基于改進謂詞/變遷網的飛行方式指示器模型研究

郝 磊 耿 宏

1(中國民航大學基礎實驗中心 天津 300300)2(中國民航大學電子信息與自動化學院 天津 300300)

0 引 言

FMA指示飛機當前和即將采用的飛行方式,在空客系列飛機中,顯示在主飛行顯示器(Primary Flight Display,PFD)內正上方。FMA對飛行員掌控飛機的飛行狀態具有重要作用。

本文作者所在的研發團隊已自主研制出空客320機務維護模擬機,并獲得民航局認可,多年來在多所航空類院校及航空公司用于教學和培訓。空客320機務維護模擬機模擬飛機的地面狀態,支持操作、測試、勤務、拆裝、試車、排故等訓練科目,滿足民用航空器維修培訓機構合格審定規定(CCAR-147)培訓要求。然而,在實際的機務專業培訓中,往往需要受訓人員掌握基本的飛行操作,以使飛機處于飛行狀態,觀察不同等級的機載設備故障在各飛行階段的故障效應,訓練飛行中故障的應急處理程序,飛機落地后,能夠根據駕駛艙儀表記錄查閱飛機維護手冊,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機務維護模擬機的飛行仿真功能提出了要求。

國內外已有多家模擬機制造商的機務維護模擬機產品包含飛行仿真功能,但凡已獲得民航局認可的,均是購買了波音或空客公司數據包,并在此基礎上完成模擬機開發的。在數據包的支持下,模擬機可便捷地實現飛行仿真及駕駛艙內各儀表指示,但這使其產品嚴重受限于國外飛機制造廠商,難以自主開發適合國內受訓人員的實驗實訓項目,而且受數據包影響,模擬機成本較高。

對于飛行仿真的研究,國內研究成果大多偏向于飛行視景仿真[1-2]和動力學模型仿真[3-4],對飛行狀態下駕駛艙儀表仿真的研究很少[5-6],更未見到對FMA建模、仿真的相關研究。而國外對FMA僅有的幾項研究成果均是在飛行安全的角度分析FMA顯示方式對飛行員的影響,并在儀表設計角度提出改進方案[7-9],如將FMA置于遮光板位置,以減少飛行員注視時間和主觀工作量[7-8],或新開發一種包含FMA功能的自動飛行系統界面,通過顯示內容和方式的優化,提高飛行員的飛行模式意識[9]。除此以外,未見到國外對FMA建模、仿真的相關研究。

在此背景下,本文以實現自主研制的空客320機務維護模擬機飛行仿真功能為目標,對FMA系統建模開展研究。

1 FMA指示內容及建模分析

FMA指示內容分五項,每項占據一列,每一列可顯示三行內容,如圖1所示。對于前三列,自上而下,第一行以綠色表示油門控制或飛行制導處于“接通”狀態的飛行方式,第二行以藍色表示其處于“待命”狀態的飛行方式,第三行則適時顯示一些附加說明;對于后兩列,每一行指示不同系統的狀態,彼此并不相關。

圖1 FMA指示內容

為提醒飛行員飛行方式的改變,在每個方式改變后,FMA將在新的信號周圍顯示一白色方框達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”,主要事件為飛行方式的變遷,該變遷是并發、異步的,且跟隨飛機的飛行狀態,具有一定的隨機性。

對于此類系統,“Petri網”往往是一種恰當且有效的建模方法,但前提是該系統復雜度不能太高[10-11]。FMA指示的飛行方式數量眾多,伴隨著飛行階段和飛行環境的變化,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和多個機載系統的運行邏輯有著復雜的關系。如果使用原始Petri網建模,將導致系統模型極其龐大,以致無法仿真實現。

對此類情況,往往考慮使用“高級網系統”建模,以簡化系統模型。“有色網系統”和“謂詞/變遷系統”同屬高級網系統[10],與有色網系統通過顏色對個體分類再統一處理[12-13]的方式不同,謂詞/變遷系統引入謂詞,為每個個體命名,在對個體或變遷分類處理時,更加關注每個個體的狀態變化[10,14-17]。

