基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的裝備保障指揮信息流程建模與仿真*

于　錢　彭鵬菲　李啟元

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院　武漢　430033)

?

基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的裝備保障指揮信息流程建模與仿真*

于錢彭鵬菲李啟元

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院武漢430033)

摘要論文通過建立和分析網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障指揮信息流程,提出了基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的信息流程建模方法,并結(jié)合具體實例對其裝備保障指揮信息流程進(jìn)行了建模分析。分層Petri網(wǎng)實現(xiàn)了信息流程的多層次建模,簡化了流程模型;F綜合評判通過計算模糊評判矩陣的最大隸屬度得到評判結(jié)果,從而使Petri網(wǎng)模型具備了不確定信息的處理能力,解決了指揮信息流程模型中的不確定性決策問題。使用Exspect建模與仿真平臺對所構(gòu)建的裝備保障指揮信息流程進(jìn)行了仿真測試及優(yōu)化,結(jié)果分析表明:該方法能夠解決復(fù)雜裝備保障指揮信息流程的建模仿真,為流程優(yōu)化提供測試分析依據(jù),在未來網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)指揮信息系統(tǒng)建設(shè)方面具備良好的實際應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn); 模糊綜合評判; 指揮信息流程; 分層Petri網(wǎng); 仿真優(yōu)化

Class NumberTP391.9

1引言

網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)是未來信息化戰(zhàn)爭發(fā)展的主要趨勢,同時網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的提出對未來裝備保障提出了更高的要求。網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障的出發(fā)思想是信息數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的運行處理[1],信息在裝備保障指揮流程中起著決定性的作用。對裝備保障指揮信息流程進(jìn)行建模及仿真對提高裝備保障效率,節(jié)約保障資源具有重要意義。

用于信息流程的建模分析方法主要包括流程圖法、角色行為圖法(Role Activity Diagram)、IDEF模型方法、事件過程鏈EPC(Event-Process Chains)、計劃協(xié)調(diào)管理以及BPMN方法等[2～3]。這些方法能夠?qū)崿F(xiàn)對流程的描述和靜態(tài)分析,但對流程的動態(tài)分析能力還不足。Petri網(wǎng)是復(fù)雜系統(tǒng)建模分析的一種重要方法,適合于描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。對于復(fù)雜流程系統(tǒng)的建模,分層Petri網(wǎng)能夠降低其復(fù)雜度,對描述和分析各種信息及指揮流程具有獨到優(yōu)越之處[4～6]。

裝備保障指揮信息流程中的信息包含確定信息和不確定信息,例如上級的命令就是確定的信息,某裝備可能會損毀就是不確定信息。其中不確定信息就會導(dǎo)致不確定的流程,而Petri網(wǎng)模型本身不具備對不確定信息的處理能力,需要結(jié)合一定的不確定信息處理算法才能更好的應(yīng)用于裝備保障指揮信息流程的建模中。目前對于不確定信息的處理方法主要有貝葉斯法、灰色關(guān)聯(lián)法和模糊算法[7～9],貝葉斯算法的前提條件是獲取先驗信息和樣本信息,而灰色關(guān)聯(lián)法也需要有足夠的實例模型作為關(guān)聯(lián)算法的參考序列,裝備保障指揮處理的信息復(fù)雜多變,先驗信息和樣本信息的獲取比較困難,顯然貝葉斯法和灰色關(guān)聯(lián)法不適用于裝備保障指揮信息流程的建模。模糊算法則不需要過多的先驗信息,只需對當(dāng)前信息進(jìn)行決策判斷,適合解決信息流程模型中的決策問題。

因此,本文著重于研究將F綜合評判和分層Petri網(wǎng)應(yīng)用到裝備保障指揮信息流程的建模與仿真方法中,用層次特性實現(xiàn)簡潔層次化的建模,用顏色來區(qū)別資源的不同,用時間特性增加模型對時間分析的能力,用F綜合評判方法處理基于模糊信息的指揮流程決策問題。

2基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的信息流程建模方法

基本Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)可定義為一個三元組N=(P,T,F),其充分必要條件為[10～11]

P∪T≠?

(1)

P∩T=?

