張 原,李 璇

(海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院,山東 煙臺 264001)

1 引言

在航空技術(shù)高速發(fā)展的背景下,航空裝備維修顯得格外重要。維修工作主要負責(zé)飛行設(shè)備養(yǎng)護、故障維修和排除等工作,使各類設(shè)備滿足安全飛行要求,不僅能夠維系飛機飛行安全,還能確保各航空公司正常運行。但是,隨著我國航天事業(yè)的壯大,飛機數(shù)量急劇增多,對設(shè)備維修人員的需求量與日俱增,每年都會對大量的機務(wù)人員進行多次培訓(xùn),訓(xùn)練過程大多都在實裝飛機上完成,勢必會造成資源浪費,培訓(xùn)效率極低,且訓(xùn)練效果難以保證。此外,一些高技術(shù)航空設(shè)備的研制,也為日常維修帶來較大難題。這類設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需求多變,對維修人員的專業(yè)水平要求極高。因此,傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練方式已經(jīng)難以適應(yīng)航空裝備維修需求。

近年來,訓(xùn)練仿真模型憑借安全、可控和不受環(huán)境限制等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用在航空設(shè)備維修中,受到廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如,文獻[1]利用互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等數(shù)據(jù)傳輸平臺,建立綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng),分析維修任務(wù)訓(xùn)練需求,確立系統(tǒng)整體架構(gòu),探究系統(tǒng)組成、技術(shù)架構(gòu)和信息交互等模塊的交互關(guān)系,有效保證系統(tǒng)訓(xùn)練的全面性。除此之外,還有學(xué)者研究了一種基于虛擬現(xiàn)實的航空設(shè)備虛擬維修訓(xùn)練模型。設(shè)置了X Mind思維導(dǎo)圖和Sql Server訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫,通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)維修過程可視化,提高維修過程的靈活性。

虛擬維修訓(xùn)練的實質(zhì)是在仿真環(huán)境下對維修工作的再現(xiàn)和預(yù)演,必須通過合理的模型來指導(dǎo)仿真。再加上維修程序復(fù)雜,涉及多種維修資源,上述方法很難全面、詳盡地描述維修過程[2]。因此,本文吸取上述方法的相關(guān)經(jīng)驗,建立基于Petri網(wǎng)的航空裝備虛擬維修訓(xùn)練仿真模型。Petri網(wǎng)可用組合圖形描述問題,具有較強的靈活性與強大的分析性能,廣泛應(yīng)用在并發(fā)性和非確定性較強的模擬系統(tǒng)中,是最受歡迎的建模工具[3]。因此,通過Petri網(wǎng)對虛擬維修訓(xùn)練過程建模,能為保證航空裝備安全提供技術(shù)支持。

2 航空裝備維修訓(xùn)練要素和任務(wù)分析

2.1 基本要素

通過分析相關(guān)培訓(xùn)項目,確定航空裝備維修訓(xùn)練基本要素包括如下方面:

1)維修事件:結(jié)合故障預(yù)警或維修計劃進行維修作業(yè),是所有維修任務(wù)的總稱,通常包含檢測、分解、更換和調(diào)試幾個過程[4]。

2)維修目標:指需要維修的部件,其具備固定的結(jié)構(gòu)尺寸和部件約束關(guān)系,維修時需要根據(jù)設(shè)定順序維修。

3)維修人員:是一種維修資源,也是培訓(xùn)主體。需結(jié)合維修需求執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),根據(jù)作業(yè)順序,使用相關(guān)工具完成部件維修。培訓(xùn)過程中涉及的操作方式會對維修效果產(chǎn)生較大影響。

4)維修資源:分為工具、設(shè)備和維修資料。其中工具與設(shè)備分為專用與通用,維修人員會重復(fù)使用這些資源,通常不涉及消耗問題。

5)維修狀態(tài):是對維修目標、資源和人員的狀態(tài)描述。例如,維修目標的拆分狀況、人員數(shù)量、設(shè)備種類和數(shù)量等,綜合表示所有對象的屬性信息[5]。

6)維修約束:表示維修目標、人員和設(shè)備之間的作用關(guān)系。維修是需要通過人員執(zhí)行的,必須設(shè)定約束條件,避免出現(xiàn)系統(tǒng)混亂的情況。例如,培訓(xùn)人員需要根據(jù)拆裝規(guī)則檢查部件,使用的工具和執(zhí)行順序都是固定的。另外維修過程中各項任務(wù)也會存在先后約束關(guān)系。

2.2 維修培訓(xùn)任務(wù)

利用虛擬人進行維修仿真時,利用分層思想將維修任務(wù)分解為如圖1所示的幾個層次。通過此種分解,能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的維修任務(wù)變換為簡單事件,更有利于虛擬維修訓(xùn)練仿真。

