基于Arena 的飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備流程仿真與優(yōu)化研究

■ 侯龍博 史貝貝 鄧永紅 邢鴻盼/中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

0 引言

飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備工作是試驗(yàn)機(jī)外場(chǎng)機(jī)務(wù)保障的重要內(nèi)容，保障效率的高低會(huì)影響飛行試驗(yàn)的效率和機(jī)場(chǎng)利用率，部隊(duì)試飛時(shí)則嚴(yán)重制約部隊(duì)的作戰(zhàn)效能指標(biāo)。因此，研究飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的優(yōu)化方法，對(duì)于提高飛機(jī)出動(dòng)強(qiáng)度、充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能具有重要的意義。

在飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備過(guò)程中，各項(xiàng)工作的發(fā)生時(shí)間和完成時(shí)間是離散不確定的，屬于離散事件，因此飛機(jī)的飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備建模仿真屬于離散事件建模仿真。OOPN 具有模塊化的建模能力、SPN 具有較強(qiáng)的分析能力，能夠較好地對(duì)離散事件進(jìn)行描述[1]；可視化集成仿真環(huán)境 Arena 將專用仿真語(yǔ)言、通用過(guò)程語(yǔ)言和仿真器的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、層次化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)浣ｌ`活性、易用性的優(yōu)點(diǎn)[2]。流程優(yōu)化有系統(tǒng)化改造法和全新設(shè)計(jì)法兩種方法。系統(tǒng)改造法具有速度快、費(fèi)用節(jié)省的優(yōu)點(diǎn)，逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，相比于全新設(shè)計(jì)法更易取得實(shí)在的成效，同時(shí)風(fēng)險(xiǎn)低，所以本文選用系統(tǒng)改造法進(jìn)行流程優(yōu)化[3]。

1 建模仿真理論

1.1 隨機(jī) Petri 網(wǎng)

SPN 是在 Petri 網(wǎng)中引入時(shí)間約束，即在每個(gè)變遷可實(shí)施和實(shí)施間定義一個(gè)隨機(jī)的延遲時(shí)間[4]。

SPN 是一個(gè)七元組，SPN=（S，T，F(xiàn)，K，W，M0，λ），其中：

1）（S，T，F(xiàn)，K，W，M0） 是一個(gè) P/T 網(wǎng)系統(tǒng)；

2）λ=（λ1，λ2，…，λm） 為 變 遷平均實(shí)施速率集合。λi為變遷ti∈T的平均實(shí)施速率，表示在可實(shí)施的情況下變遷ti單位時(shí)間內(nèi)平均實(shí)施的次數(shù)。

1.2 面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)

面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)將Petri 網(wǎng)的分析能力和面向?qū)ο蟮哪K化建模能力結(jié)合在了一起，許多文獻(xiàn)對(duì)面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)（OOPN）進(jìn)行了定義[4]，基于面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的定義是OOPN=（O，R），其中O 為基本對(duì)象和復(fù)合對(duì)象的集合，復(fù)合對(duì)象用于描述系統(tǒng)中的層次關(guān)系：R 是關(guān)系集合，表示為 R=（G，MPin，MPout， Fs），G 為各對(duì)象子網(wǎng)間的門變遷的集合，MPin是輸入消息庫(kù)所集合，MPout是輸出消息庫(kù)所集合，F(xiàn)s 是門變遷與相應(yīng)消息庫(kù)所之間的流關(guān)系集合。OOPN 在傳統(tǒng)Petri 網(wǎng)的基礎(chǔ)上加入了許多更具描述力的元素（如時(shí)間概念、調(diào)度規(guī)則、禁止弧等），這些元素的加入增強(qiáng)了模型的描述能力。

