飛機協(xié)同維修仿真的交互狀態(tài)機模型

董健康，姜乃心，耿 宏

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

0 引 言

協(xié)同維修是提高飛機維修效率的重要因素，也是飛機維修培訓(xùn)的一個主流發(fā)展，因此研究適用于飛機協(xié)同維修的仿真模型非常重要。張志利等[1,2]基于顏色Petri網(wǎng)對協(xié)同維修過程中的操作對象、維修資源、維修人員等進(jìn)行行為分析和狀態(tài)描述；李彬等[3]建立了共享子網(wǎng)合成Petri網(wǎng)的協(xié)同維修過程模型，實現(xiàn)合成網(wǎng)系統(tǒng)的資源共享、公共資源的占用；Kou Li等[4-6]采用多Agent的建模方法對協(xié)同拆裝過程、協(xié)同機制等建立模型；王海濤等[7]采用BOM的方法建立了排故任務(wù)BOM模型；陳靜杰等[8]采用層化UML狀態(tài)機的建模方法，對飛機維修中的拆裝過程進(jìn)行建模。以上文獻(xiàn)大都針對裝配體的拆裝層面或某種維修任務(wù)運用不同的建模方法對其進(jìn)行研究，由于飛機維修任務(wù)種類多，操作流程復(fù)雜，不能僅僅從拆裝層面進(jìn)行研究，并且飛機區(qū)域眾多，幾乎每個維修任務(wù)都涉及多個維修場景。針對以上問題，在UML狀態(tài)機的基礎(chǔ)上提出了一種適用于飛機協(xié)同維修的交互狀態(tài)機模型，用此模型來描述不同維修場景中實體對象間的行為交互和狀態(tài)變遷，使建模復(fù)雜度降低，并且具有普適性。

1 操作對象-維修場景-維修人員關(guān)系模型

在進(jìn)行機務(wù)維修培訓(xùn)時，訓(xùn)練人員根據(jù)維修手冊中的維修任務(wù)進(jìn)行維修訓(xùn)練，每個維修任務(wù)都有其對應(yīng)的任務(wù)號，每個任務(wù)號下包含許多維修操作。這里將維修任務(wù)進(jìn)行劃分直到維修任務(wù)不可再分，將不可再分的維修任務(wù)統(tǒng)稱為維修活動。

由于飛機有許多獨立的空間組成，即維修場景，而每個維修任務(wù)幾乎都涉及多個維修場景，即每個維修任務(wù)中所包含的操作對象分布在各個場景中，而維修人員必須處于操作對象所對應(yīng)的場景中時才執(zhí)行任務(wù)，因此操作對象、維修場景、維修人員之間存在關(guān)系，其關(guān)系如圖1所示。

圖1 操作對象-維修場景-維修人員的關(guān)系

設(shè)O={o1,o2,…,on} 為操作對象集合，P={p1,p2,…,pm} 為維修人員集合，Z={z1,z2,…,zk} 為操作對象所對應(yīng)的維修場景集合。

(1)操作對象與維修場景之間的關(guān)系可以用關(guān)聯(lián)矩陣D=(dij)n×k表示

(2)維修場景與維修人員之間的關(guān)系可以用關(guān)聯(lián)矩陣F=(fij)k×m表示

(3)基于維修場景的操作對象-維修人員關(guān)聯(lián)矩陣G=D×FT=(gij)n×k

2 維修人員及操作對象模型

2.1 UML狀態(tài)機模型

UML狀態(tài)機[8-10]描述了一個對象的所有可能生命歷程。一個完整的UML狀態(tài)機包括狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、事件、監(jiān)護(hù)條件和動作，圖形化表示如圖2所示。

圖2 單個對象的狀態(tài)變遷

2.2 維修人員模型

定義2 維修人員狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型形式化描述為一個六元組psi=(X,S,δ,S0,F)。

X為驅(qū)動狀態(tài)變化的事件集合；S為維修人員狀態(tài)集合；δ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；S0(S0∈S) 為初始狀態(tài)；F為終止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)維修人員pi接收到任務(wù)分配模型下達(dá)的任務(wù)指令xi(xi∈X)，維修人員由狀態(tài)空閑s通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ變?yōu)闋顟B(tài)忙碌s′，s′=δ(s,xi)。

對維修人員空閑和忙碌兩種狀態(tài)進(jìn)行定義：

(1)維修人員處于待工狀態(tài)稱為空閑，可分為“真”空閑和“偽”空閑；

“真”空閑：維修人員所負(fù)責(zé)的維修活動全部執(zhí)行完成；

“偽”空閑：維修人員所負(fù)責(zé)的維修活動存在沒有執(zhí)行的。

(2)維修人員正在操作某項維修活動稱為忙碌。

串行協(xié)同維修：即維修操作順序是不可逆的，只有前一維修操作執(zhí)行完，后一維修操作才能觸發(fā)。

并行協(xié)同維修分為兩種：①多個維修操作之間無關(guān)聯(lián)，可以同時執(zhí)行；②多個維修操作之間有關(guān)聯(lián)，必須同時執(zhí)行。

