基于CSPNAT的航空維修測量過程仿真

董健康，李玉瓊，吳啟龍，陳靜杰，耿 宏

（中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300）

基于CSPNAT的航空維修測量過程仿真

董健康，李玉瓊，吳啟龍，陳靜杰，耿 宏

（中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300）

維修檢查仿真系統(tǒng)有利于培訓(xùn)機(jī)務(wù)人員的測量技能,維修測量仿真是維修檢查仿真系統(tǒng)的核心技術(shù).針對測量過程仿真中測量對象種類繁多,通過引進(jìn)自頂向下設(shè)計方法對Petri網(wǎng)進(jìn)行理論擴(kuò)展,在基本Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入顏色標(biāo)記、隨機(jī)時間變遷,對測量對象、測量工具等要素進(jìn)行描述,構(gòu)建基于自頂向下設(shè)計方法的CSPNAT測量過程模型.通過實例驗證其有效性和優(yōu)越性.

測量過程；過程建模；Petri網(wǎng)；自頂向下設(shè)計方法；CSPNAT

測量是航空維修任務(wù)關(guān)于維護(hù)檢查中很重要的環(huán)節(jié)，是隔離、排除故障的前提。而現(xiàn)階段還未見系統(tǒng)的對機(jī)務(wù)維修人員進(jìn)行測量過程實訓(xùn)的輔助培訓(xùn)裝備，包括培訓(xùn)體系，只能是在完成理論培訓(xùn)之后，或是在真實的飛機(jī)上進(jìn)行測量過程的實習(xí)培訓(xùn)、觀摩和演示。但是由于真實飛機(jī)資源缺乏，受訓(xùn)人員眾多，再加上適航性等法規(guī)的強(qiáng)制約束使得要在真實飛機(jī)上訓(xùn)練機(jī)務(wù)維修人員的測量過程實施起來比較困難。因此，利用維修仿真技術(shù)對機(jī)務(wù)維修人員進(jìn)行培訓(xùn)，突破了以往訓(xùn)練工作中對地點、時機(jī)等條件的限制，可大大提高維修實訓(xùn)效率[1]。測量過程仿真使得在沒有實物對象時就可開展部分的測量訓(xùn)練工作，同時還可針對維修測量訓(xùn)練中的關(guān)鍵點與難點合理方便地安排訓(xùn)練內(nèi)容，對機(jī)務(wù)人員測量技能的掌握具有一定的現(xiàn)實意義。

目前大多數(shù)仿真模型是針對整個維修任務(wù)，而非維修任務(wù)執(zhí)行的多個工序（測試、測量、拆裝等）[2]。因為對航空維修測量過程或測量行為的仿真模型研究相對匱乏。航空維修測量過程建模研究中存在的主要問題是測量對象描述過于簡單，過程偏于固化的內(nèi)容，一般都是針對特定產(chǎn)品的模型，通用性差，而且很難描述不確定的行為，更無法描述測量過程中復(fù)雜的行為關(guān)系。針對測量過程仿真存在的問題，過程建模語言Petri網(wǎng)可以在滿足給定的條件和約束下自動地進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化，這種因果關(guān)系下的推演過程正好體現(xiàn)了系統(tǒng)測量過程的動態(tài)行為特征。

Petri網(wǎng)是一種可以用網(wǎng)狀圖形來表示的系統(tǒng)模型。它不僅僅是一種可以用數(shù)學(xué)圖形表示的數(shù)學(xué)對象，它首先是一種物理對象，因為它把尊重自然規(guī)律作為第一要義，這樣可以確保以Petri網(wǎng)為模型描述的系統(tǒng)都是可以實現(xiàn)的。本文對傳統(tǒng)的隨機(jī)Petri網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展，在基本Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入顏色標(biāo)記、隨機(jī)時間變遷，以令牌、顏色標(biāo)記、隨機(jī)事件變遷等基于退化令牌的著色隨機(jī)時間Petri網(wǎng)（colored stochastic Petri nets with aging token，CSPNAT）對測量對象、測量工具、測量程序前的準(zhǔn)備、測量程序、測量結(jié)束工作等要素進(jìn)行描述，構(gòu)建基于自頂向下設(shè)計方法的CSPNAT測量過程模型，并以其在測量建模中的應(yīng)用為例驗證了方法的實用性和有效性[3-4]。

