郝 磊 耿 宏

1(中国民航大学基础实验中心 天津 300300)2(中国民航大学电子信息与自动化学院 天津 300300)

0 引 言

FMA指示飞机当前和即将采用的飞行方式,在空客系列飞机中,显示在主飞行显示器(Primary Flight Display,PFD)内正上方。FMA对飞行员掌控飞机的飞行状态具有重要作用。

本文作者所在的研发团队已自主研制出空客320机务维护模拟机,并获得民航局认可,多年来在多所航空类院校及航空公司用于教学和培训。空客320机务维护模拟机模拟飞机的地面状态,支持操作、测试、勤务、拆装、试车、排故等训练科目,满足民用航空器维修培训机构合格审定规定(CCAR-147)培训要求。然而,在实际的机务专业培训中,往往需要受训人员掌握基本的飞行操作,以使飞机处于飞行状态,观察不同等级的机载设备故障在各飞行阶段的故障效应,训练飞行中故障的应急处理程序,飞机落地后,能够根据驾驶舱仪表记录查阅飞机维护手册,完成排故流程。因此,近年来,越来越多的航空类院校及航空公司对机务维护模拟机的飞行仿真功能提出了要求。

国内外已有多家模拟机制造商的机务维护模拟机产品包含飞行仿真功能,但凡已获得民航局认可的,均是购买了波音或空客公司数据包,并在此基础上完成模拟机开发的。在数据包的支持下,模拟机可便捷地实现飞行仿真及驾驶舱内各仪表指示,但这使其产品严重受限于国外飞机制造厂商,难以自主开发适合国内受训人员的实验实训项目,而且受数据包影响,模拟机成本较高。

对于飞行仿真的研究,国内研究成果大多偏向于飞行视景仿真[1-2]和动力学模型仿真[3-4],对飞行状态下驾驶舱仪表仿真的研究很少[5-6],更未见到对FMA建模、仿真的相关研究。而国外对FMA仅有的几项研究成果均是在飞行安全的角度分析FMA显示方式对飞行员的影响,并在仪表设计角度提出改进方案[7-9],如将FMA置于遮光板位置,以减少飞行员注视时间和主观工作量[7-8],或新开发一种包含FMA功能的自动飞行系统界面,通过显示内容和方式的优化,提高飞行员的飞行模式意识[9]。除此以外,未见到国外对FMA建模、仿真的相关研究。

在此背景下,本文以实现自主研制的空客320机务维护模拟机飞行仿真功能为目标,对FMA系统建模开展研究。

1 FMA指示内容及建模分析

FMA指示内容分五项,每项占据一列,每一列可显示三行内容,如图1所示。对于前三列,自上而下,第一行以绿色表示油门控制或飞行制导处于“接通”状态的飞行方式,第二行以蓝色表示其处于“待命”状态的飞行方式,第三行则适时显示一些附加说明;对于后两列,每一行指示不同系统的状态,彼此并不相关。

图1 FMA指示内容

为提醒飞行员飞行方式的改变,在每个方式改变后,FMA将在新的信号周围显示一白色方框达10 s,如图2所示。

图2 FMA显示白色方框

可以看出,FMA属于典型的“离散事件系统”,主要事件为飞行方式的变迁,该变迁是并发、异步的,且跟随飞机的飞行状态,具有一定的随机性。

对于此类系统,“Petri网”往往是一种恰当且有效的建模方法,但前提是该系统复杂度不能太高[10-11]。FMA指示的飞行方式数量众多,伴随着飞行阶段和飞行环境的变化,飞行方式变化频繁,且每一次飞行方式的变化都与飞行状态和多个机载系统的运行逻辑有着复杂的关系。如果使用原始Petri网建模,将导致系统模型极其庞大,以致无法仿真实现。

