基于改進(jìn)謂詞/變遷網(wǎng)的飛行方式指示器模型研究

郝 磊 耿 宏

1(中國(guó)民航大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心 天津 300300)2(中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300300)

0 引 言

FMA指示飛機(jī)當(dāng)前和即將采用的飛行方式,在空客系列飛機(jī)中,顯示在主飛行顯示器(Primary Flight Display,PFD)內(nèi)正上方。FMA對(duì)飛行員掌控飛機(jī)的飛行狀態(tài)具有重要作用。

本文作者所在的研發(fā)團(tuán)隊(duì)已自主研制出空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī),并獲得民航局認(rèn)可,多年來在多所航空類院校及航空公司用于教學(xué)和培訓(xùn)?？湛?20機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)模擬飛機(jī)的地面狀態(tài),支持操作、測(cè)試、勤務(wù)、拆裝、試車、排故等訓(xùn)練科目,滿足民用航空器維修培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合格審定規(guī)定(CCAR-147)培訓(xùn)要求。然而,在實(shí)際的機(jī)務(wù)專業(yè)培訓(xùn)中,往往需要受訓(xùn)人員掌握基本的飛行操作,以使飛機(jī)處于飛行狀態(tài),觀察不同等級(jí)的機(jī)載設(shè)備故障在各飛行階段的故障效應(yīng),訓(xùn)練飛行中故障的應(yīng)急處理程序,飛機(jī)落地后,能夠根據(jù)駕駛艙儀表記錄查閱飛機(jī)維護(hù)手冊(cè),完成排故流程。因此,近年來,越來越多的航空類院校及航空公司對(duì)機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)的飛行仿真功能提出了要求。

國(guó)內(nèi)外已有多家模擬機(jī)制造商的機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)產(chǎn)品包含飛行仿真功能,但凡已獲得民航局認(rèn)可的,均是購(gòu)買了波音或空客公司數(shù)據(jù)包,并在此基礎(chǔ)上完成模擬機(jī)開發(fā)的。在數(shù)據(jù)包的支持下,模擬機(jī)可便捷地實(shí)現(xiàn)飛行仿真及駕駛艙內(nèi)各儀表指示,但這使其產(chǎn)品嚴(yán)重受限于國(guó)外飛機(jī)制造廠商,難以自主開發(fā)適合國(guó)內(nèi)受訓(xùn)人員的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,而且受數(shù)據(jù)包影響,模擬機(jī)成本較高。

對(duì)于飛行仿真的研究,國(guó)內(nèi)研究成果大多偏向于飛行視景仿真[1-2]和動(dòng)力學(xué)模型仿真[3-4],對(duì)飛行狀態(tài)下駕駛艙儀表仿真的研究很少[5-6],更未見到對(duì)FMA建模、仿真的相關(guān)研究。而國(guó)外對(duì)FMA僅有的幾項(xiàng)研究成果均是在飛行安全的角度分析FMA顯示方式對(duì)飛行員的影響,并在儀表設(shè)計(jì)角度提出改進(jìn)方案[7-9],如將FMA置于遮光板位置,以減少飛行員注視時(shí)間和主觀工作量[7-8],或新開發(fā)一種包含F(xiàn)MA功能的自動(dòng)飛行系統(tǒng)界面,通過顯示內(nèi)容和方式的優(yōu)化,提高飛行員的飛行模式意識(shí)[9]。除此以外,未見到國(guó)外對(duì)FMA建模、仿真的相關(guān)研究。

在此背景下,本文以實(shí)現(xiàn)自主研制的空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)飛行仿真功能為目標(biāo),對(duì)FMA系統(tǒng)建模開展研究。

1 FMA指示內(nèi)容及建模分析

FMA指示內(nèi)容分五項(xiàng),每項(xiàng)占據(jù)一列,每一列可顯示三行內(nèi)容,如圖1所示。對(duì)于前三列,自上而下,第一行以綠色表示油門控制或飛行制導(dǎo)處于“接通”狀態(tài)的飛行方式,第二行以藍(lán)色表示其處于“待命”狀態(tài)的飛行方式,第三行則適時(shí)顯示一些附加說明;對(duì)于后兩列,每一行指示不同系統(tǒng)的狀態(tài),彼此并不相關(guān)。