競爭協(xié)同維修：某維修活動的執(zhí)行有多種方式，當(dāng)維修人員pi和pj所在維修場景中的維修操作都可以觸發(fā)同一維修活動時，則維修人員pi和pj存在競爭關(guān)系。

2.3 操作對象模型

定義3 操作對象模型形式化描述為一個二元組oj=(osj,oIj)，oj∈O，O={o1,o2,…,on} 為操作對象集合，osj為操作對象狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，oIj為操作對象oj與其它操作對象、維修人員的行為交互模型。

定義4 操作對象狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型形式化描述為一個八元組osj=(IP,OP,X,Y,S,δ,S0,F)。

IP為輸入接口；OP為輸出接口；X為輸入信號集；Y為輸出信號集；S、δ、S0、F表示的意義與維修人員狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型中的意義相同。當(dāng)有輸入信號xj(xj∈X) 作用于操作對象oj時，操作對象的狀態(tài)s通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)δ變?yōu)閟′并產(chǎn)生輸出信號yj(yj∈Y)，s′=δ(s,xj)。 操作對象的輸入信號來自維修人員操作其本身產(chǎn)生的信號及其它操作對象產(chǎn)生的輸出信號。操作對象oj與其它操作對象、維修人員通過輸入輸出接口進(jìn)行信息交互。

定義5 行為交互模型形式化描述為一個二元組oIj=(OC,OT)。

從鄰接矩陣中可知，在每一操作對象對應(yīng)的列中，其值為1的元素所在的行對應(yīng)的操作對象為列對應(yīng)的操作對象的約束條件。

(2)OT為操作對象oj與其它操作對象、維修人員的行為交互函數(shù)，若oj位于維修場景zg(zg∈Z), 則oj=OT(Oaij=1,Pfkg=1,X)，表示oj與Oaij=1、Pfkg=1的行為交互，X為oj的輸入信號集，包括Oaij=1的輸出信號和Pfkg=1的操作信號。Oaij=1={oi|oi∈O且aij=1,i=1,2,…,n}，Pfkg=1={pk|pk∈P且fkg=1,k=1,2,…,m}。

3 交互狀態(tài)機模型

由于一個UML狀態(tài)機只能描述一個對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，完成一個維修任務(wù)要包括多個維修人員、多個操作對象及多個維修場景，因此本文通過將行為交互模型與狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型進(jìn)行融合建立交互狀態(tài)機模型,以滿足不同維修場景之間的交互和狀態(tài)變遷。

定義6 交互狀態(tài)機描述為一個八元組I_SM=(E,ES,EZ,X,T,φ,ES0,ESF)。

(1)E={O,P} 為實體對象集，其中O為操作對象集，P為維修人員集；

(2)ES={OSO,PSP} 為實體對象集的所有狀態(tài)集合，其中OSO為操作對象集的所有狀態(tài)集合，OSO=(O×SO)，OiSOp表示操作對象Oi的狀態(tài)為SOp；PSP為維修人員集的所有狀態(tài)集合，PSP?(P×SP)，PkSPq表示維修人員Pk的狀態(tài)為SPq；

(3)EZ={OZ,PZ} 為實體對象集所在的維修場景集，OZ為操作對象集所在的維修場景集合，OZ?(O×Z)，OiZp表示操作對象Oi屬于維修場景Zp；PZ為維修人員集所在的維修場景集合，PZ?(P×Z)，PkZq表示維修人員Pk處于維修場景Zq；

(4)X={XO,XP} 為觸發(fā)實體對象狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸入信號、輸入事件集，XO為觸發(fā)操作對象狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸入信號、輸入事件集，XP為觸發(fā)維修人員狀態(tài)轉(zhuǎn)移的輸入事件集；

(5)T=X[G]/A為實體對象狀態(tài)變遷集，G為監(jiān)護(hù)條件，是一個布爾表達(dá)式，只有為true時，狀態(tài)才能遷移，A為效果動作[8]；

(6)φ為操作對象間的遷移函數(shù)，若Oj位于維修場景Zg，則φ(Ocij=1Srpq=1,Pfkg=1Spb,X)=(OjSOjq,Pfkg=1Spf) 表示Ocij=1Srpq=1到OjSOjq的變遷，操作Oj的維修人員Pfkg=1狀態(tài)由忙碌SPb變?yōu)榭臻eSPf，其中Ocij=1SOrpq=1={OiSOep|OiSOep∈OSO且cij=1且e=i且rpq=1,i=1,2,…,n,p=1,2,…,N}，Pfkg=1SPb={PkSPb|Pk∈P且fkg=1,k=1,2,…,m}。 若i=j，φ(OjSOjp,Pfkg=1SPb,X)=(OjSOjq,Pfkg=1SPf) 表示對象Oj的狀態(tài)變遷；

(7)ES0={OSO0，PSO0} 為實體對象集的初始狀態(tài)集合，其中OSO0為操作對象集的初始狀態(tài)集，PSP0為維修人員集的初始狀態(tài)集；

