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Procedia Engineering 23 (2011) 284 – 289

International Conference on Power Electronics and Engineering Application (PEEA 2011)

Dynamic Simulation of the Equipment Repair Support System based on the OPN Model

NING Hui^a, SHI Yanbin^b, GAO Xianjun^b a*

^aBeijing Aeronautical Technology Research Center, Beijing 100076, China

^bAviation University of Air force, Changchun, 130022, China

Abstract

It is more difficult that mathematical method analyzes the Object-oriented Petri Net (OPN) model of equipment repair support system which is enormous and complicated, the thread and concrete operation method to apply CPN- Tools simulation software in simulating and analyzing its OPN model was put forward. According to the thread of simulating and concrete operation method, it was successful to construct the Colored Petri Net (CPN) model of the example OPN model of equipment repair support system and verify its dynamic performance with CPN-Tools. Then, it concludes that the method of simulation analysis for the OPN model is rational and effective.

copy; 2011 Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.

Selection and/or peer-review under responsibility of [name organizer]

Keywords: Equipment repair support system, CPN-Tools simulation software, OPN model, dynamic performance

Introduction

Equipment repair support system^[1-4] is a complex Discrete Event System (DES) which includes material, manpower, information resource and management means etc. Aiming at its discrete and numerous character, document [3,4] puts forward that it applied Object-oriented Petri Net (OPN) theory^{[5- 9]} in constructing the OPN model of equipment repair support system. The OPN model of equipment repair support system has three merits. The firstly, complexity of the model is depressed through using abstract function of Colored Petri Net (CPN). The secondly, maintainability and maneuverability of the model is improved through separating inner configuration and exterior interface of the OPN model and

E-mail address: ninghui1106@tom.com.

1877-7058 copy; 2011 Published by Elsevier Ltd. Open access under CC BY-NC-ND license.

doi:10.1016/j.proeng.2011.11.2503

possessing of abstraction encapsulation. The finally, after inner configuration and exterior interface being separated, exterior interface function of object requests or supplies service for the OPN model by issuing message. Then inner configuration of the OPN model grows briefness and legibility. So, the OPN model of equipment repair support system is comprehended and studied easily.

Although OPN modeling technology is more merits than Petri Net, to analyze dynamic performance of the OPN model of equipment repair support system meets with the greater difficulty. At present, there are much more analysis techniques ^[10-12] for dynamic performance of Petri Net model. A number of mathematical analysis techniques, such as state graphs, reachability tree and invariants and so on, may validate dynamic performance of Petri Net model. But, because state space of the OPN model of equipment repair support system is over bigger and invariant is much more, these techniques canrsquo;t satisfy with analysis for dynamic performance of the OPN model. In document[9], Wang improves the OPN model by means of constructing Object Communication Net (OCN) of object classes. The OCN model would be regarded as the CPN model. On the basis of the OCN model, it applied invariants technique in analyzing dynamic performance of the OPN model. The method could complete the task to analyze. But, if the OPN model has three kinds of object classes, we must construct three OCN models and use invariants technique to analyze them one by one. So, we may have recourse to simulation. The OPN model may be investigated by means of simulating. In this paper, we discuss analysis technique for dynamic performance of the OPN model of equipment repair support system that applies CPN-Tools simulation software in simulating the OPN model in order to analyze its dynamic performance. Through simulating and analyzing dynamic performance of the example OPN model, we can testify that this method is much more rational and effective.

OPN theory

OPN[5-9] is a high-level Petri Net which combines the Object-oriented idea such as objects, classes, method etc, and traditional Petri Net. OPN which divides up a Petri Net into some simple subnets and composite subnets is made up of external object structure, internal object structure and control structure. The subnets of a composite subnet are connected by gate, which is a special transition. In addition, the message queue, a special place, is the communicative window of subnets. The definition of OPN is the next. Definition [1]: A system, S, is composed of mutually communicating physical objects and their communication relations.

S  {Obi , Rij , (i  1,2,hellip;, I , j  1,2,hellip;, J )}

Where Obi is a set of physical objects in the system, R ij is a set of communication relations. Definition [2]: Obi of OPN objects is a 7-tuple, Obi  {SPi , ATi , IMi , OMi , Ii , Oi , Ci ,}

where Obi is object i of OPN system, SPi is a finite set of Obi place nodes, ATi is a finite set of Obi

transition nodes, IM i is a finite set of input message

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基于OPN模型的设备维修保障系统动态仿真

摘要

针对设备维修保障系统面向对象Petri网(OPN)模型庞大复杂的特点，提出了应用CPN-Tools仿真软件对其OPN模型进行仿真分析的思路和具体操作方法。根据仿真的思路和具体的操作方法，成功地构建了设备维修保障系统实例OPN模型的着色Petri网(CPN)模型，并用CPN- Tools对其动态性能进行了验证。结果表明，该模型的仿真分析方法是合理有效的。

