任 毅，臧 林，耿 宏，何漢清

(1.東方航空技術(shù)有限公司培訓(xùn)部，上海 200020; 2.中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院, 天津 300300;3.深圳航空有限公司維修工程部, 深圳 518128)

飛機(jī)維修機(jī)械組件拆裝過程訓(xùn)練評估模型研究

任 毅1，臧 林2，耿 宏2，何漢清3

(1.東方航空技術(shù)有限公司培訓(xùn)部，上海 200020; 2.中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院, 天津 300300;3.深圳航空有限公司維修工程部, 深圳 518128)

為了提高飛機(jī)維修培訓(xùn)的訓(xùn)練效果及培訓(xùn)效率，解決目前飛機(jī)維修培訓(xùn)中機(jī)械組件拆裝流程復(fù)雜，缺少人機(jī)交互，導(dǎo)致培訓(xùn)效果不理想、效率低的問題；根據(jù)實(shí)際任務(wù)描述中機(jī)械組件拆卸過程各個步驟明確其狀態(tài)變化和約束條件，采用Grafcet工具建立拆裝過程模型；針對事先規(guī)定的拆卸各步驟中的權(quán)重，建立拆裝過程訓(xùn)練評估模型，結(jié)合訓(xùn)練實(shí)際操作情況，定量地給出一次任務(wù)中評價(jià)結(jié)果；模型能夠支持學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、考核等多種模式的訓(xùn)練方式；最后，在維修培訓(xùn)平臺中以飛機(jī)加油活門拆裝過程為例，驗(yàn)證模型的有效性和實(shí)用性，并且能夠完成信息交互和結(jié)果評估。

飛機(jī)維修仿真；機(jī)械組件；邏輯控制器圖形表示工具；拆裝過程模型；評估模型

0 引言

目前, 在飛機(jī)維修中包含種類繁多的飛機(jī)機(jī)械組件,機(jī)械組件拆卸是維修過程中一項(xiàng)重要的作業(yè)[1]。虛擬維修訓(xùn)練是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用之一,由于其具有安全、經(jīng)濟(jì)、擺脫訓(xùn)練場地和環(huán)境限制條件等眾多優(yōu)點(diǎn)而被越來越多地采用，虛擬拆裝是虛擬維修過程中的核心環(huán)節(jié)[2-4]。對于機(jī)械組件虛擬拆裝是民航飛機(jī)維修培訓(xùn)中的一個重要環(huán)節(jié)，其成本低廉，避免了實(shí)際資源的消耗[5]，對民航維修人員熟悉工作，提高維修效率具有重要意義。

目前，對機(jī)械組件拆裝研究主要集中在拆裝次序和拆裝關(guān)系的建模[6]，其實(shí)質(zhì)是將組件作為一個質(zhì)點(diǎn)的虛擬拆裝。尚潔、徐興華介紹了對虛擬拆裝過程進(jìn)行建模的分析，分別采用PERT 圖和有色Perit網(wǎng)建立拆裝過程模型[7-8]，但模型中缺少工具約束，與真實(shí)操作中的要求不相符。張忠華運(yùn)用 IDEF3 和DSM相結(jié)合的方法建立零部件的統(tǒng)一性表達(dá)，并對飛機(jī)各個組件進(jìn)行規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)拆卸目標(biāo)組件的有序邏輯表述[9]，黃濤利用 Project 軟件對裝備的維修拆裝過程建立了基于層次關(guān)系和關(guān)聯(lián)關(guān)系的拆裝結(jié)構(gòu)模型拆裝資源模型以及拆裝運(yùn)動模型[10]，前兩者關(guān)注于拆裝順序，但是沒有考慮整個拆裝過程的評估考核。

針對目前機(jī)械組件拆裝過程模型中的不全面，采用Grafcet描述拆裝過程的建模，在過程模型中添加人機(jī)交互元素，并建立過程評估模型，使受訓(xùn)人員清晰地了解在拆裝過程中的不足之處，提高培訓(xùn)的效果和效率。