(2)

F?P×T∪T×P

(3)

dom(F)∪cod(F)=P∪T

(4)

式中:P為位置(Place)節(jié)點的集合,T為變遷(Transition)節(jié)點的集合,∪表示并集,?為空集合,∩表示交集,F為流關(guān)系,dom(F)是F所含有序偶的第一個元素的集合,cod(F)則是第二個元素組成的集合。

圖1　分層Petri網(wǎng)模型

分層Petri網(wǎng)將變遷分成兩種:基本變遷和子網(wǎng)變遷。如圖2所示,在基本Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上,為子網(wǎng)模型增加Pin和Pout兩個位置,以及初始變遷tin和終止變遷tout兩個瞬時變遷代替子網(wǎng)變遷tc。位置Pin表示子網(wǎng)的開始,位置Pout表示子網(wǎng)結(jié)束。

將F綜合評判應(yīng)用到Petri網(wǎng)模型中,在Petri網(wǎng)模型中加入信息決策相關(guān)元素,使得Petri網(wǎng)模型具有不確定信息的決策能力。基于F綜合評判與Petri網(wǎng)的信息流程建模方法的結(jié)構(gòu)可用一個八元組描述:

NF=(P,T,F,D,I,V,W,R)

(5)

對以上Petri網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)及方法說明如下:

1) (P,T,F)為基本Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu),但表示意義發(fā)生變化:P表示信息流或狀態(tài)集,T表示事件集,F則表示信息或狀態(tài)與事件的關(guān)系。

2)D=(d1,d2,…,dn)表示決策事件集,d1,d2,…,dn是有不確定信息輸入的事件,即D?T。

3)I=(Id1,Id2,…,Idn)表示對應(yīng)決策事件的信息集,D中每個事件di對應(yīng)一個信息集Idi。

4)V=(v1,v2,…,vm)表示評語集。

5)W=(W1,W2,…,Wn)表示信息集的權(quán)重集。

6)R=(R1,R2,…,Rn)為模糊評判矩陣集:

(6)

7) 不確定信息的處理:

對于決策事件di,求得F評判集:

(7)

算子·可根據(jù)實際需要定義,這里定義為矩陣的內(nèi)積。

(8)

3基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的

裝備保障指揮信息流程建模及仿真

3.1建模與仿真工具

Exspect(Executable specifications)是Deloitte &Touche Bakkenist公司和荷蘭Eindhoven大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的可執(zhí)行過程仿真平臺,能夠支持賦時有色Petri網(wǎng)。該仿真平臺具有系統(tǒng)層次分解和組件重用功能,支持自上而下和自下而上相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,可以很好地解決分層Petri網(wǎng)各子過程之間的耦合問題,是協(xié)助Petri網(wǎng)分析問題和解決問題的優(yōu)秀軟件工具,實用性較強[12]。

運用Exspect軟件對裝備保障指揮信息流程進(jìn)行Petri網(wǎng)建模,并動態(tài)仿真模型中的事件發(fā)生、信息流動以及不確定信息的決策,分析流程結(jié)構(gòu)的合理性,計算各階段運行時間,以實現(xiàn)指揮信息流程的進(jìn)一步優(yōu)化。

3.2裝備保障指揮信息流程實例的建模

1) 裝備保障指揮流程實例

假設(shè)在某次作任務(wù)戰(zhàn)中,需要完成多型裝備的保障任務(wù)。建立三級指揮機構(gòu):裝備指揮中心(上級單位),保障基地級指揮單位(同級單位)和保障分隊(下級單位),任務(wù)執(zhí)行過程中涉及到五個保障分隊。其裝備保障指揮信息流程如圖2所示。

2) 裝備保障指揮信息流程建模

在裝備保障任務(wù)執(zhí)行的過程中,大量信息在各個保障單位之間通過事件來傳遞。通過構(gòu)建分層Petri網(wǎng)模型可以分析流程中所涉及的相關(guān)事件與信息,同時引入決策模型增加了對不確定信息的處理過程,為裝備保障指揮信息流程的規(guī)范和優(yōu)化提供依據(jù)。根據(jù)保障單位不同,將整個裝備保障指揮信息流程Petri網(wǎng)模型分為三部分:一個主信息流程模型和兩個子信息流程模型。主流程模型是以本級單位為核心的指揮信息流程模型,主要體現(xiàn)本級單位與各單位之間的指揮信息傳遞過程;子信息流程模型分別為本級單位內(nèi)部信息流程Petri網(wǎng)模型和保障分隊Petri網(wǎng)模型。主信息流程的Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