周新宇[12]利用顏色Petri網模型,對生產者-消費者多線程同步問題進行建模,有效降低了原始Petri網模型的復雜度;葛敬軍[13]對FMS物流系統運行低效問題,提出了基于對象的擴展有色Petri網(ECPN)分析模型,解決了多AGV死鎖控制問題,提高了系統運行效率;張正坤等[14]以鐵路編組站配流的模擬和優化為目標,利用高級Petri網中的Pr/T_系統,引入時間參數T,擴充為TPr/T_系統,進而建立TPr/T_系統的編組站配流模型,很好地描述和刻畫了編組站作業過程;李望等[15-17]為了建立能跟蹤列車、進路、股道變化蹤跡且與車站站場布局及結構無關的車站通用模型,比較了有色Petri網和謂詞/變遷網的優劣,最終因其通用模型更關注個體的變化而選擇使用了謂詞/變遷網建模,并考慮列車運行仿真中個體狀態變化與時間的聯系,引入時間參數T,建立了TPr/T-S,順利完成了系統的建模仿真工作。

“更關注每一個個體的狀態變化”,是高級網系統中謂詞/變遷網相對于有色Petri網所具備的特點[10,14-20]。空客320的FMA建模與仿真,我們關注每一個飛行方式隨飛機狀態的變化,即飛行方式的變遷,因此,FMA更適合使用謂詞/變遷網建模。

2 FMA指示特點及建模對策

“在每個方式改變后,FMA將在新的信號周圍顯示一白色方框(以下簡稱‘信號框’)達10 s”是FMA顯示邏輯中的典型特點。該特點包含兩方面含義:(1) 每一個飛行方式改變后,都會跟隨一個“信號框顯示事件”;(2) “信號框顯示事件”中包含“時間”要素。

對第(1)方面內容,如果直接利用謂詞/變遷網建模,需要在每一個飛行方式改變后,都激活一個新的變遷,使信號框呈“顯示”狀態,計時10 s后,再使信號框呈“隱藏”狀態。飛機啟動后,飛行方式變化頻繁,該特點極大增加了系統網絡模型的復雜度。也就是說,即使用“高級網系統”建模,網絡模型仍會由于重復性的“信號框顯示事件”而龐大,以致仿真程序繁雜且冗余[21-23]。實際上,FMA這一特點可歸納為“系統中每一次狀態更新都會激活同一個新事件”,在離散事件系統中,這是普遍現象,如民航客機不同機載系統的任一相同級別故障都會激活相同的故障報警程序,大型商場的任何一個煙霧探測報警器探測到火災煙霧都會觸發商場的火災處置程序等。本文將首先站在離散事件系統的角度,改進傳統的謂詞/變遷網,通過對重復激活事件的封裝處理,建立通用型二階謂詞/變遷網,降低此類事件模型的復雜度,再對FMA建模仿真。

對第(2)方面內容,通常做法是在原始Petri網中引入時間要素,定義新的Petri網模型,如文獻[14-17]。但袁崇義[10]在《Petri網原理與應用》一書中明確表示,Petri網現有的要素已完全可以描述所有建模對象,不鼓勵在模型中引入新要素的做法,鼓勵通過完善建模對象的“數據結構”表達,提高Petri網的適用性,這也是Petri網創始人Carl Adam Petri的觀點。本文將保持現有的Petri網要素不變,為建模對象建立完善的“數據結構”,將時間要素置于變遷事件中,達到建模仿真的目的。

3 通用型二階謂詞/變遷網

本節面向離散事件系統,建立通用型二階謂詞/變遷網。

如上文所述,對FMA系統,若使用傳統謂詞/變遷網建模,由于“信號框顯示事件”頻發,仍會導致系統模型復雜。據前文分析,所有“信號框顯示事件”有共同點:由系統狀態的變化而激活,有固定的顯示時長和統一的白色方框;也有不同點:由于系統狀態不同,導致信號框顯示位置不同、大小不同等。可以看出,“信號框顯示事件”相對獨立,是可以被“封裝”的。