2 實(shí)例分析

2.1 飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備流程分析

飛機(jī)的外場(chǎng)專業(yè)劃分為：A、B、C、D。有A 的師一名、A 的員一名、B 的師一名，B 的員一名，C 一名、D 一名（分別用tj1、tj2、th1、th2、tr1、tl1 表示）。

tj1 的工作為：進(jìn)行飛機(jī)準(zhǔn)備工作、檢查機(jī)身開關(guān)按鈕狀態(tài)，時(shí)間分布為 Tr（2.5，3.5，4），用ttj11 表示；檢查飛機(jī)狀態(tài)、蓋好進(jìn)氣口蓋，時(shí)間分布為Tr（2，3，5），用ttj12 表示；全機(jī)系統(tǒng)復(fù)查，時(shí)間分布為Tr（11.5，13，14），用ttj13 表示：準(zhǔn)備放飛，時(shí)間分布為Tr（0.5，1，1.5），用ttj14 表示。

tj2 的工作為：助降裝置及起落裝置檢查、滑油系統(tǒng)檢查，時(shí)間分布為Tr（2，3，4），用ttj21 表示；添加燃油，時(shí)間分布為Tr（5，6，7.5），用ttj22 表示。

th1 的工作為：外觀檢查，時(shí)間分布為Tr（3，3.5，4），用tth11 表示；通電檢查，時(shí)間分布為Tr（5，6，8），用tth12 表示；

th2 的工作為：外觀檢查，時(shí)間分布為Tr（4，4.5，5），用tth21 表示；通電檢查，時(shí)間分布為Tr（15，16，18），用tth22 表示；

tr1 的工作為：外觀檢查，時(shí)間分布為Tr（3，3.5，4），用ttr11 表示；通電檢查，時(shí)間分布為Tr（10，11，15），用ttr12 表示；

tl1 的工作為：外觀檢查，時(shí)間分布為Tr（4，4.5，5），用ttl11 表示；通電檢查，時(shí)間分布為Tr（6，7，10），用ttl12 表示；

需要注意的是：1）加油和通電不能同時(shí)進(jìn)行；2）不考慮故障的發(fā)生；3）假設(shè)所有輔助設(shè)備已經(jīng)就位。

2.2 飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備模型構(gòu)建

采用OOPN、SPN 進(jìn)行建模，建立的模型包括OPN（對(duì)象 Petri 網(wǎng)）和OCN（對(duì)象間的聯(lián)系網(wǎng)），前者具有模塊化和可重用的特性；后者對(duì)對(duì)象間的復(fù)雜邏輯關(guān)系能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述。首先構(gòu)建每個(gè)對(duì)象的OPN 模型，飛機(jī)飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備模型中的對(duì)象有 tj1、tj2、th1、th2、tr1、tl1。限于篇幅，只對(duì)tj1的OPN 模型進(jìn)行介紹。

圖1 為tj1 的OPN 模型，圖中ptj11為庫(kù)所，表示“飛機(jī)準(zhǔn)備工作、檢查機(jī)身開關(guān)按鈕狀態(tài)”，其中有一個(gè)托肯；ttj11 為變遷，表示“tj1 進(jìn)行飛機(jī)準(zhǔn)備工作、檢查機(jī)身開關(guān)按鈕狀態(tài)”，其變遷時(shí)間為 Tr（2.5，3.5，4） ；其余同理，不再贅述。ptj1o1 為對(duì)象tj1 的輸出接口；ptj1i1 為其輸入接口。

