基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法

摘要

本发明公开了基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法，首先根据维修过程逻辑网模型的结构建立有色Perti网的基本结构，然后在建立的基本模型上简化此有色Petri网的基本模型，接下来在整个模型结构的基础上，进行颜色设置和函数声明，并且利用Perti网仿真分析工具对模型进行仿真分析，在有色网的基本结构中添加时间、颜色要素，建立HTCPN模型。根据仿真结果可以看出，该模型能详细的描述出维修过程整体的运行情况、维修保障资源利用情况以及时间属性。

说明书

技术领域

本发明涉及高端装备维修制造领域，尤其涉及基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法。

背景技术

Petri网是一种系统描述和分析的工具，被广泛用于离散制造系统的建模与性能分析。Petri网作为近年来的一个热点研究领域，国内外研究人员利用Petri网作为建模仿真工具，分析和评估离散制造系统的生产性能。

利用Petri网来建立维修过程逻辑网模型，首先需要明确维修过程的目标、维修方式、维修级别以及维修对象等具体信息。具体来说，包括：被修部件的安装位置、被修部件的结构特征与物理特征、采用原位修复还是更换的方式、维修可用资源(包括人员、设备、设施)等内容。

在获得以上的维修信息之后，需要对信息进行分析，确定维修过程的具体组成内容，即所需执行的维修操作及其相互间的关系。维修对象的装配方式、结构组成、功能关系等内容都会影响具体的维修操作步骤。

因此，为了表达整个维修过程中各个要素的信息，需要对维修活动及其相互之间的关系进行描述，这种描述对维修过程分析具有重要的作用。因此，针对维修工作的建模需求，提出一种用于维修过程描述的Petri网技术——维修过程逻辑网(MaintenanceProcess Logic Net，MPLN)来研究装备维修过程建模。然而，在实际工作中，由于装备维修过程的复杂性，其操作规程需要在平时进行明确的规范，在实际中有，由于许多因素不能完全通过实验来确定，所以通过建立相应的模型来进行仿真是一种有效的方法。

由于维修保障资源的多样性，各个维修操作所需的维修工具，维修设备都尽不相同，而且过程中的时间属性也是一个需要表述的内容，利用基本Petri网难以反映出这些内容，因此为了能进一步的描述维修过程中的资源利用信息和时间属性，采用层次时间颜色Petri网对维修过程逻辑网模型的建模进行研究。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种采用层次时间颜色Petri网对维修过程逻辑网进行建模的方法，即基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据维修过程逻辑网模型的结构建立有色Perti网的基本模型；

S2：简化建立的有色Petri网的基本模型；

S3：在所述简化后的有色Petri网模型中设置颜色集和函数声明；

S4：利用Perti网仿真分析工具对所述有色Perti网模型进行仿真分析，最终得出仿真数据。

进一步地，其特征在于：步骤S1的具体操作步骤为：

S11：利用Petri网来对维修过程逻辑网模型进行建模；

S12：根据所述维修过程逻辑网模型，再利用CPN Tools建立有色网的基本结构，即建立有色Perti网的基本模型。

进一步地，步骤S11所述的对维修过程逻辑网模型进行建模的具体操作步骤为：

S111：设置维修对象在维修过程中出现的各个状态，并且用库所表示；

S112：设置引起状态变化的维修操作，并且用变迁表示；

S113：确定使变迁触发所需的各种条件，且将所述的各种条件用变迁的前置库所表示；

S114：用有向弧连接相应的库所和变迁；

S115：判断维修对象是否需要层次化建模，根据判断结果对子对象进行层次化建模或者完成模型描述；

S116：采用基于状态机Petri网的虚拟维修过程逻辑网模型对装备维修过程建模，完成维修过程逻辑网建模。

进一步地，步骤S115所述的层次化建模通过实现子网的替代，即每一个子网变迁被加上替代变迁实现，对应于每一个替代变迁都有相应的子网。

进一步地，步骤S114中从一个库所到另一个变迁的每条弧不是唯一的输入弧就是唯一的输出弧，其表示式为：

其中，P

进一步地，步骤S2中简化有色Petri网基本模式的公式为：

HTCPN＝＜MainNet,Repair,RT＞ (2)，

其中MainNet为整个模型的主页，Repair则表示维修过程中子层装备结构的抽象描述；RT描述的是主页和子页之间的关系。

进一步地，步骤S3中所述的设置颜色集和函数声明的具体步骤如下：

S31：声明函数：colset Obj＝int timed；

其中，Obj为整数型赋时颜色集，数据代表待修部件个数以及维修操作时间；

S32：声明函数：colset Res＝index res with 1..n；Res为索引颜色集，由res和编号1，2，……,n组成，每种颜色分别代表维修保障资源的类型；

S33：定义颜色变量a：var a:Obj；

S34：对模型中的各个变迁设定仿真时间。

本发明的有益效果是：

第一，可以通过该模型对复杂的过程进行模拟，特别是对各种资源利用模拟有着非常好的能力。

第二，利用CPN Tools工具可以容易地得到维修过程的时间。

第三，利用CPN Tools工具可以详细的得出维修过程中各个操作所需的维修保障资源，数量。

综上所述，针对基本Petri网难以描述维修保障资源利用情况以及无法表达维修过程中时间属性的问题，在基本Petri网上进行层次时间颜色的扩展，利用层次时间颜色Petri网(HTCPN)对维修过程逻辑网模型进行建模研究，并利用CPN Tools对模型进行仿真分析，得出该模型能详细的描述出维修过程中资源利用情况以及时间属性。