圖1 FMA指示內(nèi)容

為提醒飛行員飛行方式的改變,在每個(gè)方式改變后,FMA將在新的信號(hào)周圍顯示一白色方框達(dá)10 s,如圖2所示。

圖2 FMA顯示白色方框

可以看出,FMA屬于典型的“離散事件系統(tǒng)”,主要事件為飛行方式的變遷,該變遷是并發(fā)、異步的,且跟隨飛機(jī)的飛行狀態(tài),具有一定的隨機(jī)性。

對(duì)于此類系統(tǒng),“Petri網(wǎng)”往往是一種恰當(dāng)且有效的建模方法,但前提是該系統(tǒng)復(fù)雜度不能太高[10-11]。FMA指示的飛行方式數(shù)量眾多,伴隨著飛行階段和飛行環(huán)境的變化,飛行方式變化頻繁,且每一次飛行方式的變化都與飛行狀態(tài)和多個(gè)機(jī)載系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯有著復(fù)雜的關(guān)系。如果使用原始Petri網(wǎng)建模,將導(dǎo)致系統(tǒng)模型極其龐大,以致無法仿真實(shí)現(xiàn)。

對(duì)此類情況,往往考慮使用“高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)”建模,以簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型?！坝猩W(wǎng)系統(tǒng)”和“謂詞/變遷系統(tǒng)”同屬高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)[10],與有色網(wǎng)系統(tǒng)通過顏色對(duì)個(gè)體分類再統(tǒng)一處理[12-13]的方式不同,謂詞/變遷系統(tǒng)引入謂詞,為每個(gè)個(gè)體命名,在對(duì)個(gè)體或變遷分類處理時(shí),更加關(guān)注每個(gè)個(gè)體的狀態(tài)變化[10,14-17]。

周新宇[12]利用顏色Petri網(wǎng)模型,對(duì)生產(chǎn)者-消費(fèi)者多線程同步問題進(jìn)行建模,有效降低了原始Petri網(wǎng)模型的復(fù)雜度;葛敬軍[13]對(duì)FMS物流系統(tǒng)運(yùn)行低效問題,提出了基于對(duì)象的擴(kuò)展有色Petri網(wǎng)(ECPN)分析模型,解決了多AGV死鎖控制問題,提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率;張正坤等[14]以鐵路編組站配流的模擬和優(yōu)化為目標(biāo),利用高級(jí)Petri網(wǎng)中的Pr/T_系統(tǒng),引入時(shí)間參數(shù)T,擴(kuò)充為TPr/T_系統(tǒng),進(jìn)而建立TPr/T_系統(tǒng)的編組站配流模型,很好地描述和刻畫了編組站作業(yè)過程;李望等[15-17]為了建立能跟蹤列車、進(jìn)路、股道變化蹤跡且與車站站場(chǎng)布局及結(jié)構(gòu)無關(guān)的車站通用模型,比較了有色Petri網(wǎng)和謂詞/變遷網(wǎng)的優(yōu)劣,最終因其通用模型更關(guān)注個(gè)體的變化而選擇使用了謂詞/變遷網(wǎng)建模,并考慮列車運(yùn)行仿真中個(gè)體狀態(tài)變化與時(shí)間的聯(lián)系,引入時(shí)間參數(shù)T,建立了TPr/T-S,順利完成了系統(tǒng)的建模仿真工作。

“更關(guān)注每一個(gè)個(gè)體的狀態(tài)變化”,是高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)中謂詞/變遷網(wǎng)相對(duì)于有色Petri網(wǎng)所具備的特點(diǎn)[10,14-20]?？湛?20的FMA建模與仿真,我們關(guān)注每一個(gè)飛行方式隨飛機(jī)狀態(tài)的變化,即飛行方式的變遷,因此,FMA更適合使用謂詞/變遷網(wǎng)建模。

2 FMA指示特點(diǎn)及建模對(duì)策

“在每個(gè)方式改變后,FMA將在新的信號(hào)周圍顯示一白色方框(以下簡(jiǎn)稱‘信號(hào)框’)達(dá)10 s”是FMA顯示邏輯中的典型特點(diǎn)。該特點(diǎn)包含兩方面含義:(1) 每一個(gè)飛行方式改變后,都會(huì)跟隨一個(gè)“信號(hào)框顯示事件”;(2) “信號(hào)框顯示事件”中包含“時(shí)間”要素。

