基于CI—CPN的在役飛機構型數(shù)據(jù)模型研究

徐建新 胡諜 蔡舒好

摘要：為了對海量的在役飛機構型數(shù)據(jù)進行有效的組織和管理，提出一種在役飛機維修構型數(shù)據(jù)管理的混合式產(chǎn)品結構，以此為核心帶動在役階段的構型數(shù)據(jù)管理工作。以ERJ1 90飛機為例，給出了基于此模型的產(chǎn)品結構；利用有色Petri網(wǎng)原理建立在役飛機構型數(shù)據(jù)管理的Cl-CPN模型；最后對ERJ190飛機五號肋加強和擾流板改裝的構型更改流程進行實例驗證，表明提出的Cl-CPN模型能夠組織管理實例的構型數(shù)據(jù)更改過程，為解決在役飛機構型數(shù)據(jù)冗余、混亂，在役與在研構型數(shù)據(jù)管理脫節(jié)等問題提供了可行性方案。

關鍵詞：數(shù)據(jù)結構；構型項；有色Petri網(wǎng)；構型管理

O 引言

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）是一個以各種軟件為基礎的框架，在這個框架里，可以實現(xiàn)所有與產(chǎn)品有關的數(shù)據(jù)信息、資源配置、業(yè)務過程等的集成管理，從而保證在產(chǎn)品生命周期內(nèi)保持產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性與可追溯性[1]。廣義上的構型管理定義是從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到產(chǎn)品使用支援的全生命周期內(nèi)的管理工作程序[2]。飛機的構型管理面向的是飛機產(chǎn)品全生命周期，而在役飛機構型管理主要的工作是運營階段的飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理，對相比研發(fā)階段產(chǎn)生變化的構型數(shù)據(jù)進行記錄和存檔，并且隨著構型數(shù)據(jù)信息的變化進行相應產(chǎn)品的支援與服務管理[3]。

飛機制造商相當重視飛機的構型管理，構型管理被視為研發(fā)生產(chǎn)的核心技術，制造商投入很大精力研究設計階段的物料清單（EBOM）和制造階段的物料清單（MBOM），因此，大部分學者的研究針對的是在研階段飛機構型的管理[4-9]，對飛機交付后運營階段的構型數(shù)據(jù)管理的討論相對較少[10，11]。

國內(nèi)航空公司基本沒有專門設立較完善的部門進行在役飛機構型數(shù)據(jù)的管理工作。供應商與航空公司、航空公司與維修單位以及維修單位內(nèi)部各部門之間缺乏完善的整體化構型管理系統(tǒng)，在役飛機維護過程過于手工化，子任務間的關系不清晰，很難確保在役飛機構型管理的整體性。同時，混亂的構型管理會使飛機的選型、轉租、退租等環(huán)節(jié)受到嚴重影響。而由于國外對知識產(chǎn)權的保護，可借鑒的研究成果也很少。因此，深入研究在役飛機構型數(shù)據(jù)管理模型，成為我國民航研究領域應該高度關注與亟待解決的實際問題。

1 SBOM產(chǎn)品結構設計

1.1 整體產(chǎn)品結構規(guī)劃

飛機產(chǎn)品結構分解是飛機產(chǎn)品數(shù)據(jù)和信息組織的核心，是根據(jù)一定的關系（設計、工藝、裝配等）將產(chǎn)品結構按照樹狀層次關系進行分解的過程[12]，產(chǎn)品結構通常通過物料清單（BOM）體現(xiàn)，在役維護階段的BOM稱為服務物料清單（ SBOM）[13]，SBOM可以看成是EBOM的衍生，是由航空公司、租賃公司或維修單位的客服部門根據(jù)飛機產(chǎn)品支援工程需要設計建立的服役飛機的產(chǎn)品結構，以此產(chǎn)品結構為核心基礎，管理飛機服役過程中的所有數(shù)據(jù)，內(nèi)容主要包括飛機出廠的基本構型數(shù)據(jù)、飛機維護維修業(yè)務數(shù)據(jù)、飛機航材備件信息數(shù)據(jù)、技術出版物等。

