基于元模型融合的飛機(jī)虛擬維修過(guò)程模型優(yōu)化*

耿 宏，王晨飛，錢文高

（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

為保證飛機(jī)虛擬維修的真實(shí)性和有效性，有必要建立其維修過(guò)程模型。對(duì)于虛擬維修過(guò)程模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用Petri 網(wǎng)建立模型［1-2］。針對(duì)維修要素增加所導(dǎo)致的建模難度的提升，文獻(xiàn)［3］使用分層Petri 網(wǎng)構(gòu)建了維修過(guò)程模型。文獻(xiàn)［4］在分層Petri 網(wǎng)基礎(chǔ)上引入結(jié)構(gòu)解釋模型，對(duì)復(fù)雜設(shè)備零部件的連接關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)［5］采用有色Petri 網(wǎng)對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行分級(jí)，對(duì)不同維修等級(jí)的任務(wù)予以區(qū)分并進(jìn)行建模。文獻(xiàn)［6］使用分層時(shí)間有色Petri 網(wǎng)建立維修過(guò)程模型，對(duì)維修資源的占用、釋放和消耗狀態(tài)進(jìn)行描述。以上學(xué)者在構(gòu)建模型時(shí)，在一定程度上降低了建模的復(fù)雜度，但飛機(jī)維修過(guò)程涉及大量零部件，且具有維修過(guò)程復(fù)雜、重復(fù)次數(shù)多等特點(diǎn)［7-8］，以上方法在建模時(shí)將維修任務(wù)視作獨(dú)立整體，未考慮到不同飛機(jī)維修任務(wù)中具有相同維修序列這一特點(diǎn)，導(dǎo)致在對(duì)新的維修任務(wù)進(jìn)行建模時(shí)，模型節(jié)點(diǎn)會(huì)隨著零部件的增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，容易出現(xiàn)混亂等現(xiàn)象［9］。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)分析維修任務(wù)，從裝配體角度出發(fā)，結(jié)合系統(tǒng)建模語(yǔ)言（systems modeling language，SysML）狀態(tài)機(jī)理論，構(gòu)建了維修對(duì)象元模型，明確元模型之間的約束條件，并以此提出元模型融合下的虛擬維修過(guò)程建模方法，該方法可通過(guò)重用元模型復(fù)用已有維修序列來(lái)降低模型的復(fù)雜度。最后，選擇具體維修任務(wù)在A320 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行建模，驗(yàn)證了方法的合理性與有效性。

1 維修過(guò)程分析

1.1 飛機(jī)虛擬維修過(guò)程特征

在GJB451A—2005 可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)中指出：維修是為使裝備保持、恢復(fù)或改善規(guī)定技術(shù)狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動(dòng)，維修過(guò)程即指由于上述活動(dòng)的不斷推進(jìn)使物體狀態(tài)變?yōu)槟繕?biāo)狀態(tài)的過(guò)程，是一個(gè)典型的離散事件過(guò)程［10］。本文研究的虛擬維修過(guò)程建模方法旨在滿足AC-147-FS-2017-004-R2民用航空器機(jī)型、部件修理項(xiàng)目培訓(xùn)大綱需求，所建模型能夠在虛擬維修訓(xùn)練設(shè)備中模擬實(shí)體變化，使受訓(xùn)人員能夠根據(jù)飛機(jī)維修手冊(cè)中的要求與規(guī)定在虛擬空間中對(duì)虛擬實(shí)體進(jìn)行操作，進(jìn)而達(dá)到受訓(xùn)目的，提高機(jī)務(wù)水平。

飛機(jī)維修手冊(cè)中的維修任務(wù)通常以層級(jí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，具有層次化特點(diǎn)，其中通常會(huì)嵌套多個(gè)子任務(wù)，由子任務(wù)對(duì)操作步驟進(jìn)行詳細(xì)描述，此處以A320 發(fā)動(dòng)機(jī)接口組件（engine interface unit，EIU）排故任務(wù)為例說(shuō)明維修任務(wù)層次特點(diǎn)，如圖1 所示。與其他設(shè)備維修任務(wù)不同的是，飛機(jī)維修任務(wù)對(duì)同種故障采取相同維修流程，因此，在不同維修任務(wù)中會(huì)存在相同的維修序列，對(duì)應(yīng)為圖1 中的Subtask，每個(gè)Subtask 內(nèi)部即為由于維修活動(dòng)的推進(jìn)使不同實(shí)體狀態(tài)產(chǎn)生變化的序列。