对此类情况,往往考虑使用“高级网系统”建模,以简化系统模型。“有色网系统”和“谓词/变迁系统”同属高级网系统[10],与有色网系统通过颜色对个体分类再统一处理[12-13]的方式不同,谓词/变迁系统引入谓词,为每个个体命名,在对个体或变迁分类处理时,更加关注每个个体的状态变化[10,14-17]。

周新宇[12]利用颜色Petri网模型,对生产者-消费者多线程同步问题进行建模,有效降低了原始Petri网模型的复杂度;葛敬军[13]对FMS物流系统运行低效问题,提出了基于对象的扩展有色Petri网(ECPN)分析模型,解决了多AGV死锁控制问题,提高了系统运行效率;张正坤等[14]以铁路编组站配流的模拟和优化为目标,利用高级Petri网中的Pr/T_系统,引入时间参数T,扩充为TPr/T_系统,进而建立TPr/T_系统的编组站配流模型,很好地描述和刻画了编组站作业过程;李望等[15-17]为了建立能跟踪列车、进路、股道变化踪迹且与车站站场布局及结构无关的车站通用模型,比较了有色Petri网和谓词/变迁网的优劣,最终因其通用模型更关注个体的变化而选择使用了谓词/变迁网建模,并考虑列车运行仿真中个体状态变化与时间的联系,引入时间参数T,建立了TPr/T-S,顺利完成了系统的建模仿真工作。

“更关注每一个个体的状态变化”,是高级网系统中谓词/变迁网相对于有色Petri网所具备的特点[10,14-20]。空客320的FMA建模与仿真,我们关注每一个飞行方式随飞机状态的变化,即飞行方式的变迁,因此,FMA更适合使用谓词/变迁网建模。

2 FMA指示特点及建模对策

“在每个方式改变后,FMA将在新的信号周围显示一白色方框(以下简称‘信号框’)达10 s”是FMA显示逻辑中的典型特点。该特点包含两方面含义:(1) 每一个飞行方式改变后,都会跟随一个“信号框显示事件”;(2) “信号框显示事件”中包含“时间”要素。

对第(1)方面内容,如果直接利用谓词/变迁网建模,需要在每一个飞行方式改变后,都激活一个新的变迁,使信号框呈“显示”状态,计时10 s后,再使信号框呈“隐藏”状态。飞机启动后,飞行方式变化频繁,该特点极大增加了系统网络模型的复杂度。也就是说,即使用“高级网系统”建模,网络模型仍会由于重复性的“信号框显示事件”而庞大,以致仿真程序繁杂且冗余[21-23]。实际上,FMA这一特点可归纳为“系统中每一次状态更新都会激活同一个新事件”,在离散事件系统中,这是普遍现象,如民航客机不同机载系统的任一相同级别故障都会激活相同的故障报警程序,大型商场的任何一个烟雾探测报警器探测到火灾烟雾都会触发商场的火灾处置程序等。本文将首先站在离散事件系统的角度,改进传统的谓词/变迁网,通过对重复激活事件的封装处理,建立通用型二阶谓词/变迁网,降低此类事件模型的复杂度,再对FMA建模仿真。

对第(2)方面内容,通常做法是在原始Petri网中引入时间要素,定义新的Petri网模型,如文献[14-17]。但袁崇义[10]在《Petri网原理与应用》一书中明确表示,Petri网现有的要素已完全可以描述所有建模对象,不鼓励在模型中引入新要素的做法,鼓励通过完善建模对象的“数据结构”表达,提高Petri网的适用性,这也是Petri网创始人Carl Adam Petri的观点。本文将保持现有的Petri网要素不变,为建模对象建立完善的“数据结构”,将时间要素置于变迁事件中,达到建模仿真的目的。

3 通用型二阶谓词/变迁网

本节面向离散事件系统,建立通用型二阶谓词/变迁网。

如上文所述,对FMA系统,若使用传统谓词/变迁网建模,由于“信号框显示事件”频发,仍会导致系统模型复杂。据前文分析,所有“信号框显示事件”有共同点:由系统状态的变化而激活,有固定的显示时长和统一的白色方框;也有不同点:由于系统状态不同,导致信号框显示位置不同、大小不同等。可以看出,“信号框显示事件”相对独立,是可以被“封装”的。

