基于GOOPN_的复杂关联系统可靠性分析模型

文章编号:10012506X(2008)0721370204

系统工程与电子技术

SystemsEngineeringandElectronicsVol.30　No.7Jul.2008

基于GOOPN++的复杂关联系统可靠性分析模型

钱　进1,张　涛2

(1.解放军镇江船艇学院训练部,江苏镇江212003;

2.国防科技大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073)

　　摘　要:提出了一种可用于复杂关联系统可靠性分析的增强的扩展面向对象Petri网模型(GOOPN++),给出了该模型形式化描述与运行规则。该模型引入了抽象库所、抽象变迁、消息颜色以及对象间的消息传递函数等新的概念,更好地体现了面向对象的思想,具有很好的模块性、继承性和可维护性,能够反映复杂关联系统的动态柔性特点。最后给出了一个用于装备保障能力评估的GOOPN++模型。

关键词:系统工程;可靠性分析;Petri网;复杂关联系统;面向对象中图分类号:TP202　　　　文献标志码:A

GOOPN++basedmodelforreliabilityanalysisofcomplexcorrelativesystems

QIANJin1,ZHANGTao2

(1.TrainingDept.,ZhenjiangWatercraftColl.ofPLA,Zhenjiang212003,China;2.SchoolofInformationSystemandManagement,NationalUniv.ofDefenseTechnology,Changsha410073,China)

　　Abstract:Todescribethedynamicfeaturesofcomplexcorrelativesystemsandanalyzeitsreliability,anewgeneralizedobject2orientedPetrinetmodelisadvanced.Itsformaldefinitionandoperationlawsaregiven.Theabstractplace,abstracttransition,messagecolorandthemessagetransferringfunctionbetweenobjectsarein2troducedinthismodel.Thismodelhasgoodmodularity,inheritable,reusability,andmaintainability,andcanreflecttheflexibilityofcomplexcorrelativesystems.Anexampleusingthismodelonthecapabilityassessmentofequipmentsupportisgivenintheend.

Keywords:systemsengineering;reliabilityanalysis;Petrinet;complexcorrectivesystem;objectoriented

0　引　言

　　复杂关联系统的可靠性建模是目前可靠性研究的难点问题,而现实中许多系统属于复杂关联系统,例如FMS、C4ISR、ILS等。可用于该类系统的可靠性分析方法主要有

必须重建模型,原有的模型很难重用,模型的可维护性差,而且实际系统的Petri网模型比较复杂,要得到其可达图比较困难,所以很难利用同构的性质。

为了克服一般Petri网模型存在建模过程复杂和不易

理解等缺点,文献[11]提出了面向对象Petri网模型(ob2ject2orientedPetrinet,OOPN)。此后,一些高级Petri网模

可靠性框图模型[1]、组合模型[23]、故障树分析模型[45]、BDD[67]等。但这些方法存在许多不足,如组合模型都存在

型,例如多层次PERT2Petri网模型[1213]、层次面向对象Pe2tri网模型[14](hierarchicalobject2orientedPetrinet,HOO2Net)和扩展的面向对象Petri网模型[1517](generalizedob2ject2orientedPetrinet,GOOPN)被提出,这些模型采用层

状态空间组合爆炸问题;故障树分析方法算法比较复杂;BDD虽然表现出了较高的计算效率,但其仅考虑了部件本

身的可靠性,并且这些方法都不能反映系统的动态特性,所以很难满足复杂关联系统可靠性分析的需要。近年来,由于Petri网及其扩展形式,例如CGSPN[8]、DSPN[9]等模型既具有良好的图形描述能力,又存在与马尔可夫链的状态图同构等良好的数学性质,已被广泛应用于复杂系统的可靠性建模和分析中

[10]

次建模的方法,引入公共库所及对象的模块表示,使得模型具有较好的模块性、重用性及可维护性,能够反映复杂关联系统的动态柔性特点。本文则在GOOPN的基础上,结合HOONet的特点,给出了一种增强形式GOOPN++,同时

。但一般的Petri网模型对系统的结给出了该模型的定义以及运行规则,该模型引入了抽象库所、抽象变迁、消息颜色以及对象间的消息传递函数等新的

构和其他要素依赖性较大,当系统结构或组成配置变化时,

收稿日期:20070430;修回日期:20071031。

作者简介:钱进(1980),男,硕士,主要研究方向为装备综合保障研究。E2mail:qianjin7@sina.com.cn

　第7期钱进等:基于GOOPN++的复杂关联系统可靠性分析模型

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系统工程与电子技术第30卷　

(PPj)(a)=M(PPj)(a)+foij(PPj)(a)M′

(PPj)(a)=M(PPi)(a)-fiij(PPi)(a)M′

　　②持续型

(PPj)(a)=foij(PPj)(a)M′

(PPi)(a)=M′(PPi)(a)M′

　　图1给出了抽象库所OPa的运行规则,当运行到抽象库所后,系统转到Oi对象的PPi并执行Oi对象的Ai行为,即Oi中的“Ta”使能激发。Ai运行结束后,继续执行OPa后续过程。