圖1 EIU1 排故任務(wù)分層結(jié)構(gòu)Fig.1 EIU1 hierarchical structure of troubleshooting tasks

1.2 維修過(guò)程仿真要素

維修過(guò)程仿真是在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下對(duì)真實(shí)維修過(guò)程的模擬［11］。對(duì)于建立滿足培訓(xùn)需求的虛擬維修過(guò)程模型，可根據(jù)維修任務(wù)內(nèi)容提取仿真要素，其中包括：

1）維修對(duì)象O：維修任務(wù)中所有客觀對(duì)象，包括維修部件Oe以及維修資源I。

2）維修活動(dòng)E：維修過(guò)程中為了使維修對(duì)象達(dá)到或維持某種狀態(tài)所進(jìn)行的一系列動(dòng)作，對(duì)應(yīng)為圖1 中擰松滾花螺帽等動(dòng)作。

3）維修資源I：進(jìn)行維修活動(dòng)過(guò)程中所需的工具、耗材等實(shí)體，對(duì)應(yīng)圖1 中工作平臺(tái)、堵蓋等。

4）維修部件Oe：維修任務(wù)中涉及的飛機(jī)組件，對(duì)應(yīng)圖1 中螺桿、滾花螺帽等。

5）維修場(chǎng)景F：執(zhí)行維修活動(dòng)時(shí)所處的場(chǎng)景，所處場(chǎng)景由維修對(duì)象決定，對(duì)應(yīng)圖1 中所應(yīng)進(jìn)入的824 電子艙場(chǎng)景。

6）維修狀態(tài)S：維修對(duì)象在維修過(guò)程中所具備的全部狀態(tài)，其中包括維修部件狀態(tài)oes 與維修資源狀態(tài)is。

2 維修過(guò)程模型的構(gòu)建

2.1 SysML 狀態(tài)機(jī)

SysML 狀態(tài)機(jī)描述了一個(gè)系統(tǒng)所有可能的生命周期，一般用來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，而且便于進(jìn)行狀態(tài)拓展。一個(gè)完整的SysML 狀態(tài)機(jī)包括狀態(tài)、事件、監(jiān)護(hù)條件、動(dòng)作以及轉(zhuǎn)換，其基本形式如圖2所示［12-13］。

圖2 SysML 狀態(tài)機(jī)圖的基本形式Fig.2 The basic form of SysML state machine diagram

SysML 狀態(tài)機(jī)形式化描述為七元組：

其中，S 為非空有限集合，它指系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中滿足某種條件所處的狀態(tài)集合；s0為初始狀態(tài)，sf為終止?fàn)顟B(tài)；E 為觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的事件集合；G 為監(jiān)護(hù)條件，形式為布爾表達(dá)式，用于描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的條件；C 為動(dòng)作，系統(tǒng)由其他狀態(tài)轉(zhuǎn)移到當(dāng)前狀態(tài)，或從當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其他狀態(tài)時(shí)要附帶完成的動(dòng)作；T 為轉(zhuǎn)換，其表示方法為：事件［監(jiān)護(hù)條件］/動(dòng)作。

2.2 維修對(duì)象元模型

維修可看作是滿足一定規(guī)則和約束下的維修活動(dòng)的集合，這些維修活動(dòng)作用于不同的維修對(duì)象，通過(guò)維修資源的支持使維修部件轉(zhuǎn)移為目標(biāo)狀態(tài)，而維修部件之間又滿足一定的裝配關(guān)系，通過(guò)裝配關(guān)系構(gòu)成了整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)。因此，可將維修對(duì)象定義為元模型，通過(guò)不斷更新元模型狀態(tài)實(shí)現(xiàn)整個(gè)維修過(guò)程。任意一個(gè)維修對(duì)象元模型狀態(tài)機(jī)可用五元組進(jìn)行描述：

o 為任一維修對(duì)象；S 為當(dāng)前對(duì)象狀態(tài)集合；s0為維修對(duì)象初始狀態(tài)；E 為能對(duì)當(dāng)前維修對(duì)象進(jìn)行的所有維修活動(dòng)集合；G 為監(jiān)護(hù)條件，對(duì)應(yīng)為元模型間約束關(guān)系。

對(duì)于不同維修部件，一般有裝配就位、離位、安裝/拆卸中以及拆卸下等基本狀態(tài)，在整個(gè)維修過(guò)程中一直處于狀態(tài)循環(huán)之中，對(duì)于存在特殊狀態(tài)的維修部件，需單獨(dú)考慮，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3 所示。

