基于OPN和UML的导航装备维修建模方法研究

　　引言

　　 地面导航装备维修保障系统是一个包含装备、人员、备件、信息和管理等因素的离散事件复杂大系统,由于导航装备维修保障系统的离散性、随机性和复杂性决定了在对它进行建模描述和分析时的困难性,

　　使用仿真技术开展导航装备维修保障研究,可以全面地考虑可能发生的问题,准确反映动态与随机的系统特性,节约研究时间与费用,是进行维修保障研究的最佳方法。作为战场保障装备的重要组成部分,

　　导航装备的维修保障过程具有自身的特点,不仅需要考虑装备本身的功能、结构、任务范围和使用特点,同时也必须考虑整个使用与维修环境、保障资源的数量与配置,以及保障系统中人力、物力、信息和管理等方面的特性。

　　这是一个复杂与动态的相互作用过程,如何运用仿真语言正确描述维修过程是导航装备维修保障建模中的主要问题之一。

　　1.Petri网和UML的层次建模分析方法的特点任何一个离散动态系统都有着静态部分和动态部分。

　　基于UML 和Petri网的层次建模分析方法就是将一个系统一分为二动态部分则采用Petri网来描述,静态部分是由UML 来描述,用例图和类图来描述系统的静态属性,通过两者结合来描述系统的整个组织结构以及子系统之间的连接关系包括资源共享、消息传递和同步。Petri网和UML具有不同的特征:

　　1) Petri网具有形式化的严格性,UML有友善的用户界面;

　　2) Petri网可以直接分析验证系统,UML可以有效地描述系统;

　　3) Petri网善于模拟仿真系统的动态特性,UML模型能够容易编程实现。

　　基于Petri网和UML 的互补性,本文试图综合UML对用户友好、能够有效描述系统和Petri网具有形式化的严密性、能够严密地分析系统动态性能的这两种方法。运用UML 和Petri网各自的优点,采取向面向对象Petri网模型向UML模型的映射方法把它们集成起来。

　　2.基于UML和Petri网方法建模思路

　　首先分析系统,建立了系统运行过程的面向对象的Petri网模型,而后按照UML模型提取仿真实体,使用UML 状态视图分别表示每个实体对象的状态变化及相关事件;使用顺序图表述各个实体消息交互,并使用协作图将各个实体连接成一个大系统。

　　因为UML状态视图包含了对象状态变化的控制条件、活动、操作以及消息传递;而顺序图则表现了消息传递的时序性,因而结合两者可以表现仿真过程的控制流。以上建模过程对照了面向对象Petri网的构建过程,所建立的UML 模型既是仿真模型,也是软件模型,因此可以直接用rational rose软件实现。

　　第一步:根据对象Petri网转化为UML 模型的状态图:1)对于相对应的对象着色Petri网的库所都映射为各个被转变为无子状态的所有状态;

　　3.基于OPN的导航装备维修保障过程描述

　　1)按照面向对象Petri网的组织结构模型描述,每个子系统都有端口与外界通过端口交换信息。端口从功能上分为输入端口和输出端口,从用途上来分有消息端口和资源端口,因此子系统的端口可分为四类:消息输入端口(▽)、资源输入端口(▼)、消息输出端口(△)、资源输出端口(▲)。对应的面向OPN模型图,限于篇幅本文给出了导航装备和中继级修理机构和备件仓库的库所、端口和变迁说明,

　　2)将对象Petri网的弧映射为所有无子状态的状态迁移;

　　3)将对象Petri网的变迁映射为所有无子状态的迁移动作。第二步:从对象Petri网提取出UML 模型的仿真实体。第三步:将Petri网转换为UML顺序图。

　　1)UML中的顺序图将交互关系表示为一个二维图;

　　2)按照对象分类的库所组表示对象在其生命周期中的各个状态;

　　3)将消息分为对象之间通讯和对象自身调用。

　　具体方法是:按弧指向的顺序逐个考察库所组中的相邻库所之间的变迁,如果变迁的前置集包含不属于该库所组的库所,那么将该库所到此变迁的弧转换为UML消息。如果是库所组内的则转化为本对象自身操作调用。根据状态机图、和原Petri网可以容易顺序图。Rational Rose也提供了直接转化功能,这里不再详述。