关键词:设备维修保障系统，CPN-Tools仿真软件，OPN模型，动态性能

1. 介绍

设备维修保障系统[1-4]是一个复杂的离散事件系统(DES)，包括物资、人力、信息资源和管理手段等。文献[3,4]针对设备维修保障系统的离散性和多向性，提出了应用面向对象Petri网(OPN)理论[5-9]构建装备维修保障系统OPN模型。装备维修保障系统的OPN模型具有三个优点。首先，利用彩色Petri网(CPN)的抽象函数降低了模型的复杂性; 其次，通过分离OPN模型的内部配置和外部接口，提高了模型的可维护性和可操作性以及具有抽象封装功能。最后，将内部配置和外部接口分离后，对象外部接口功能通过发出消息的方式向OPN模型请求或提供服务。然后，OPN模型的内部配置变得简洁易读。因此，容易理解和研究设备维修保障系统的OPN模型。

虽然OPN建模技术比Petri网更有优势，但对设备维修保障系统OPN模型的动态性能分析却面临更大的困难。目前，对Petri网模型动态性能的分析技术较多[10-12]。许多数学分析技术，如状态图、可达树和不变量等，可以验证Petri网模型的动态性能。但是，由于设备维修保障系统OPN模型的状态空间较大且不变性较大，这些技术不能满足OPN模型的动态性能分析。在文献[9]中，Wang通过构建对象类的对象通信网络(OCN)改进了OPN模型。OCN模型将被视为CPN模型。在OCN模型的基础上，应用不变量技术分析了OPN模型的动态性能。该方法可以完成分析任务。但是，如果OPN模型有三种对象类，则必须构造三种OCN模型，并使用不变量技术对它们逐一进行分析。所以，我们可以求助于模拟。通过仿真可以研究OPN模型。本文利用CPN-Tools仿真软件对设备维修保障系统OPN模型进行仿真，探讨了OPN模型动态性能分析技术，以分析其动态性能。通过实例OPN模型的动态性能仿真分析，验证了该方法的合理性和有效性。

1. OPN理论

OPN[5-9]是将对象、类、方法等面向对象思想与传统Petri网相结合的高级Petri网。OPN由外部对象结构、内部对象结构和控制结构组成，将Petri网划分为简单子网和复合子网。复合子网的子网之间是通过门连接的，这是一种特殊的过渡。另外，消息队列作为一个特殊的位置，是子网的通信窗口。下一个是OPN的定义。定义[1]:系统S是由相互通信的物理对象及其通信关系组成的。

S  {Obi , Rij , (i  1,2,hellip;, I , j  1,2,hellip;, J )}

其中Obi是系统中物理对象的集合，Rij是通信关系的集合。

定义[2]:OPN对象的Obi是一个7元组, Obi  {SPi , ATi , IMi , OMi , Ii , Oi , Ci ,}

其中Obi中的i是OPN系统中的对象，SPi是Obi放置节点的有限集合，ATi是Obi过渡节点的有限集合，IMi是Obi的输入消息放置节点的有限集合，OMi是Obi的输出消息放置节点的有限集合，Ii是Obi中从放置到过渡的输入映射（函数），Oi 是Obi中从过渡到放置的输出映射（函数），Ci是中Obi所有节点的有限色集合。

定义[3]: OPN通信关系的Rij是一个8元组

Rij  {OM i , Gij , IM j , C(OM i ), C(IM j ), C(Gij ), I ij , Oij }其中Rij是OPN系统中从Obi (发送方)到Obj (接收方)的通信关系，OMi是Obi的输出消息放置节点的有限集合，Gij从Obi到Obj的通信关系门过渡节点的有限集合，IM j是Obj的输入消息放置节点的有限集合，C(OMi )是Obj的输出消息放置节点的有限色集合，C(IM j )是输入消息放置节点Obj的有限色集合，C(Gij )是从Obi到Obj的通信关系门过渡节点的有限色集合，I ij是从OM_i到Gij的输入映射（函数），Oij是从Gij到IM j的输出映射(函数)。OPN系统的基本模型如图1所示。

IM_i

IM_j

Ob_i

O

ij

I

ij

Ob_j

OM_i

OM_j

G_ij

对象 信息放置 过渡门

图1.OPN的基本模型

1. 基于CPN-Tools的OPN模型仿真过程

设备维修保障系统的OPN模型在应用CPN-Tools仿真软件进行分析之前，还需要进行一些改进。主要是输入、输出位置和过渡门需要处理。强调了设备维修保障系统OPN模型的处理不改变原模型的运行过程，为下一步构建其系统和子系统的CPN模型奠定了基础。其线程及具体操作方法如图2所示。

图2:基于CPN-Tools的仿真过程

如图2所示，在对设备维修保障系统的OPN模型进行改进后，通过CPN- Tools仿真软件的分层技术，有两种方法构建其系统和子系统的CPN模型。一种方法是直接在对象类之间构建装备维修保障系统顶层CPN模型。基于顶层CPN模型，可以对整个设备维修保障系统的动态性能进行仿真分析。也可以采用CPN-Tools仿真软件的分层技术对整个系统进行分解，对各个子系统的动态性能进行仿真分析。