在整體產(chǎn)品結構上，采用傳統(tǒng)的產(chǎn)品結構樹狀模式（見圖1），上層結構分解到段部件（section層），再分解到專業(yè)層（ATA層），通過段部件（section層）組織產(chǎn)品數(shù)據(jù)。在上層結構的基礎上，遵循WBS的原則，繼續(xù)自上而下地進行結構分解，得到分系統(tǒng)的產(chǎn)品結構，再匯總形成飛機的產(chǎn)品結構。產(chǎn)品結構中的每個節(jié)點連接了與之相關的各種信息描述，具體可以關聯(lián)零組件和各種圖樣以及與其相關的技術文件等數(shù)據(jù)。

1）頂層

上層的頂層結構是同一項目、系列或型號通用的共性信息組織管理層，可進一步細分為飛機項目、飛機系列、飛機型號、主部件層和段部件層，以及專業(yè)層ATA章等。如圖1所示，飛機型號主要按照飛機功能分類，如貨機、標準客機、公務機等；主部件是指飛機的大型部件，大致可分為機體結構和飛機系統(tǒng)兩類；段部件層是每塊大部件的細分層，專業(yè)層ATA涉及的是段部件對應的相關國際民航通行的ATA規(guī)范，目前需要符合的是SlOOODSNS標準體系和ATA 2200規(guī)范。

2）構型層

產(chǎn)品結構中的核心層是構型層，構型管理活動主要在這一層里進行，構型層的設計是產(chǎn)品數(shù)據(jù)構型結構設計的關鍵。在役構型層的設計主要是為了支持在役飛機構型的模塊化管理、多構型管理和單機管理等功能需求。

3）底層

構型層下面是底層零部件層，由具體構型文件和具體零部件組成。底層每一個模塊是獨立的小頂層裝配件，架次有效性不在這一層定義，它只是繼承對應頂層的有效性。SBOM是EBOM的一種衍生，所有SBOM的底層內(nèi)容都是EBOM內(nèi)包含的所有零部件按照客服公司服役產(chǎn)品支援工程的需要進行重新組織與管理而獲得的，因此保留了飛機物理結構的固有關系和特征。

1.2 SBOM構型層結構規(guī)劃

同型號和批次的飛機盡管在出廠前的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結構是一致的，但是在服役過程中會因為各種維修更換而使產(chǎn)品結構發(fā)生變化，并且隨著服役時間的增加，產(chǎn)品數(shù)據(jù)結構所關聯(lián)的數(shù)據(jù)會不斷增加，所以一架飛機對應一個產(chǎn)品結構，對應一個SBOM。若采用與在研階段相同的單樹式BOM結構，會產(chǎn)生大量的結構相似但又有區(qū)別的SBOM，造成數(shù)據(jù)冗余，SBOM數(shù)據(jù)的一致性也無法保證。因此，借鑒復合式BOM結構設計思想[12]，面向部門之間，建立以維修業(yè)務數(shù)據(jù)為構型層的SBOM產(chǎn)品結構，將SBOM構型層分解為資料構型層（維修資料和知識構型數(shù)據(jù)）和業(yè)務構型層（維修業(yè)務構型數(shù)據(jù)），提出混合式SBOM構型層結構。每個業(yè)務構型項與對應的資料構型項相關聯(lián)，多個業(yè)務構型項可以關聯(lián)同一個資料構型項，但一個業(yè)務構型項只能關聯(lián)一個資料構型項，因為多個不同的業(yè)務可能對應同樣的支持數(shù)據(jù)，但資料構型項的粒度要根據(jù)業(yè)務構型項的種類來控制，即資料構型項粒度要滿足一個業(yè)務構型項只能對應唯一一個關鍵的資料構型項的要求。例如，飛機研究設計階段的復合式BOM設計思想中，實例物料與中性物料只能是N：l的對應關系，這里業(yè)務構型項和資料構型項也是N：l的關系。一個業(yè)務項的主要資源數(shù)據(jù)支持構型項只能控制為一個，否則對應關系過于復雜，不便計算機進行信息化管理。

兩種構型層的基本結構一致，都由CI（Configuration Item）、LO（LinkedObj ect）、DS（Design Solution）三種基本元素組成，通過這種組合式構型層將維修業(yè)務數(shù)據(jù)與維修支持數(shù)據(jù)相關聯(lián)，將在研和在役飛機的構型管理相結合，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的思想，為在役飛機構型管理提供有效的產(chǎn)品結構。圖2所示為構型層的基本組成，圖3是SBOM的混合式構型層結構。