對(duì)第(1)方面內(nèi)容,如果直接利用謂詞/變遷網(wǎng)建模,需要在每一個(gè)飛行方式改變后,都激活一個(gè)新的變遷,使信號(hào)框呈“顯示”狀態(tài),計(jì)時(shí)10 s后,再使信號(hào)框呈“隱藏”狀態(tài)。飛機(jī)啟動(dòng)后,飛行方式變化頻繁,該特點(diǎn)極大增加了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度。也就是說,即使用“高級(jí)網(wǎng)系統(tǒng)”建模,網(wǎng)絡(luò)模型仍會(huì)由于重復(fù)性的“信號(hào)框顯示事件”而龐大,以致仿真程序繁雜且冗余[21-23]。實(shí)際上,FMA這一特點(diǎn)可歸納為“系統(tǒng)中每一次狀態(tài)更新都會(huì)激活同一個(gè)新事件”,在離散事件系統(tǒng)中,這是普遍現(xiàn)象,如民航客機(jī)不同機(jī)載系統(tǒng)的任一相同級(jí)別故障都會(huì)激活相同的故障報(bào)警程序,大型商場(chǎng)的任何一個(gè)煙霧探測(cè)報(bào)警器探測(cè)到火災(zāi)煙霧都會(huì)觸發(fā)商場(chǎng)的火災(zāi)處置程序等。本文將首先站在離散事件系統(tǒng)的角度,改進(jìn)傳統(tǒng)的謂詞/變遷網(wǎng),通過對(duì)重復(fù)激活事件的封裝處理,建立通用型二階謂詞/變遷網(wǎng),降低此類事件模型的復(fù)雜度,再對(duì)FMA建模仿真。

對(duì)第(2)方面內(nèi)容,通常做法是在原始Petri網(wǎng)中引入時(shí)間要素,定義新的Petri網(wǎng)模型,如文獻(xiàn)[14-17]。但袁崇義[10]在《Petri網(wǎng)原理與應(yīng)用》一書中明確表示,Petri網(wǎng)現(xiàn)有的要素已完全可以描述所有建模對(duì)象,不鼓勵(lì)在模型中引入新要素的做法,鼓勵(lì)通過完善建模對(duì)象的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”表達(dá),提高Petri網(wǎng)的適用性,這也是Petri網(wǎng)創(chuàng)始人Carl Adam Petri的觀點(diǎn)。本文將保持現(xiàn)有的Petri網(wǎng)要素不變,為建模對(duì)象建立完善的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”,將時(shí)間要素置于變遷事件中,達(dá)到建模仿真的目的。

3 通用型二階謂詞/變遷網(wǎng)

本節(jié)面向離散事件系統(tǒng),建立通用型二階謂詞/變遷網(wǎng)。

如上文所述,對(duì)FMA系統(tǒng),若使用傳統(tǒng)謂詞/變遷網(wǎng)建模,由于“信號(hào)框顯示事件”頻發(fā),仍會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)模型復(fù)雜。據(jù)前文分析,所有“信號(hào)框顯示事件”有共同點(diǎn):由系統(tǒng)狀態(tài)的變化而激活,有固定的顯示時(shí)長(zhǎng)和統(tǒng)一的白色方框;也有不同點(diǎn):由于系統(tǒng)狀態(tài)不同,導(dǎo)致信號(hào)框顯示位置不同、大小不同等?？梢钥闯?“信號(hào)框顯示事件”相對(duì)獨(dú)立,是可以被“封裝”的。

考慮離散事件系統(tǒng)中的此類事件,本文在Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出繼發(fā)網(wǎng)。

定義1N=(P,T;F)為有向網(wǎng),其中:P={P1,P2};T={T1,T2};F={F1,F2}。N={N1,N2},N1=(P1,T1;F1)為有向網(wǎng);N2=(P2,T2;F2)為非有向網(wǎng)。如果同時(shí)滿足以下條件,我們稱N2為N1的繼發(fā)網(wǎng):