圖1 維修訓(xùn)練任務(wù)分解模型示意圖

因維修目標是訓(xùn)練主體,根據(jù)訓(xùn)練人員對維修技巧的掌握情況,將訓(xùn)練模式分為如表1所示的幾種類型。

表1 訓(xùn)練模式分類表

綜合分析維修訓(xùn)練的基本要素和培訓(xùn)任務(wù),為Petri網(wǎng)虛擬訓(xùn)練仿真模型的構(gòu)建奠定基礎(chǔ),將這些要素和相關(guān)任務(wù)引入到Petri網(wǎng)中,即可構(gòu)建一個完整的仿真訓(xùn)練模型。

3 虛擬維修訓(xùn)練仿真模型構(gòu)建

3.1 訓(xùn)練模式選擇

結(jié)合任務(wù)分解模型可知,維修任務(wù)是具有層次化的,可選擇串行、并行和選擇等任意一個模式。

1)串行模式:所有維修操作都根據(jù)固定順序執(zhí)行,當完成前一個任務(wù)時,才能開始下一個任務(wù),將此種作業(yè)方式稱為串行作業(yè)。

2)并行模式:是在串行基礎(chǔ)上擴展得到的,在此模式中,維修任務(wù)可以同時進行。并行模式包括兩種,其一是多種任務(wù)同時執(zhí)行;另外一種是直到某些作業(yè)停止后,才能執(zhí)行新的任務(wù)。

3)選擇作業(yè)[6]:需按照不同維修狀態(tài)對相同任務(wù)制定多個維修策略,維修人員需要選擇作業(yè),只能有一個策略發(fā)生變遷,其他方案不能。

以上描述的三種作業(yè)模式可通過圖2所示的作業(yè)模型表示。

圖2 不同作業(yè)模型示意圖

圖2中,Pi(i=1,2,…,n)代表維修任務(wù)狀態(tài)集合,包括準備、完成等狀態(tài),Ti(1,2,…,n)表示維修任務(wù)遷移集合。

3.2 Petri網(wǎng)子網(wǎng)建模

假設(shè)與維修目標ei相對的子網(wǎng)模型表示為PNi

PNi=(Pi,Ti,Fi,Ui,Oi0,Ei,Bi,Ri)

(1)

組成該模型的具體內(nèi)容如下:

1)(Pi,Ti,Fi)屬于模型基網(wǎng),在維修訓(xùn)練中,Pi={Pi0,Pi1,Pi2,…,Pin}表示目標ei的狀態(tài)集合,即維修任務(wù)的狀態(tài)集合,且Pi0和Pin分別描述起始狀態(tài)與最終狀態(tài)。只有在這兩種狀態(tài)下才能將子網(wǎng)當作激活其他子網(wǎng)的條件,Pi1、Pi2代表中間狀態(tài)。Ti是目標ei的遷移集合,符合Pi∩Ti=Pi∩Fi=Ti∩Fi條件,Fi是子網(wǎng)PNi的有限弧集合,存在如下映射關(guān)系Fi→Pi×Ti×Pi。

2)Ui代表權(quán)函數(shù),描述任務(wù)變遷對資源的消耗程度[7]。

3)Oi0代表PNi的最初標識。

4)Ei表示使Ti變化的事件集合,通常為觸發(fā)事件或消息觸發(fā)。

5)Bi表示變遷后發(fā)生的動作集合。維修動作一般分為平移、轉(zhuǎn)動等。當變遷激活后,只有完成對應(yīng)的維修動作才可以實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換,減少跳躍性導(dǎo)致的維修訓(xùn)練仿真度降低的問題[8]。

6)Ri代表時間集合,描述Ti間最小觸發(fā)時間。由于一些虛擬動作完成后,必須經(jīng)歷一段時間延遲才能繼續(xù)執(zhí)行下一步操作,因此Ri為非負的。

3.3 裝備部件約束

3.3.1 基于有向圖的約束關(guān)系表示

航空裝備作為被維修目標,屬于維修主體,維修資源則表示在裝備部件狀態(tài)不斷發(fā)生變化的情況下,出現(xiàn)的消耗變遷,是約束維修任務(wù)的主要因素。因此,要想獲得理想的培訓(xùn)效果,如何全面表述裝備部件維修過程中的約束關(guān)系是關(guān)鍵[9]。

針對某完整維修任務(wù),將構(gòu)成該任務(wù)的所有部件集合表示為V

V={vj|vj∈V,j=1,2,…,m}

(2)

3.3.2 有向圖變換

通過上述建立的有向圖G=〈V,Ac〉能夠表示出部件間具有的約束,但不利于構(gòu)建仿真模型。因此,還需要將有向圖變換為鄰接矩陣[11],方便模型處理。

針對有向圖G=〈V,Ac〉,假設(shè)節(jié)點順序表示為v1到vj,則h階方陣AG=(ai′j)h×h就是G的鄰接矩陣,其中,i′,j=1,2,…,h。如果有vi′指向vj的有向弧存在時,ai′j=1,表示節(jié)點vi′的優(yōu)先級比vj高;反之,ai′j=0,說明兩個節(jié)點間沒有優(yōu)先級約束[12]。

