航空運輸集裝托盤生命周期的Petri網(wǎng)驗證模型

芮茂雨

（空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來，隨著集裝化航空運輸?shù)目焖侔l(fā)展，航空運輸集裝托盤需求量將急劇增加，加強航空運輸集裝托盤的科學化管理成為當務之急[1]。由于航空運輸集裝托盤具有編配數(shù)量大、使用單位分散、投送范圍廣等特點，致使其使用管理難度增大，倘若管理不當，容易造成托盤產(chǎn)銷不平衡、儲存使用不協(xié)調(diào)、維修路徑不暢通、回收處理不到位等問題，成為影響和制約集裝化航空運輸快速發(fā)展的瓶頸。為有效解決航空運輸集裝托盤的生命周期管理問題，通過建立Petri網(wǎng)驗證模型，可厘清航空運輸集裝托盤生命周期各環(huán)節(jié)的邏輯關(guān)系，并通過實例分析和軟件模擬驗證模型的合理性和可行性，確保航空運輸集裝托盤生命周期管理的環(huán)節(jié)完整性和功能完備性，為實現(xiàn)流程化、科學化、自動化的航空運輸集裝托盤生命周期管理提供技術(shù)支持[2]。

1 Petri網(wǎng)方法

Petri網(wǎng)由德國物理學家卡爾·A·佩特里發(fā)明，是一種系統(tǒng)行為的圖形化描述方法，適合于描述異步的、并發(fā)的計算機系統(tǒng)模型[3]。Petri網(wǎng)模型具有動態(tài)仿真和數(shù)學分析功能，可有效驗證航空運輸集裝托盤生命周期的合理性和可行性[4]。Petri網(wǎng)（如圖1所示）通常以圓圈表示庫所（系統(tǒng)的狀態(tài)），以方框表示變遷（資源的消耗、使用及使系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生的變化），以聯(lián)結(jié)庫所與變遷之間的有向弧表示輸入輸出函數(shù)，用令牌（黑點或數(shù)字）表示庫所中擁有的資源數(shù)量[5]。采用Petri網(wǎng)方法可以精確描述航空運輸集裝托盤生命周期各環(huán)節(jié)（變遷）間的依賴（順序）關(guān)系和不依賴（并發(fā)）關(guān)系，從組織結(jié)構(gòu)的角度，模擬航空運輸集裝托盤生命周期系統(tǒng)的控制和管理，對于配套軟件系統(tǒng)的設計、說明、仿真、確認和實現(xiàn)具有重要的基礎支撐作用[6]。

圖1 Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 Petri網(wǎng)模型構(gòu)建

2.1 托盤生命周期管理頂層CPN模型

航空運輸集裝托盤生命周期管理頂層CPN模型描述了整個航空運輸集裝托盤生命周期的環(huán)節(jié)構(gòu)成和各環(huán)節(jié)之間的關(guān)系，內(nèi)容包括購買托盤、分配托盤、儲存托盤、使用托盤、維修托盤、托盤的處理/丟失等6個部分。按照體系結(jié)構(gòu)CPN模型的建立方法[7]，根據(jù)航空運輸集裝托盤生命周期管理頂層活動的結(jié)構(gòu)確定CPN模型的結(jié)構(gòu)，從而建立航空運輸集裝托盤生命周期管理頂層CPN模型如圖2所示，其庫所及狀態(tài)見表1。

表1 托盤生命周期管理頂層CPN模型庫所表

圖2 托盤生命周期管理頂層CPN模型圖

2.2 托盤生命周期管理子頁的CPN模型

從CPN的層次頁和頂層CPN已經(jīng)看出，5個變遷擴展為購買托盤、分配托盤、儲存托盤、使用托盤、維修托盤、托盤的處置/丟失六個子頁（見表2），每個子頁都有自己完整的CPN子網(wǎng)模型。下面重點分析儲存托盤、使用托盤、維修托盤三個子頁的CPN子網(wǎng)模型。

表2 托盤生命周期管理頂層CPN模型變遷表

（1）托盤儲存子頁的CPN模型。托盤儲存在環(huán)節(jié)上主要包括接收托盤、檢查托盤、維修托盤（少數(shù)）、儲存托盤、發(fā)送托盤使用、發(fā)送托盤維修、發(fā)送處理等7個部分。根據(jù)航空運輸集裝托盤儲存管理活動的結(jié)構(gòu)確定CPN模型的結(jié)構(gòu)，從而建立航空運輸集裝托盤儲存子頁CPN模型，如圖3所示，其庫所及變遷見表3、表4。