1 航空維修測量過程及其仿真

1.1 航空維修測量過程

如圖1所示，航空維修測量過程可以分為兩種情況：一種是①→于→③→④→①，測量步驟中測量得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)不一致時，需要先完成一個排故過程，然后再次進(jìn)行一次測量過程，直到測量結(jié)果正常，結(jié)束工作；另一種是①→于→③→④→⑤，測量結(jié)果正常時可以結(jié)束工作，完成測量過程。

圖1 航空維修測量過程Fig.1 Process of aviation maintenance measurement

機(jī)組報告飛機(jī)進(jìn)行非正常操作或是經(jīng)過修理后，要對其進(jìn)行檢查，其中有些部件的檢查需要測量，看其是否符合維修任務(wù)中要求的規(guī)范。如某些部件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效，因為結(jié)構(gòu)失效會造成以下結(jié)果：油箱中的燃油泄漏；密封區(qū)域的氣體泄漏；零部件堵塞移動；電氣系統(tǒng)短路；由于鄰近區(qū)域的結(jié)構(gòu)變形，使得艙門或是檢查口蓋關(guān)不上；控制面的配平值太高，控制范圍變小。因此就需要測量流體的滲漏量、結(jié)構(gòu)件的大小尺寸、電阻、電流、電壓等。

1）機(jī)組報告飛機(jī)的非正常情況，即在事故后或者在飛行中有非正常情況出現(xiàn)。如起落架放下后飛機(jī)速度大于起落架放下后的標(biāo)準(zhǔn)速度，超重滑行，硬/過載著陸等情況。

2）領(lǐng)取資源，即按照維修手冊的要求在機(jī)庫的工具庫、航材庫和耗材庫領(lǐng)取測量過程需要用到的資源。如領(lǐng)取非消耗性資源（扳手、螺絲刀、工作平臺等）和消耗性資源（O型環(huán)等）。

3）測量前的準(zhǔn)備，即為了要完成測量行為，需要飛機(jī)處于相應(yīng)構(gòu)型，資源處于相應(yīng)狀態(tài)。如駕駛艙按鈕電門操作，就位警告牌，確認(rèn)跳開關(guān)狀態(tài)等。

4）測量步驟，即使用相應(yīng)的工具測量不同的測量對象，如測量結(jié)構(gòu)滲漏，結(jié)構(gòu)件的尺寸等。

5）結(jié)束工作，即完成測量行為后，將飛機(jī)和資源恢復(fù)到初始狀態(tài)。如歸還相應(yīng)工具，給飛機(jī)斷電等。

1.2 航空維修測量過程仿真

在航空維修測量過程的仿真過程中，使用自頂向下的設(shè)計方法對測量過程進(jìn)行劃分。以至于對所要劃分的子任務(wù)、小單元才能有更加精準(zhǔn)的描述。

基于航空維修測量過程的5個模塊，如圖1所示。航空維修測量過程的這5個模塊，是按照AMM（aircraft maintenance manual）手冊劃分的，有明顯的先后順序，機(jī)組報告飛機(jī)有非正常情況后，為了檢查飛機(jī)的相應(yīng)區(qū)域是否有損壞，才會開始進(jìn)行測量任務(wù)。整個測量任務(wù)的仿真過程如圖2所示。在仿真過程中，首先根據(jù)不同測量對象的測量任務(wù)領(lǐng)取相應(yīng)的資源，然后開始進(jìn)行測量前的準(zhǔn)備工作。在測量前的準(zhǔn)備階段將維修手冊中涉及到的task測量人員是否可以單步執(zhí)行作為劃分依據(jù)，可將測量準(zhǔn)備任務(wù)劃分為可以單步執(zhí)行的測量作業(yè)和需要測量人員執(zhí)行的一個subtask的測量作業(yè)，然后按照維修手冊給出的subtask的task號找到此subtask的具體作業(yè)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)維修手冊中涉及到的subtask測量人員是否可以單步執(zhí)行作為劃分依據(jù)，將此子任務(wù)subtask劃分為測量人員可以單步執(zhí)行的測量作業(yè)和還需要測量人員執(zhí)行的下一個層次的subtask的測量作業(yè)。直到測量準(zhǔn)備任務(wù)全部劃分為可以進(jìn)行單步執(zhí)行的測量作業(yè)為止。緊接著開始測量任務(wù)中的關(guān)鍵程序——測量步驟。這個階段的劃分依據(jù)與測量前的準(zhǔn)備類似。等到測量步驟中的測量作業(yè)都可以進(jìn)行元素級描述后就可以進(jìn)行結(jié)束工作的描述，劃分依據(jù)同測量前的準(zhǔn)備。結(jié)束工作描述完成之后，可以繼續(xù)下一個測量對象的測量任務(wù)描述。

