基于Arena 的飛行前機務準備流程仿真與優(yōu)化研究

■ 侯龍博 史貝貝 鄧永紅 邢鴻盼/中國飛行試驗研究院

0 引言

飛行前機務準備工作是試驗機外場機務保障的重要內(nèi)容，保障效率的高低會影響飛行試驗的效率和機場利用率，部隊試飛時則嚴重制約部隊的作戰(zhàn)效能指標。因此，研究飛行前機務準備的優(yōu)化方法，對于提高飛機出動強度、充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能具有重要的意義。

在飛行前機務準備過程中，各項工作的發(fā)生時間和完成時間是離散不確定的，屬于離散事件，因此飛機的飛行前機務準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 具有較強的分析能力，能夠較好地對離散事件進行描述[1]；可視化集成仿真環(huán)境 Arena 將專用仿真語言、通用過程語言和仿真器的優(yōu)點有機結(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[2]。流程優(yōu)化有系統(tǒng)化改造法和全新設(shè)計法兩種方法。系統(tǒng)改造法具有速度快、費用節(jié)省的優(yōu)點，逐漸積累經(jīng)驗，相比于全新設(shè)計法更易取得實在的成效，同時風險低，所以本文選用系統(tǒng)改造法進行流程優(yōu)化[3]。

1 建模仿真理論

1.1 隨機 Petri 網(wǎng)

SPN 是在 Petri 網(wǎng)中引入時間約束，即在每個變遷可實施和實施間定義一個隨機的延遲時間[4]。

SPN 是一個七元組，SPN=（S，T，F(xiàn)，K，W，M0，λ），其中：

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

2）λ=（λ1，λ2，…，λm） 為 變 遷平均實施速率集合。λi為變遷ti∈T的平均實施速率，表示在可實施的情況下變遷ti單位時間內(nèi)平均實施的次數(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，許多文獻對面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)（OOPN）進行了定義[4]，基于面向?qū)ο驪etri 網(wǎng)的定義是OOPN=（O，R），其中O 為基本對象和復合對象的集合，復合對象用于描述系統(tǒng)中的層次關(guān)系：R 是關(guān)系集合，表示為 R=（G，MPin，MPout， Fs），G 為各對象子網(wǎng)間的門變遷的集合，MPin是輸入消息庫所集合，MPout是輸出消息庫所集合，F(xiàn)s 是門變遷與相應消息庫所之間的流關(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（如時間概念、調(diào)度規(guī)則、禁止弧等），這些元素的加入增強了模型的描述能力。

2 實例分析

2.1 飛行前機務準備流程分析

飛機的外場專業(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：進行飛機準備工作、檢查機身開關(guān)按鈕狀態(tài)，時間分布為 Tr（2.5，3.5，4），用ttj11 表示；檢查飛機狀態(tài)、蓋好進氣口蓋，時間分布為Tr（2，3，5），用ttj12 表示；全機系統(tǒng)復查，時間分布為Tr（11.5，13，14），用ttj13 表示：準備放飛，時間分布為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，時間分布為Tr（2，3，4），用ttj21 表示；添加燃油，時間分布為Tr（5，6，7.5），用ttj22 表示。

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

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

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

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

需要注意的是：1）加油和通電不能同時進行；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 飛行前機務準備模型構(gòu)建

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

圖1 為tj1 的OPN 模型，圖中ptj11為庫所，表示“飛機準備工作、檢查機身開關(guān)按鈕狀態(tài)”，其中有一個托肯；ttj11 為變遷，表示“tj1 進行飛機準備工作、檢查機身開關(guān)按鈕狀態(tài)”，其變遷時間為 Tr（2.5，3.5，4） ；其余同理，不再贅述。ptj1o1 為對象tj1 的輸出接口；ptj1i1 為其輸入接口。

圖1 tj1 的OPN模型

圖2 為飛行前機務準備OCN 模型，g1 ～g8 為門變遷。對象通過門變遷聯(lián)系在一起。tj1 完成除準備放飛外的工作、tj2、th1、th2 完成本專業(yè)工作、tj1、tj2 完成本專業(yè)工作后通過門變遷g7 發(fā)信號給對象th2，th2 完成本專業(yè)工作后通過門變遷g4 發(fā)信號給對象th1，th1 完成本專業(yè)工作后通過變遷門g6 發(fā)信號給對象tl1，tl1 完成本專業(yè)工作之后通過變遷門g5 發(fā)信號給對象tr1，tr1完成本專業(yè)工作之后通過變遷門g3 發(fā)信號給對象tj1，然后tj1 進行準備放飛工作；在模型中加入門變遷 g1、g2 表示加油和通電不能同時進行。以門變遷g2 為例，與g2 相連的是庫所ptj22b 和pth22a，變遷ttj22 發(fā)生需要庫所ptj22b中有一個托肯，變遷tth22a 發(fā)生需要庫所pth22a 中有一個托肯，但是在這兩個庫所中只有ptj22b 有一個托肯，ttj22、tth22 先到達者占用托肯，假如ttj22 比tth22 先到達，則ttj22 占用托肯，tth22處于等待狀態(tài)，ttj22 實施后，釋放托肯，然后tth22 占用托肯，此時tth22 可實施。當th1 完成飛機通電檢查后，通過門變遷g6 發(fā)信號給tl1，tl1 完成通電檢查后通過變遷門g5 發(fā)信號給tr1，這樣tl1 和tr1 才能進行聯(lián)試飛機通電檢查；門變遷g8 表示tj1 通電與th1 通電不能同時進行。

圖2 飛行前機務準備的 OCN 模型

2.3 飛行前機務準備仿真

結(jié)合上述構(gòu)建的模型，在Arena 中建立飛機飛行前機務準備的仿真模型。Arena 是由美國 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，如需要還能與 Visual Basic、C/C++ 通用程序語言相集成[2]。

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

圖3 Simulation Strategy模塊

圖4 Receiver模塊

對仿真模型仿真運行，得到結(jié)果，飛機飛行前機務準備最短時間為0.7983h，平均準備時間為0.8796h，最長時間為0.9550h，與主機廠所實際飛行前機務準備時間相近，所以文中建立的模型是正確的。

對主機廠所的飛行前機務準備流程進行建模仿真，得到飛行前機務準備時間最短時間為0.8756h，相比縮短了4.6min；平均時間為0.9559h，相比縮短了4.6min；最長時間為1.0295h，縮短了4.5min，見表1。

表1 仿真報表數(shù)據(jù)匯總

3 總結(jié)

利用OOPN 和SPN 建立了飛機當前飛行前機務準備的模型，在過程仿真軟件Arena 中對建立的模型進行仿真并對仿真結(jié)果進行了分析，充分證明我院在該型機人員配置的合理性。分析表明，該型飛機人員配置在飛行機務準備時間較主機廠所的準備時間明顯縮短，人員之間的工作量均衡問題得到明顯改善（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進行機務保障的人員配置提供參考。例如，兩架飛機進行機務準備時，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，針對機型種類多、人員配置多變復雜的情況，該模型的數(shù)據(jù)對機務保障人員配置具有實際輔助及參考意義。