圖3 維修部件基本狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.3 Basic state transfer diagram for maintenance parts

維修資源分為可消耗維修資源與不可消耗維修資源，其中，可消耗維修資源指耗材等隨著維修活動(dòng)的推進(jìn)導(dǎo)致資源總量不斷減少的消耗品，基本狀態(tài)有：未領(lǐng)用、完好、部分使用、耗盡、使用中等狀態(tài)。其中，完好、部分使用以及耗盡狀態(tài)指其位于工具箱中并未使用，它們用于記錄該資源的多次使用情況，經(jīng)多次使用后，資源消耗量大于等于資源總量即遷移為耗盡狀態(tài)。不可消耗維修資源，則指工具、設(shè)備等資源，該類資源在維修過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生損耗，其狀態(tài)在使用中以及未領(lǐng)用狀態(tài)間進(jìn)行循環(huán)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4 所示。

圖4 不可消耗資源基本狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.4 Basic state transfer diagram of non-consumable resources

2.3 元模型間的約束關(guān)系

維修任務(wù)中存在諸多限制因素制約元模型狀態(tài)的變遷，其限制因素主要有維修資源限制因素（IL），維修場(chǎng)景限制因素（SL）以及維修部件狀態(tài)限制因素（CM）。

維修資源限制因素指，執(zhí)行相應(yīng)維修活動(dòng)時(shí)，需要使用維修資源，即在執(zhí)行維修活動(dòng)時(shí)相應(yīng)維修資源狀態(tài)為使用中；維修場(chǎng)景限制因素指，只有受訓(xùn)人員位于維修對(duì)象所在的場(chǎng)景中才能對(duì)維修對(duì)象執(zhí)行維修活動(dòng)；維修部件狀態(tài)限制因素則是由于維修部件間具備一定的裝配關(guān)系，只有滿足該裝配關(guān)系時(shí)，維修部件才可能被拆下或安裝，可通過(guò)具備裝配關(guān)系的維修部件狀態(tài)進(jìn)行判斷，其裝配關(guān)系有以下4 種：一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多以及多對(duì)一。維修對(duì)象間的約束關(guān)系狀態(tài)機(jī)圖如下頁(yè)圖5 所示［14］。

圖5 維修對(duì)象間的約束關(guān)系Fig.5 Constraint relationships between maintenance objects

監(jiān)護(hù)條件G 為元模型間的約束條件，當(dāng)同時(shí)滿足IL、SL 以及CM 時(shí)，Gi變?yōu)閠rue，將執(zhí)行維修活動(dòng)，使元模型狀態(tài)發(fā)生變遷，滿足對(duì)應(yīng)約束關(guān)系時(shí)，對(duì)應(yīng)約束限制因素即為1，監(jiān)護(hù)條件G 可用式（10）進(jìn)行表示：

2.4 維修過(guò)程模型

針對(duì)維修任務(wù)可通過(guò)元模型融合構(gòu)建維修過(guò)程模型，根據(jù)1.2 節(jié)分析所提取的仿真要素并結(jié)合2.2 和2.3 節(jié)結(jié)果，可將元模型融合下的維修過(guò)程模型用七元組進(jìn)行表示，其形式化描述如式（11）所示：

式中，O 對(duì)應(yīng)式（1）、式（3）以及式（4），S 對(duì)應(yīng)式（7），在集合is 與oes 中還分別包括了其實(shí)體各自的狀態(tài)集合ijs 與oeks，當(dāng)維修對(duì)象處于某一狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)狀態(tài)變量為1，在同一時(shí)刻，同一維修對(duì)象有且僅有一個(gè)狀態(tài)變量為1：

F 則對(duì)應(yīng)式（5），E 對(duì)應(yīng)式（2）。C 表示維修對(duì)象動(dòng)作集合，在虛擬維修空間中維修對(duì)象的動(dòng)作為平移、旋轉(zhuǎn)以及二者合成形成的螺旋運(yùn)動(dòng)。在虛擬維修場(chǎng)景中定義場(chǎng)景坐標(biāo)系，所有維修對(duì)象基于此坐標(biāo)系都有一個(gè)中心點(diǎn)坐標(biāo)。記初始中心點(diǎn)坐標(biāo)為（x1，y1，z1），經(jīng)運(yùn)動(dòng)后坐標(biāo)變?yōu)椋▁2，y2，z2），平移運(yùn)動(dòng)可用式（16）、式（17）表示，相對(duì)于場(chǎng)景內(nèi)某一點(diǎn)（m，n，l）旋轉(zhuǎn)θ 角的三軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可分別用式（18）～式（20）表示，x2、y2和z2可通過(guò)式（21）計(jì)算得到：