2 航空維修測量過程模型建立流程

CSPNAT由庫所（S）、變遷（T）、令牌（庫所中的黑色點）和有向?。‵）構(gòu)成。

圖2 航空維修測量過程的仿真過程Fig.2 Simulation of aviation maintenance measurement process

每個庫所都與某一變遷相關(guān)聯(lián)，庫所中可能含有多個令牌，令牌被賦予一定的顏色（color）標(biāo)識，用于描述系統(tǒng)中元部件的性能和狀態(tài)。不同于一般意義的隨機(jī)Petri網(wǎng)，CSPNAT將輸入庫所移出令牌和輸出位置移入新令牌這兩個離散行為看作一個連續(xù)的整體行為，令牌在庫所和變遷之間自由地流動，并通過令牌年齡標(biāo)識值的改變來描述元部件的狀態(tài)變化。庫所中可能含有多個標(biāo)識值相同的令牌，所以用多重集而不是集合的概念來表示。庫所和變遷之間的連線稱為有向弧。

由此可以建立航空維修測量過程的模型為

其中：S=SO∪SR∪SC。F?（S×T）∪（T×S）。C為標(biāo)記顏色的集合，co為對象庫所標(biāo)記的顏色，cri（i=1，2，3，…，n）為消耗性資源庫所（n為其中標(biāo)記數(shù)量）中表示第i類資源標(biāo)記的顏色，cr1特指測量人員標(biāo)記的顏色，cci（i=1，2，…，m）為非消耗性資源庫所（m為其中標(biāo)記數(shù)量）中表示第i類標(biāo)記的顏色。權(quán)函數(shù)W在Petri網(wǎng)中弧建立了庫所與變遷之間的聯(lián)系，因此在基于CSPNAT的航空維修測量過程模型中，利用弧表示測量實體狀態(tài)與測量作業(yè)之間的相互關(guān)系。當(dāng)弧由庫所指向變遷時，弧上的權(quán)函數(shù)表示測量作業(yè)發(fā)生的條件；當(dāng)弧由變遷指向庫所時，可用弧上的權(quán)函數(shù)表示測量作業(yè)完成后相應(yīng)狀態(tài)的變化。R?T×T，rij∈R表示ti與tj的邏輯關(guān)系。

串行作業(yè)關(guān)系是測量作業(yè)最為簡單的邏輯關(guān)系，串行關(guān)系中各測量作業(yè)按順序依次進(jìn)行，前一個測量作業(yè)完成時測量對象所處的狀態(tài)是下一個測量作業(yè)開始的必要條件。

滿足并行關(guān)系的各測量作業(yè)能夠并行開始，并且這些測量作業(yè)均完成后才能進(jìn)行下一步的測量作業(yè)。描述并行關(guān)系時，測量作業(yè)開始時刻用“與分叉”表示，即表示并行關(guān)系測量作業(yè)的變遷具備并發(fā)條件；測量作業(yè)完成時刻用“與合并”表示，即表示并行關(guān)系測量作業(yè)的變遷都實施后，下一個變遷才能具備實施條件。

3 算法驗證

下面以結(jié)構(gòu)泄漏的測量過程為例來說明CSPNAT的應(yīng)用。

對于結(jié)構(gòu)泄漏測量過程來說，測量前的準(zhǔn)備分為3步：斷開跳開關(guān)，給跳開關(guān)打保險；設(shè)置飛機(jī)測量構(gòu)型；計算壓力，分別對應(yīng)圖3的變遷t1、t2、t3。測量前準(zhǔn)備的基于CSPNAT的Petri網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 測量前準(zhǔn)備的Petri網(wǎng)模型Fig.3 Prepared Petri net model for measurement