考慮離散事件系統中的此類事件,本文在Petri網結構的基礎上,提出繼發網。

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

(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,可以看出繼發網N2與有向網N1的不同。繼發網N2中,T2不僅完成N2的內部變遷,更超越出N2封閉的網絡結構,連接P1和P2兩個庫所集,該連接中的資源流動,由F2規定。

可用圖3簡單表示上述變遷過程。

圖3 有向網到繼發網的變遷過程

根據繼發網定義,可由有向網N1描述系統運行,P1包含系統所有狀態信息。N1中變遷事件T1的每一次激活都會引發庫所集P1的更新。當P1更新導致事件T2被激活時,N1描述的系統運行不受影響,同時P1中的資源通過流關系F2流向P2,N2的庫所集P2更新。由于F2連接了N1和N2,所以N2并不是一個封閉的網絡,是非有向網。

繼發網將有向網中重復發生的變遷事件封裝為一個可復用的、獨立的網結構,并與原有向網相連。對任意離散事件系統,傳統謂詞/變遷網中重復的網結構被化簡為不同流關系控制下的繼發網的復用,進而解決了傳統謂詞/變遷網模型中“系統中每一次狀態更新都會激活同一個新事件”帶來的網結構繁雜問題,使復雜系統的建模仿真變為可行。

將繼發網概念融入謂詞/變遷系統,即建立通用型二階謂詞/變遷網。

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

(1)N=(P,T;F)為有向網,稱為Σ的基網,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;N2為N1的繼發網。

(3)D為非空有限集,稱為Σ的個體集;D上有給定的運算符集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t∈T,AT(t)只能含靜態謂詞和Ω中的運算符。

(7)AF:F→fS,其中fS是D的符號和集,對n元謂詞p∈P,若(p,t)∈F或(t,p)∈F,則AF(t,p)或AF(p,t)為n元符號和。對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n元謂詞p∈P,M0(p)是n元符號和。

4 空客320飛機的FMA模型

依據通用型二階謂詞/變遷網的定義,可以建立空客320飛機的FMA系統模型Σ1,如圖4所示。

圖4 空客320飛機FMA系統模型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: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;p3代表“說明”,表示顯示一些附加說明;p4代表“隱藏”,表示對應的顯示信息隱藏。

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、機載系統運行、機載系統故障等,機載設備操作及運行邏輯復雜,事件數量不可獲知。

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

FMA中信號框顯示的觸發方式是一致的,即任意一個飛行方式的改變,都會觸發對應位置的信號框顯示。考慮這一點,可以將T2簡化。重定義T2為:

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

4.1 Σ1的論域

Σ1的論域即為Σ1的個體集D。對FMA系統,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目;Si表示與Qi對應的第i種飛行方式激活后顯示的“信號框”。

Qi={Contenti,Columni,Statusi,Inputi,Flashi},結構體中各成員含義如下:

Contenti:FMA中第i種飛行方式的顯示內容。

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。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,藍色文字;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”作區分,而在不同位置指示不同系統狀態:若其處于“激活”狀態,采用白色文字;若處于“待命”狀態,采用藍色文字。綜合這五列信息,顯示信息的內容、位置(或狀態)和顏色具有唯一的對應性,因此,無須再將顯示內容的“顏色”作為單獨項在數據結構中列出。

Inputi:第i種飛行方式中包含的輸入值,往往由對應的機載系統提供。針對全部五列信息,采用藍色文字。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計算機提供的,顯示為藍色文字。如果第i種飛行方式中沒有輸入數據,則Inputi取“NULL”。

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

Si={Rowi,Columni,Rowsi,Columnsi,Statusi},結構體中各成員含義如下:

Rowi:信號框左上角位置對應的行序號。

Columni:信號框左上角位置對應的列序號。

Rowsi:信號框占據的行數。

Columnsi:信號框占據的列數。

Statusi:有“顯示”和“隱藏”兩種取值,代表信號框的顯示和隱藏狀態。

4.2 Σ1的謂詞

Σ1中包含六個一元謂詞:“激活”“待命”“說明”“信息隱藏”“信號框顯示”和“信號框隱藏”。

某飛行方式被激活,謂詞“激活”成真、“信號框顯示”成真;某飛行方式待命,謂詞“待命”成真、“信號框顯示”成真;FMA顯示說明信息,謂詞“說明”成真、“信號框顯示”成真;FMA的飛行方式信息隱藏,謂詞“信息隱藏”成真;FMA的信號框隱藏,謂詞“信號框隱藏”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。個體Qi的狀態變化均通過事件T1激活,其參數通過流關系F1流入或流出。

tj={Conditionj,Operationj,Objectj,Effectj},各成員含義如下:Conditionj代表第j個事件發生的條件;Operationj代表第j個事件的具體操作;Objectj代表第j個事件的操作對象;Effectj代表第j個事件產生的效果。

需要說明的是,事件tj的運行邏輯為空客320機載系統的基本屬性,空客320機務維護模擬機在研制過程中已獲知機載系統運行原理,建立“機載系統功能模型”。事件tj通過機載系統功能模型仿真實現,各成員沒有固定取值。本文在機載系統功能模型基礎上,重點研究飛行仿真中的FMA系統模型,模型仿真結果屬事件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機務維護模擬機中實現并得到充分驗證。限于篇幅,飛行仿真中機載系統運行原理及功能模型在本文不做深入研究。

5 系統仿真驗證

本文基于繼發網構造了面向離散事件系統的二階謂詞/變遷網通用模型,并對空客320機務維護模擬機建立了FMA系統的二階謂詞/變遷網模型,下面對系統進行仿真驗證。

5.1 系統仿真流程

采用基于繼發網構造的二階謂詞/變遷網模型對FMA仿真的流程如圖5所示。

圖5 FMA二階謂詞/變遷網模型仿真流程

可以看出,空客320機務維護模擬機系統上電后,FMA系統進入初始狀態,在機載系統功能模型的驅動下,若未激活任何變遷事件,則FMA指示保持不變;若機載系統運行狀態發生變化,則“飛行方式變遷事件”T1可能被激活,二階謂詞/變遷網模型中的流關系F1規定了變遷事件中的資源流動,在仿真時,F1體現為i、j、r、c、m、f六個參量,分別表示變遷的飛行方式所在的行序號i、列序號j、所占行數r、所占列數c、信息內容m和信息是否閃爍f,由它們描述變遷事件發生前后FMA相應飛行方式的指示狀態。可將“飛行方式變遷事件”T1封裝為一個函數Ffm=f1(i,j,r,c,m,f),每當T1被激活,函數Ffm執行,實現飛行方式的改變及FMA指示的更新。

飛行方式改變后,系統將i、j、r、c四個參量傳遞給“信號框顯示事件”T2,表示該“飛行方式變遷事件”引起的“信號框顯示事件”中要顯示的信號框左上角位置的行序號i、列序號j、信號框所占行數r和所占列數c。將T2封裝為函數Fsqure=f2(i,j,r,c),飛行方式改變后,函數Fsqure執行,實現在FMA的對應位置顯示10 s信號框。

至此,FMA指示呈現新的狀態,并等待下一次變遷事件的發生。仿真程序運行中,FMA指示伴隨著飛行方式的變遷,在狀態更新和狀態維持中往復,實現飛機在各狀態下FMA指示的仿真。