因此，在動(dòng)作集合C 中，可使用M（x1，y1，z1，t1，t2，t3，θ）來(lái)表示虛擬維修空間中維修對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。T表示維修任務(wù)中所有的變遷，S0用來(lái)描述維修開始前所有維修對(duì)象的初始狀態(tài)集合。

當(dāng)添加新的維修任務(wù)時(shí)，可重用滿足約束條件的元模型，無(wú)需重建維修任務(wù)中重復(fù)的維修序列，重用與重建兩種方式構(gòu)建模型的示意圖如圖6 所示。

圖6 建模方法比較Fig.6 Comparison of modeling methods

圖6（b）對(duì)應(yīng)原建模方法，在添加新的維修任務(wù)后需重建新的維修序列，其中的虛框部分為不同維修任務(wù)中相同的維修序列，實(shí)框中對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的維修任務(wù)，由圖6（b）可看出重建方式增加了模型中的節(jié)點(diǎn)，而且隨著該部分維修序列的增多模型節(jié)點(diǎn)會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。圖6（a）則對(duì)應(yīng)本文方法，維修任務(wù)與圖6（b）中一致，虛框部分為重用了一次的元模型，通過(guò)重用維修序列達(dá)到了減少模型節(jié)點(diǎn)的目的?？捎藐P(guān)聯(lián)矩陣C=［Cij］m*n表示模型結(jié)構(gòu)，矩陣中列表示所有的模型節(jié)點(diǎn)，行則表示變遷［15］。那么，圖6（b）則對(duì)應(yīng)［Cij］8*6的關(guān)聯(lián)矩陣，圖6（a）對(duì)應(yīng)［Cij］6*5的關(guān)聯(lián)矩陣。當(dāng)模型有q 個(gè)元模型重用，并且重用n次后，本文方法將對(duì)應(yīng)（q+2n+2）*（q+2n+1）階的關(guān)聯(lián)矩陣，重建方式則對(duì)應(yīng)（n+1）（q+2）*（n+1）（q+1）階的關(guān)聯(lián)矩陣，本文方法相比于重建方式，其關(guān)聯(lián)矩陣的行和列分別降低了nq 和n（q-1）階。因此，采用本文方法構(gòu)建模型能夠減少模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低關(guān)聯(lián)矩陣階次與模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且隨著重用元模型數(shù)量和次數(shù)的增加，階次降低效果會(huì)更加明顯。

3 仿真實(shí)例

將上述維修過(guò)程建模方法應(yīng)用于本實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的A320 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于AC-147培訓(xùn)大綱的培訓(xùn)要求開發(fā)，旨在提升受訓(xùn)人員的機(jī)務(wù)維修水平。本章以圖1 對(duì)應(yīng)的排故任務(wù)為例，建立維修過(guò)程模型，該任務(wù)中存在EIU1 的拆卸與安裝，安裝為拆卸的逆過(guò)程，此處不再描述。

將該任務(wù)按步驟分解，其排故流程為：

Step 1 進(jìn)行故障確認(rèn)，在駕駛艙中執(zhí)行EIU1的操作測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示EIU1；

Step 2 根據(jù)故障對(duì)應(yīng)手冊(cè)領(lǐng)取維修資源；

Step 3 在駕駛艙場(chǎng)景中，斷開跳開關(guān)并加跳開關(guān)保險(xiǎn)夾和警告牌；

Step 4 在機(jī)庫(kù)場(chǎng)景中，在824 電子艙門處放置操作平臺(tái)；

Step 5 將824 電子艙門把手從凹槽彈出；

Step 6 將824 電子艙門把手轉(zhuǎn)至OPEN 位；

Step 7 打開824 電子艙門；

Step 8 擰松EIU1 對(duì)應(yīng)的兩個(gè)滾花螺帽；

Step 9 放下兩個(gè)螺桿；

Step 10 將EIU1 離位；

Step 11 在電插頭上加裝堵蓋。

首先，對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行分解，提取仿真要素，其維修部件集合Oe如表1 所示，維修資源集合I 如表2 所示，維修場(chǎng)景集合F 如下頁(yè)表3 所示，維修活動(dòng)集合E 如表4 所示。

