基于Mealy 機的航空電子組件仿真模型*

劉家學，李蒙陽

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

0 引言

航空電子組件仿真模型是飛機虛擬維修訓練器的重要組成部分，同時也是飛機維修仿真的主要操作對象之一。建立航空電子組件的仿真模型，對于飛機維修仿真開發具有重要意義［1-2］。

近年來，劉睿等人提出了部件級的故障建模方法，在仿真部件正常功能模型的基礎上通過重構建立故障仿真模型［3］；李冰月等人結合故障樹分析方法，利用Matlab/Simulink 軟件建立了各部件的數值仿真模型，搭建了空調系統故障仿真平臺［4］。何永勃等人通過能量守恒、動量方程和力平衡方程建立引氣系統的故障仿真數學模型［5］。航空電子組件故障種類繁多，其仿真建模是一個不斷迭代的過程，另一方面，至今飛機上的航空電子組件每年仍然有新的故障出現。因此，航空電子組件的仿真模型經常需要進行迭代更新，傳統的基于故障樹、部件級故障建模等方法在系統二次開發時，需要對系統進行重新構建，帶來大量重復工作。

針對上述問題，本文提出了基于Mealy 機的航空電子組件仿真模型。Mealy 機利用其狀態機轉移機制描述新的故障狀態，可以有效降低組件之間的耦合度，在不改變原有系統情況下進行故障更新，提高航空電子組件建模效率。

1 航空電子組件建模

在民航飛機虛擬維修仿真建模場景中，航空電子組件的建模需要滿足以下條件：1）仿真組件在虛擬場景中可以同其他組件互相配合，具備正常的航空電子組件屬性，比如啟動、關閉等。2）為滿足對機務人員的維修訓練需求，可以根據維修工卡內容對仿真組件進行故障設置，組件反應出的故障效果和真實的故障場景一致。3）在虛擬環境中，被培訓人員按照規定的維修步驟，進行故障排查、更換部件等行為，仿真組件可以根據訓練人員的動作，出現相應的響應［6-8］，最終達到逼真的訓練效果。在建立電子組件仿真模型的過程中，綜合考慮效率和速度因素，仿真的模型可以滿足機務維修訓練場景的需求即可，真實組件的原理和仿真不在本次任務中［9-10］。綜上所述，建立了基于Mealy 機的航空電子組件模型，模型可用六元組表示：

2 航空電子組件ECB 行為描述

電子控制盒（Electronic Control Box，ECB）是飛機中一種重要的電子控制組件，它是輔助動力裝置的控制中心，以民航飛機A320 電子控制盒為例，建立基于Mealy 機的航空電子組件仿真模型。以下為ECB 狀態行為描述：

ECB 初始狀態為OFF，第1 階段啟動ECB，需要打開當駕駛艙25VU 面板14KD 開關。ECB 啟動后會依次控制供油泵4QC、進氣口1KD、LP 活門3QF 開始工作，為APU 的啟動做準備工作。

第2 階段啟動APU，此時需要打開駕駛艙25VU 面板2KD 開關。START 開關啟動后，ECB 協調其他電子組件保證APU 順利過渡到平穩期。依次協調的組件包括：起動機、IGV、點火器、燃油電磁活門。在這個過程中，ECB 還需要監控滑油溫度、滑油油壓、APU 轉速、EGT 等指標，在指標異常時隨時做好停車準備。

第3 階段APU 啟動成功。當N＞=95%時，APU處于工作狀態，可以對整個飛機提供電源和引氣。此時AVAIL 指示燈點亮，ECB 控制起動機關閉，并同時監測以下指標：APU 荷載、電壓、引氣壓力。

第4 階段關閉APU。當APU 需要關停時，依次關閉駕駛艙25VU 面板14KD、2KD 開關，同時依次關閉聯動組件：油箱泵、進氣門、IGV。停止各個參數指標監控。

