基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，針對復(fù)雜系統(tǒng)，首先，獲取各個設(shè)計方案的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和相關(guān)部件的可靠性、維修性、測試性、安全性四性屬性信息；其次，構(gòu)建“可行度”模型，同時由復(fù)雜系統(tǒng)的各方案信息，建立復(fù)雜系統(tǒng)基于可行度模型的時延Petri網(wǎng)BVTPN，進(jìn)一步構(gòu)建綜合影響參數(shù)模型；最后，結(jié)合蟻群算法的快速性和全局性，完成復(fù)雜系統(tǒng)最優(yōu)方案的尋找。本發(fā)明提出的尋優(yōu)方法解決了目前針對復(fù)雜系統(tǒng)多屬性方案優(yōu)選的難題，即通過綜合權(quán)衡四性信息對最優(yōu)方案的影響，徹底解決四性之間存在的“兩張皮”現(xiàn)象，極大提高了對復(fù)雜系統(tǒng)方案優(yōu)選的快速性和準(zhǔn)確性，保證了復(fù)雜系統(tǒng)的有效設(shè)計和全壽命周期的綜合效能達(dá)到最優(yōu)。
【專利說明】基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于復(fù)雜系統(tǒng)研制階段的多方案優(yōu)選方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于Petri 網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及對產(chǎn)品的功能要求越來越高，產(chǎn)品需要由許多復(fù)雜 系統(tǒng)來完成預(yù)期的功能，尤其是在航空、航天和核技術(shù)等高新【技術(shù)領(lǐng)域】，應(yīng)用非常廣泛。然 而在復(fù)雜系統(tǒng)的前期設(shè)計階段，針對復(fù)雜系統(tǒng)的某項任務(wù)或動作，存在多種方案，這樣便產(chǎn) 生了方案優(yōu)選問題。復(fù)雜系統(tǒng)的方案優(yōu)選問題一直是產(chǎn)品的重點和難點，如果選的方案存 在很多問題，將會給產(chǎn)品的整個生命周期帶來不可預(yù)估的損失，如后期的維修成本增加以 及產(chǎn)品的品牌效應(yīng)受到影響。
[0003] Petri網(wǎng)模型方法自產(chǎn)生以來，作為一種數(shù)學(xué)和圖形的描述分析工具，具有直觀、 形象等優(yōu)點，可以很好的描述復(fù)雜系統(tǒng)中常見的同步、并發(fā)、分布、沖突和資源共享等情況， 已經(jīng)廣泛用于各種柔性制造系統(tǒng)等領(lǐng)域。近年來，Petri網(wǎng)也逐漸用于復(fù)雜系統(tǒng)的方案優(yōu) 選領(lǐng)域，且一直是分析和解決隨機(jī)Petri網(wǎng)問題的重點。隨機(jī)Petri網(wǎng)中變迀失效率隨時 間的變化而變化，當(dāng)失效率達(dá)到一定閾值時變迀失效，進(jìn)而復(fù)雜系統(tǒng)的最優(yōu)方案以及系統(tǒng) 總時間延遲也就會發(fā)生變化，即在某時刻隨機(jī)Petri網(wǎng)的最優(yōu)方案可以被找到，但它并不 是一成不變的，隨著系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，其最優(yōu)方案在不斷的調(diào)整。因此，Petri網(wǎng)應(yīng)用于 復(fù)雜系統(tǒng)，有強大的描述和表示能力，給復(fù)雜系統(tǒng)的方案尋優(yōu)問題提供了很大的技術(shù)支持。
[0004] 由于復(fù)雜系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)和大量組件，因此在復(fù)雜系統(tǒng)的研制前期，需要對 這些子系統(tǒng)和組件進(jìn)行選型，這便產(chǎn)生復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法問題。因此，如何從 眾多的設(shè)計方案中選擇一個設(shè)計方案且使復(fù)雜系統(tǒng)在整個生命周期的綜合效能達(dá)到最優(yōu) 是目前研宄的重點和難點。復(fù)雜系統(tǒng)通常具有多種屬性狀態(tài)，目前針對復(fù)雜系統(tǒng)的分析，能 夠較全面反應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)包括四種，即可靠性、維修性、測試性和安全性。