(4)P1∩T1∩P2∩T2=?。

(5)P1∪T1≠?,P2∪T2≠?。

(6)F1?P1×T1∪T1×P1。

(7)F2?P1×T2∪T2×P2∪P2×T2。

(8)dom(F1)∪cod(F1)=P1∪T1,其中:dom(F1)={x|?y:(x,y)∈F1};cod(F1)={y|?x:(x,y)∈F1}。

(9)dom(F2)∪cod(F2)=P2∪T2,其中:dom(F2)={x|?y:(x,y)∈F2};cod(F2)={y|?x:(x,y)∈F2}。

由定義中第(6)條與第(7)條,可以看出繼發(fā)網(wǎng)N2與有向網(wǎng)N1的不同。繼發(fā)網(wǎng)N2中,T2不僅完成N2的內(nèi)部變遷,更超越出N2封閉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),連接P1和P2兩個(gè)庫(kù)所集,該連接中的資源流動(dòng),由F2規(guī)定。

可用圖3簡(jiǎn)單表示上述變遷過程。

圖3 有向網(wǎng)到繼發(fā)網(wǎng)的變遷過程

根據(jù)繼發(fā)網(wǎng)定義,可由有向網(wǎng)N1描述系統(tǒng)運(yùn)行,P1包含系統(tǒng)所有狀態(tài)信息。N1中變遷事件T1的每一次激活都會(huì)引發(fā)庫(kù)所集P1的更新。當(dāng)P1更新導(dǎo)致事件T2被激活時(shí),N1描述的系統(tǒng)運(yùn)行不受影響,同時(shí)P1中的資源通過流關(guān)系F2流向P2,N2的庫(kù)所集P2更新。由于F2連接了N1和N2,所以N2并不是一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò),是非有向網(wǎng)。

繼發(fā)網(wǎng)將有向網(wǎng)中重復(fù)發(fā)生的變遷事件封裝為一個(gè)可復(fù)用的、獨(dú)立的網(wǎng)結(jié)構(gòu),并與原有向網(wǎng)相連。對(duì)任意離散事件系統(tǒng),傳統(tǒng)謂詞/變遷網(wǎng)中重復(fù)的網(wǎng)結(jié)構(gòu)被化簡(jiǎn)為不同流關(guān)系控制下的繼發(fā)網(wǎng)的復(fù)用,進(jìn)而解決了傳統(tǒng)謂詞/變遷網(wǎng)模型中“系統(tǒng)中每一次狀態(tài)更新都會(huì)激活同一個(gè)新事件”帶來的網(wǎng)結(jié)構(gòu)繁雜問題,使復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真變?yōu)榭尚小?/p>

將繼發(fā)網(wǎng)概念融入謂詞/變遷系統(tǒng),即建立通用型二階謂詞/變遷網(wǎng)。

定義2Σ=(P,T;F,D,V,AP,AT,AF,M0)構(gòu)成二階謂詞/變遷網(wǎng)的條件是:

(1)N=(P,T;F)為有向網(wǎng),稱為Σ的基網(wǎng),其中:P={P1,P2};T={T1,T2};F={F1,F2}。

(2)N={N1,N2},其中:N1=(P1,T1;F1);N2=(P2,T2;F2);N1為有向網(wǎng);N2為N1的繼發(fā)網(wǎng)。

(3)D為非空有限集,稱為Σ的個(gè)體集;D上有給定的運(yùn)算符集Ω。

(4)V是D上的變量集。

(5)AP:P→π,其中π是D的可變謂詞集,對(duì)p∈P,若AP(p)為n元謂詞,就稱p為n元謂詞。

(6)AT:T→fD,其中fD是D的公式集,對(duì)t∈T,AT(t)只能含靜態(tài)謂詞和Ω中的運(yùn)算符。

(7)AF:F→fS,其中fS是D的符號(hào)和集,對(duì)n元謂詞p∈P,若(p,t)∈F或(t,p)∈F,則AF(t,p)或AF(p,t)為n元符號(hào)和。對(duì)t∈T,AT(t)中的自由變量(即不受量詞?和?約束的變量)必須是以t為一端的有向弧上的自由變量。

