飛機協同維修仿真的交互狀態機模型

董健康，姜乃心，耿 宏

(中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300)

0 引 言

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

1 操作對象-維修場景-維修人員關系模型

在進行機務維修培訓時，訓練人員根據維修手冊中的維修任務進行維修訓練，每個維修任務都有其對應的任務號，每個任務號下包含許多維修操作。這里將維修任務進行劃分直到維修任務不可再分，將不可再分的維修任務統稱為維修活動。

由于飛機有許多獨立的空間組成，即維修場景，而每個維修任務幾乎都涉及多個維修場景，即每個維修任務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的場景中時才執行任務，因此操作對象、維修場景、維修人員之間存在關系，其關系如圖1所示。

圖1 操作對象-維修場景-維修人員的關系

設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} 為操作對象所對應的維修場景集合。

(1)操作對象與維修場景之間的關系可以用關聯矩陣D=(dij)n×k表示

(2)維修場景與維修人員之間的關系可以用關聯矩陣F=(fij)k×m表示

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

2 維修人員及操作對象模型

2.1 UML狀態機模型

UML狀態機[8-10]描述了一個對象的所有可能生命歷程。一個完整的UML狀態機包括狀態、轉換、事件、監護條件和動作，圖形化表示如圖2所示。

圖2 單個對象的狀態變遷

2.2 維修人員模型

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

X為驅動狀態變化的事件集合；S為維修人員狀態集合；δ為狀態轉移函數；S0(S0∈S) 為初始狀態；F為終止狀態。當維修人員pi接收到任務分配模型下達的任務指令xi(xi∈X)，維修人員由狀態空閑s通過狀態轉移函數δ變為狀態忙碌s′，s′=δ(s,xi)。

對維修人員空閑和忙碌兩種狀態進行定義：

(1)維修人員處于待工狀態稱為空閑，可分為“真”空閑和“偽”空閑；

“真”空閑：維修人員所負責的維修活動全部執行完成；

“偽”空閑：維修人員所負責的維修活動存在沒有執行的。

(2)維修人員正在操作某項維修活動稱為忙碌。

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

并行協同維修分為兩種：①多個維修操作之間無關聯，可以同時執行；②多個維修操作之間有關聯，必須同時執行。

競爭協同維修：某維修活動的執行有多種方式，當維修人員pi和pj所在維修場景中的維修操作都可以觸發同一維修活動時，則維修人員pi和pj存在競爭關系。

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為操作對象狀態轉移模型，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 操作對象狀態轉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轉移模型中的意義相同。當有輸入信號xj(xj∈X) 作用于操作對象oj時，操作對象的狀態s通過狀態轉移函數δ變為s′并產生輸出信號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生的信號及其它操作對象產生的輸出信號。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的列中，其值為1的元素所在的行對應的操作對象為列對應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，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 交互狀態機模型

由于一個UML狀態機只能描述一個對象的狀態轉移，完成一個維修任務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轉移模型進行融合建立交互狀態機模型,以滿足不同維修場景之間的交互和狀態變遷。

定義6 交互狀態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集合，其中OSO為操作對象集的所有狀態集合，OSO=(O×SO)，OiSOp表示操作對象Oi的狀態為SOp；PSP為維修人員集的所有狀態集合，PSP?(P×SP)，PkSPq表示維修人員Pk的狀態為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} 為觸發實體對象狀態轉移的輸入信號、輸入事件集，XO為觸發操作對象狀態轉移的輸入信號、輸入事件集，XP為觸發維修人員狀態轉移的輸入事件集；

(5)T=X[G]/A為實體對象狀態變遷集，G為監護條件，是一個布爾表達式，只有為true時，狀態才能遷移，A為效果動作[8]；

(6)φ為操作對象間的遷移函數，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狀態由忙碌SPb變為空閑SPf，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的狀態變遷；

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

(8)ESF={OSOF,PSPF} 為實體對象集的終止狀態集合，其中OSOF為操作對象集的終止狀態集，PSPF為維修人員集的終止狀態集。

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

交互狀態機圖包括實體對象、狀態、轉換、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；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為例進行仿真分析。

將維修任務分解為不可再分的維修活動，包括①ADIRU旋鈕設在NAV位(駕駛艙)；②MCDU上ADR的接口測試(駕駛艙)；③領取工具(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保護蓋上的兩個螺母(822電子設備艙)；⑦拆卸保護蓋(822電子設備艙)；⑧斷開105VU上的C02跳開關(822電子設備艙)；⑨斷開49VU上的F06、F07跳開關(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電子設備艙)；放低螺帽(824電子設備艙)；斷開電插頭(824電子設備艙)；拆下ADIRU1(824電子設備艙)；在電插頭上放堵蓋(822電子設備艙)。ADIRU1的安裝與拆卸步驟相反，這里不再描述，當安裝成功后會進行與上述步驟相反的工作并再進行一遍ADR1的接口測試，這里也不再描述。

假設駕駛艙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電子設備艙Z3的維修活動由P3完成，824電子設備艙Z4的維修活動由P3完成。

依據交互狀態機模型建立如圖4所示的ADIRU故障排除的協同維修仿真模型，并在分布式虛擬維修仿真平臺上對模型進行仿真，其仿真結果的部分效果如圖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保護蓋上的兩個螺母已擰松；T7表示步驟⑦，O7S71表示保護蓋已拆下；T8表示步驟⑧，O8S81表示105VU上的C02跳開關斷開；T9表示步驟⑨，O9S91表示 49VU上的F06、F07跳開關斷開；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 結束語

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