但是，當(dāng)前針對復(fù) 雜系統(tǒng)四性狀態(tài)一體化的設(shè)計方案優(yōu)選問題開展的研宄甚少，大量的研宄仍然只是針對單 屬性進(jìn)行尋優(yōu)，尋得的最優(yōu)路徑無法綜合權(quán)衡復(fù)雜系統(tǒng)四性狀態(tài)屬性，也沒有相應(yīng)的一體 化模型，缺乏全局性，即當(dāng)前的研宄存在嚴(yán)重的"兩張皮"現(xiàn)象，尋得的最優(yōu)設(shè)計方案無法使 整個復(fù)雜系統(tǒng)同時具備可靠性高、維修性好、測試性高和安全性高等優(yōu)點。因此，一種綜合 權(quán)衡四性狀態(tài)的一體化模型，是解決多設(shè)計方案選擇的重點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的 選擇方法，針對復(fù)雜系統(tǒng)研制前期，建立了四性一體化模型，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在四性無 法綜合權(quán)衡、多種設(shè)計方案選取難的問題，即解決了當(dāng)前在設(shè)計方案尋優(yōu)時，四性之間存在 "兩張皮"現(xiàn)象的問題。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：
[0007] 基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1，構(gòu)建可行度模型、基于可行度時延Petri網(wǎng)模型、綜合影響參數(shù)模型，
[0009] 確定復(fù)雜系統(tǒng)中每個方案中各部件之間的前后邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和各部件的四性 參數(shù)信息，同時確定每個部件是否為共用部件，其中，四性參數(shù)包括可靠性維修性參數(shù) A( )、測試性參數(shù)、安全性參數(shù)S，其中，可靠性維修性參數(shù)A( )，包括失效率λ和修復(fù) 率μ，測試性參數(shù)包括故障檢測率FDR、故障隔離率FIR和虛警率FAR ;
[0010] 根據(jù)已確定的每個方案中各部件的四性參數(shù)，確定單個部件的可行度模型及整個 方案的可行度模型，其中， Γ00111 單個部件的可行庠樟型為！Vi (t) = A (①）· FDR · FIR · (I-FAR) · S，

【權(quán)利要求】
1. 基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟1，構(gòu)建可行度模型、基于可行度時延Petri網(wǎng)模型、綜合影響參數(shù)模型， 針對復(fù)雜系統(tǒng)，確定每個方案中各部件之間的前后邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和各部件的四性參數(shù) 信息，同時確定每個部件是否為共用部件，其中，四性參數(shù)包括可靠性維修性參數(shù)A( <-)、 測試性參數(shù)、安全性參數(shù)S，其中，可靠性維修性參數(shù)A(〇°)，包括失效率λ和修復(fù)率μ，測 試性參數(shù)包括故障檢測率FDR、故障隔離率FIR和虛警率FAR; 根據(jù)已確定的每個方案中各部件的四性參數(shù)信息，確定單個部件的可行度模型及整個 方案的可行度模型，其中， 敢冬都仳的πτ奸瘡M刑先·ν. m = Λ f〇〇) · FDR · FIR · (I-FAR) · S，
整個方案的可行度模型為?) =Γ?⑴， M 其中，Vi(t)為單個部件的可行度，h為復(fù)雜系統(tǒng)中所選方案中的部件序號； 根據(jù)已確定的每個方案中各部件之間的前后邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系以及每個部件是否為共用 部件信息，構(gòu)建基于可行度時延Petri網(wǎng)模型BVTPN，確定單個部件的時間延遲整個方 案的時間延遲Ds，即： 單個部件的時間延遲：A= 4 整個方案的時間延遲：=￡頭. MIi- 其中，Ci為變迀i的實施率，η為單個方案包含的變迀數(shù)量； 根據(jù)已構(gòu)建的可行度模型Vi (t)、Vs (t)，以及時間延遲DpDs，構(gòu)建單個部件的綜合影響 參數(shù)模型及整個方案的綜合影響參數(shù)模型：其中， 單個部件的綜合影響參數(shù)模型為：C= &，其中，Di為單個部件的時間延遲； 整個方案的綜合影響參數(shù)模型為：W 其中，Ds為整個方案的時間延遲； /-1 步驟2,結(jié)合蟻群算法選擇設(shè)計方案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，其特征在于 所述步驟2的具體步驟如下： 步驟2. 