另一种方法是从设备维修保障系统的底层构建各对象类的CPN模型。在底层CPN模型的基础上，可以对各个子系统的动态性能进行仿真分析。也可以应用CPN-Tools仿真软件的分层技术，将各个子系统整合起来，对整个设备维修保障系统的动态性能进行仿真分析。

通过对设备维修保障系统OPN模型动态性能的分析，可以根据研究需求构建其CPN模型。然后，利用CPN-Tools仿真软件的分层技术，对各CPN模型的动态性能进行了仿真分析。因此，该方法操作简单，适合于复杂的DES OPN模型的仿真分析，并且可以将CPN-Tools仿真软件的时间参数应用于设备维修保障系统的效率分析。

1. 设备维修保障系统仿真
   1. 设备维修保障系统的OPN模型

根据文献[3,4]，我们可以直接提出设备维修保障系统的OPN模型。由于长度限制，我们对原有的设备维修保障系统OPN模型进行修正，如图3所示。设备维修保障系统包含两个层次的维修组织，即设备维修保障系统一级子系统和设备维修保障系统二级子系统，如图3所示。设备维修和支持的过程可以简单描述为下一个描述。首先，设备维修保障系统的一级子系统接收正在使用的设备发生故障后，对故障等级进行评估，确定维修组织。然后，根据评估结果，设备在一级子系统中修复，或运输到二级子系统，或报废。最后，修复后的设备被运送到机组继续使用。

图3.设备维修保障系统的OPN模型

如图3所示,设备修理的OPN模型支持系统包含三个对象类,如OB1对象类的第一级设备维修支持系统的子系统,OB2二级子系统的对象类的设备维修支持系统,OB3对象类的交通系统。MPi (i=1~6)是每个对象类的输入和输出事件位置。Gj (j=1,2)为通信关系门跃迁。C(P)是每个对象类的内部位置。C(T)是每个对象类的内部转换。这里没有一组彩色的。

• 1. 设备维修保障系统的顶层CPN模式

根据基于CPN-Tools的仿真分析思路，首先可以改进OPN模型的输入、输出位置和过渡门。在改进模型的基础上，应用CPN-Tools仿真软件的建模规则和分层技术，构建设备维修保障系统的CPN模型。由于篇幅的限制，我们只给出了设备维修保障系统的顶层CPN模型，并进行仿真分析，如图4所示。通过图4解释了在CPN-Tools仿真软件环境下构建的设备维修保障系统顶层CPN模型。在顶层CPN模型中，设备维修保障系统一级子系统的对象类为OB1，如图4所示。在CPN-Tools环境下进行仿真软件，OB1转换的蓝色符号表示它是一个拥有下一个层次结构的陷阱过渡[4]。下一层次仍然是CPN模型，即设备维修保障系统第一级子系统的对象类。基于同样的理论，在图4所示的顶层CPN模型中，设备维修保障系统第二级子系统的对象类标记为OB2，为陷阱过渡，运输系统的对象类标记为OB3，为陷阱过渡。

MP11为OB1的输入位置，颜色组为故障设备类型。MP12是OB1的输出处，颜色组是需要送上级机构维修的故障设备类型。MP13是OB1的输出处，颜色组是目前组织中已修复的故障设备类型。

MP21是OB2的输入处，OB2的颜色集是下属机构运输的组合故障设备和运输车辆。MP22是OB2的输出位置，颜色集是返回OB3的运输车辆的类型。MP23是OB2的输出处，颜色组是目前组织中已修复的故障设备类型。MP24是OB2的输出处，颜色组是确定报废的故障设备类型。

MP31是OB3的输入处，它的颜色集是下属机构输送给它修理的故障设备类型。MP32是OB3的输入位置，颜色集是OB2返回的运输车辆的类型。MP33是OB3的输出处，它的颜色集是下属机构运输的组合故障设备和运输车辆。

G11是OB1到OB3的通信关系门转换。它的作用是选择有故障需要送上级机构维修的设备。G21是OB3到OB2的通信关系门过渡。它的作用是选择已装载到运输车辆上的故障设备。G31是OB2到OB3的通信关系门过渡。它的功能是选择从OB2返回OB3的运输工具。

图4. 设备维修保障系统的顶层CPN模式

• 1. 基于CPN-Tools对顶层CPN模型进行仿真分析

根据装备维修保障系统的顶层CPN模型，给出了模型的初始注解。在初始化的基础上，将仿真工具应用于CPN-Tools仿真软件2.2.0版本中，运行设备维修保障系统顶层CPN模型。经过5次模拟和运行，模拟注册的结果如表1所示。

通过运行过程和仿真结果，得出了设备维修保障系统顶层CPN模型不存在冲突和死锁的结论。只要资源充足，管理有效，就具有执行力。通过对设备维修保障系统OPN模型实例的动态性能仿真分析，验证了基于CPN-Tools的OPN模型仿真分析思路的正确性和方法的可行性。

表1.仿真的结果

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时间	距离	MP E1	13 E2	MP E1	23 E2	MP E1	24 E2
1	160	11	5	1	2	0	2
2	123	10	7	0	0	2	2