考虑离散事件系统中的此类事件,本文在Petri网结构的基础上,提出继发网。

定义1N=(P,T;F)为有向网,其中:P={P1,P2};T={T1,T2};F={F1,F2}。N={N1,N2},N1=(P1,T1;F1)为有向网;N2=(P2,T2;F2)为非有向网。如果同时满足以下条件,我们称N2为N1的继发网:

(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}。

由定义中第(6)条与第(7)条,可以看出继发网N2与有向网N1的不同。继发网N2中,T2不仅完成N2的内部变迁,更超越出N2封闭的网络结构,连接P1和P2两个库所集,该连接中的资源流动,由F2规定。

可用图3简单表示上述变迁过程。

图3 有向网到继发网的变迁过程

根据继发网定义,可由有向网N1描述系统运行,P1包含系统所有状态信息。N1中变迁事件T1的每一次激活都会引发库所集P1的更新。当P1更新导致事件T2被激活时,N1描述的系统运行不受影响,同时P1中的资源通过流关系F2流向P2,N2的库所集P2更新。由于F2连接了N1和N2,所以N2并不是一个封闭的网络,是非有向网。

继发网将有向网中重复发生的变迁事件封装为一个可复用的、独立的网结构,并与原有向网相连。对任意离散事件系统,传统谓词/变迁网中重复的网结构被化简为不同流关系控制下的继发网的复用,进而解决了传统谓词/变迁网模型中“系统中每一次状态更新都会激活同一个新事件”带来的网结构繁杂问题,使复杂系统的建模仿真变为可行。

将继发网概念融入谓词/变迁系统,即建立通用型二阶谓词/变迁网。

定义2Σ=(P,T;F,D,V,AP,AT,AF,M0)构成二阶谓词/变迁网的条件是:

(1)N=(P,T;F)为有向网,称为Σ的基网,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为有向网;N2为N1的继发网。

(3)D为非空有限集,称为Σ的个体集;D上有给定的运算符集Ω。

(4)V是D上的变量集。

(5)AP:P→π,其中π是D的可变谓词集,对p∈P,若AP(p)为n元谓词,就称p为n元谓词。

(6)AT:T→fD,其中fD是D的公式集,对t∈T,AT(t)只能含静态谓词和Ω中的运算符。

(7)AF:F→fS,其中fS是D的符号和集,对n元谓词p∈P,若(p,t)∈F或(t,p)∈F,则AF(t,p)或AF(p,t)为n元符号和。对t∈T,AT(t)中的自由变量(即不受量词∀和∃约束的变量)必须是以t为一端的有向弧上的自由变量。

(8)M0:P→fS,对n元谓词p∈P,M0(p)是n元符号和。

4 空客320飞机的FMA模型

依据通用型二阶谓词/变迁网的定义,可以建立空客320飞机的FMA系统模型Σ1,如图4所示。

图4 空客320飞机FMA系统模型Σ1

Σ1中,N1=(P1,T1;F1),描述飞行方式的变化,N2=(P2,T2;F2),描述每次飞行方式变化后FMA的“信号框显示事件”。

N1、N2中P1={p1,p2,p3,p4},描述FMA飞行方式的四种状态:p1代表“激活”,表示飞行方式被激活;p2代表“待命”,表示飞行方式处于待命状态;p3代表“说明”,表示显示一些附加说明;p4代表“隐藏”,表示对应的显示信息隐藏。

T1={t1,t2,…,tk},描述所有引起FMA飞行方式改变的事件,包括人为操作、机载系统运行、机载系统故障等,机载设备操作及运行逻辑复杂,事件数量不可获知。

F1={i,j,r,c,m,f},描述N1中所有变迁的流关系,本研究中,用于传送P1中显示信息(即“个体”)的具体参数。考虑到有的显示信息要占据FMA的多行或多列,F1表示P1中状态变化后的飞行方式信息所在的行序号i、列序号j、所占行数r、所占列数c、信息内容m和信息是否闪烁f。