1，初始化基于可行度時延Petri網(wǎng)模型BVTPN中的各參數(shù)，輸入四性參數(shù)值，設(shè) 置最大迭代次數(shù)Nmax，并設(shè)置當(dāng)前最小影響參數(shù)值為無窮大； 步驟2. 2,添加蟻群，并確定復(fù)雜系統(tǒng)中單個變迀的綜合影響參數(shù)#j。給初始標(biāo)識中 所標(biāo)識的庫所添加X只螞蟻，并計算托肯經(jīng)過各個變迀的綜合影響參數(shù)，確定每個變 迀和托肯的前集與后集； 步驟2. 3,判斷引發(fā)變迀的托肯是否為隨機(jī)搜索托肯，如果是，通過隨機(jī)數(shù)決定相應(yīng)的 變迀轉(zhuǎn)移概率，否則，根據(jù)相應(yīng)變迀上的信息素量決定變迀轉(zhuǎn)移概率； 步驟2. 4,根據(jù)步驟2. 3中的判斷選擇變迀的觸發(fā)形式； 步驟2. 5,變迀觸發(fā)后，對變迀上的信息素進(jìn)行局部更新，同時判斷當(dāng)前庫所是否為目 的庫所，如果是則執(zhí)行步驟2. 6,否則執(zhí)行下一庫所，重復(fù)執(zhí)行步驟2. 3 ; 步驟2. 6,每隔單位時間，判斷是否需要調(diào)整隨機(jī)搜索托肯的數(shù)量，如需要調(diào)整，則進(jìn)行 相應(yīng)的調(diào)整，同時對信息素進(jìn)行全局更新，否則，執(zhí)行步驟2. 7 ; 步驟2. 7,托肯到達(dá)目的庫所之后，其記錄的變迀序列為一個方案，計算該方案的綜合 影響參數(shù)值^，并將其與當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的最小影響參數(shù)值進(jìn)行比較，如果該方案的綜合影響 參數(shù)值小于當(dāng)前的最小影響參數(shù)值，則將該方案的綜合影響參數(shù)值@設(shè)置為最小 值；同時比較本次托肯記錄的綜合影響參數(shù)值與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值，對托肯中記錄的變迀 進(jìn)行信息素增加或減少，同時迭代次數(shù)加1 ; 步驟2. 8,判斷迭代次數(shù)η是否等于最大迭代次數(shù)Nmax，如果是，則終止搜索，并輸出當(dāng) 前的^以及對應(yīng)的方案序列，否則，轉(zhuǎn)向執(zhí)行步驟2. 3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，其特征在于 所述步驟2. 3中如果不是隨機(jī)搜索托肯，采用如下公式計算變迀轉(zhuǎn)移概率：
其中，為托肯下一步允訐選擇的變辻；τdt)為厙所PiW卜一轉(zhuǎn)栘變迀tj所含的 信息素；τis(t)為庫所所有下一轉(zhuǎn)移變迀的信息素總量；α為信息素的相對重要程 度，β為期望值的相對重要程度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，其特征在于 所述基于可行度時延Petri網(wǎng)模型為： BVTPN= {P，St，T，t，F(xiàn)，W，K，Mq，D，λ，μ，Χ}，其中，P為復(fù)雜系統(tǒng)Petri網(wǎng)中庫所的集 合；St是為托肯的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；T為復(fù)雜系統(tǒng)Petri網(wǎng)中變迀的有限集合；τ為T中的元素對 應(yīng)變迀上的信息素；F為Petri網(wǎng)中的笛卡爾積；W為庫所與變迀之間弧的權(quán)函數(shù)；K為P上 的容量函數(shù);Mtl為初始標(biāo)識；D為變迀的時間延遲；λ為各個變迀的失效率集合；μ為各變 迀的修復(fù)率集合；X為變迀的測試性參數(shù)集合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Petri網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)多設(shè)計方案的選擇方法，其特征在于 所述邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系包括串聯(lián)、并聯(lián)。
【文檔編號】G06F17/50GK104462657SQ201410636656
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】孫有朝, 崔燦麗 申請人:南京航空航天大學(xué)