1）構型項CI是產(chǎn)品構型結構中的一個管理節(jié)點，是進行構型管理且可以滿足最終使用功能的基本單元體，能夠作為單個實體，用來描述硬件、軟件、服務或其任一部分的集合體[11]。CI是一個中性標識符，而非一個真實零件。在研飛機的構型項按照飛機的物理結構定義，管理的是飛機本身的物理構型；而在役飛機的構型項定義不僅是具體的物理管理，更是服務功能化的定義。

本文提出的SBOM產(chǎn)品模型的構型層CIs分為業(yè)務構型層和資料構型層。業(yè)務構型層用于組織管理單架次飛機運營階段的各種業(yè)務數(shù)據(jù)，如例行工作項目、部件更換項目、故障和缺陷維修項目等；資料構型層用于組織管理隨機的各種支持數(shù)據(jù)，如適航指令、服務通告、維修大綱、維修手冊等。

2） 10表示一對CI-DS之間的關系，用于存儲有效信息。一個DS對應一個LO，但一個LO可能對應幾個DS，即LO與DS之間是一對多的關系。

3） DS定義能夠滿足CI要求的解決方案，它與描述、建立該方案所必需的元素關聯(lián)（即零件、文件、規(guī)范、實驗報告等）。DS里面涉及的是具體的活動執(zhí)行方案。每個DS之后連接的是產(chǎn)品結構的底層，對應相應的需要更換和修理的組件、零件。

在SBOM構型層里面，業(yè)務構型項與資料構型項關聯(lián)，一個資料構型項可以關聯(lián)多個業(yè)務構型項，但一個業(yè)務構型項只能關聯(lián)一個主要資料構型項。兩種構型項CI的父節(jié)點都是同一架飛機的頂層結構，兩種構型項對應的解決方案DS也關聯(lián)在同一架飛機的零部件底層，通過這樣的混合結構，將在役飛機MRO的業(yè)務數(shù)據(jù)和維修支持數(shù)據(jù)有效地整合起來。

1.3 ERJ190飛機的SBOM構型結構

按照上述提出的SBOM結構，給出ERJ190飛機的SBOM結構。因為之后會對此飛機機翼的改裝流程進行建模分析，所以給出的ERJ190飛機產(chǎn)品維修構型結構主要圍繞機翼的構型結構展開描述。

根據(jù)以上設計的SBOM混合式構型層結構，將ERJ190飛機的業(yè)務構型層按照維修主要業(yè)務制定，業(yè)務構型項可設計為故障維修管理、適航指令管理、服務通告管理、定檢時壽管理。每個業(yè)務構型項都關聯(lián)其業(yè)務活動所需的關鍵資料構型項，故障件和時壽件更換構型項都與資源構型層的維修手冊構型項相關聯(lián)，適航指令與適航法規(guī)和條款構型項關聯(lián)，服務通告與維修大綱構型項關聯(lián)。

關聯(lián)對象可以按照業(yè)務活動開展步驟分類，或者再將構型項細分。故障件和時壽件更換的關聯(lián)層可分為拆卸和更換，適航指令和服務通告的關聯(lián)層可按照緊急性劃分為緊急類和一般類。其中，服務通告會被改成可執(zhí)行的工程指令，之后再改成可執(zhí)行的工卡，工卡可關聯(lián)資源構型層維修大綱構型項的解決方案DS，因此構型項的關聯(lián)使得其下的DS也是相關的。圖4是ERJ190飛機的SBOM結構。

2 基于Cl-CPN的在役飛機構型數(shù)據(jù)模型

在役飛機的構型管理涉及的管理數(shù)據(jù)龐大，而且會隨著時間不斷積累，是一系列相當繁瑣的程序。面對這種復雜的、動態(tài)業(yè)務過程描述與仿真，可以利用Petri網(wǎng)作為有效解決的工具。CPN是建立于經(jīng)典petri網(wǎng)基礎之上的更高級的網(wǎng)系統(tǒng)，是適用于異步并發(fā)系統(tǒng)的圖形數(shù)學建模的工具，簡潔明了的圖形表達方式和精確的語義定義使其成為對系統(tǒng)描述的良好工具[14]。目前已有一些對于飛機維修業(yè)務過程優(yōu)化的Petri網(wǎng)模型，本文將借鑒這些成果[15]，以在役飛機混合式SBOM結構為基礎，提出基于構型項的Petri網(wǎng)（CI-CPN）模型。