1 機(jī)械組件的拆裝過程建模

1.1 飛機(jī)機(jī)械組件拆裝過程原理

在飛機(jī)維修中，根據(jù)A320飛機(jī)維修手冊AMM(Aircraft Maintenance Manual)，機(jī)械組件的拆裝過程基本原理為操作人員在滿足拆卸前提條件下，結(jié)合組件的當(dāng)前狀態(tài)運(yùn)用正確的維修工具和維修動作作用于機(jī)械組件的可拆卸的部件，最終實(shí)現(xiàn)組件拆卸。如圖1所示。

圖1 機(jī)械組件拆裝基本原理

飛機(jī)組件的拆卸一般分為 3 大部分：檢查飛機(jī)滿足維護(hù)構(gòu)型、接近程序和拆卸操作過程。其中，接近程序包括警告措施、拔開相應(yīng)跳開關(guān)、接近工作等準(zhǔn)備工作。拆卸操作過程可用到的維修工具包括平臺工具、操作工具(扳手、改錐、螺絲刀)、清潔工具、維修設(shè)備等。維修動作包括拆卸、安裝、清洗、擦拭。

拆裝過程還需滿足流程和約束條件。流程條件指當(dāng)前拆卸操作實(shí)現(xiàn)需要其前邊的一個或多個狀態(tài)已經(jīng)滿足，才可以進(jìn)行當(dāng)前操作步驟。約束條件指當(dāng)前操作所需要的工具、設(shè)備所構(gòu)成的條件。

1.2 拆裝過程建模

Grafcet(邏輯控制器圖形表示工具)是并發(fā)同步系統(tǒng)建模工具，它以 Petri 網(wǎng)理論為理論基礎(chǔ)，采用圖形表示，可以用較少數(shù)量的步和變遷描述過程，且有很強(qiáng)的邏輯描述和分析能力[11-13]。

Grafcet基本元素包括以下3種。

(1)步(Steps)。分為起始步和普通步。表示機(jī)械組件拆卸過程中，當(dāng)前組件所處狀態(tài)。動作與步相聯(lián)系，是 Grafcet 的輸出，表示拆卸過程中需要采用的拆卸動作。當(dāng)機(jī)械組件處于某個編號的狀態(tài)時，如果有與此步相關(guān)聯(lián)的動作，就會執(zhí)行該動作。

