基于Mealy 機(jī)的航空電子組件仿真模型*

劉家學(xué)，李蒙陽

（中國民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

0 引言

航空電子組件仿真模型是飛機(jī)虛擬維修訓(xùn)練器的重要組成部分，同時(shí)也是飛機(jī)維修仿真的主要操作對象之一。建立航空電子組件的仿真模型，對于飛機(jī)維修仿真開發(fā)具有重要意義［1-2］。

近年來，劉睿等人提出了部件級(jí)的故障建模方法，在仿真部件正常功能模型的基礎(chǔ)上通過重構(gòu)建立故障仿真模型［3］；李冰月等人結(jié)合故障樹分析方法，利用Matlab/Simulink 軟件建立了各部件的數(shù)值仿真模型，搭建了空調(diào)系統(tǒng)故障仿真平臺(tái)［4］。何永勃等人通過能量守恒、動(dòng)量方程和力平衡方程建立引氣系統(tǒng)的故障仿真數(shù)學(xué)模型［5］。航空電子組件故障種類繁多，其仿真建模是一個(gè)不斷迭代的過程，另一方面，至今飛機(jī)上的航空電子組件每年仍然有新的故障出現(xiàn)。因此，航空電子組件的仿真模型經(jīng)常需要進(jìn)行迭代更新，傳統(tǒng)的基于故障樹、部件級(jí)故障建模等方法在系統(tǒng)二次開發(fā)時(shí)，需要對系統(tǒng)進(jìn)行重新構(gòu)建，帶來大量重復(fù)工作。

針對上述問題，本文提出了基于Mealy 機(jī)的航空電子組件仿真模型。Mealy 機(jī)利用其狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移機(jī)制描述新的故障狀態(tài)，可以有效降低組件之間的耦合度，在不改變原有系統(tǒng)情況下進(jìn)行故障更新，提高航空電子組件建模效率。

1 航空電子組件建模

在民航飛機(jī)虛擬維修仿真建模場景中，航空電子組件的建模需要滿足以下條件：1）仿真組件在虛擬場景中可以同其他組件互相配合，具備正常的航空電子組件屬性，比如啟動(dòng)、關(guān)閉等。2）為滿足對機(jī)務(wù)人員的維修訓(xùn)練需求，可以根據(jù)維修工卡內(nèi)容對仿真組件進(jìn)行故障設(shè)置，組件反應(yīng)出的故障效果和真實(shí)的故障場景一致。3）在虛擬環(huán)境中，被培訓(xùn)人員按照規(guī)定的維修步驟，進(jìn)行故障排查、更換部件等行為，仿真組件可以根據(jù)訓(xùn)練人員的動(dòng)作，出現(xiàn)相應(yīng)的響應(yīng)［6-8］，最終達(dá)到逼真的訓(xùn)練效果。在建立電子組件仿真模型的過程中，綜合考慮效率和速度因素，仿真的模型可以滿足機(jī)務(wù)維修訓(xùn)練場景的需求即可，真實(shí)組件的原理和仿真不在本次任務(wù)中［9-10］。綜上所述，建立了基于Mealy 機(jī)的航空電子組件模型，模型可用六元組表示：

2 航空電子組件ECB 行為描述

電子控制盒（Electronic Control Box，ECB）是飛機(jī)中一種重要的電子控制組件，它是輔助動(dòng)力裝置的控制中心，以民航飛機(jī)A320 電子控制盒為例，建立基于Mealy 機(jī)的航空電子組件仿真模型。以下為ECB 狀態(tài)行為描述：

ECB 初始狀態(tài)為OFF，第1 階段啟動(dòng)ECB，需要打開當(dāng)駕駛艙25VU 面板14KD 開關(guān)。ECB 啟動(dòng)后會(huì)依次控制供油泵4QC、進(jìn)氣口1KD、LP 活門3QF 開始工作，為APU 的啟動(dòng)做準(zhǔn)備工作。

第2 階段啟動(dòng)APU，此時(shí)需要打開駕駛艙25VU 面板2KD 開關(guān)。START 開關(guān)啟動(dòng)后，ECB 協(xié)調(diào)其他電子組件保證APU 順利過渡到平穩(wěn)期。依次協(xié)調(diào)的組件包括：起動(dòng)機(jī)、IGV、點(diǎn)火器、燃油電磁活門。在這個(gè)過程中，ECB 還需要監(jiān)控滑油溫度、滑油油壓、APU 轉(zhuǎn)速、EGT 等指標(biāo)，在指標(biāo)異常時(shí)隨時(shí)做好停車準(zhǔn)備。

第3 階段APU 啟動(dòng)成功。當(dāng)N＞=95%時(shí)，APU處于工作狀態(tài)，可以對整個(gè)飛機(jī)提供電源和引氣。此時(shí)AVAIL 指示燈點(diǎn)亮，ECB 控制起動(dòng)機(jī)關(guān)閉，并同時(shí)監(jiān)測以下指標(biāo)：APU 荷載、電壓、引氣壓力。

第4 階段關(guān)閉APU。當(dāng)APU 需要關(guān)停時(shí)，依次關(guān)閉駕駛艙25VU 面板14KD、2KD 開關(guān)，同時(shí)依次關(guān)閉聯(lián)動(dòng)組件：油箱泵、進(jìn)氣門、IGV。停止各個(gè)參數(shù)指標(biāo)監(jiān)控。