由此可以看出,AG(ai′j)h×h屬于h階方陣,元素值為1或0。且i′行和i′列元素之和分別表示節(jié)點vi′的出度與入度。

3.4 虛擬維修訓(xùn)練仿真模型

在分析了Petri子網(wǎng)模型和裝備約束關(guān)系后,建立具有動態(tài)重組能力的Petri網(wǎng)虛擬維修訓(xùn)練仿真模型[14]PN

(3)

假設(shè)部件vi′的變遷ti′j被觸發(fā)的條件[15]表示為:

1)針對j=1,2,…,h,其符合鄰接矩陣AG中ai′j=0的條件;

2)當rti′j≥ri′j時,即觸發(fā)間隔rti′j大于等于最短觸發(fā)間隔ri′j。

則在最初標識Oi0作用下,部件維修任務(wù)訓(xùn)練變遷過程描述為

(4)

式中,p表示維修狀態(tài)分量,O為標識向量對應(yīng)的分量。

4 仿真過程與結(jié)果分析

以某飛機發(fā)動機維修為實驗?zāi)繕?基于Petri網(wǎng)建立了虛擬維修訓(xùn)練仿真模型。發(fā)動機維修是航空裝備中較為復(fù)雜的維修任務(wù),過程繁瑣。此次維修任務(wù)需要準備的相關(guān)材料如下:樣機模型一套、12個常用工具、52個操作單元、77個維修圖文件和2個工裝模型。其中工裝模型是1個架車與一個千斤頂。

1)模型可用性分析

結(jié)合仿真目標的相關(guān)信息,利用Petri網(wǎng)建立的虛擬維修訓(xùn)練仿真模型如圖3所示。

圖3 基于Petri網(wǎng)的虛擬維修訓(xùn)練仿真模型圖

由圖3所示,此次實驗選用的是串行作業(yè)模式,在該模型中,各任務(wù)具體含義如表2所示。

表2 維修具體任務(wù)表

在此仿真模型中,P1和P19分別描述維修開始和結(jié)束的狀態(tài),其他狀態(tài)都是和任務(wù)相互對應(yīng)的狀態(tài)。

由圖3可知,仿真模型中輸入與輸出都是唯一的,說明執(zhí)行每個任務(wù)時都存在唯一的緊前和緊后操作,體現(xiàn)了維修訓(xùn)練活動的邏輯關(guān)系,確保模型在給定狀態(tài)下,不會因為任務(wù)較多出現(xiàn)死鎖情況。

2)模型可靠性分析

結(jié)合飛機發(fā)動機維修任務(wù)可知,此裝備系統(tǒng)為時變多任務(wù)系統(tǒng),完成維修任務(wù)需要經(jīng)歷多個階段。由上述分析可知該模型適用于維修訓(xùn)練,能夠順利完成任務(wù),但是任務(wù)完成質(zhì)量未知。為此,需要進一步分析模型的可靠性。

假設(shè)維修狀態(tài)Pi失效率表示為λi,將任務(wù)逐級傳遞到最終節(jié)點,則模型可靠度Rsos的計算公式如下:

(5)

公式中,v表示任務(wù)變遷集合。如果可靠度Rsos的值為0-0.35說明模型可靠度低;若值為0.35-0.75,表明可靠性在理想范圍;大于0.75則表示可靠度很高,能夠完成高質(zhì)量的維修訓(xùn)練仿真。

將本文方法的可靠度計算結(jié)果和綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實仿真訓(xùn)練模型的結(jié)果進行對比,比較結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同模型仿真可靠度值對比圖

分析圖4可知,本文方法在多次實驗中均獲得了較高的可靠度值,虛擬現(xiàn)實算法和綜合模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的可靠度值忽高忽低,穩(wěn)定性較差;且始終低于本文方法。這說明基于Petri網(wǎng)的訓(xùn)練仿真模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、邏輯關(guān)系明確,能夠準確檢測并維修故障部件,部件間約束關(guān)系的合理設(shè)置起到關(guān)鍵作用。

3)模型執(zhí)行時間分析

在進行模型可靠度分析的同時,記錄6次實驗過程中,三種模型的執(zhí)行時間,實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 維修訓(xùn)練仿真模型執(zhí)行時間對比圖

圖5顯示,本文方法的模型執(zhí)行時間在三種方法中是最短的,這是因為隨著實驗次數(shù)的增加,模型逐漸成熟,執(zhí)行時間縮短。此外,Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度低,訓(xùn)練過程簡便,節(jié)省時間,提高訓(xùn)練效率。

5 結(jié)論

裝備維修是航空設(shè)備維護中的重要環(huán)節(jié),隨著裝備復(fù)雜度的提高,對維修人員的專業(yè)要求也越來越高。為改善維修訓(xùn)練效果,提出基于Petri網(wǎng)的虛擬維修訓(xùn)練仿真模型研究。分析維修任務(wù),確定維修邏輯,構(gòu)建部件之間的約束關(guān)系,完成訓(xùn)練仿真模型構(gòu)建。實驗證明,所建模型可靠性高,節(jié)約訓(xùn)練時間。但是本次研究也存在一定不足,例如實驗中沒有考慮培訓(xùn)人員對該模型的熟練程度,今后研究中應(yīng)該注重此問題的分析,全面提高模型性能。