图3　分解后的任务及其与部件的关联关系

图1　抽象库所运行规则

1.3　GOOPN++模型的对象继承性

GOOPN++中的对象具有很好的继承性,如图2所

示,制导雷达对象属于雷达,继承了雷达搜索功能,同时重新定义了“scout”行为,并添加了新的“control”行为与“guide”行为。设IO、SO、NB分别表示继承的对象、被继承的对象和新定义或者重载的行为集合,那么可知:fb(IO)=fb(SO)∪NB,其中fb为返回对象具备的行为集合。

图2　对象继承性

装备部件在任务过程中可修,所以如果在任务过程中,

部件发生故障,就需要进行维修过程,维修过程需要相应的保障资源(人员、备件等)。最后可以得到如图4所示的GOOPN++模型,其中定义了装备任务、部件、保障系统(包含维修过程与保障资源)三类对象,限于篇幅,下面对部分关键元素进行说明。

图4(a)在系统行为层面上给出了装备任务过程的GOOPN++模型,其中包括每个阶段任务的GOOPN++对象,每个阶段任务对象包含一个行为“start”,行为激发代表该阶段任务处于执行阶段,根据阶段任务与部件的关联关系,通过抽象库所调用相应部件对象的“work”行为,并根据阶段任务时间内部件的“work”状态确定任务是否成功以及可否继续执行下一阶段任务,图中省略了调用部件的“release”行为以使得部件恢复到非工作状态的描述部分。

图4(b)给出了部件的GOOPN++模型,其中PP21包含处于正常状态的部件,PP22包含处于工作状态的部件,PP23包含处于修理状态的部件,OP21为抽象库所,执行保障系统的相应维修保障行为。

图4(c)给出了保障系统的GOOPN++模型,模型把4种部件的维修保障过程作为对象的4种“repair”行为,把保障资源种类、状态以及数量作为对象的颜色和数量,其中PP31包含处于可用状态的保障资源,PP32包含处于工作状态的保障资源。图中省略了维修过程结束后保障资源恢复为可用状态的描述部分。

2　装备保障能力评估的GOOPN++模型

装备保障能力评估是在指定的训练任务或者作战任务条件下,考虑保障过程中的动态随机因素,评估给定的保障方案保障任务成功的能力,它是装备保障指挥决策系统重要的组成部分。在这里,保障方案内容主要包括制定的保障过程和配备的保障资源(保障人员、备件、保障设备等)。

例子假设某地空导弹武器系统在完成某训练任务时,经历装备展开、搜索目标、拦截目标、装备撤收等4个阶段。装备主要由两个动力组合(D1、D2)、搜索雷达(S)、两个制导雷达(Z1、Z2)、两个发射装置(F1、F2)等部件组成。

图3给出了任务过程以及任务与部件的关系,其中D1代表D1失效,其余类似。从中可知装备展开任务要求D1和D2至少一个完好,搜索雷达任务要求S完好,拦截目标任务要求Z1和Z2至少一个完好,并且F1和F2至少一个完好,装备撤收任务要求D1和D2保证一个完好。

图4　例子的GOOPN++模型

　第7期钱进等:基于GOOPN++的复杂关联系统可靠性分析模型

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要通过GOOPN++模型分析装备保障系统保障能力指标,首先按照实际参数设定任务执行时间、部件失效概率、维修时间等变迁的参数,按照保障方案中设定的保障资源种类和数目设定保障系统中保障资源库所中的颜色和数量,然后设置任务开始库所(PP11)的初始Token为1;最后运用离散事件动态系统仿真技术对GOOPN++进行仿真运行,可以统计得到装备任务的成功概率、保障资源的利用率、装备任务的平均完成时间等指标,从而分析出装备保障系统是否能够满足装备任务的保障需求以及保障过程中的薄弱环节。

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3　结束语

GOOPN++模型继承了GOOPN以及HOOPNet的

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51.(ZhangTao,

优良特性,引入了对象行为、抽象库所以及对象消息传递函

数等新的概念,便于从系统行为和对象行为两个层次描述复杂关联系统,使得模型具有更好的可理解性、可维护性和重用性,为复杂关联系统可靠性分析提供了一种新的思路。

[12]张涛,张凤林,武小悦,等.维修保障流程的通用仿真模型研究

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