為滿足虛擬維修仿真功能，仿真組件需要滿足以下故障設(shè)置需求：EGT 超溫、IGV 失效、滑油超溫、APU 失火、發(fā)動(dòng)機(jī)失速等。結(jié)合歷年來的民航機(jī)務(wù)維修故障類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：EGT 超溫和IGV 失效兩類是維修過程中高頻代表性故障，因篇幅因素，本文對此兩種代表性故障進(jìn)行故障注入建模。

3 基于Mealy 機(jī)的ECB 功能模型

3.1 仿真模型結(jié)構(gòu)描述

根據(jù)ECB 的5 種工作狀態(tài)以及7 種跳轉(zhuǎn)動(dòng)作構(gòu)造Mealy 狀態(tài)機(jī)模型，其仿真模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。仿真組件ECB 的正常功能狀態(tài)有5 類：關(guān)閉（OFF）、通電（ON）、啟動(dòng)（START）、可用（AVAIL），其中初始態(tài)OFF，異常故障態(tài)（FAULT）。

圖1 Mealy 機(jī)組件模型

3.2 仿真模型功能描述

表1 信號(hào)輸入

表2 布爾化輸入量

表3 輸出信號(hào)

3.2.2 輸出函數(shù)

ECB 的輸出信號(hào)類型包括進(jìn)氣活門、油箱泵、起動(dòng)機(jī)等布爾功能信號(hào)，和飛機(jī)電子集中監(jiān)視系統(tǒng)ECAM、中央故障數(shù)據(jù)系統(tǒng)CFDS 等離散型功能信號(hào)，如表3 所示。

ECB 輸出信號(hào)構(gòu)成Mealy 狀態(tài)機(jī)的信號(hào)輸出集，功能輸出信號(hào)包括布爾型信號(hào)，離散型信號(hào)，連續(xù)性信號(hào)，輸出信號(hào)可以用集合表示。信號(hào)輸入集合Δ：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

模型驗(yàn)證平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的空客A320飛機(jī)維修綜合訓(xùn)練器中的駕駛艙環(huán)境。其中3DMAX 版本2013X64，三維動(dòng)畫引擎版本OSG 3.0、PROE 版本5.0、cal3d 版本0.11.0、osgcal 版本0.3.1，編程語言為C++，編程平臺(tái)為Windows10 64位系統(tǒng)下的VS2015。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)

在虛擬維修仿真平臺(tái)中，設(shè)置ECB 初始狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)，在仿真駕駛艙的25VU 位置面板，兩個(gè)信號(hào)指示燈關(guān)閉，輔助動(dòng)力裝置關(guān)閉，ECAM 頁面上各指標(biāo)參數(shù)均未顯示。如圖2 所示。

圖2 ECB 的Mealy 機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)（OFF 態(tài)）

圖3 ECB 的Mealy 機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)（ON 態(tài)）

在虛擬維修仿真平臺(tái)中，打開主電門按鈕，輔助動(dòng)力裝置啟動(dòng)，進(jìn)氣門指示燈顯示打開，同時(shí)輔助動(dòng)力裝置燃油泵開始工作，按照維修手冊，按下啟動(dòng)按鈕ON，APU 開始啟動(dòng)。ECAM 指示參數(shù)顯示初始化成功。如圖3 所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)速N 達(dá)到95%，點(diǎn)火指示燈熄滅，ON 燈熄滅，引氣和氣源指示燈打開。AVAIL 燈點(diǎn)亮。此時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)100%，EGT 溫度在475℃附近，APU 荷載在26%附近，引起壓強(qiáng)達(dá)2 Pa。如圖4 所示。

圖4 ECB 的Mealy 機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)（AVAIL 態(tài)）

在虛擬維修仿真平臺(tái)中設(shè)置故障狀態(tài)，ECAM出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)車，屏幕中各項(xiàng)參數(shù)不再顯示，出現(xiàn)故障警告。如下頁圖5 所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)對比

圖5 ECB 的Mealy 機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)（FAULT 態(tài)）

表4 實(shí)驗(yàn)對比

為評(píng)價(jià)模型效果，本文選取部件法、故障樹分析法作為對比。實(shí)驗(yàn)任務(wù)選取為ECB 的故障注入仿真：IGV 失效故障、EGT 超溫故障。人員配置同為后臺(tái)開發(fā)人員5 名、測試人員2 名。評(píng)價(jià)指標(biāo)為故障注入時(shí)間消耗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

通過數(shù)據(jù)對比分析得到，本文提出的基于Mealy 機(jī)的故障注入建模方法比故障樹和部件法所用建模時(shí)間平均降低41.4%，有效提高了模型的故障注入效率。

5 結(jié)論

本文根據(jù)航空電子組件仿真模型故障注入效率低下的問題，詳細(xì)分析了航空電子組件的功能及行為，提出基于Mealy 機(jī)的航空電子組件仿真模型，有效降低系統(tǒng)耦合度，提升系統(tǒng)的二次開發(fā)效率。并通過在A320 虛擬維修訓(xùn)練器上構(gòu)建ECB 仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文建立的Mealy 機(jī)仿真模型可有效提高系統(tǒng)建模效率。