Petri网作用下航空装备虚拟维修训练仿真_张原.pdf

收稿日期:2022-05-12 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0052-05Petri 网作用下航空装备虚拟维修训练仿真张 原,李 璇(海军航空大学航空基础学院,山东 烟台 264001)摘要:针对航空装备日常维修训练周期长、费用高等难题,建立基于 Petri 网的航空装备虚拟维修训练仿真模型。分析维修训练的组成要素,利用分层思想将训练任务划分为维修层、作业层、维修动素和基本姿势层等,确定不同阶段的训练任务;选取串行、并行和选择作业三种模式,分析不同模式的训练过程;通过基网、权函数、维修动作和状态集合等元素,构建 Petri 网子模型;采用有向图表示装备部件维修间的约束关系,明确维修优先级,并将有向图变换为仿真模型可识别的邻接矩阵;建立具有动态重组功能的 Petri 网训练仿真模型,设置触发条件,获取维修训练仿真的完整过程。实验结果表明,上述模型即使在维修训练任务非常多的情况下也不会出现死锁现象,且仿真效率高,能有效减少训练时间和成本。关键词:派催网;航空装备;虚拟维修训练;仿真模型;有向图中图分类号:TP391 文献标识码:BVirtual Maintenance Training Simulation of AviationEquipment under Petri networkZHANG Yuan,LI Xuan(College of Basic Sciences for Aviation,Naval Aviation University,Yantai Shandong 264001,China)ABSTRACT:Aiming at the problems of long period and high cost of daily maintenance of aviation equipment,thispaper designed a model of simulating virtual maintenance training of aviation equipment based on Petri net.Firstly,the components of maintenance training were analyzed.And then,the training tasks were divided into maintenancelayer,operation layer,maintenance therblig and basic posture layer through the hierarchical idea,so that the trainingtasks in different stages can be determined.Three modes,the serial,parallel and selective operations were selected.After that,the training process of different modes were analyzed.The sub model of Petri net was constructed throughthe base nets,weight functions,maintenance therbligs and state sets.Moreover,the directed graph was used to re-present the constraint relationship between equipment components,and thus to define the maintenance priority.Fur-thermore,the directed graph was transformed into an adjacency matrix that can be recognized by the simulation mod-el.Meanwhile,a Petri net training simulation model with dynamic reconfiguration function was constructed.Finally,trigger conditions were set.Thus,the complete process of maintenance training simulation was obtained.The experi-mental results show that the deadlock will not exist even when there are many maintenance training tasks,and thesimulation efficiency of the model is high,which can effectively reduce the training time and cost.KEYWORDS:Petri net;Aviation equipment;Virtual maintenance training;Simulation model;Directed graph1 引言在航空技术高速发展的背景下,航空装备维修显得格外重要。维修工作主要负责飞行设备养护、故障维修和排除等工作,使各类设备满足安全飞行要求,不仅能够维系飞机飞行安全,还能确保各航空公司正常运行。但是,随着我国航天事业的壮大,飞机数量急剧增多,对设备维修人员的需求量与日俱增,每年都会对大量的机务人员进行多次培训,训练过程大多都在实装飞机上完成,势必会造成资源浪费,培训效率极低,且训练效果难以保证。此外,一些高技术航空设备的研制,也为日常维修带来较大难题。