圖2　裝備保障指揮流程實例

圖3　主信息流程Petri網(wǎng)模型

裝備保障指揮信息流程Petri網(wǎng)模型的相關(guān)設(shè)計說明如下:

①模型中空心方框表示事件，對應(yīng)于Petri網(wǎng)模型中的變遷，如1；深色實心方框表示對應(yīng)裝備保障指揮實例各個過程的結(jié)束節(jié)點事件，如事件t15。每個指揮過程被拆分成一個或多個事件：領(lǐng)受任務(wù)對應(yīng)t0，建立指揮機構(gòu)對應(yīng)t1～t16，傳達(dá)任務(wù)對應(yīng)t7～t11，收集情報信息對應(yīng)t12～t15，擬制保障方案對應(yīng)t16，收集方案修改建議對應(yīng)t17～t20，上報保障方安案對應(yīng)t21，定下保障決心對應(yīng)t22，下達(dá)保障命令對應(yīng)t23，收集保障實施相關(guān)信息對應(yīng)t24～t25，完成保障任務(wù)對應(yīng)t26～t28，檢查評估對應(yīng)t29～t30。其中，各個事件具體表示命令的下達(dá)以及執(zhí)行、信息的收集及信息的上傳下達(dá)、方案的擬制等，這里不做詳細(xì)說明。

②模型中大矩形框t_JXC和t_BZBD分別表示本級單位內(nèi)部信息流程Petri網(wǎng)模型和保障分隊信息流程Petri網(wǎng)模型，對應(yīng)Petri網(wǎng)模型中的變遷，見圖4。子變遷中的Petri網(wǎng)模型涉及到的信息和事件比較多，事件和信息均具有實際意義，這里不做詳細(xì)說明。

③模型中空心圓表示信息，對應(yīng)Petri網(wǎng)中的位置，如p1；實心圓表示不確定信息，如p33。

④模型中帶有交叉直線的圓表示運行過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲，這里是在每個標(biāo)志性的過程節(jié)點記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如setp 1。

⑤模型中的決策部分：在事件t20節(jié)點處，收集信息后需要判斷是否重新擬制裝備保障方案，如果根據(jù)信息得到?jīng)Q策結(jié)果為“是”，則事件td11將被執(zhí)行，否則事件td11將不被執(zhí)行而直接執(zhí)行事件t21，決策事件節(jié)點t25與事件t20同理。

模型中決策部分相關(guān)說明如下:決策事件集D=(t20,t25);對應(yīng)決策事件的信息集I=((p33,p34,p35),(p42,p43,p44));信息集的權(quán)重集由專家對各個信息的重要程度進(jìn)行評估得到,這里假設(shè)其權(quán)重集W=((0.3,0.5,0.2),(0.2,0.2,0.6));評語集V=(是,否,不確定);評判矩陣一般由裝備保障指揮員對每個信息進(jìn)行判斷得到,因為實際信息是不確定的,所以在仿真中判斷矩陣由Exspect的腳本語言生成。

3.3裝備保障指揮信息流程實例仿真

采用基于ExSpect平臺的信息流程仿真技術(shù),構(gòu)建Petri網(wǎng)模型仿真界面:流程仿真演示和仿真數(shù)據(jù)圖表顯示,如圖4所示。當(dāng)流程仿真開始時,藍(lán)色實心圓表示當(dāng)前保障任務(wù)執(zhí)行所處的狀態(tài)。仿真數(shù)據(jù)圖表顯示則實時反映了仿真運行過程的相關(guān)信息及其統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

4仿真結(jié)果分析

4.1仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果,仿真20次的平均時間為49.61h,該模型大量使用了并行處理的方式,體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障指揮信息傳遞的高效性。通過仿真過程及結(jié)果分析,基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的方法及Expect仿真平臺實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障指揮信息流程的建模與仿真,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

1) 反映了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障指揮信息傳遞快速、信息量大、信息傳遞復(fù)雜等特點;

2) 分層建模,簡化了信息流程模型,實現(xiàn)了復(fù)雜信息流程的建模與動態(tài)仿真;

3) 體現(xiàn)了保障指揮的扁平化。保障指揮機構(gòu)分為三級,信息只在三級指揮機構(gòu)之間傳遞,減少了命令層層下達(dá),請示層層上報的繁瑣環(huán)節(jié),符合實際需求;