(2)變遷(Translation)。表示拆裝過程中的工具限制條件。

(3)有向連接/弧(Directed links)。表示拆裝過程的順序。

常見的幾種構(gòu)型如圖2所示。

圖2 常見構(gòu)型圖

(1)順序：表示當(dāng)前拆卸狀態(tài)完成即可進(jìn)入下一個狀態(tài)。

(2)And分支：表示當(dāng)前拆卸狀態(tài)完成可以同時進(jìn)入下幾個狀態(tài)。

(3)And交匯：表示當(dāng)前幾個拆卸狀態(tài)必須都完成才可進(jìn)入下一個狀態(tài)。

(4)Or分支：表示當(dāng)前狀態(tài)完成可以進(jìn)入以下幾個狀態(tài)中的其中一個。

(5)Or交匯：表示當(dāng)前幾個狀態(tài)有其中一個完成即可進(jìn)入下一個狀態(tài)。

根據(jù)Grafect幾種構(gòu)型，結(jié)合AMM手冊中TASK 28-25-51-000-001分析加油活門拆裝過程，建立拆裝過程模型如圖3所示，拆裝過程分為13步，每一步代表拆裝過程中的一個狀態(tài)。其中1、2、3步代表處于前期準(zhǔn)備狀態(tài)其動作指出準(zhǔn)備工作的具體內(nèi)容。從第4步開始進(jìn)入機(jī)械組件拆裝過程，其中，變遷代表拆裝過程中的工具約束條件，每一步的動作代表組件拆裝過程中需要對操作對象執(zhí)行的動作，有向連接從頂?shù)降椎捻樞虼砹瞬鹦都佑突铋T順序。其中第2、3和4步是And 交匯關(guān)系，4步中斷開電接頭操作可以執(zhí)行的條件是2和3兩步的準(zhǔn)備工作都全部完成。5步和6、7、8、9步是關(guān)系A(chǔ)nd 分支關(guān)系，5步中的3個拆卸動作完成之后，并取到扭力扳手工具之后，6、7、8、9步中拆卸螺帽和墊片的動作才可以執(zhí)行。6、7、8、9和10步的關(guān)系是And 交匯關(guān)系，6、7、8、9步中的動作全部執(zhí)行完成之后，并滿足工具條件才可以執(zhí)行10步將閥體松出動作。

圖3 加油活門拆裝過程的Grafcet模型

1.3 機(jī)械組件拆卸過程評估模型

評估模型如圖4所示，其中變量含義如表1所示?？山o出操作錯誤時的必要提醒，并根據(jù)錯誤次數(shù)扣除相應(yīng)分?jǐn)?shù)，最終給出本次任務(wù)的總體得分，使受訓(xùn)人員了解在該任務(wù)中的薄弱環(huán)節(jié)，并通過訓(xùn)練掌握拆裝任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。

模型描述如下：

(1)狀態(tài)信息。當(dāng)選擇了AMM中某項(xiàng)任務(wù)訓(xùn)練時，系統(tǒng)會讀取當(dāng)前拆卸操作步驟的信息包括當(dāng)前帶拆卸組件的狀態(tài)以及需要工具等約束條件，并載入當(dāng)前任務(wù)中每一步驟的權(quán)重。

(2)拆裝約束條件判斷及交互過程。當(dāng)受訓(xùn)人員進(jìn)行拆卸任務(wù)時，系統(tǒng)會記錄當(dāng)前的組件狀態(tài)、操作工具和操作對象，同時與標(biāo)準(zhǔn)的拆卸過程中3個對象做比較。如果受訓(xùn)人員當(dāng)前操作的組件狀態(tài)S、操作對象O、操作工具T與標(biāo)準(zhǔn)拆卸過程中的Sn、On、Tn一致，該步拆卸過程滿足，組件進(jìn)入下一步拆卸狀態(tài)Sn + 1，并且改變標(biāo)準(zhǔn)操作的工具和操作對象為與下一個狀態(tài)相對應(yīng)的On + 1、Tn + 1。如果存在拆卸信息中的3個量與正確拆卸過程不一致的現(xiàn)象，第一次操作不一致出現(xiàn)時，系統(tǒng)立即顯示操作錯誤的警示信息，提示操作者需要改變操作方式。當(dāng)?shù)诙尾僮魅匀慌c標(biāo)準(zhǔn)的拆卸流程不一致，會顯示正確的操作幫助，依據(jù)當(dāng)前組件的狀態(tài)，指明正確的拆卸工具和操作對象，受訓(xùn)人員可依據(jù)提示進(jìn)行進(jìn)一步操作。當(dāng)連續(xù)錯誤操作三次后，直接選用正常的工具完成該步的動作進(jìn)入下一狀態(tài)，能夠保證整個拆卸過程可繼續(xù)進(jìn)行。

圖4 機(jī)械組件拆卸過程評估模型

變量名稱含義S當(dāng)前操作動作機(jī)械組件所處的狀態(tài)T當(dāng)前狀態(tài)所使用的工具O當(dāng)前操作的操作對象Sn當(dāng)前步驟所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)流程中機(jī)械組件的狀態(tài)Sn+1當(dāng)前步驟下一步標(biāo)準(zhǔn)流程中機(jī)械組件的狀態(tài)On+1當(dāng)前步驟的下一步標(biāo)準(zhǔn)流程中的操作對象Tn+1當(dāng)前操作的下一步標(biāo)準(zhǔn)流程中需用的工具P當(dāng)操作錯誤時需要扣掉的分?jǐn)?shù)G拆卸任務(wù)完成后的總體分?jǐn)?shù)N該拆裝任務(wù)操作的總步數(shù)n當(dāng)前操作所在的步數(shù)