这类设备结构复杂,需求多变,对维修人员的专业水平要求极高。因此,传统的维修训练方式已经难以适应航空装备维修需求。近年来,训练仿真模型凭借安全、可控和不受环境限制25等优势广泛应用在航空设备维修中,受到广大学者的广泛关注。例如,文献1利用互联网、卫星等数据传输平台,建立综合模拟训练系统,分析维修任务训练需求,确立系统整体架构,探究系统组成、技术架构和信息交互等模块的交互关系,有效保证系统训练的全面性。除此之外,还有学者研究了一种基于虚拟现实的航空设备虚拟维修训练模型。设置了 X Mind 思维导图和 Sql Server 训练数据库,通过虚拟现实技术实现维修过程可视化,提高维修过程的灵活性。虚拟维修训练的实质是在仿真环境下对维修工作的再现和预演,必须通过合理的模型来指导仿真。再加上维修程序复杂,涉及多种维修资源,上述方法很难全面、详尽地描述维修过程2。因此,本文吸取上述方法的相关经验,建立基于 Petri 网的航空装备虚拟维修训练仿真模型。Petri 网可用组合图形描述问题,具有较强的灵活性与强大的分析性能,广泛应用在并发性和非确定性较强的模拟系统中,是最受欢迎的建模工具3。因此,通过 Petri 网对虚拟维修训练过程建模,能为保证航空装备安全提供技术支持。2 航空装备维修训练要素和任务分析2.1 基本要素通过分析相关培训项目,确定航空装备维修训练基本要素包括如下方面:1)维修事件:结合故障预警或维修计划进行维修作业,是所有维修任务的总称,通常包含检测、分解、更换和调试几个过程4。2)维修目标:指需要维修的部件,其具备固定的结构尺寸和部件约束关系,维修时需要根据设定顺序维修。3)维修人员:是一种维修资源,也是培训主体。需结合维修需求执行相应的任务,根据作业顺序,使用相关工具完成部件维修。培训过程中涉及的操作方式会对维修效果产生较大影响。4)维修资源:分为工具、设备和维修资料。其中工具与设备分为专用与通用,维修人员会重复使用这些资源,通常不涉及消耗问题。5)维修状态:是对维修目标、资源和人员的状态描述。例如,维修目标的拆分状况、人员数量、设备种类和数量等,综合表示所有对象的属性信息5。6)维修约束:表示维修目标、人员和设备之间的作用关系。维修是需要通过人员执行的,必须设定约束条件,避免出现系统混乱的情况。例如,培训人员需要根据拆装规则检查部件,使用的工具和执行顺序都是固定的。另外维修过程中各项任务也会存在先后约束关系。2.2 维修培训任务利用虚拟人进行维修仿真时,利用分层思想将维修任务分解为如图 1 所示的几个层次。通过此种分解,能够将一个复杂的维修任务变换为简单事件,更有利于虚拟维修训练仿真。图 1 维修训练任务分解模型示意图因维修目标是训练主体,根据训练人员对维修技巧的掌握情况,将训练模式分为如表 1 所示的几种类型。表 1 训练模式分类表模式初级中级高级训练目标非专业人员或刚开始接受训练的人员已有维修相关知识储备的人员,还有熟练掌握维修技能的人员已经具备大部分维修技能,但还需进一步提高训练任务主要进行认知操作培训部件拆装和检查综合性很强的故障排除类任务训练方法演示简单操作演示与操作同时进行操作为主、演示为辅支撑平台视频、动画等虚拟模拟训练虚拟模拟训练 综合分析维修训练的基本要素和培训任务,为 Petri 网虚拟训练仿真模型的构建奠定基础,将这些要素和相关任务引入到 Petri 网中,即可构建一个完整的仿真训练模型。3 虚拟维修训练仿真模型构建3.1 训练模式选择结合任务分解模型可知,维修任务是具有层次化的,可选择串行、并行和选择等任意一个模式。1)串行模式:所有维修操作都根据固定顺序执行,当完成前一个任务时,才能开始下一个任务,将此种作业方式称为串行作业。2)并行模式:是在串行基础上扩展得到的,在此模式中,维修任务可以同时进行。并行模式包括两种,其一是多种任务同时执行;另外一种是直到某些作业停止后,才能执行新的任务。3)选择作业6:需按照不同维修状态对相同任务制定多35个维修策略,维修人员需要选择作业,只能有一个策略发生变迁,其他方案不能。以上描述的三种作业模式可通过图 2 所示的作业模型表示。图 2 不同作业模型示意图图 2 中,Pi(i=1,2,n)代表维修任务状态集合,包括准备、完成等状态,Ti(1,2,n)表示维修任务迁移集合。3.2 Petri 网子网建模假设与维修目标 ei相对的子网模型表示为 PNiPNi=(Pi,Ti,Fi,Ui,Oi0,Ei,Bi,Ri)(1)组成该模型的具体内容如下:1)(Pi,Ti,Fi)属于模型基网,在维修训练中,Pi=Pi0,Pi1,Pi2,Pin表示目标 ei的状态集合,即维修任务的状态集合,且 Pi0和 Pin分别描述起始状态与最终状态。只有在这两种状态下才能将子网当作激活其他子网的条件,Pi1、Pi2代表中间状态。Ti是目标 ei的迁移集合,符合 PiTi=PiFi=TiFi条件,Fi是子网 PNi的有限弧集合,存在如下映射关系 FiPiTiPi。2)Ui代表权函数,描述任务变迁对资源的消耗程度7。3)Oi0代表 PNi的最初标识。4)Ei表示使 Ti变化的事件集合,通常为触发事件或消息触发。5)Bi表示变迁后发生的动作集合。维修动作一般分为平移、转动等。当变迁激活后,只有完成对应的维修动作才可以实现状态转换,减少跳跃性导致的维修训练仿真度降低的问题8。6)Ri代表时间集合,描述 Ti间最小触发时间。由于一些虚拟动作完成后,必须经历一段时间延迟才能继续执行下一步操作,因此 Ri为非负的。3.3 装备部件约束3.3.1 基于有向图的约束关系表示航空装备作为被维修目标,属于维修主体,维修资源则表示在装备部件状态不断发生变化的情况下,出现的消耗变迁,是约束维修任务的主要因素。因此,要想获得理想的培训效果,如何全面表述装备部件维修过程中的约束关系是关键9。针对某完整维修任务,将构成该任务的所有部件集合表示为 VV=vj|vj V,j=1,2,m(2)式中,vj表示 V 中某个元素。将 vj看作