粮库监控系统总线网络可靠性建模与分析

黄海

（广东培正学院教务处，广东广州510830）

粮库监控系统总线网络可靠性建模与分析

黄海

（广东培正学院教务处，广东广州510830）

针对粮库监控系统总线网络缺乏可靠性评估手段的难题，引入广义随机Petri网建模与分析技术，建立了粮库监控系统总线网络可靠性分析模型.该模型有效地模拟了各类故障在粮库监控系统总线网络中的动态行为.在TimeNET 4.2软件环境下实现粮库监控系统总线网络可靠性分析模型，分析了系统可用度的动态变化趋势及原因，验证了模型的正确性和有效性.模型可以为粮库监控系统总线网络的可靠性评估提供参考.

粮库监控系统；总线网络；广义随机Petri网；可靠性；可用度

粮库监控系统是保证粮库安全生产的“电子警察”，总线网络是实现粮库监控系统信息实时、可靠传输的神经中枢［1］.目前关于粮库监控系统总线网络的研究大多集中在软硬件设计等方面，而关于可靠性建模与分析缺乏针对性研究［2］.如何建立粮库监控系统总线网路可靠性分析模型，对验证粮库监控系统总线网路设计方案的可行性和正确性具有非常重要的意义［3］.

广义随机Petri网（Generalized Stochastic Petri Net，GSPN）是在普通Petri网基础上通过扩展变迁类型得到的一种高级Petri网形式，可以更加有效地描述系统的动态变化运行过程，已经在诸多领域中得到了重视与研究［4］.笔者将GSPN引入粮库监控系统总线网路可靠性分析领域中，探讨GSPN在粮库监控系统总线网路可靠性建模与分析中的应用价值.

1 粮库监控系统总线网路故障模式分析

1.1 网路拓扑结构

系统由几个功能单元和模块组成：主控节点（MN）、备份主控节点（BMN）和各个功能节点FNi(1≤i≤8).为了保证粮库监控系统实时可靠工作，该粮库监控系统总线网路采用双冗余设计［5］.图1为某粮库监控系统总线网路拓扑结构.

图1 粮库监控系统总线网路拓扑结构

1.2 系统故障模式

结合粮库监控系统总线网路拓扑结构的连接关系，分析粮库监控系统总线网路功能的基础上，建立该粮库监控系统总线网路动态故障树模型（见图2），用以描述粮库监控系统总线网路的故障模式［6］.其中：顶层故障是整个粮库监控系统总线网路故障IES；中间层故障分别是总线子系统故障A、功能节点子系统故障B和主控节点子系统故障C，它们以或门连接关系导致整个粮库监控系统总线网路故障IES；底层故障分别是总线、功能节点或主控节点的故障［7］.Bus0与Bus1故障和MN与BMN故障都是以与门连接关系分别导致总线子系统故障A和主控节点子系统故障C，其余的功能节点FNi(1≤i≤8)故障以或门连接关系导致功能节点子系统故障B.

2 粮库监控系统总线网路可靠性建模

在GSPN的建模框架下，首先定义GSPN的模型要素及其在粮库监控系统总线网路可靠性建模用法的对应关系；其次，应用GSPN建立粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型［8］.

2.1 定义GSPN模型要素与用法的对应关系

图2 粮库监控系统总线网路动态故障树模型

广义随机Petri网可以描述为一个8元组［9］：GSPN=(P，T，I，O，H，M0，W，λ)，其中：

（1）P={P1,P2,…,Pn}为库所的有穷集合；

（2）T={T1,T2,…,Tm}为变迁的有穷集合；

（3）I⊆P×T为输入弧的有穷集合；

（4）O⊆T×P为输出弧的有穷集合；

（5）H为禁止弧的有穷集合；

（6）M0为系统初始标识的集合；

（7）W为弧权函数的有穷集合；

（8）λ={λ1,λ2,…,λm}是与变迁集合T={T1,T2,…,Tm}一一对应的平均实施速率集合.

在粮库监控系统总线网路可靠性建模过程中，定义GSPN的建模要素与用法的对应关系见表1.

表1 GSPN模型要素与用法的对应关系

2.2 网路可靠性分析的GSPN模型

根据粮库监控系统总线网路的故障模式，分别建立总线子系统故障A的GSPN模型、功能节点子系统故障B的GSPN模型和主控节点子系统故障C的GSPN模型.在此基础上，综合这3部分模型得到粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型（见图3），其中主要库所和变迁的名称及含义见表2和表3.

模型工作原理：假设某一时刻，粮库监控系统总线网路的功能节点FN4发生故障，即：指数时间变迁T18激活，库所P20和P30的标记被清空，库所P21生成标记，表明功能节点FN4发生故障；同时库所P31生成标记，表明处于故障状态的功能节点或单元的个数为1，即功能节点FN4发生故障，由于禁止弧的存在，其他功能节点或单元不能同时发生故障［10］.瞬时变迁T28激活，库所P31标记被清空，库所P32生成标记，表明功能节点子系统B发生故障，同时库所P33生成标记，表明粮库监控系统总线网路IES发生故障.稍后某个时刻，指数时间变迁T19激活，库所P21和P31的标记被清空，库所P20生成标记，表明功能节点FN4故障的维修完成［11］.同时库所P30生成标记，瞬时变迁T29激活，库所P30标记不变，库所P32标记被清空，表明功能节点子系统B故障的维修完成.同时P33标记被清空，表明粮库监控系统总线网路又进入正常工作状态.