此模型用CI來描述維修管理數(shù)據(jù)信息及產(chǎn)品構型結構，CPN的托肯即CI的屬性，描述CI中間狀態(tài)對象的性質及動作變遷。其形式化模型描述如下：

CI-CPN= {CPN，CIs），其中，CI-CPN由CPN和CIs兩個部分組成，其中CPN是有色網(wǎng)結構，CIs是構型項。網(wǎng)結構CPN包含庫所集、變遷集、顏色集、網(wǎng)的流關系、權函數(shù)以及初始標識函數(shù)等信息，即CPN=。

1）P是一個（Pl，P2，…，Pn）的有限庫所集，表示在役飛機維修信息的數(shù)據(jù)管理節(jié)點。

2）T是一個（Ti，T2，…，Tn）的有限變遷集，表示在役飛機構型管理過程中的各種維修數(shù)據(jù)管理活動，且Pn T≠φ；PUT≠φ

3） CO表示顏色集，也可以稱為庫所的令牌，表示參與數(shù)據(jù)信息管理的部門或負責人、軟硬件資源、構型管理任務信息等。

4）E是網(wǎng)的流關系：

E∈P×TUT×P。

5）W是權函數(shù)，W（x，y）∈{0，1，2"'），如果（X，y）∈E，則“W（x，y）=0，Mo：P→{0，1，2"'）”是初始標識函數(shù)。

構型項CIs是維修業(yè)務活動過程描述的對象和其屬性以及動作的集合，即CIs=（CI_id.H，C，DS，LO，MMs），CI_id代表構型項的標識號，具有唯一性。

1）H是一個可以描述該構型項技術特性的三元組集合（t，p，v），涵蓋構型項的有關屬性，包括功能特性與物理特性。

2）p為構型項的屬性，用H中的符號進行唯一性的標識；t表示H集合中屬性p的類型；v表示H集合中屬性p的值，一對t和v關聯(lián)一個H。H作為產(chǎn)品構型結構的信息載體，其中含有豐富的數(shù)據(jù)信息，它的設定必須滿足經(jīng)典Petri網(wǎng)托肯的約束條件。

3）C為二元組（C_n，C_e）的集合，它是CI屬性之間的共享集合，C_n表示共享名，C_e表示共享表達式。DS={DS1，DS2，…，DS_n）表示構型項CI的設計方案的集合。

4）10表示CI和DS之間的關聯(lián)集合。

5） MMs={MM1，MM2，…，MM_n），表示對應于DS的零件主模型集合。

3 工程實例驗證與分析

3.1 ERJ190-100LR機翼改裝過程

在某航空公司ERJ190-100LR飛機的管理過程中，根據(jù)所提出的CI-CPN模型，對ERJ190-100LR機翼真實改裝過程的構型管理流程進行建模。

此改裝活動是由服務通告編寫而來，主要任務是完成五號肋加強和擾流板改裝。航空公司引入飛機后，廠家在交付飛機的文件中提供了一份后續(xù)在役階段需要關注的服務通告清單OSBL（ OpenService Bulletin List），該清單列出的是適用于該飛機的且在生產(chǎn)線未被完全覆蓋完成的服務通告，要求交付后一定時間內(nèi)進行檢查的工作，一般由航空公司工程部門接收，并對此清單上的服務通告進行評估，是否需要納入后續(xù)的持續(xù)適航管理控制中，保持機隊構型一致，減輕構型管理壓力。另一方面，對于適用的服務通告，一線維修部門或者維修單位可以根據(jù)實際情況向工程部門提出執(zhí)行服務通告申請，工程部門將補充評估此服務通告，并納入產(chǎn)品構型結構的“CI3 -服務通告”構型項的管理系統(tǒng)中，這種從下游反饋的形式對航空公司整個構型數(shù)據(jù)管理的控制起到了有效的補充作用。以上兩種方式接收到的服務通告，工程部門經(jīng)過審查評估后，需要執(zhí)行此通告，將會把此服務通告改寫成維修部門和單位可讀的、方便執(zhí)行的工程指令，然后根據(jù)此工程指令生成此改裝流程的工作指令包，最后生成可執(zhí)行工卡用于執(zhí)行此業(yè)務活動。如若沒有涉及到手冊更改或者工具更新，就可以申請航空器批準返回使用證明，若需要進行手冊更改和工具更新，還需要向工程部門提出，由工程部門向相應制造商網(wǎng)站提出反饋，申請對客戶化維修手冊進行修訂。圖5所示為此活動的構型管理流程。