FMA中信号框显示的触发方式是一致的,即任意一个飞行方式的改变,都会触发对应位置的信号框显示。考虑这一点,可以将T2简化。重定义T2为:

F2={i,j,r,c},表示P2中需要显示信号框(即“个体”)左上角位置的行序号i、列序号j、所占行数r和所占列数c。

4.1 Σ1的论域

Σ1的论域即为Σ1的个体集D。对FMA系统,D={Qi(i=1,2,…,w),Si(i=1,2,…,w)},其中:Qi表示FMA中第i种飞行方式;w为所有可能的飞行方式数目;Si表示与Qi对应的第i种飞行方式激活后显示的“信号框”。

Qi={Contenti,Columni,Statusi,Inputi,Flashi},结构体中各成员含义如下:

Contenti:FMA中第i种飞行方式的显示内容。

Columni:第i种飞行方式显示在的列,Columni={1,2,3,4,5}。

Statusi:第i种飞行方式的状态。如果是前三列(Columni=1,2,3),则Statusi有“激活”“待命”“说明”和“隐藏”四种取值;如果是后两列(Columni=4、5),则Statusi有“激活”“待命”和“隐藏”三种取值。需要说明的是,前三列中,自上向下,飞行方式显示在第一行代表被“激活”,绿色文字;显示在第二行代表处于“待命”状态,蓝色文字;第三行显示“附加说明”,白色文字。后两列中,飞行方式不再以“行”作区分,而在不同位置指示不同系统状态:若其处于“激活”状态,采用白色文字;若处于“待命”状态,采用蓝色文字。综合这五列信息,显示信息的内容、位置(或状态)和颜色具有唯一的对应性,因此,无须再将显示内容的“颜色”作为单独项在数据结构中列出。

Inputi:第i种飞行方式中包含的输入值,往往由对应的机载系统提供。针对全部五列信息,采用蓝色文字。如图1中第四列第一行的“DH 20”和图2中相同位置的“DH 150”,代表不同的决断高度,“20”和“150”就是由飞行管理与制导计算机提供的,显示为蓝色文字。如果第i种飞行方式中没有输入数据,则Inputi取“NULL”。

Flashi:第i种飞行方式显示是否闪烁,根据FMA显示逻辑,某些情况下,显示内容会有闪烁的情况。如果显示内容闪烁,Flashi取“TRUE”,反之取“FALSE”。

Si={Rowi,Columni,Rowsi,Columnsi,Statusi},结构体中各成员含义如下:

Rowi:信号框左上角位置对应的行序号。

Columni:信号框左上角位置对应的列序号。

Rowsi:信号框占据的行数。

Columnsi:信号框占据的列数。

Statusi:有“显示”和“隐藏”两种取值,代表信号框的显示和隐藏状态。

4.2 Σ1的谓词

Σ1中包含六个一元谓词:“激活”“待命”“说明”“信息隐藏”“信号框显示”和“信号框隐藏”。

某飞行方式被激活,谓词“激活”成真、“信号框显示”成真;某飞行方式待命,谓词“待命”成真、“信号框显示”成真;FMA显示说明信息,谓词“说明”成真、“信号框显示”成真;FMA的飞行方式信息隐藏,谓词“信息隐藏”成真;FMA的信号框隐藏,谓词“信号框隐藏”成真。

4.3 Σ1的变迁

T1={tj(j=1,2,…,k)},描述所有引起FMA飞行方式改变的事件(变迁),k为事件总数。个体Qi的状态变化均通过事件T1激活,其参数通过流关系F1流入或流出。

tj={Conditionj,Operationj,Objectj,Effectj},各成员含义如下:Conditionj代表第j个事件发生的条件;Operationj代表第j个事件的具体操作;Objectj代表第j个事件的操作对象;Effectj代表第j个事件产生的效果。