將測量前的準(zhǔn)備過程進(jìn)行再次劃分，結(jié)合自頂向下的設(shè)計方法，測量前準(zhǔn)備的CSPNAT模型如圖4所示[5-6]。

圖4 基于自頂向下設(shè)計方法的測量前準(zhǔn)備的CSPNAT模型Fig.4 CSPNAT model prepared for measurement based on top-down design method

表1所示為結(jié)構(gòu)滲漏測量過程中，測量前準(zhǔn)備基于CSPANT的變遷t1～t23表示的測量作業(yè)[7]。

表1 各變遷對應(yīng)的測量作業(yè)Tab.1 Measuring job corresponding to each transition

表2所示為結(jié)構(gòu)滲漏測量過程中，測量前準(zhǔn)備基于CSPANT的變遷so01～so26表示的飛機(jī)在進(jìn)行相應(yīng)的測量作業(yè)后的狀態(tài)[7]。

表2 各庫所對應(yīng)的狀態(tài)Tab.2 States corresponding to each place

4 結(jié)語

本文根據(jù)自頂向下設(shè)計方法的理念，構(gòu)建了基于CSPANT的測量過程模型，與目前幾種測量過程仿真建模方法相比：

1）能夠清晰地描述測量實體、測量狀態(tài)、測量作業(yè)、測量作業(yè)與測量狀態(tài)關(guān)系、測量作業(yè)邏輯關(guān)系等測量過程組成要素。

2）與基本Petri網(wǎng)的測量過程模型相比，本文提出的模型引入了隨機(jī)時間、顏色標(biāo)記、令牌等。當(dāng)測量庫所種類較多時，會比較方便。

3）基于自頂向下設(shè)計方法理論，通過將測量過程細(xì)分為較小的系統(tǒng)進(jìn)行建模，使得基于CSPANT的測量過程模型更為直觀[8]。

[1]柳 輝，郝建平.基于虛擬維修仿真的維修性分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18（2）：378-394.

[2]周 棟，呂 川.虛擬維修仿真建模與控制實現(xiàn)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，32（7）：843-846.

[3]陸 中，孫有朝，吳海橋.基于著色隨機(jī)時間Petri網(wǎng)的維修性建模方法[J].機(jī)械工程學(xué)報，2011，47（10）：185-191.

[4]周忠寶，肖 磊，金 光，等.基于SPNAT的維修過程建模與仿真方法研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，44（32）：210-212.

[5]MASSCARO S.Hand-in-Glove Human-Machine Interface and Interactive Control：Task Process Modeling Using Dual Petri Nets[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，May 16-20，1998，Leuven，Belgium.New York：IEEE，1998：1289-1295.

[6]LI W，PHAM H.An inspection-maintenance model for systems with multiplecompetingprocesses[J].IEEETransactionsonReliability，2005，54（2）：318-327.

[7]劉 堅，于德介，李 蓉.基于廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)的維護(hù)系統(tǒng)仿真與應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報，2005，41（10）：164-169.

[8]董健康，秦慶霞，劉家學(xué)，等.基于BEDTPN的飛機(jī)供電系統(tǒng)故障仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24（10）：2215-2221.

（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Simulation of aviation maintenance measurement process based on CSPNAT

DONG Jian-kang，LI Yu-qiong，WU Qi-long，CHEN Jing-jie，GENG Hong
（College of Aeronautical Automation，CAUC，Tianjin 300300，China）

Maintenance inspection simulation system can help to train crew the skills of measurement.Maintenance measurement simulation is the core technology of the maintenance inspection simulation system.For a wide variety of measuring objects in the process of measurement，color marker and random time transition are introduced based on basic Petri net by introducing the top-down design method.Color marker and random time transition are used to describe the measured object，measuring tools and so on and constructing CSPNAT measurement process model based on top-down design method.The viability and efficiency are verified by examples.

measurement process；process simulation；Petri net；top-down design method；CSPNAT

V267；TP391.9

:A

:1674-5590(2015)01-0024-05

2013-09-11；

:2013-11-21

國家自然科學(xué)基金項目（60832011）；天津市科技攻關(guān)計劃重點項目（06YFGZGX00700）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項（ZXH2012B001，3122013P014）

董健康(1960—)，男，天津人，教授，碩士，研究方向為航空設(shè)備可靠性維修工程、空管運(yùn)行仿真.