　　4. 2　导航装备指挥中心模型

　　导航装备指挥中心模块的模型,该模块驱动整个仿真系统的运行。在仿真进程启动后,该模块即开始生成导航任务,并向相应的导航装备对象下达任务,发送“下达任务”消息。当预定仿真的导航任务完成后,模块停止运行,退出仿真进程。

　　4. 3　导航装备模型

　　导航装备是维修保障过程的主体,图5是使用状态视图表示的导航装备模型。在仿真过程中,导航分队在接到“下达任务”消息后,进入“准备等待”状态。

　　4.基于UML的导航装备维修建模分析

　　4. 1　仿真实体的提取与相互关系

　　根据导航装备维修保障的实际过程,整个模型可分为导航装备指挥中心、导航装备、本机修理机构和备件仓库四个模块。其中,导航指挥中心负责导航任务的下达;各导航装备负责完成下达的任务;本机修理机构分为基层级、中继级、基地级修理机构,各修理机构负责导航装备的维修和送修,中继级和基地级修理机构有所属的备件仓库;备件仓库负责导航装备备件的供应与存贮运输。

　　所有实体相互协作完成所有使用、维修和保障任务。开始人员准备和装备调试检查;在得到来自导航指挥中心的“准备响应”后,导航装备进入“任务前准备”状态,准备实施保障,并实时上报装备状态;在“任务前准备”结束后向导航指挥中心发出“准备结束”的消息,接到导航指挥中心命令开始实施导航保障;在装备完成预定任务后,装备重新进入“待命”状态,
并向导航装备指挥中心报告自身状态。

　　如果在准备过程中或者实施导航过程中发现故障,则装备进入“维修等待”状态,本级维修对损伤装备进行损伤评估后,发出“维修响应”,调度人员、备件、维修工具等资源等待维修,若无法完成本级维修,向上级维修机构发出“维修申请”,在得到“维修响应”后进入“维修”状态,完成维修后发送“维修结束”信息,并返回“待命”状态。

　　4. 4　维修机构模型

　　基层级维修机构建模,中继级维修机构和基地级维修机构原理基本相同,这里不再赘述。该模块负责维修保障仿真过程的人员与设备等维修保障资源的调度。在接到导航装备的维修申请后,维修机构将根据当前的资源状况调度资源,如果资源满足需求,则向相应的装备对象发送维修与准备响应,并将所需的资源转入维修与准备状态。当接到维修结束消息后,将相应资源转入可用状态。

　　4. 5　备件仓库模型

　　备件仓库模型。在接到导航装备维修机构或下级备件仓库的“备件申请”消息后,该模块将对可用备件进行调度,检查备件状况,如果满足需求,则发出“备件响应”,并在可用备件中去除相应的备件,如果不满足需求,则进行相应的延迟。

　　4. 6　维修时序

　　按照仿真过程进行中各个对象进行消息交互的顺序图。图中按照各消息发生的时序描述了准备过程中各个对象间的消息传递、维修过程的消息交互与其类似这种消息的交互过程反映了最后就是集成所有的UML模型,使用以上建立的系统模型进行了进一步细化与设计并在Rational Rose软件中直接生成导致代码的产生。运用此模型可以对导航装备维修保障过程中的可靠性、维修性、保障性等各种因素进行全面的仿真与分析,对导航装备的维修保障优化参考有着一定的理论与应用价值。

　　5.结束语

　　本文主要目的是为了探讨Petri网和UML 相结合方法在导航装备维修保障模型的应用,该方法是一种从上到下的层次建模分析方法能够对不同层次的系统进行研究。通过Petri网模型向UML模型的转化改变了传统方法不足使UML模型能够充分的描述系统的并发同步和冲突性质,

　　这样就使一个复杂的导航装备维修保障系统模型变得容易理解,下一步笔者将进一步深人研究Petri网向UML转化的严密性,如:顺序图中如何描述资源共享、并发;如何更好地描述状态图之间的关系以及该方法在Web程序开发中的应用等方向。