需要说明的是,事件tj的运行逻辑为空客320机载系统的基本属性,空客320机务维护模拟机在研制过程中已获知机载系统运行原理,建立“机载系统功能模型”。事件tj通过机载系统功能模型仿真实现,各成员没有固定取值。本文在机载系统功能模型基础上,重点研究飞行仿真中的FMA系统模型,模型仿真结果属事件tj中Effectj的一部分。若不考虑飞行仿真功能,事件tj已在空客320机务维护模拟机中实现并得到充分验证。限于篇幅,飞行仿真中机载系统运行原理及功能模型在本文不做深入研究。

5 系统仿真验证

本文基于继发网构造了面向离散事件系统的二阶谓词/变迁网通用模型,并对空客320机务维护模拟机建立了FMA系统的二阶谓词/变迁网模型,下面对系统进行仿真验证。

5.1 系统仿真流程

采用基于继发网构造的二阶谓词/变迁网模型对FMA仿真的流程如图5所示。

图5 FMA二阶谓词/变迁网模型仿真流程

可以看出,空客320机务维护模拟机系统上电后,FMA系统进入初始状态,在机载系统功能模型的驱动下,若未激活任何变迁事件,则FMA指示保持不变;若机载系统运行状态发生变化,则“飞行方式变迁事件”T1可能被激活,二阶谓词/变迁网模型中的流关系F1规定了变迁事件中的资源流动,在仿真时,F1体现为i、j、r、c、m、f六个参量,分别表示变迁的飞行方式所在的行序号i、列序号j、所占行数r、所占列数c、信息内容m和信息是否闪烁f,由它们描述变迁事件发生前后FMA相应飞行方式的指示状态。可将“飞行方式变迁事件”T1封装为一个函数Ffm=f1(i,j,r,c,m,f),每当T1被激活,函数Ffm执行,实现飞行方式的改变及FMA指示的更新。

飞行方式改变后,系统将i、j、r、c四个参量传递给“信号框显示事件”T2,表示该“飞行方式变迁事件”引起的“信号框显示事件”中要显示的信号框左上角位置的行序号i、列序号j、信号框所占行数r和所占列数c。将T2封装为函数Fsqure=f2(i,j,r,c),飞行方式改变后,函数Fsqure执行,实现在FMA的对应位置显示10 s信号框。

至此,FMA指示呈现新的状态,并等待下一次变迁事件的发生。仿真程序运行中,FMA指示伴随着飞行方式的变迁,在状态更新和状态维持中往复,实现飞机在各状态下FMA指示的仿真。

5.2 系统仿真结果

图6是本文作者所在研发团队自主研制的空客320机务维护模拟机。本节将选取该模拟机飞行仿真中具有代表性的几个飞行阶段,展示FMA建模及仿真结果。

图6 空客320机务维护模拟机

(1) 惯导系统校准后的初始状态。图7是飞机的主飞行显示器,FMA位于其内正上方,白色方框标注的部分。图7中显示飞机刚刚完成惯导系统校准后,FMA初始状态的仿真结果:

图7 空客320的PFD校准后状态

第一列(油门控制),发动机还未启动,显示为空;第二列(垂直引导),由于还未设置目标高度,高度保持(“ALT”)方式激活;第三列(横向引导),导航(“NAV”)方式待命;第四列(进近能力、DH或MDA),飞机在进近状态时才有显示内容,目前显示为空;第五列(自动驾驶仪、飞行指引仪及自动推力的接通状态),两套飞行指引仪FD1、FD2打开,“1FD2”方式激活。

(2) 飞机在滑行状态。如图8所示,第一列,发动机已启动,油门杆在最大推力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,自动推力(“A/THR”)方式待命(限于篇幅,由图8开始,将只截取FMA指示部分,仅描述FMA变化的指示)。由上下两幅截图对比可以看到“RWY”方式激活后信号框显示到隐藏的过程。