5.2 系統仿真結果

圖6是本文作者所在研發團隊自主研制的空客320機務維護模擬機。本節將選取該模擬機飛行仿真中具有代表性的幾個飛行階段,展示FMA建模及仿真結果。

圖6 空客320機務維護模擬機

(1) 慣導系統校準后的初始狀態。圖7是飛機的主飛行顯示器,FMA位于其內正上方,白色方框標注的部分。圖7中顯示飛機剛剛完成慣導系統校準后,FMA初始狀態的仿真結果:

圖7 空客320的PFD校準后狀態

第一列(油門控制),發動機還未啟動,顯示為空;第二列(垂直引導),由于還未設置目標高度,高度保持(“ALT”)方式激活;第三列(橫向引導),導航(“NAV”)方式待命;第四列(進近能力、DH或MDA),飛機在進近狀態時才有顯示內容,目前顯示為空;第五列(自動駕駛儀、飛行指引儀及自動推力的接通狀態),兩套飛行指引儀FD1、FD2打開,“1FD2”方式激活。

(2) 飛機在滑行狀態。如圖8所示,第一列,發動機已啟動,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)。由上下兩幅截圖對比可以看到“RWY”方式激活后信號框顯示到隱藏的過程。

圖8 飛機在滑行狀態FMA指示(含信號框變化過程)

飛機在滑行狀態的3D視景展示如圖9所示。

圖9 飛機在滑行狀態3D視景展示

(3) 飛機在爬升狀態。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,導航(“NAV”)方式激活;第五列,第一套自動駕駛儀已打開,“AP1”方式激活,“A/THR”方式激活。

圖10 飛機在爬升狀態FMA指示

飛機在爬升狀態的3D視景展示如圖11所示。

圖11 飛機在爬升狀態3D視景展示

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

圖12 飛機在即將達到巡航狀態FMA指示

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

圖13 飛機達到巡航狀態FMA指示

飛機在巡航狀態的3D視景展示如圖14所示。

圖14 飛機在巡航狀態3D指示

(5) 飛機在下降狀態。本示例中,飛機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。由上下兩幅截圖對比可以看到信號框顯示到隱藏的過程。

圖15 飛機在下降狀態FMA指示(含信號框變化過程)

飛機在下降狀態的3D視景展示如圖16所示。

圖16 飛機在下降狀態3D視景展示

(6) 飛機在進近狀態。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 飛機在進近狀態FMA指示(1)

圖18 飛機在進近狀態FMA指示(2)

圖19 飛機在進近狀態FMA指示(3)

圖20 飛機在進近狀態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:

飛機在進近狀態的3D視景展示如圖21所示。

圖21 飛機在進近狀態3D視景展示

(7) 飛機在著陸狀態。如圖22所示,飛機進入著陸狀態,垂直引導和橫向引導兩列合并,“LAND”方式激活。

圖22 飛機在著陸狀態FMA指示(1)

如圖23所示,飛機落地,開啟發動機反推,發動機反推方式(“ROLL OUT”)激活,飛機進一步減速。

圖23 飛機在著陸狀態FMA指示(2)

飛機在著陸狀態的3D視景展示如圖24所示。

圖24 飛機在著陸狀態3D視景展示

6 結 語

“系統中每一次狀態更新都會激活同一個新事件”是離散事件系統的常見特點。本文對傳統謂詞/變遷網進行改進,提出繼發網的概念,通過對重復激活事件的封裝,建立了通用型二階謂詞/變遷網,解決了具有上述特點的離散事件系統謂詞/變遷網模型結構復雜而難以仿真的問題。通過空客320飛機FMA系統的建模仿真驗證,基于二階謂詞/變遷網的系統仿真模型能夠精準模擬飛行仿真中的FMA功能,這說明二階謂詞/變遷網可行、可用,能有效降低具有該特點的離散事件系統模型復雜度,具有一定的普適性。

經多狀態下的飛行仿真實驗驗證,基于二階謂詞/變遷網開發的FMA系統模型功能完整、可信度高,可承擔空客320機務維護模擬機飛行仿真狀態下的FMA仿真。