(8)M0:P→fS,對(duì)n元謂詞p∈P,M0(p)是n元符號(hào)和。

4 空客320飛機(jī)的FMA模型

依據(jù)通用型二階謂詞/變遷網(wǎng)的定義,可以建立空客320飛機(jī)的FMA系統(tǒng)模型Σ1,如圖4所示。

圖4 空客320飛機(jī)FMA系統(tǒng)模型Σ1

Σ1中,N1=(P1,T1;F1),描述飛行方式的變化,N2=(P2,T2;F2),描述每次飛行方式變化后FMA的“信號(hào)框顯示事件”。

N1、N2中P1={p1,p2,p3,p4},描述FMA飛行方式的四種狀態(tài):p1代表“激活”,表示飛行方式被激活;p2代表“待命”,表示飛行方式處于待命狀態(tài);p3代表“說明”,表示顯示一些附加說明;p4代表“隱藏”,表示對(duì)應(yīng)的顯示信息隱藏。

T1={t1,t2,…,tk},描述所有引起FMA飛行方式改變的事件,包括人為操作、機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行、機(jī)載系統(tǒng)故障等,機(jī)載設(shè)備操作及運(yùn)行邏輯復(fù)雜,事件數(shù)量不可獲知。

F1={i,j,r,c,m,f},描述N1中所有變遷的流關(guān)系,本研究中,用于傳送P1中顯示信息(即“個(gè)體”)的具體參數(shù)?？紤]到有的顯示信息要占據(jù)FMA的多行或多列,F1表示P1中狀態(tài)變化后的飛行方式信息所在的行序號(hào)i、列序號(hào)j、所占行數(shù)r、所占列數(shù)c、信息內(nèi)容m和信息是否閃爍f。

FMA中信號(hào)框顯示的觸發(fā)方式是一致的,即任意一個(gè)飛行方式的改變,都會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)位置的信號(hào)框顯示?？紤]這一點(diǎn),可以將T2簡(jiǎn)化。重定義T2為:

F2={i,j,r,c},表示P2中需要顯示信號(hào)框(即“個(gè)體”)左上角位置的行序號(hào)i、列序號(hào)j、所占行數(shù)r和所占列數(shù)c。

4.1 Σ1的論域

Σ1的論域即為Σ1的個(gè)體集D。對(duì)FMA系統(tǒng),D={Qi(i=1,2,…,w),Si(i=1,2,…,w)},其中:Qi表示FMA中第i種飛行方式;w為所有可能的飛行方式數(shù)目;Si表示與Qi對(duì)應(yīng)的第i種飛行方式激活后顯示的“信號(hào)框”。

Qi={Contenti,Columni,Statusi,Inputi,Flashi},結(jié)構(gòu)體中各成員含義如下:

Contenti:FMA中第i種飛行方式的顯示內(nèi)容。

Columni:第i種飛行方式顯示在的列,Columni={1,2,3,4,5}。

Statusi:第i種飛行方式的狀態(tài)。如果是前三列(Columni=1,2,3),則Statusi有“激活”“待命”“說明”和“隱藏”四種取值;如果是后兩列(Columni=4、5),則Statusi有“激活”“待命”和“隱藏”三種取值。需要說明的是,前三列中,自上向下,飛行方式顯示在第一行代表被“激活”,綠色文字;顯示在第二行代表處于“待命”狀態(tài),藍(lán)色文字;第三行顯示“附加說明”,白色文字。后兩列中,飛行方式不再以“行”作區(qū)分,而在不同位置指示不同系統(tǒng)狀態(tài):若其處于“激活”狀態(tài),采用白色文字;若處于“待命”狀態(tài),采用藍(lán)色文字。綜合這五列信息,顯示信息的內(nèi)容、位置(或狀態(tài))和顏色具有唯一的對(duì)應(yīng)性,因此,無須再將顯示內(nèi)容的“顏色”作為單獨(dú)項(xiàng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中列出。

Inputi:第i種飛行方式中包含的輸入值,往往由對(duì)應(yīng)的機(jī)載系統(tǒng)提供。針對(duì)全部五列信息,采用藍(lán)色文字。如圖1中第四列第一行的“DH 20”和圖2中相同位置的“DH 150”,代表不同的決斷高度,“20”和“150”就是由飛行管理與制導(dǎo)計(jì)算機(jī)提供的,顯示為藍(lán)色文字。如果第i種飛行方式中沒有輸入數(shù)據(jù),則Inputi取“NULL”。