(8)ESF={OSOF,PSPF} 為實體對象集的終止?fàn)顟B(tài)集合，其中OSOF為操作對象集的終止?fàn)顟B(tài)集，PSPF為維修人員集的終止?fàn)顟B(tài)集。

狀態(tài)機可以通過狀態(tài)機圖進(jìn)行圖形化描述，因此可以基于狀態(tài)機的狀態(tài)機圖建立交互狀態(tài)機的交互狀態(tài)機圖。

交互狀態(tài)機圖包括實體對象、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、事件、實體對象間的交互、維修場景，圖形化表示如圖3所示，Z1、Z2表示維修場景；O1S11、O2S21、O3S31表示操作對象O1、O2、O3的狀態(tài)分別為S11、S21、S31；P1Sb、P1Sf、P2Sb、P2Sf表示維修人員P1、P2忙碌和空閑兩種狀態(tài)；OiSip與OjSjq之間的有向弧表示操作對象間的交互；T為操作對象的狀態(tài)變遷集；指向PkSf的弧表示操作對象對維修人員的“釋放”，相反則由PkSb指向T的弧表示操作對象對維修人員的“占用”。

圖3 不同場景中實體對象間的狀態(tài)變遷

4 仿真實例

將建立的模型在分布式虛擬維修仿真平臺上進(jìn)行仿真驗證，以TSM TASK-34-11-00-810-801 Loss of the 26VAC Power Supply of the ADIRU1為例進(jìn)行仿真分析。

將維修任務(wù)分解為不可再分的維修活動，包括①ADIRU旋鈕設(shè)在NAV位(駕駛艙)；②MCDU上ADR的接口測試(駕駛艙)；③領(lǐng)取工具(機庫)；④在822艙門附近放平臺(機庫)；⑤打開822艙門(機庫)；⑥擰松105VU保護(hù)蓋上的兩個螺母(822電子設(shè)備艙)；⑦拆卸保護(hù)蓋(822電子設(shè)備艙)；⑧斷開105VU上的C02跳開關(guān)(822電子設(shè)備艙)；⑨斷開49VU上的F06、F07跳開關(guān)(駕駛艙)；⑩在824艙門附近放平臺(機庫)；打開824艙門(機庫)；擰松螺帽(824電子設(shè)備艙)；放低螺帽(824電子設(shè)備艙)；斷開電插頭(824電子設(shè)備艙)；拆下ADIRU1(824電子設(shè)備艙)；在電插頭上放堵蓋(822電子設(shè)備艙)。ADIRU1的安裝與拆卸步驟相反，這里不再描述，當(dāng)安裝成功后會進(jìn)行與上述步驟相反的工作并再進(jìn)行一遍ADR1的接口測試，這里也不再描述。

假設(shè)駕駛艙Z1的維修活動由P1完成，機庫Z2的維修活動由P2、P3配合完成，822電子設(shè)備艙Z3的維修活動由P3完成，824電子設(shè)備艙Z4的維修活動由P3完成。

依據(jù)交互狀態(tài)機模型建立如圖4所示的ADIRU故障排除的協(xié)同維修仿真模型，并在分布式虛擬維修仿真平臺上對模型進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果的部分效果如圖5所示。T1表示步驟①，O1S11表示ADIRU旋鈕在NAV位；T2表示步驟②，O2S21表示MCDU顯示故障信息；T3表示步驟③，O3S31表示工具離位；T4表示步驟④，O4S41表示平臺在822艙門附近；T5表示步驟⑤，O5S51表示822艙門打開；T6表示步驟⑥，O6S61表示105VU保護(hù)蓋上的兩個螺母已擰松；T7表示步驟⑦，O7S71表示保護(hù)蓋已拆下；T8表示步驟⑧，O8S81表示105VU上的C02跳開關(guān)斷開；T9表示步驟⑨，O9S91表示 49VU上的F06、F07跳開關(guān)斷開；T10表示步驟⑩，O10S101表示平臺在824艙門附近；T11表示步驟，O11S111表示824艙門打開；T12表示步驟，O12S121表示螺帽已擰松；T13表示步驟，O12S122表示螺帽已放低；T14表示步驟，O13S131表示電插頭斷開；T15表示步驟，O14S141表示ADIRU1拆下；T16表示步驟，O15S151表示堵蓋在電插頭上。

圖4 ADIRU故障排除過程模型

圖5 ADIRU故障排除過程仿真效果

5 結(jié)束語

本文提出了一種適用于飛機協(xié)同維修仿真的交互狀態(tài)機模型，彌補了原狀態(tài)機只能描述單一對象狀態(tài)變遷過程的不足，并能滿足飛機不同維修場景間的交互。通過以ADIRU故障排除為實例進(jìn)行建模及仿真，驗證了該模型能夠滿足多場景的飛機協(xié)同維修仿真建模要求及不同維修任務(wù)的協(xié)同操作。模型具有直觀性和普適性，能夠清晰表達(dá)不同維修場景中操作對象、維修人員之間的行為交互和狀態(tài)變遷，并且可以實現(xiàn)飛機協(xié)同維修仿真中實體對象的快速建模。