圖1 tj1 的OPN模型

圖2 為飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備OCN 模型，g1 ～g8 為門變遷。對(duì)象通過(guò)門變遷聯(lián)系在一起。tj1 完成除準(zhǔn)備放飛外的工作、tj2、th1、th2 完成本專業(yè)工作、tj1、tj2 完成本專業(yè)工作后通過(guò)門變遷g7 發(fā)信號(hào)給對(duì)象th2，th2 完成本專業(yè)工作后通過(guò)門變遷g4 發(fā)信號(hào)給對(duì)象th1，th1 完成本專業(yè)工作后通過(guò)變遷門g6 發(fā)信號(hào)給對(duì)象tl1，tl1 完成本專業(yè)工作之后通過(guò)變遷門g5 發(fā)信號(hào)給對(duì)象tr1，tr1完成本專業(yè)工作之后通過(guò)變遷門g3 發(fā)信號(hào)給對(duì)象tj1，然后tj1 進(jìn)行準(zhǔn)備放飛工作；在模型中加入門變遷 g1、g2 表示加油和通電不能同時(shí)進(jìn)行。以門變遷g2 為例，與g2 相連的是庫(kù)所ptj22b 和pth22a，變遷ttj22 發(fā)生需要庫(kù)所ptj22b中有一個(gè)托肯，變遷tth22a 發(fā)生需要庫(kù)所pth22a 中有一個(gè)托肯，但是在這兩個(gè)庫(kù)所中只有ptj22b 有一個(gè)托肯，ttj22、tth22 先到達(dá)者占用托肯，假如ttj22 比tth22 先到達(dá)，則ttj22 占用托肯，tth22處于等待狀態(tài)，ttj22 實(shí)施后，釋放托肯，然后tth22 占用托肯，此時(shí)tth22 可實(shí)施。當(dāng)th1 完成飛機(jī)通電檢查后，通過(guò)門變遷g6 發(fā)信號(hào)給tl1，tl1 完成通電檢查后通過(guò)變遷門g5 發(fā)信號(hào)給tr1，這樣tl1 和tr1 才能進(jìn)行聯(lián)試飛機(jī)通電檢查；門變遷g8 表示tj1 通電與th1 通電不能同時(shí)進(jìn)行。

圖2 飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的 OCN 模型

2.3 飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備仿真

結(jié)合上述構(gòu)建的模型，在Arena 中建立飛機(jī)飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的仿真模型。Arena 是由美國(guó) System modeling 公司于1993 年開始研制開發(fā)的，是一種新一代可視化通用交互集成仿真環(huán)境。Arena采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、層次化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)湟子眯浴⒔５撵`活性優(yōu)點(diǎn)，如需要還能與 Visual Basic、C/C++ 通用程序語(yǔ)言相集成[2]。

利用離散事件仿真軟件Arena，建立仿真模型，包括兩個(gè)模塊：仿真策略模塊（Simulation Strategy）和統(tǒng)計(jì)接收模塊（Receiver）如圖3 和圖4 所示。

圖3 Simulation Strategy模塊

圖4 Receiver模塊

對(duì)仿真模型仿真運(yùn)行，得到結(jié)果，飛機(jī)飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備最短時(shí)間為0.7983h，平均準(zhǔn)備時(shí)間為0.8796h，最長(zhǎng)時(shí)間為0.9550h，與主機(jī)廠所實(shí)際飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間相近，所以文中建立的模型是正確的。

對(duì)主機(jī)廠所的飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備流程進(jìn)行建模仿真，得到飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間最短時(shí)間為0.8756h，相比縮短了4.6min；平均時(shí)間為0.9559h，相比縮短了4.6min；最長(zhǎng)時(shí)間為1.0295h，縮短了4.5min，見表1。

表1 仿真報(bào)表數(shù)據(jù)匯總

3 總結(jié)

利用OOPN 和SPN 建立了飛機(jī)當(dāng)前飛行前機(jī)務(wù)準(zhǔn)備的模型，在過(guò)程仿真軟件Arena 中對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，充分證明我院在該型機(jī)人員配置的合理性。分析表明，該型飛機(jī)人員配置在飛行機(jī)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)間較主機(jī)廠所的準(zhǔn)備時(shí)間明顯縮短，人員之間的工作量均衡問(wèn)題得到明顯改善（如圖5 所示）。

圖5 人員工作量均態(tài)利用率仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)該模型所得出的人員工作量均態(tài)利用率，可為兩架或兩架以上飛機(jī)進(jìn)行機(jī)務(wù)保障的人員配置提供參考。例如，兩架飛機(jī)進(jìn)行機(jī)務(wù)準(zhǔn)備時(shí)，根據(jù)該模型的工作量均態(tài)利用率數(shù)值可得出人員配置表（見表2）。

表2 人員配置表

因此，針對(duì)機(jī)型種類多、人員配置多變復(fù)雜的情況，該模型的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)務(wù)保障人員配置具有實(shí)際輔助及參考意義。