Flashi:第i種飛行方式顯示是否閃爍,根據(jù)FMA顯示邏輯,某些情況下,顯示內(nèi)容會(huì)有閃爍的情況。如果顯示內(nèi)容閃爍,Flashi取“TRUE”,反之取“FALSE”。

Si={Rowi,Columni,Rowsi,Columnsi,Statusi},結(jié)構(gòu)體中各成員含義如下:

Rowi:信號(hào)框左上角位置對(duì)應(yīng)的行序號(hào)。

Columni:信號(hào)框左上角位置對(duì)應(yīng)的列序號(hào)。

Rowsi:信號(hào)框占據(jù)的行數(shù)。

Columnsi:信號(hào)框占據(jù)的列數(shù)。

Statusi:有“顯示”和“隱藏”兩種取值,代表信號(hào)框的顯示和隱藏狀態(tài)。

4.2 Σ1的謂詞

Σ1中包含六個(gè)一元謂詞:“激活”“待命”“說明”“信息隱藏”“信號(hào)框顯示”和“信號(hào)框隱藏”。

某飛行方式被激活,謂詞“激活”成真、“信號(hào)框顯示”成真;某飛行方式待命,謂詞“待命”成真、“信號(hào)框顯示”成真;FMA顯示說明信息,謂詞“說明”成真、“信號(hào)框顯示”成真;FMA的飛行方式信息隱藏,謂詞“信息隱藏”成真;FMA的信號(hào)框隱藏,謂詞“信號(hào)框隱藏”成真。

4.3 Σ1的變遷

T1={tj(j=1,2,…,k)},描述所有引起FMA飛行方式改變的事件(變遷),k為事件總數(shù)。個(gè)體Qi的狀態(tài)變化均通過事件T1激活,其參數(shù)通過流關(guān)系F1流入或流出。

tj={Conditionj,Operationj,Objectj,Effectj},各成員含義如下:Conditionj代表第j個(gè)事件發(fā)生的條件;Operationj代表第j個(gè)事件的具體操作;Objectj代表第j個(gè)事件的操作對(duì)象;Effectj代表第j個(gè)事件產(chǎn)生的效果。

需要說明的是,事件tj的運(yùn)行邏輯為空客320機(jī)載系統(tǒng)的基本屬性,空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)在研制過程中已獲知機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行原理,建立“機(jī)載系統(tǒng)功能模型”。事件tj通過機(jī)載系統(tǒng)功能模型仿真實(shí)現(xiàn),各成員沒有固定取值。本文在機(jī)載系統(tǒng)功能模型基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究飛行仿真中的FMA系統(tǒng)模型,模型仿真結(jié)果屬事件tj中Effectj的一部分。若不考慮飛行仿真功能,事件tj已在空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)中實(shí)現(xiàn)并得到充分驗(yàn)證。限于篇幅,飛行仿真中機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行原理及功能模型在本文不做深入研究。

5 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本文基于繼發(fā)網(wǎng)構(gòu)造了面向離散事件系統(tǒng)的二階謂詞/變遷網(wǎng)通用模型,并對(duì)空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)建立了FMA系統(tǒng)的二階謂詞/變遷網(wǎng)模型,下面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

5.1 系統(tǒng)仿真流程

采用基于繼發(fā)網(wǎng)構(gòu)造的二階謂詞/變遷網(wǎng)模型對(duì)FMA仿真的流程如圖5所示。

圖5 FMA二階謂詞/變遷網(wǎng)模型仿真流程

可以看出,空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)系統(tǒng)上電后,FMA系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài),在機(jī)載系統(tǒng)功能模型的驅(qū)動(dòng)下,若未激活任何變遷事件,則FMA指示保持不變;若機(jī)載系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化,則“飛行方式變遷事件”T1可能被激活,二階謂詞/變遷網(wǎng)模型中的流關(guān)系F1規(guī)定了變遷事件中的資源流動(dòng),在仿真時(shí),F1體現(xiàn)為i、j、r、c、m、f六個(gè)參量,分別表示變遷的飛行方式所在的行序號(hào)i、列序號(hào)j、所占行數(shù)r、所占列數(shù)c、信息內(nèi)容m和信息是否閃爍f,由它們描述變遷事件發(fā)生前后FMA相應(yīng)飛行方式的指示狀態(tài)?？蓪ⅰ帮w行方式變遷事件”T1封裝為一個(gè)函數(shù)Ffm=f1(i,j,r,c,m,f),每當(dāng)T1被激活,函數(shù)Ffm執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)飛行方式的改變及FMA指示的更新。