為滿足虛擬維修仿真功能，仿真組件需要滿足以下故障設置需求：EGT 超溫、IGV 失效、滑油超溫、APU 失火、發動機失速等。結合歷年來的民航機務維修故障類型統計數據表明：EGT 超溫和IGV 失效兩類是維修過程中高頻代表性故障，因篇幅因素，本文對此兩種代表性故障進行故障注入建模。

3 基于Mealy 機的ECB 功能模型

3.1 仿真模型結構描述

根據ECB 的5 種工作狀態以及7 種跳轉動作構造Mealy 狀態機模型，其仿真模型結構如圖1 所示。仿真組件ECB 的正常功能狀態有5 類：關閉（OFF）、通電（ON）、啟動（START）、可用（AVAIL），其中初始態OFF，異常故障態（FAULT）。

圖1 Mealy 機組件模型

3.2 仿真模型功能描述

表1 信號輸入

表2 布爾化輸入量

表3 輸出信號

3.2.2 輸出函數

ECB 的輸出信號類型包括進氣活門、油箱泵、起動機等布爾功能信號，和飛機電子集中監視系統ECAM、中央故障數據系統CFDS 等離散型功能信號，如表3 所示。

ECB 輸出信號構成Mealy 狀態機的信號輸出集，功能輸出信號包括布爾型信號，離散型信號，連續性信號，輸出信號可以用集合表示。信號輸入集合Δ：

4 實驗結果與分析

模型驗證平臺為實驗室自主研發的空客A320飛機維修綜合訓練器中的駕駛艙環境。其中3DMAX 版本2013X64，三維動畫引擎版本OSG 3.0、PROE 版本5.0、cal3d 版本0.11.0、osgcal 版本0.3.1，編程語言為C++，編程平臺為Windows10 64位系統下的VS2015。

4.1 仿真實驗

在虛擬維修仿真平臺中，設置ECB 初始狀態為關閉狀態，在仿真駕駛艙的25VU 位置面板，兩個信號指示燈關閉，輔助動力裝置關閉，ECAM 頁面上各指標參數均未顯示。如圖2 所示。

圖2 ECB 的Mealy 機仿真實現（OFF 態）

圖3 ECB 的Mealy 機仿真實現（ON 態）

在虛擬維修仿真平臺中，打開主電門按鈕，輔助動力裝置啟動，進氣門指示燈顯示打開，同時輔助動力裝置燃油泵開始工作，按照維修手冊，按下啟動按鈕ON，APU 開始啟動。ECAM 指示參數顯示初始化成功。如圖3 所示。

當轉速N 達到95%，點火指示燈熄滅，ON 燈熄滅，引氣和氣源指示燈打開。AVAIL 燈點亮。此時轉速達100%，EGT 溫度在475℃附近，APU 荷載在26%附近，引起壓強達2 Pa。如圖4 所示。

圖4 ECB 的Mealy 機仿真實現（AVAIL 態）

在虛擬維修仿真平臺中設置故障狀態，ECAM出現自動關車，屏幕中各項參數不再顯示，出現故障警告。如下頁圖5 所示。

4.2 實驗對比

圖5 ECB 的Mealy 機仿真實現（FAULT 態）

表4 實驗對比

為評價模型效果，本文選取部件法、故障樹分析法作為對比。實驗任務選取為ECB 的故障注入仿真：IGV 失效故障、EGT 超溫故障。人員配置同為后臺開發人員5 名、測試人員2 名。評價指標為故障注入時間消耗，實驗結果如圖4 所示。

通過數據對比分析得到，本文提出的基于Mealy 機的故障注入建模方法比故障樹和部件法所用建模時間平均降低41.4%，有效提高了模型的故障注入效率。

5 結論

本文根據航空電子組件仿真模型故障注入效率低下的問題，詳細分析了航空電子組件的功能及行為，提出基于Mealy 機的航空電子組件仿真模型，有效降低系統耦合度，提升系統的二次開發效率。并通過在A320 虛擬維修訓練器上構建ECB 仿真模型進行驗證，結果表明，本文建立的Mealy 機仿真模型可有效提高系統建模效率。