3.2 ERJ190飛機機翼改裝過程的CI-CPN模型

利用提出的CI-CPN模型，對ERJ190飛機五號肋加強和擾流板改裝活動的構型管理工作及其子項之間的關系進行描述與分解。圖6是其CI-CPN表示，表1是最終模型建立的11個庫所，表2是13個變遷內(nèi)容，相關含義對應如下。

3.3 Cl-CPN模型的分析

基于CI-CPN模型的管理特點主要有如下幾點：

a.層次化。層次化模型使管理過程簡化清晰，如圖1的產(chǎn)品構型結構，將構型層專門作為管理的一級，連接頂層ATA章節(jié)和底層零部件。基于這種產(chǎn)品構型結構的構型管理流程，特別是核心流程，體現(xiàn)層次化管理特點，如圖6中Start-Tl-Pl-T3-P3 -T5-P4-T6-P5-T7-P6-T8-P7-T12-Pl0-T13-Pll為該模型的核心流程，其他環(huán)節(jié)依附在這條流程鏈上進行，各個工作對應各個部門，各個部門對應構型管理結構中的不同管理層，使分工精確、責任明確。

b.并發(fā)性。在在役構型管理中加入并行方法，使在役飛機的構型管理朝著整體優(yōu)化的方向發(fā)展，使得在役構型數(shù)據(jù)管理的各個環(huán)節(jié)既相互關聯(lián)又能有一定的獨立性，避免了傳統(tǒng)串行單鏈式管理效率低的缺點。Start-P2-T2-P4-Tl這個小流程環(huán)節(jié)是對整個流程的一個補充，也就是說，一線維修單位可根據(jù)實際情況自主提出執(zhí)行服務通告申請，當附件、發(fā)動機送修時，對承修廠家建議執(zhí)行的服務通告，應反饋到工程管理部門，該部門將補充評估服務通告并納入系統(tǒng)管理。這種從下游的反饋可形成對整個控制流程的有效補充。

c.狀態(tài)控制。一個是整體生命周期中飛機在役的構型管理控制，一個是各個構型項的具體狀態(tài)的相關信息的控制，確保在役飛機構型管理完整的技術描述。

4 結論及未來工作

4.1 結論

本文將在役飛機構型數(shù)據(jù)管理與在研飛機產(chǎn)品結構相結合，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的思想，為有效保證在役飛機構型數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性提供了一種可行性方案。

1）通過分析在役飛機構型維修數(shù)據(jù)特點，提出了一種混合式SBOM結構，將飛機在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的關鍵數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一起來，方便在役飛機引進、運營、轉租、退租等過程的構型管理工作。

2）利用有色Petri網(wǎng)原理建立CI-CPN模型，對在役飛機構型更改管理流程進行有效描述，使構型管理過程在SBOM框架里有序地進行。

3）通過ERJ190飛機的實例，給出每部分的工程驗證：ERJ190飛機產(chǎn)品混合式維修構型數(shù)據(jù)結構、ERJ190飛機五號肋加強和擾流板改裝工作的構型數(shù)據(jù)更改流程，及其對應的CI-CPN模型，此模型表明本文提出的混合式SBOM結構和CI-CPN模型用于組織管理實例的構型數(shù)據(jù)是可行的，且具有層次性、并發(fā)性、可控性的特點。

4.2 未來工作

接下來的研究方向是根據(jù)提出的SBOM結構，生成更多的SBOM多視圖；對混合式構型層結構的設計進行更深入的研究，豐富在役飛機的產(chǎn)品結構；利用Petri網(wǎng)建立更完善的構型管理流程模型，將航材儲備、工具、時間、費用等資源信息加入到CI-CPN模型中，進行更精準的管理，提高在役飛機構型數(shù)據(jù)管理的能力。

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