附图说明

图1CPN Tools有色网的基本结构；

图2模型主页MainNet；

图3模型子页Repair；

图4层次时间颜色Petri网(HTCPN)模型主页；

图5层次时间颜色Petri网(HTCPN)模型子页；

图6层次时间颜色Petri网(HTCPN)模型主页仿真运行图；

图7层次时间颜色Petri网(HTCPN)模型子页仿真运行图；

图8层次化Petri网模型；

图9某型止动器油缸典型故障维修过程的MPLN模型。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

基于层次时间颜色Petri网的维修过程逻辑网建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据维修过程逻辑网模型的结构建立有色Perti网的基本模型；

S2：简化建立的有色Petri网的基本模型；

S3：在所述简化后的有色Petri网模型中设置颜色集和函数声明；

S4：利用Perti网仿真分析工具对所述有色Perti网模型进行仿真分析，最终得出仿真数据。

进一步地，步骤S1的具体操作步骤为：

S11：利用Petri网来对维修过程逻辑网模型进行建模；

S12：根据所述维修过程逻辑网模型，再利用CPN Tools建立有色网的基本结构，即建立有色Perti网的基本模型。

以某型止动器油缸故障维修过程的实例进行建模。根据维修过程逻辑网模型利用CPN Tools建立有色网的基本结构，参考附图1。

进一步地，步骤S11所述的对维修过程逻辑网模型进行建模的具体操作步骤为：

S111：设置维修对象在维修过程中出现的各个状态，并且用库所表示；

S112：设置引起状态变化的维修操作，并且用变迁表示；

S113：确定使变迁触发所需的各种条件，且将所述的各种条件用变迁的前置库所表示；

S114：用有向弧连接相应的库所和变迁；

S115：判断可维修对象是否需要层次化建模，根据判断结果对子对象进行层次化建模或者完成模型描述；

S116：采用基于状态机Petri网的虚拟维修过程逻辑网模型对装备维修过程建模，完成维修过程逻辑网模型建模。

进一步地，所述层次化建模通过实现子网的替代，即每一个子网变迁被加上替代标签(替代变迁)实现，对应于每一个替代变迁都有相应的子网。

其中，层次化建模方法能够提供详细程度不同的模型，便于不同的用户选择相应层次上的模型，层次化建模可以通过实现子网的替代，即每一个子网变迁被加替代标签(也称替代变迁)，对应于每一个替代变迁都有相应的子网，在子网中给出了此替代变迁所对应过程的详细行为描述，如附图8所示。

参考附图8，其中替代变迁的输入库所称为ISP(Input socketplace)，输出的库所称为OSP(Output socketplace)，同时为输入输出的库所为I/O SP(Input/outputsocketplace)。子网中用来与周围环境进行信息交换的库所被加上In、Out、或I/O标签，分别被称为IPP(Input port Place)、OPP(Output port place)和I/O PP(Input/Outputportplace)。IPP也表示子网的开始，OPP则表示子网结束。在将用子网代替子网变迁时，只需找到子网的初始变迁t

进一步地，从一个库所到另一个变迁的每条弧不是唯一的输入弧就是唯一的输出弧，表示为：

按照上述的分析结果，以止动器油缸为例，止动器油缸发生故障不能正常工作的原因有两个：一是弹簧损坏；二是活塞密封圈损坏。这里默认引起故障的原因是第二个，则某型止动器油缸典型故障维修过程的维修过程逻辑网(MPLN)模型如附图9所示。

在模型中，如p

表1某型止动器油缸故障维修过程库所、变迁含义说明

进一步地，步骤S2中简化有色Petri网基本模式的公式为：

HTCPN＝＜MainNet,Repair,RT＞ (2)，

其中MainNet为整个模型的主页，表示某型止动器油缸故障维修过程中顶层装备结构的抽象描述；Repair则表示某型止动器油缸故障维修过程中子层装备结构的抽象描述；RT描述的是主页和子页之间的关系，包括：端口库所集、槽库所集、槽函数、端口函数和溶合集等内容。模型主页结构如附图2所示。

附图2中除了替代变迁repair之外，其余各个库所及变迁的含义均可对照表1。替代变迁repair对应附图3所示的模型子页结构。

附图3中的各个库所及变迁的含义也均可对照表1，其中库所p

进一步地，步骤S3中所述的设置颜色集和函数声明的具体步骤如下：

S31：声明函数：colset Obj＝int timed；

其中，Obj为整数型赋时颜色集，数据代表待修部件个数以及维修操作时间；

S32：声明函数：colset Res＝index res with 1..n；

其中，Res为索引颜色集，由res和编号1，2，.......，n组成，例如，在此模型中共有四种类型的维修保障资源，则n取值为4，其中res1表示扳手；res2表示螺丝刀；res3表示钳子；res4表示密封圈备件，每种颜色分别代表维修保障资源的类型；

S33：定义颜色变量a：var a：Obj；

S34：对模型中的各个变迁假定仿真时间。

为了使模型能体现出维修过程的时间属性，需要对模型中的各个变迁假定仿真时间，如表2所示。

表2变迁仿真时间

根据上述分析，在有色网的基本结构中添加时间、颜色要素，建立HTCPN模型如附图4、附图5所示。此实例重点研究维修过程中维修保障资源利用情况，因此在原有模型的基础上添加资源库所Res，库所中含有四类资源res1，res2，res3，res4，为每个变迁的执行提供前提条件。

实施例：

假设模型中有一个待修装备，每个资源库所Res中，每种类型的资源数目各有10个。模型仿真运行情况如附图6、附图7所示。

根据仿真结果，可以得出维修过程整体的运行情况、维修保障资源利用情况等，具体如下：

1、运行结束后，根据资源库所Res中的剩余资源数目可以得出整个维修过程共消耗4个res1、3个res2、8个res3、1个res4，整个维修过程共耗时670(单位时间)。

2、运行过程中，根据资源库所Res中的资源数目变化情况可以得出每个操作所需的资源，例如，t

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。