表1 維修部件Table 1 Maintenance parts

表2 維修資源Table 2 Maintenance resources

表3 維修場(chǎng)景Table 3 Maintenance scenes

表4 維修活動(dòng)Table 4 Maintenance activities

建立完畢的維修過(guò)程狀態(tài)機(jī)圖如下頁(yè)圖7 所示。其中，可重用的元模型包括全部維修資源以及維修部件中的oe3～oe9，對(duì)應(yīng)圖中虛框部分，重用元模型數(shù)量為12，重用次數(shù)為m，故關(guān)聯(lián)矩陣行和列階次可分別減少12m 和11m。

圖7 EIU1 維修過(guò)程狀態(tài)機(jī)圖Fig.7 State machine diagram of EIU1 maintenance process

圖7 中，執(zhí)行維修活動(dòng)e1時(shí)，維修場(chǎng)景處于駕駛艙中，MCDU 狀態(tài)變?yōu)轱@示對(duì)應(yīng)故障信息狀態(tài)，即oe2s1。執(zhí)行維修活動(dòng)e2后，堵蓋、工作平臺(tái)、跳開關(guān)保險(xiǎn)夾和警告牌狀態(tài)由未領(lǐng)用狀態(tài)變?yōu)轭I(lǐng)用狀態(tài)，分別記為i2s1、i3s1、i4s1與i5s1。領(lǐng)用工具后可在不同場(chǎng)景進(jìn)行不同的維修活動(dòng)，活動(dòng)之間為并行關(guān)系，分別對(duì)應(yīng)e3、e4、e5。執(zhí)行維修活動(dòng)e3時(shí)，維修場(chǎng)景應(yīng)位于駕駛艙中，本次維修任務(wù)中所涉及的跳開關(guān)狀態(tài)由閉合狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，即oe3s1；執(zhí)行維修活動(dòng)e4后，應(yīng)滿足對(duì)應(yīng)跳開關(guān)狀態(tài)都已拔出斷開，對(duì)應(yīng)跳開關(guān)狀態(tài)變?yōu)橐鸭友b跳開關(guān)保險(xiǎn)夾和警告牌狀態(tài)，即oe3s2。執(zhí)行維修活動(dòng)e5時(shí)，維修場(chǎng)景位于機(jī)庫(kù)中，執(zhí)行后工具平臺(tái)狀態(tài)變?yōu)橐逊胖迷?24 電子艙門處，即i3s2。執(zhí)行維修活動(dòng)e6時(shí)，824 電子艙門把手彈出凹槽，記為oe4s1。執(zhí)行維修活動(dòng)e7時(shí)，工具平臺(tái)在位且824 艙門把手為彈出狀態(tài)，執(zhí)行后，把手將由OFF 位變?yōu)镺PEN 位，對(duì)應(yīng)狀態(tài)為oe4s2。執(zhí)行維修活動(dòng)e8時(shí)，824 電子艙門狀態(tài)由關(guān)閉轉(zhuǎn)為打開，即oe5s1，此時(shí)可進(jìn)入824 電子艙子場(chǎng)景，進(jìn)入子場(chǎng)景后可執(zhí)行此場(chǎng)景中的并行維修活動(dòng)。位于824 電子艙場(chǎng)景且使用手時(shí)，可擰松兩個(gè)滾花螺帽，兩個(gè)滾花螺帽狀態(tài)由擰緊變?yōu)閿Q松，即oe6s1和oe7s1。執(zhí)行維修活動(dòng)e10后，分別放下兩個(gè)螺栓，兩個(gè)螺栓狀態(tài)轉(zhuǎn)為放下，對(duì)應(yīng)oe8s1和oe9s1。在將EIU1 離位之前除有滾花螺帽與螺桿的部件約束外，還需確定對(duì)應(yīng)跳開關(guān)狀態(tài)，確認(rèn)其已經(jīng)斷開，執(zhí)行維修活動(dòng)e11后，EIU1狀態(tài)由在位變?yōu)殡x位，即oe1s1。執(zhí)行維修活動(dòng)e12后，堵蓋狀態(tài)將由領(lǐng)用變?yōu)橐烟砑訝顟B(tài)，即i2s2。

4 結(jié)論

本文研究了虛擬維修環(huán)境下的維修過(guò)程模型，通過(guò)分析維修過(guò)程，提取仿真要素，進(jìn)而構(gòu)造了維修對(duì)象元模型，確定元模型之間的約束關(guān)系，并提出元模型融合下的虛擬維修過(guò)程建模方法。通過(guò)EIU1 排故任務(wù)為實(shí)例在A320 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)例建模，驗(yàn)證結(jié)果表明：該建模方法能夠通過(guò)重用元模型減少模型中節(jié)點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)而降低模型復(fù)雜度。