層次化UML狀態(tài)機(jī)在拆裝過程仿真中的應(yīng)用

陳靜杰， 李會茹， 曾學(xué)鋒

（1. 中國民航大學(xué)航空自動化學(xué)院，天津 300300；2. 北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621）

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)，對民航維修人員熟悉工作，提高拆裝效率具有重要意義。目前，對虛擬拆裝研究[1-4]主要集中在零部件拆裝次序和拆裝關(guān)系的建模，其實質(zhì)是將零部件作為一個質(zhì)點的虛擬拆裝。文獻(xiàn)[5]中介紹了對虛擬拆裝過程進(jìn)行建模的分析，采用PERT圖建立拆裝過程模型，但模型中缺少工具約束。與真實操作中的要求不相符。文獻(xiàn)[6]中對UML狀態(tài)機(jī)的形式化語義進(jìn)行了研究，定義了狀態(tài)項代數(shù)和配置函數(shù)，可以求出在任一時刻UML狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)配置。這種方法滿足組合性，但是沒有進(jìn)一步進(jìn)行形式化驗證。以上拆裝過程建模存在一些不足，例如，沒有對拆卸零部件的狀態(tài)遷移和行為進(jìn)行描述，一般的工作流模型缺乏對拆卸過程中約束條件和拆卸過程層次化建模的考慮。

基于此，針對已有虛擬拆裝過程模型的不全面，本文結(jié)合UML狀態(tài)機(jī)和層次化分析法描述拆裝過程的建模。文中利用狀態(tài)機(jī)表示零部件拆裝過程中的狀態(tài)變換形式，遷移條件。應(yīng)用層次分析法將復(fù)雜問題中的各種因素劃分為相互聯(lián)系的有序?qū)哟位Ｐ偷姆椒?，建立層次化模型序列，采用多線程數(shù)據(jù)采集，跟蹤待拆的零部件。

1 維修任務(wù)的拆裝過程建模

維修任務(wù)中有多道工序，主要包括測試、排故與拆裝。本文研究基于3D仿真場景中的組件拆裝過程仿真。分析拆裝過程中零部件狀態(tài)變遷的條件，建立零部件的關(guān)系網(wǎng)。直觀形象表達(dá)出各個零部件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1.1 UML狀態(tài)機(jī)建模

本研究中應(yīng)用UML完善的功能表達(dá)性和完備的定義[7]描述零部件拆裝過程。用狀態(tài)（state）描述待拆零部件的存在狀態(tài)，變遷表示零部件在兩個狀態(tài)之間的遷移。

事件表示對零部件施加的外界條件，動作表示對零部件的運動仿真，監(jiān)護(hù)條件為布爾函數(shù)，只有為true時，狀態(tài)才能遷移。

定義1：UML狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和遷移N=(P,T,E,G,A)

P表示零部件的狀態(tài)集，T表示狀態(tài)變遷集，E表示變遷的事件，G表示監(jiān)護(hù)條件，A為具體動作的描述。圖1描述某個零部件狀態(tài)遷移的過程，其中Ps表示零部件的初始狀態(tài)，經(jīng)過變遷后到達(dá)最終狀態(tài)Pt。變遷弧上條件表示在發(fā)生事件E（在拆裝中表示拆卸或安裝的工具和設(shè)備的到達(dá)條件）后，監(jiān)護(hù)條件的變量為真，發(fā)生變遷的動作A，到達(dá)狀態(tài)Pt。其中A表示零部件的運動表示（平移，螺旋，旋轉(zhuǎn)等）。

圖1 狀態(tài)遷移圖

1.2 零部件間的約束關(guān)系

每一個待拆卸的組件由多個零部件組成，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

其中x是待拆的零部件。零部件之間的約束關(guān)系可以總結(jié)為下圖2中的4種：一對一約束、一對多約束、多對一約束和多對多約束。設(shè)xi,xj… xj∈X，則編號為i，j，k，m，n的零部件之間的關(guān)系表示為： Ρ (xi,xj) = R(xk,xm,xn)。

圖2 零部件約束關(guān)系圖

1.3 零部件拆卸過程建模

拆卸過程模型包含 7個元素：Ni={P,F,T,E,G,A,X }，其中，P為庫所集，T為變遷集，F(xiàn)為狀態(tài)和變遷連接關(guān)系的有向弧集。dom(F)為F的定義域，cod(F)為F的值域。

sP表示零部件的原狀態(tài)，tP表示目標(biāo)狀態(tài)，E表示變遷的事件，G表示監(jiān)護(hù)條件，A為具體動作的描述，T表示狀態(tài)變遷集，K表示零部件狀態(tài)集，X表示拆卸零部件與相連零部件之間的關(guān)系表示。在此模型中，可以清晰的定義狀態(tài)和轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的模塊化描述。圖3為一個零部件的狀態(tài)和遷移過程描述。圖中，零部件B、C、D是A的前置條件，零部件B、C、D可并行操作。其中P1表示零部件B的拆卸狀態(tài)，P2表示零部件C的拆卸狀態(tài)，P3表示零部件D的拆卸狀態(tài)。T1，T2，T3分別表示零部件C、D、B的狀態(tài)遷移過程。T4表示零部件A在解除零部件B、C、D的約束后，進(jìn)行狀態(tài)遷移到達(dá)狀態(tài)P4。