4) 體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)裝備保障指揮的信息并發(fā)處理方式;

5) 引入決策算法,較好地解決了流程的不確定性決策問題,體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)精確化保障思想。

另外,仿真的保障時間曲線有較大的波動,這是由事件時延的隨機性和不確定信息導(dǎo)致流程的不確定性造成的,說明該仿真結(jié)果更加接近實際情況,如圖4所示。

4.2優(yōu)化策略

本文實例的建模與仿真充分利用了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)信息并發(fā)性的特點,信息流程模型中多處使用并行處理機制,提高了指揮效率。但根據(jù)仿真過程及結(jié)果分析,對信息流程仍可做進(jìn)一步優(yōu)化。

1) 并行信息流程經(jīng)常出現(xiàn)等待現(xiàn)象,在并行流程結(jié)束而到達(dá)流程串行部分的節(jié)點處,出現(xiàn)先完成的并行事件等待其他的并行事件的情況,既浪費了資源,又影響了整體效率。因此,并行信息流程的設(shè)置需要進(jìn)一步改進(jìn)?？梢灶A(yù)先判斷并行流程的每個分支流程時間,在時序約束允許的情況下,將下一步串行流程事件納入到并行流程的時間最短分支流程中,這樣就可以避免出現(xiàn)等待或者等待時間較短。如并行流程中事件t8、t9、t10的執(zhí)行時間(小時)分別為0.25,0.33,0.35,串行流程事件t11的執(zhí)行0.15,原來t8、t9、t10、t11的執(zhí)行時間為0.45,而將t11納入到t8的流程分支中后的總時間為0.40,縮短了0.05。

圖4　信息流程Petri網(wǎng)模型的仿真界面

2) 有些信息的傳遞是從上級保障單位傳達(dá)給本級單位,然后再由本級單位傳達(dá)給下保障分隊,這種情況可能會導(dǎo)致信息傳遞不夠暢通,延長裝備保障指揮的時間。因此,在減少信息傳輸?shù)闹笓]機構(gòu)方面需進(jìn)一步優(yōu)化,即能直接傳遞給保障分隊的信息就不需要經(jīng)過本級單位轉(zhuǎn)發(fā)。如事件t7(本級單位向其他單位傳達(dá)任務(wù)),上級保障單位可將任務(wù)直接下達(dá)給保障分隊及其他單位(包括本級單位),可節(jié)省在本級單位停留及轉(zhuǎn)發(fā)的時間。

5結(jié)語

本文將F綜合評判應(yīng)用到分層Petri網(wǎng)中,對裝備保障指揮信息流程進(jìn)行了建模,解決了信息流程建模中不確定信息對指揮流程的影響問題。使用Exspect仿真平臺對信息流程的Petri網(wǎng)模型建立仿真系統(tǒng),對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,并提出進(jìn)一步優(yōu)化建議。結(jié)果表明:基于F綜合評判和分層Petri網(wǎng)的方法能夠很好地應(yīng)用于裝備保障指揮信息流程的建模及仿真,為進(jìn)一步開展裝備保障指揮流程優(yōu)化分析提供測試依據(jù),具有較好的推廣應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張華才,于洪敏,孫琰.信息化條件下裝備保障模式構(gòu)想[J].物流科技,2008,4(4):101-102.

ZHANG Huacai, YU Hongmin, SUN Yan. Study on the Model of Equipment Support under the Informationization Condition[J]. Logistics Sci-Tech,2008,4(4):101-102.

[2] 李清,陳禹六.企業(yè)與信息系統(tǒng)建模分析:從需求到實現(xiàn)[M].北京:高等教育出版社,2009.

LI Qing, CHEN Yuliu. Part One Modeling Frameworks of Enterprise and Information Systems[M]. Beijing: Higher Education Press,2009.

[3] 李明雨,畢義明,杜雨,等.導(dǎo)彈批量測試流程控制與仿真研究[J].計算機仿真,2007,24(5):44-46.

LI Mingyu, BI Yiming, DU Yu. Process Controlling and Simulation of Missile Batch Testing[J]. Computer Simulation,2007,24(5):44-46.

[4] 張璐,梁向陽.Petri網(wǎng)及其擴展研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2009,27(7):63-66.