表3 托盤儲存子頁的CPN模型庫所表

表4 托盤儲存子頁的CPN模型變遷表

圖3 托盤儲存子頁的CPN模型圖

（2）托盤使用子頁的CPN模型。托盤使用主要包括托盤和物資準備、托盤打板、運輸托盤和貨物、存儲部分碼垛好的托盤、托盤拆垛、托盤處理等6個部分。根據(jù)航空運輸集裝托盤生命使用管理活動的結(jié)構(gòu)確定CPN模型的結(jié)構(gòu)，從而建立航空運輸集裝托盤使用子頁CPN模型，如圖4所示，其庫所及變遷見表5、表6。

表5 托盤使用子頁的CPN模型庫所表

表6 托盤使用子頁的CPN模型變遷表

圖4 托盤使用子頁的CPN模型圖

（3）托盤維修子頁的CPN模型。托盤維修主要包括接收受損托盤、檢查并識別損壞、安排維修或處理、維修托盤、返回托盤到循環(huán)系統(tǒng)、處理托盤等6個部分。根據(jù)航空運輸集裝托盤維修管理活動的結(jié)構(gòu)確定CPN模型的結(jié)構(gòu)，從而建立航空運輸集裝托盤維修子頁CPN模型如圖5所示，其庫所及變遷見表7、表8。

表7 托盤維修子頁的CPN模型庫所表

表8 托盤維修子頁的CPN模型變遷表

圖5 托盤維修子頁的CPN模型圖

3 實例分析

為了確定航空運輸集裝托盤生命周期Petri網(wǎng)模型的合理性，需要驗證Petri網(wǎng)模型是否正確，如是否出現(xiàn)死鎖、相同條件下運行的結(jié)果是否一致，等[8]。通過輔助分析軟件tinatoolbox的運行，可以清楚地看到Petri網(wǎng)模型的運行狀態(tài)，當出現(xiàn)死鎖時會導致當前的變遷無法被點火的情況[9]。圖6是以托盤生命周期管理頂層CPN模型為例進行合理性驗證的軟件截圖（黑方塊表示正常點火）。

圖6 托盤生命周期管理頂層CPN模型軟件運行狀態(tài)（總體）

由運行結(jié)果可以看出，托盤生命周期管理頂層CPN模型在總體運行時存在死鎖，僅能運行到庫所P0-1-21。為查找沖突點并便于模型分析，現(xiàn)將該模型拆分為正向和逆向兩部分模型分別運行。

當運行該模型的正向部分時，在庫所P0-4-11處存在死鎖。庫所P0-4-11“等待運輸?shù)呢浳铩敝詾樗梨i點，經(jīng)驗證，主要原因在于缺乏變遷的輸入[10]。從托盤生命周期管理的角度考慮，等待運輸?shù)呢浳锟勺鳛闇蕚渫斜P環(huán)節(jié)的延伸，故只需增加變遷T0-7“準備托盤”即可解除死鎖。具體如圖7、圖8所示。

圖7 托盤生命周期管理頂層CPN模型軟件運行狀態(tài)（正向部分）（存在死鎖）

圖8 托盤生命周期管理頂層CPN模型軟件運行狀態(tài)（正向部分）（解除死鎖）

當運行該模型的逆向部分時，能夠正常運行，不存在死鎖、沖突等問題，具有合理性[11]，具體如圖9所示。

圖9 托盤生命周期管理頂層CPN模型軟件運行狀態(tài)（逆向部分）

可見，逆向部分CPN模型以及經(jīng)改進后的正向部分CPN模型，可單獨運行，但同時運行會產(chǎn)生沖突而出現(xiàn)死鎖，為此需將兩者之間的關(guān)系由并行改為串行[12]，賦予T0-2、T0-3新的含義，可新增兩者的延伸變遷T0-8、T0-9來解決CPN模型總體運行的死鎖問題，具體如圖10所示。

圖10 托盤生命周期管理頂層CPN模型軟件運行狀態(tài)（總體）（改進型）

4 結(jié)語

運用Petri網(wǎng)方法，建立航空運輸集裝托盤生命周期的Petri網(wǎng)驗證模型，并通過Petri網(wǎng)輔助分析軟件tinatoolbox模擬運行，可對現(xiàn)有模型的動態(tài)運行過程進行有效驗證，進而發(fā)現(xiàn)可能存在的孤立點和沖突點，在此基礎上，通過局部分析、正逆分析、總體分析等方法，對模型進行改進完善，為航空運輸集裝托盤生命周期管理的環(huán)節(jié)優(yōu)化以及軟件系統(tǒng)開發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。