2 仿真實(shí)例

基于上述Grafcet過程模型和評估模型，應(yīng)用于3D虛擬設(shè)備維修平臺上[14]，對A320飛機(jī)的加油活門的拆裝操作過程進(jìn)行仿真分析、結(jié)果評估。

Grafcet拆裝過程模型如圖3所示，拆裝過程分為三部分，第一部分為飛機(jī)維護(hù)構(gòu)型；第二部分為接近程序；第三部分為拆卸過程。

3D渲染場景在拆裝進(jìn)行前加載完成，2步動作描述為完成安全準(zhǔn)備工作，放置安全護(hù)欄、警告牌，分別在49VU、121VU拔開相應(yīng)跳開關(guān)。3步動作描述為選取4 M工作平臺，接近右大翼，打開622JB蓋板。4步動作描述為斷開加油活門的電接頭。5步表述為拆卸螺母、拆卸螺釘、斷開搭鐵線，其約束條件為工具五角扳手。6、7、8、9步動作描述為拆卸螺帽、拆卸墊片，其約束條件為工具扭力扳手。10步動作描述為將閥體從墊圈上松出，其約束條件為工具螺栓。11、12、13步的動作描述分別為拆卸閥體、拔出螺栓、拆卸O形環(huán)。如圖5所示為拆卸過程效果圖。

圖5 加油活門拆卸過程效果圖

以拆卸過程中圖3所示的第6、7、8、9步工具限制條件操作錯誤為例進(jìn)行過程評估。當(dāng)受訓(xùn)人員采用了錯誤的工具，會有人機(jī)交互提示出現(xiàn)。第一次操作錯誤，工具錯誤提示會出現(xiàn)幾秒，提醒受訓(xùn)人員更換工具，如圖所示6(a)。并且當(dāng)檢測到工具不是標(biāo)準(zhǔn)的扭力扳手后，依據(jù)該步驟的權(quán)重為Wi=0.3，依據(jù)評估模型，需要扣除的分?jǐn)?shù)為P=Wi×100/6=5；如果第二次受訓(xùn)人員所用工具仍不正確，則會給出較為詳細(xì)的提示如圖所示6(b)，指明正確工具和操作對象，此時，P=2×Wi×

圖6 操作錯誤提示及最終成績評估效果圖

100/6+P=15;如果第三次操作仍錯誤，則會替受訓(xùn)人員完成該步操作，直接進(jìn)入到下一個狀態(tài)，此時，P=3×Wi×100/6+P=30；當(dāng)所有拆卸流程完成之后，加油活門拆下放在工作平臺。該實(shí)例其他操作步驟都正確，根據(jù)之前的操作錯誤次數(shù)，扣除相應(yīng)的分?jǐn)?shù)P，最后給出受訓(xùn)人員在此次任務(wù)中所得分?jǐn)?shù)G=100-P=100-30=70，如圖6(c)所示。

3 結(jié)束語

將機(jī)械組件的拆裝過程采用Grafcet建立過程模型和評估模型，能夠描述機(jī)械組件的拆裝流程，給出拆裝作業(yè)的結(jié)果評估。有效的滿足飛機(jī)維修訓(xùn)練功能，其交互元素可提高受訓(xùn)人員的訓(xùn)練效率，改善訓(xùn)練效果。當(dāng)受訓(xùn)人員掌握了關(guān)鍵技術(shù)之后，如何實(shí)現(xiàn)依據(jù)歷史培訓(xùn)的信息動態(tài)改變拆卸步驟的權(quán)重將是接下來工作的重點(diǎn)

[1] 馬立元, 董 博, 劉鵬遠(yuǎn). 基于同步網(wǎng)的虛擬拆卸過程建方法研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2012, 24(3):541-545.