飛行方式改變后,系統(tǒng)將i、j、r、c四個(gè)參量傳遞給“信號(hào)框顯示事件”T2,表示該“飛行方式變遷事件”引起的“信號(hào)框顯示事件”中要顯示的信號(hào)框左上角位置的行序號(hào)i、列序號(hào)j、信號(hào)框所占行數(shù)r和所占列數(shù)c。將T2封裝為函數(shù)Fsqure=f2(i,j,r,c),飛行方式改變后,函數(shù)Fsqure執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)在FMA的對(duì)應(yīng)位置顯示10 s信號(hào)框。

至此,FMA指示呈現(xiàn)新的狀態(tài),并等待下一次變遷事件的發(fā)生。仿真程序運(yùn)行中,FMA指示伴隨著飛行方式的變遷,在狀態(tài)更新和狀態(tài)維持中往復(fù),實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在各狀態(tài)下FMA指示的仿真。

5.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖6是本文作者所在研發(fā)團(tuán)隊(duì)自主研制的空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)。本節(jié)將選取該模擬機(jī)飛行仿真中具有代表性的幾個(gè)飛行階段,展示FMA建模及仿真結(jié)果。

圖6 空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)

(1) 慣導(dǎo)系統(tǒng)校準(zhǔn)后的初始狀態(tài)。圖7是飛機(jī)的主飛行顯示器,FMA位于其內(nèi)正上方,白色方框標(biāo)注的部分。圖7中顯示飛機(jī)剛剛完成慣導(dǎo)系統(tǒng)校準(zhǔn)后,FMA初始狀態(tài)的仿真結(jié)果:

圖7 空客320的PFD校準(zhǔn)后狀態(tài)

第一列(油門控制),發(fā)動(dòng)機(jī)還未啟動(dòng),顯示為空;第二列(垂直引導(dǎo)),由于還未設(shè)置目標(biāo)高度,高度保持(“ALT”)方式激活;第三列(橫向引導(dǎo)),導(dǎo)航(“NAV”)方式待命;第四列(進(jìn)近能力、DH或MDA),飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)時(shí)才有顯示內(nèi)容,目前顯示為空;第五列(自動(dòng)駕駛儀、飛行指引儀及自動(dòng)推力的接通狀態(tài)),兩套飛行指引儀FD1、FD2打開,“1FD2”方式激活。

(2) 飛機(jī)在滑行狀態(tài)。如圖8所示,第一列,發(fā)動(dòng)機(jī)已啟動(dòng),油門桿在最大推力MCT位,“MAN MCT”方式激活;第二列,“SRS”方式激活;第三列,“RWY”方式激活;第五列,自動(dòng)推力(“A/THR”)方式待命(限于篇幅,由圖8開始,將只截取FMA指示部分,僅描述FMA變化的指示)。由上下兩幅截圖對(duì)比可以看到“RWY”方式激活后信號(hào)框顯示到隱藏的過程。

圖8 飛機(jī)在滑行狀態(tài)FMA指示(含信號(hào)框變化過程)

飛機(jī)在滑行狀態(tài)的3D視景展示如圖9所示。

圖9 飛機(jī)在滑行狀態(tài)3D視景展示

(3) 飛機(jī)在爬升狀態(tài)。如圖10所示,第一列,油門桿在CLB位,“THR CLB”方式激活;第二列,爬升方式激活,高度保持(“ALT”)方式待命;第三列,導(dǎo)航(“NAV”)方式激活;第五列,第一套自動(dòng)駕駛儀已打開,“AP1”方式激活,“A/THR”方式激活。

圖10 飛機(jī)在爬升狀態(tài)FMA指示

飛機(jī)在爬升狀態(tài)的3D視景展示如圖11所示。

圖11 飛機(jī)在爬升狀態(tài)3D視景展示

(4) 飛機(jī)在巡航狀態(tài)。如圖12所示,飛機(jī)即將到達(dá)設(shè)定的巡航高度,第一列,馬赫數(shù)保持(“MACH”)方式激活;第二列,高度截獲(“ALT*”)方式激活;第五列,兩套自動(dòng)駕駛儀均已打開,“AP 1+2”方式激活。