圖3 零部件拆卸過程圖

2 拆裝模型層次化[8]

UML狀態(tài)機(jī)具有直觀清晰，包含信息量大的特點，但是對于多個零部件組成的復(fù)雜的飛機(jī)組件而言，只使用UML狀態(tài)機(jī)模型表示，會使模型龐大，造成建模效率低。本文引入層次分析法[9-10]，將復(fù)雜的拆裝過程，進(jìn)行層次分解，條理結(jié)構(gòu)清晰的建立組件的拆裝過程模型。在同一層次的各要素關(guān)系平等，不存在顯著的相關(guān)性；最低層的指標(biāo)可以被量化。把組成復(fù)雜的組件根據(jù)拆卸的相關(guān)性和并行性，分解成不同的層次（如圖4）。

圖4 拆卸零部件分層圖

飛機(jī)組件的拆卸一般分為三大部分：進(jìn)入飛機(jī)維護(hù)構(gòu)型、進(jìn)近程序和拆卸操作。下面對拆卸操作建立層次化模型。

在應(yīng)用層次分析法時，頂層表示待拆的組件，第二層表示只要選取了合適的工具或設(shè)備便可以直接進(jìn)行拆卸的零部件（或者是零部件序列）。第三層表示，在第二層的零部件拆卸后，才可能進(jìn)行拆卸操作的零部件，第三層的零部件可能受第二層一個或者多個零部件的約束。處于第二層的零部件可以進(jìn)行并行操作。處于第三層的零部件在滿足與其相連的第二層的所有零部件拆卸完成后，才能進(jìn)行拆卸操作（根據(jù)需要確定建立層次數(shù)，本文以三層為例）。

在層次分析法中，給位于最低層的每一個零部件設(shè)置一個標(biāo)志位，待拆狀態(tài)（初始狀態(tài)）時為零，應(yīng)用層次分析法，給位于底層的零部件計算出狀態(tài)標(biāo)志值Si，待相應(yīng)拆卸完成后，對應(yīng)的零部件標(biāo)志值從初始狀態(tài)零變成Si。當(dāng)標(biāo)志拆卸過程完成。

位于層次圖中的每一節(jié)點，代表組件的一種當(dāng)前狀態(tài)。

層次分析法的應(yīng)用步驟：

（1）第二層按照B1，B2，…Bn編號；第三層按照C1,C1…Cn；以此類推。按照建立的層次結(jié)構(gòu)模型建立判斷矩陣，設(shè)頂層元素A與下一層B1，B2，…Bn有關(guān)，判定矩陣的形式如下所示。

bij表示相對A來講，bi和bj與A關(guān)系的緊密度。采用1,2,3…9或者其倒數(shù)作為度量的參照。

（2）對判定矩陣的每一列做歸一化計算：

（3）同理第三層（C1，C2，C3…）的零部件，分別對每個父結(jié)點下的零部件建立判斷矩陣這里的x，y，x表示零部件的編號，

n為同一父節(jié)點的子節(jié)點個數(shù)。見步驟(1)和(2)，

（4）將計算得到的第三層的所有的歸一化矩陣值，進(jìn)行全局的歸一化處理。與父節(jié)點沒有連接的零部件歸一化值置為0，見式(1)。

（m為C層元素的個數(shù)， Wcη|m×1為Wcη|的擴(kuò)展矩陣，E1×m為1的列陣）

對新建立的新方陣的元素做歸一化運算，見式(2)。

根據(jù)Wc計算得到 C層的零部件的狀態(tài)標(biāo)志值，隨著拆卸的進(jìn)行，模型標(biāo)志從初始狀態(tài)零，置為計算得到的值Si。時，組件拆卸完成。根據(jù)每個標(biāo)志值的到達(dá)可以判定相應(yīng)的零部件是否完成拆卸，達(dá)到實時監(jiān)測的效果。

3 仿真實例

基于上述研究構(gòu)建的層次化UML狀態(tài)機(jī)建模方法，應(yīng)用在基于OSG的3D虛擬設(shè)備維修平臺上[11]，對A320飛機(jī)電子設(shè)備艙中電瓶的拆裝過程進(jìn)行仿真分析。

步驟一，分析電瓶拆卸過程。第一部分為飛機(jī)維護(hù)構(gòu)型；第二部分為進(jìn)近程序，包括打開822電子艙門和斷開相應(yīng)跳開關(guān)；第三部分為拆卸過程。步驟二，對電瓶的拆卸工作分為可并行操作的3個元素（每個元素中包含了要求順序操作的零部件集）：供電（包括滾花螺帽，盲蓋，電源固定保險絲）；通風(fēng)（包括通風(fēng)管道，卡箍，堵蓋）；電瓶的固定（包括兩個翼型螺帽，兩個桿，固定保險絲）。