图8 飞机在滑行状态FMA指示(含信号框变化过程)

飞机在滑行状态的3D视景展示如图9所示。

图9 飞机在滑行状态3D视景展示

(3) 飞机在爬升状态。如图10所示,第一列,油门杆在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,导航(“NAV”)方式激活;第五列,第一套自动驾驶仪已打开,“AP1”方式激活,“A/THR”方式激活。

图10 飞机在爬升状态FMA指示

飞机在爬升状态的3D视景展示如图11所示。

图11 飞机在爬升状态3D视景展示

(4) 飞机在巡航状态。如图12所示,飞机即将到达设定的巡航高度,第一列,马赫数保持(“MACH”)方式激活;第二列,高度截获(“ALT*”)方式激活;第五列,两套自动驾驶仪均已打开,“AP 1+2”方式激活。

图12 飞机在即将达到巡航状态FMA指示

如图13所示,飞机到达巡航高度,第二列,巡航高度保持(“ALT CRZ”)方式激活。

图13 飞机达到巡航状态FMA指示

飞机在巡航状态的3D视景展示如图14所示。

图14 飞机在巡航状态3D指示

(5) 飞机在下降状态。本示例中,飞机采用开放式下降方式。如图15所示,第一列,最小推力(“THR IDLE”)方式激活;第二列,开放下降(“OP DES”)方式激活,由于飞机采用阶段式下降,所以高度保持(“ALT”)方式待命。由上下两幅截图对比可以看到信号框显示到隐藏的过程。

图15 飞机在下降状态FMA指示(含信号框变化过程)

飞机在下降状态的3D视景展示如图16所示。

图16 飞机在下降状态3D视景展示

(6) 飞机在进近状态。如图17至图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,决断高度为500,“DH 500”方式激活。

图17 飞机在进近状态FMA指示(1)

图18 飞机在进近状态FMA指示(2)

图19 飞机在进近状态FMA指示(3)

图20 飞机在进近状态FMA指示(4)

第二列和第三列:

下滑道(“G/S”)方式待命,航向道截获(“LOC*”)方式激活:

下滑道截获(“G/S*”)方式激活,航向道截获(“LOC*”)方式激活:

下滑道截获(“G/S*”)方式激活,航向道锁定(“LOC”)方式激活:

下滑道锁定(“G/S”)方式激活,航向道锁定(“LOC”)方式激活:

飞机在进近状态的3D视景展示如图21所示。

图21 飞机在进近状态3D视景展示

(7) 飞机在着陆状态。如图22所示,飞机进入着陆状态,垂直引导和横向引导两列合并,“LAND”方式激活。

图22 飞机在着陆状态FMA指示(1)

如图23所示,飞机落地,开启发动机反推,发动机反推方式(“ROLL OUT”)激活,飞机进一步减速。

图23 飞机在着陆状态FMA指示(2)

飞机在着陆状态的3D视景展示如图24所示。

图24 飞机在着陆状态3D视景展示

6 结 语

“系统中每一次状态更新都会激活同一个新事件”是离散事件系统的常见特点。本文对传统谓词/变迁网进行改进,提出继发网的概念,通过对重复激活事件的封装,建立了通用型二阶谓词/变迁网,解决了具有上述特点的离散事件系统谓词/变迁网模型结构复杂而难以仿真的问题。通过空客320飞机FMA系统的建模仿真验证,基于二阶谓词/变迁网的系统仿真模型能够精准模拟飞行仿真中的FMA功能,这说明二阶谓词/变迁网可行、可用,能有效降低具有该特点的离散事件系统模型复杂度,具有一定的普适性。

经多状态下的飞行仿真实验验证,基于二阶谓词/变迁网开发的FMA系统模型功能完整、可信度高,可承担空客320机务维护模拟机飞行仿真状态下的FMA仿真。