ZHANG Lu, LIANG Xiangyang. A Study of Petri Nets and its Expansion[J]. Computer Development and Application,2009,27(7):63-66.

[5] 張建強,張濤,郭波.基于Petri網(wǎng)的維修保障流程多層次仿真模型研究[J].兵工自動化,2003,22(4):14-17.

ZHANG Jianqiang, ZHANG Tao, GUO Bo. Research on Multi-Leveled Simulation Model of Maintenance Support Process Based on Petri Net[J]. Armament Automation,2003,22(4):14-17.

[6] 李仁松,趙磊,任煒.基于Petri網(wǎng)的指揮流程建模與優(yōu)化[J].指揮控制與仿真,2009,31(3):4-8.

LI Songren, ZHAO Lei, REN Wei. The Command Chain Modeling and Optimizing Based on Petri Net[J]. Command Control & Simulation,2009,31(3):4-8.

[7] 唐麗.基于Petri網(wǎng)和貝葉斯概率推理的動態(tài)業(yè)務(wù)流程優(yōu)化研究[D].西南交通大學(xué),2011,5.

TANG Li. The Optimization Study of Dynamic Business Processes Based on Petri Nets and Bayesian Inference[D]. Southwest Jiaotong University,2003,2011,5.

[8] 劉莎,曹錦丹.基于灰色模糊理論的病人滿意度測評信息系統(tǒng)設(shè)計[J].情報科學(xué),2011,29(10):1580-1584.

LIU Sha, CAO Jindan. Patient Satisfaction Evaluation Information System Based on Grey Fuzzy Theory[J]. Qing Bao Ke Xue,2011,29(10):1580-1584.

[9] 楊綸標(biāo),高英儀,凌衛(wèi)新.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用[M].第五版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2011:79.

YANG Guanbiao, GAO Yingyi, LING Weixin. Fuzzy mathematics principle and Application[M]. Guangzhou: South China University of Technology,2011:79.

[10] 陳勝,程景云.基于Petri網(wǎng)的工作流建模及仿真[J].計算機輔助工程,2000(1):8-15.

CHEN Sheng, CHENG Jingyun. Work Flow Model Construction and Simulation Based on Petri Net[J]. CAE,2000(1):8-15.

[11] Resing W. PETRI網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:北京航空航天大學(xué),2002.

Resing W. Petri Net Introduction[M]. Beijing: Beihang University,2002.

[12] 關(guān)成彬,段立.Petri網(wǎng)在海軍戰(zhàn)役裝備保障指揮中的應(yīng)用[J].兵工自動化,2008,27(12):6-8.

GUAN Chengbin, DUAN Li. Application of Petri Net on Command of Naval Campaign Equipment Support[J]. Armament Automation,2008,27(12):6-8.

Modeling and Simulation of Equipment Support Command Information Flow Based on F Comprehensive Evaluation and Hierarchical Petri Net

YU QianPENG PengfeiLI Qiyuan

(School of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractIn this paper, through the establishment and analysis of equipment support command information flow based on network centric warfare, the information flow modeling method based on fuzzy comprehensive evaluation and hierarchical Petri net is put forward, and is modeled and analyzed combined with specific examples of the equipment support command information flow. Hierarchical Petri net accomplishes multi-level modeling of the information flow and simplifies the process model. Fuzzy comprehensive evaluation obtains evaluation results by calculating maximum degree of membership of the fuzzy evaluation matrix, so that the Petri net model has the uncertain information processing capability and solves the uncertain decision making problem of command information flow model. The modeling and simulation platform ExSpect is used to simulate and optimize the equipment support command information flow constructed. The results show that the method can solve the modeling and simulation of complex equipment support command information flow, can provide a basis for testing analysis for process optimization, and has a good application prospect in the command information system construction of the future network centric warfare.

Key Wordsnetwork centric warfare, fuzzy comprehensive evaluation, command information flow, hierarchical Petri net, simulation and optimization

* 收稿日期:2015年11月4日,修回日期:2015年12月23日

作者簡介:于錢,男,碩士,助理工程師,研究方向:輔助決策技術(shù)、流程建模與仿真。彭鵬菲,男,博士,副教授,研究方向:裝備保障指揮控制、智能決策與優(yōu)化方法。李啟元,男,博士,副教授,研究方向:指揮信息系統(tǒng)、計算機仿真等。

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.025