3D渲染場景在拆裝進(jìn)行前加載完畢，選取工作平臺準(zhǔn)備進(jìn)入電子設(shè)備艙開始電瓶的拆裝。圖5中H表示歷史狀態(tài)，即飛機(jī)處于維護(hù)構(gòu)型，供電給勤務(wù)網(wǎng)絡(luò)，駕駛艙中BAT 1的按鈕電門彈起，在頂板35VU上放置警告裝置；打開822電子艙，斷開 5PB1、12PB1的按鈕電門。開始電瓶的拆卸操作，首先將電瓶的拆裝工作分成3部分（通電部分、通風(fēng)部分、固定部分），每部分可以并行操作。P1描述 822電子艙門打開的狀態(tài)，P2描述跳開關(guān)斷開的狀態(tài)；T1,T2,T3,T4描述固定裝置的拆開過程，T1描述用工具剪鉗剪斷固定用的保險絲的過程，T2描述用手旋轉(zhuǎn)翼型螺帽，翼型螺帽螺旋式上升至固定桿頂端的操作，T3描述用手抬高墊片的操作，T4描述用手側(cè)向搬開固定桿的操作。P3,P4,P5,P6描述固定裝置的組成零部件完成相應(yīng)操作后的狀態(tài)。T5,T6,T7,T8描述通電部分的拆開過程，T5描述用工具剪鉗剪斷固定用的保險絲的過程，T6描述用手旋轉(zhuǎn)電源插頭的操作，T7描述用手將電插頭從電瓶上移除的操作，T8描述用手將盲蓋安裝在電瓶上的操作。P7,P8,P9,P10描述通電部分的組成零部件完成相應(yīng)操作后的狀態(tài)。T9,T10,T11描述通風(fēng)管路部分的拆開過程，T9描述用扳手?jǐn)Q松卡箍的過程，T10描述用手將通風(fēng)管移開的操作，T11描述用手將堵頭安裝到通風(fēng)管上的操作。P11，P12，P13描述通風(fēng)部分的組成零部件完成相應(yīng)操作后的狀態(tài)。安裝是拆卸的逆過程，這里沒有敘述。圖6是電瓶拆卸操作的部分效果圖。

圖5 電瓶的拆卸過程及建模

圖6 電瓶拆卸效果圖

4 結(jié) 束 語

本文對虛擬維修拆裝過程建模進(jìn)行了研究，結(jié)合UML狀態(tài)機(jī)和層次分析法建立了飛機(jī)組件的拆裝過程模型，并將這種模型應(yīng)用于基于OSG的三維虛擬維修設(shè)備平臺上，對組成復(fù)雜的組件采用層次分析法規(guī)劃零部件的拆卸，規(guī)范了拆裝過程建模的流程，解決了飛機(jī)虛擬維修訓(xùn)練設(shè)備中大量組件的統(tǒng)一建模問題，且利用層次分析法能動態(tài)監(jiān)測拆裝過程中的零部件。利用UML狀態(tài)機(jī)仿真零部件的拆裝過程中狀態(tài)的變遷，真實再現(xiàn)零部件的拆卸過程。此維修訓(xùn)練設(shè)備已應(yīng)用于某高校的機(jī)務(wù)維修訓(xùn)練中，提高受訓(xùn)人員的拆裝熟練度和操作能力。

[1] 蔣雙雙,劉鵬遠(yuǎn),張錫恩. 一種基于Petri網(wǎng)的虛擬維修過程建模方法[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(11):2488-2491.

[2] 于鵬飛,時和平,芮科慧. 基于動作對象的虛擬維修動作仿真方法研究[J]. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,20(5): 127-131.

[3] 任洪麗,張 偉,李文瑞. 基于改進(jìn)蟻群算法UML狀態(tài)機(jī)圖的測試用例生成[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計,2010,31(17): 3835-3837,3928.

[4] 郭 峰,姚淑珍. 基于Petri網(wǎng)的UML狀態(tài)圖的形式化模型[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2007,33(2):248-252.

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

[6] 姚淑珍,金茂忠. UML 狀態(tài)圖的形式化建模及其分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2007,33(4): 472-476.

[7] 蔣 慧,林 東,謝希仁. UML狀態(tài)機(jī)的形式語義[J]. 軟件學(xué)報,2002,13(12): 2244-2250.

[8] Zhou Y,Baresi L,Rossi M. Towards a formal semantics for UML/MARTE state machines based on hierarchical timed automata [J]. Journal of Computer Science and Technology,2013,28(1): 188-202.

[9] 王偉巖,馬 野,邱楚楚. 基于改進(jìn)層次分析模型的艦載無人機(jī)系統(tǒng)修理級別分析研究[J]. 艦船電子工程,2011,31(4): 143-146.

[10] 荊全忠,姜秀慧,楊鑒淞,周延峰. 基于層次分析法（AHP）的煤礦安全生產(chǎn)能力指標(biāo)體系研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2006,16(9): 74-79,145.

[11] 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,2013,34(2): 113-118.