图3 粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型

表2 主要库所及其含义

3 模型实现与仿真分析

3.1 模型实现

TimeNET 4.2是德国柏林工业大学开发用于支持GSPN的建模与仿真工具.本文在该软件环境下实现了粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型（见图4）.

在粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型中，定义粮库监控系统总线网路可用度为：AIES=1－P {#P33＞0}；定义总线子系统可用度为：AA=1－P{#P6＞0}；定义功能节点子系统可用度为：AB=1－P{#P32＞0}；定义主控节点子系统可用度为：AB=1－P{#P13＞0}.模型中，各个功能模块或单元的故障率和修复率的参数设置见表4.

表3 主要变迁及其含义

3.2 模型仿真与分析

在TimeNET 4.2软件环境下，模型运行成功得到粮库监控系统总线网路整体的可用度曲线和总线子系统、功能节点子系统及主控节点子系统的可用度曲线（见图5～图8）.

图4 模型实现

表4 故障率和修复率的设置

有仿真结果可知：粮库监控系统总线网路整体的可用度的变化范围为[59.9%,100%]，其随着时间的变化逐渐减少，到115 h之后趋于平稳，最后为59.9%.总线子系统、功能节点子系统和主控节点子系统的可用度变化范围分别为[99.9%,100%]、[60.6%,100%]和[99.8%,100%].总线子系统和主控节点子系统对粮库监控系统总线网路整体的可用度几乎没有影响，这是因为它们都基于与门逻辑进行的冗余设计，而功能节点子系统的可用度曲线与粮库监控系统总线网路整体的可用度的变化趋势基本一致，功能节点子系统的可用度对粮库监控系统总线网路整体的可用度的影响是最大的，这是因为粮库监控系统总线网路的故障是由总线子系统、功能子系统和主控节点子系统的故障以或门逻辑叠加得到的，而总线子系统与主控节点子系统的可靠性又是极高的.在设计粮库监控系统总线网路时，需要根据工程设计的任务要求，设计满足特定可靠性指标的功能节点子系统.

图5 粮库监控系统总线网路可用度

图6 总线子系统可用度

图7 功能节点子系统可用度

图8 主控节点子系统可用度

4 结论

在GSPN的建模框架下，定义了GSPN的模型要素及其在粮库监控系统总线网路可靠性建模用法的对应关系，构建了粮库监控系统总线网路可靠性分析的GSPN模型，该模型可以有效模拟各类故障在粮库监控系统总线网路中的动态行为过程.为验证模型的正确性和有效性，基于TimeNET 4.2软件环境实现了粮库监控系统总线网路可靠性分析GSPN模型，分析了系统可用度曲线的变化趋势和变化原因，为粮库监控系统总线网路可靠性分析、优化与设计提供依据.结合新型粮库监控系统总线网路的可靠性需求，实现进一步的可靠性分析与设计是下一步的工作重点.

［1］吕宗旺，吴建军，孙福艳，等.现代智慧粮库系统的设计与研究[J].河南工业大学学报（自然科学版），2013，34（5）：79-82.

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［3］岳龙旺，颜丙生，张世雄.大型粮库综合监控系统研究[J].粮食与食料工业，2015（2）：10-12，19.

［4］王鑫，黄翌.基于PIC单片机的粮库监控系统的设计[J].微型机与应用，2015（2）：85-87.

［5］李建勇，李洋，刘雪梅.基于ZigBee的粮库环境监控系统设计[J].电子技术应用，2016（1）：65-67，71.

［6］Zimmermann A.Stochastic Discrete Event Systems：Modeling,Evaluation,Applications[M].New York：Springer-Verlag,Inc.2007.

［7］石健，王少萍，王康.基于GSPN的机载液压作动系统可靠性模型[J].航空学报，2011，32（5）：920-933.

［8］谷春英，姚青山.基于GSPN的计算机硬件系统可靠性分析[J].微电子学与计算机，2013，30（6）：122-125.

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［11］刘雪艳，张强，寇晓东.基于Petri网的嵌入式软件组件的实时性研究[J].电子技术应用，2009（2）：27-29.

Modeling and Reliability Analysis of Bus Network of Granary Monitoring and Control System

HUANG Hai
（Dean's Office,Guangdong Peizheng College,Guangzhou 453000,Guangdong,China）

In view of the problem that there are more difficulties in the reliability analysis of the bus network of granary monitoring and control system（GMCS）,the generalized stochastic petri net（GSPN）in the application of reliability analysis of bus network of GMCS is introduced.The reliability analysis model of bus network of GMCS is constructed.It can describe the dynamic behavior of all kinds of faults in bus network of GMCS.The reliability analysis model of bus network of GMCS is realized in the software TimeNET 4.2 and the dynamic change trend and the cause of availability is analyzed to validate the proposed model.It can provide theoretical basis for the reliability analysis of bus network of GMCS.

granary monitoring and control system；bus network；generalized stochastic petri net；reliability; availability

TP391.9

A

1007-5348（2017）06-0027-05

（责任编辑：欧恺）

2017-03-14

黄海（1987-），男，江西南昌人，广东培正学院教务处教师，硕士；研究方向：计算机科学与技术.