圖12 飛機(jī)在即將達(dá)到巡航狀態(tài)FMA指示

如圖13所示,飛機(jī)到達(dá)巡航高度,第二列,巡航高度保持(“ALT CRZ”)方式激活。

圖13 飛機(jī)達(dá)到巡航狀態(tài)FMA指示

飛機(jī)在巡航狀態(tài)的3D視景展示如圖14所示。

圖14 飛機(jī)在巡航狀態(tài)3D指示

(5) 飛機(jī)在下降狀態(tài)。本示例中,飛機(jī)采用開放式下降方式。如圖15所示,第一列,最小推力(“THR IDLE”)方式激活;第二列,開放下降(“OP DES”)方式激活,由于飛機(jī)采用階段式下降,所以高度保持(“ALT”)方式待命。由上下兩幅截圖對(duì)比可以看到信號(hào)框顯示到隱藏的過程。

圖15 飛機(jī)在下降狀態(tài)FMA指示(含信號(hào)框變化過程)

飛機(jī)在下降狀態(tài)的3D視景展示如圖16所示。

圖16 飛機(jī)在下降狀態(tài)3D視景展示

(6) 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)。如圖17至圖20所示,第一列,速度保持(“SPEED”)方式激活;第四列,FAIL OPERAIONAL方式下CAT3可用,“CAT3 DUAL”方式激活,決斷高度為500,“DH 500”方式激活。

圖17 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)FMA指示(1)

圖18 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)FMA指示(2)

圖19 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)FMA指示(3)

圖20 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)FMA指示(4)

第二列和第三列:

下滑道(“G/S”)方式待命,航向道截獲(“LOC*”)方式激活:

下滑道截獲(“G/S*”)方式激活,航向道截獲(“LOC*”)方式激活:

下滑道截獲(“G/S*”)方式激活,航向道鎖定(“LOC”)方式激活:

下滑道鎖定(“G/S”)方式激活,航向道鎖定(“LOC”)方式激活:

飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)的3D視景展示如圖21所示。

圖21 飛機(jī)在進(jìn)近狀態(tài)3D視景展示

(7) 飛機(jī)在著陸狀態(tài)。如圖22所示,飛機(jī)進(jìn)入著陸狀態(tài),垂直引導(dǎo)和橫向引導(dǎo)兩列合并,“LAND”方式激活。

圖22 飛機(jī)在著陸狀態(tài)FMA指示(1)

如圖23所示,飛機(jī)落地,開啟發(fā)動(dòng)機(jī)反推,發(fā)動(dòng)機(jī)反推方式(“ROLL OUT”)激活,飛機(jī)進(jìn)一步減速。

圖23 飛機(jī)在著陸狀態(tài)FMA指示(2)

飛機(jī)在著陸狀態(tài)的3D視景展示如圖24所示。

圖24 飛機(jī)在著陸狀態(tài)3D視景展示

6 結(jié) 語(yǔ)

“系統(tǒng)中每一次狀態(tài)更新都會(huì)激活同一個(gè)新事件”是離散事件系統(tǒng)的常見特點(diǎn)。本文對(duì)傳統(tǒng)謂詞/變遷網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn),提出繼發(fā)網(wǎng)的概念,通過對(duì)重復(fù)激活事件的封裝,建立了通用型二階謂詞/變遷網(wǎng),解決了具有上述特點(diǎn)的離散事件系統(tǒng)謂詞/變遷網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以仿真的問題。通過空客320飛機(jī)FMA系統(tǒng)的建模仿真驗(yàn)證,基于二階謂詞/變遷網(wǎng)的系統(tǒng)仿真模型能夠精準(zhǔn)模擬飛行仿真中的FMA功能,這說明二階謂詞/變遷網(wǎng)可行、可用,能有效降低具有該特點(diǎn)的離散事件系統(tǒng)模型復(fù)雜度,具有一定的普適性。

經(jīng)多狀態(tài)下的飛行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,基于二階謂詞/變遷網(wǎng)開發(fā)的FMA系統(tǒng)模型功能完整、可信度高,可承擔(dān)空客320機(jī)務(wù)維護(hù)模擬機(jī)飛行仿真狀態(tài)下的FMA仿真。