[2] 張王衛(wèi), 蘇群星, 劉鵬遠(yuǎn). 虛擬維修拆卸序列規(guī)劃方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2013, 30(6):115-120.

[3] 國海峰, 劉澤乾, 陳丹強(qiáng). 機(jī)載武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練仿真平臺設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2010, 18(5):1103-1105.

[4] 賈晨星, 朱元昌, 邸彥強(qiáng). 裝備虛擬操作訓(xùn)練的過程建模方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2011, 19(12):3102-3104.

[5] 耿 宏, 吳啟龍. 面向虛擬維修任務(wù)拆裝過程的建模方法研究[J]. 制造業(yè)自動化, 2015, 5(9):35-38.

[6] 劉家學(xué), 劉 濤, 耿 宏. 基于 Petri 網(wǎng)和語義網(wǎng)絡(luò)的虛擬維修過程建模與應(yīng)用[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(2): 113-118.

[7] 尚 潔, 容曉峰, 徐興華. 基于PERT圖的虛擬拆裝過程建模[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程, 2011, 39(3):151-154.

[8] Wu D X, Xu X H, Shang J. Modeling of Virtual Assembly and Disassembly Process Using Colored Petri Nets Mechanical Engineering and Technology[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2012:603-609.

[9] 張忠華,耿 宏. IDEF3和DSM在拆裝過程建模中的應(yīng)用[J]. 中國民航大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 3(3):32-35.

[10] 黃 濤, 張?jiān)ツ? 李瀚飛,等. 基于Project的虛擬維修拆裝過程建模[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2012(1):192-196.

[11] Carré-Ménétriér V, Zaytoon J. Grafcet: Behavioural Issues and Control Synthesis[J]. European Journal of Control, 2002, 8(4):375-401.

[12] 王壽光, 林善法, 張有兵. 基于Grafcet的電梯控制系統(tǒng)建模[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007, 19 (A1):263-265.

[13] Philippot A, Tajer A. From GRAFCET to Equivalent Graph for synthesis control of discrete events systems[A]. Control & Automation (MED), 2010 18th Mediterranean Conference on[C]. IEEE, 2010:683-688.

[14] 陳靜杰, 李會茹, 曾學(xué)鋒. 層次化UML狀態(tài)機(jī)在拆裝過程仿真中的應(yīng)用[J]. 圖學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 3(3)：481-485.

Research on Machinery Components Disassembling Process Training Evaluation Model in the Aircraft Maintenance

Ren Yi1，Zang Lin2，Geng Hong2，He Hanqing3

(1.China Eastern Aviation Technology Co.Ltd.Training Department, Shanghai 201202, China；2.Aeronautical Automation College, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China；3.Maintenance Engineering Dept of Shenzhen Airlines Co,Ltd,Shenzhen 518128,China)

In order to improve the effect and efficiency of the aircraft maintenance training, and solve the problem that mechanical components disassembling process are complex and lack of interacting between person in the aircraft maintenance training，which cause the bad training effect and low efficiency. According to the components status, migration and the constraint conditions in the steps of the mechanical components disassembling process in the task, the disassembling process model are established by using the Grafcet. The training evaluation model is set up according to the weights in the steps. The result of the training is evaluated in quantity on the basis of the training operation situation .The model can support learning, training, evaluation pattern of training. Finally, the disassembly and evaluation process of the refuel valve on the maintenance training platform is taken as an example to verify that the model effective and practical and complete the interactive information presentation and the results evaluation

aircraft maintenance simulation; mechanical component; Grafcet; disassembling process model ;evaluation model

2016-01-01；

2016-02-24。

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(60832011)；天津市科技攻關(guān)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目( 06YFGZGX00700)。

任 毅(1973-)，男，上海人，工程師，主要從事航空機(jī)務(wù)智能維修方向的研究。

耿 宏(1964-)，男，陜西人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事民航數(shù)據(jù)分析和飛機(jī)維修工程方向的研究。

1671-4598(2016)07-0298-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.080

TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A