔn)確描述了維修資源狀態(tài)，對(duì)維修過(guò)程中維修資源進(jìn)行了分類(lèi)和量化，對(duì)資源的的占用、釋放和消耗狀態(tài)進(jìn)行描述，并明確了維修資源的需求。

3)細(xì)化了維修時(shí)間顆粒度，將維修工序過(guò)程化，賦予最小的過(guò)程時(shí)間屬性，便于控制維修時(shí)間。

顯然，運(yùn)用該方法能夠客觀(guān)合理確定維修資源需求，便于控制維修過(guò)程，為復(fù)雜系統(tǒng)維修資源配置提供了一種輔助決策方法。

3 實(shí)例應(yīng)用

以某自行發(fā)射裝備液壓系統(tǒng)為例，停機(jī)時(shí)發(fā)生活塞桿自行滑出故障的原因可能有3個(gè)：液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；液壓缸有缺陷，存在內(nèi)部泄漏；雙向液壓鎖不能有效鎖止。筆者以液壓缸內(nèi)漏，需更換活塞Y型密封圈為例進(jìn)行說(shuō)明。對(duì)液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行維修操作的流程如圖7所示。

建立故障維修過(guò)程HTCPN模型，使用PIPE軟件模擬，如圖8所示。

該模型由13個(gè)庫(kù)所，11個(gè)延時(shí)變遷和8個(gè)瞬時(shí)變遷以及若干有向弧組成。使用PIPE軟件對(duì)該模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明該模型有界、安全且不存在死鎖，符合維修的實(shí)際情況。

模型中庫(kù)所的代號(hào)及意義，如表5所示。

表5 庫(kù)所代號(hào)及意義說(shuō)明

模型中變遷的代號(hào)、意義、變遷觸發(fā)的條件以及變遷的延時(shí)情況，如表6所示。表中T12～T19表達(dá)非消耗性資源釋放返回資源庫(kù)所。

表6 變遷的代號(hào)與意義說(shuō)明

模型中不同顏色令牌代表的維修資源種類(lèi)情況，如表7所示。

表7 令牌名稱(chēng)與顏色說(shuō)明

使用PIPE軟件對(duì)該模型進(jìn)行仿真運(yùn)行，模型運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出：

1)模型在維修工作結(jié)束后停止運(yùn)行，表明維修過(guò)程中的各項(xiàng)操作只需執(zhí)行1次，模型不存在循環(huán)，符合維修過(guò)程實(shí)際。

2)仿真結(jié)束后庫(kù)所P7中留有1個(gè)橙色令牌，這表示更換密封圈的操作消耗了1個(gè)密封圈，該令牌屬于消耗型資源，不再返回資源庫(kù)所。

3)圖9左下方列出了仿真過(guò)程中變遷觸發(fā)的次序。

4)在不考慮時(shí)間延遲的情況下，對(duì)延時(shí)變遷的時(shí)間進(jìn)行整合，可得出維修過(guò)程消耗的總時(shí)間。

5)維修過(guò)程所需維修資源為：工具(扳手、卡簧鉗、螺絲刀、尼龍棒各1把)，人員(維修工1名)，消耗備件(Y型密封圈1個(gè))，耗費(fèi)170個(gè)單位時(shí)間。

綜上所述，該模型以修理工為啟動(dòng)令牌，能直觀(guān)表示維修過(guò)程中維修資源的占用、空閑及消耗情況，運(yùn)行穩(wěn)定，符合實(shí)際。

文獻(xiàn)[14]中采用使用與維修工作分析法確定導(dǎo)彈裝備保障資源需求，文獻(xiàn)[15]采用著色時(shí)間Petri網(wǎng)，通過(guò)構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣，通過(guò)狀態(tài)方程以及變遷觸發(fā)條件，通過(guò)計(jì)算確定維修資源需求，但是這些方法都需要大量的計(jì)算，比較繁瑣，不夠直觀(guān)。因此，筆者充分利用PIPE軟件工具進(jìn)行維修資源確定，步驟如下：

1)根據(jù)裝備故障建立維修過(guò)程HTCPN模型，根據(jù)變遷觸發(fā)條件，標(biāo)出有向弧權(quán)值。此時(shí)資源庫(kù)所為空。

2)統(tǒng)計(jì)資源庫(kù)所全部輸出弧代表的資源種類(lèi)，找出各類(lèi)資源權(quán)值最大的輸出弧。實(shí)例中資源庫(kù)所輸出弧權(quán)值統(tǒng)計(jì)表8所示。

表8 資源庫(kù)所輸出弧權(quán)值統(tǒng)計(jì)

3)維修資源分為占用型資源(工具、人員)和消耗型資源。在HTCPN模型中，占用型資源采用直接觀(guān)察法，即資源庫(kù)所中該類(lèi)占用型資源輸出弧的最大權(quán)值就是該類(lèi)資源最低需求數(shù)量。對(duì)于消耗型資源，則為疊加法，即將資源庫(kù)所中該類(lèi)消耗型資源所有輸出弧權(quán)值相加，得出的值就是該類(lèi)消耗型資源的最低需求數(shù)量。

4)將計(jì)算出的資源令牌顏色和數(shù)量添加到資源庫(kù)所，運(yùn)行模型仿真，驗(yàn)證資源需求的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于HTCPN建立的維修工作模型直觀(guān)展示了裝備維修過(guò)程中對(duì)維修資源的占用、釋放及消耗，為維修資源運(yùn)用的可視化提供了可行的技術(shù)途徑。HTCPN在處理復(fù)雜裝備維修資源確定方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，如果將時(shí)間、概率分布等情況作為變遷的約束條件，模型對(duì)裝備維修過(guò)程的表達(dá)將更加豐富，對(duì)維修資源的配置優(yōu)化水平提高和部隊(duì)裝備保障能力的提升有重要意義。