基于CI—CPN的在役飞机构型数据模型研究
2018-05-30徐建新胡谍蔡舒好
徐建新 胡谍 蔡舒好
摘要：为了对海量的在役飞机构型数据进行有效的组织和管理，提出一种在役飞机维修构型数据管理的混合式产品结构，以此为核心带动在役阶段的构型数据管理工作。以ERJ1 90飞机为例，给出了基于此模型的产品结构；利用有色Petri网原理建立在役飞机构型数据管理的Cl-CPN模型；最后对ERJ190飞机五号肋加强和扰流板改装的构型更改流程进行实例验证，表明提出的Cl-CPN模型能够组织管理实例的构型数据更改过程，为解决在役飞机构型数据冗余、混乱，在役与在研构型数据管理脱节等问题提供了可行性方案。
关键词：数据结构；构型项；有色Petri网；构型管理
O 引言
产品数据管理（PDM）是一个以各种软件为基础的框架，在这个框架里，可以实现所有与产品有关的数据信息、资源配置、业务过程等的集成管理，从而保证在产品生命周期内保持产品数据的一致性与可追溯性[1]。广义上的构型管理定义是从产品设计、生产到产品使用支援的全生命周期内的管理工作程序[2]。飞机的构型管理面向的是飞机产品全生命周期，而在役飞机构型管理主要的工作是运营阶段的飞机产品数据的管理，对相比研发阶段产生变化的构型数据进行记录和存档，并且随着构型数据信息的变化进行相应产品的支援与服务管理[3]。
飞机制造商相当重视飞机的构型管理，构型管理被视为研发生产的核心技术，制造商投入很大精力研究设计阶段的物料清单（EBOM）和制造阶段的物料清单（MBOM），因此，大部分學者的研究针对的是在研阶段飞机构型的管理[4-9]，对飞机交付后运营阶段的构型数据管理的讨论相对较少[10，11]。
国内航空公司基本没有专门设立较完善的部门进行在役飞机构型数据的管理工作。供应商与航空公司、航空公司与维修单位以及维修单位内部各部门之间缺乏完善的整体化构型管理系统，在役飞机维护过程过于手工化，子任务间的关系不清晰，很难确保在役飞机构型管理的整体性。同时，混乱的构型管理会使飞机的选型、转租、退租等环节受到严重影响。而由于国外对知识产权的保护，可借鉴的研究成果也很少。因此，深入研究在役飞机构型数据管理模型，成为我国民航研究领域应该高度关注与亟待解决的实际问题。
1 SBOM产品结构设计
1.1 整体产品结构规划
飞机产品结构分解是飞机产品数据和信息组织的核心，是根据一定的关系（设计、工艺、装配等）将产品结构按照树状层次关系进行分解的过程[12]，产品结构通常通过物料清单（BOM）体现，在役维护阶段的BOM称为服务物料清单（ SBOM）[13]，SBOM可以看成是EBOM的衍生，是由航空公司、租赁公司或维修单位的客服部门根据飞机产品支援工程需要设计建立的服役飞机的产品结构，以此产品结构为核心基础，管理飞机服役过程中的所有数据，内容主要包括飞机出厂的基本构型数据、飞机维护维修业务数据、飞机航材备件信息数据、技术出版物等。
在整体产品结构上，采用传统的产品结构树状模式（见图1），上层结构分解到段部件（section层），再分解到专业层（ATA层），通过段部件（section层）组织产品数据。在上层结构的基础上，遵循WBS的原则，继续自上而下地进行结构分解，得到分系统的产品结构，再汇总形成飞机的产品结构。产品结构中的每个节点连接了与之相关的各种信息描述，具体可以关联零组件和各种图样以及与其相关的技术文件等数据。
1）顶层
上层的顶层结构是同一项目、系列或型号通用的共性信息组织管理层，可进一步细分为飞机项目、飞机系列、飞机型号、主部件层和段部件层，以及专业层ATA章等。如图1所示，飞机型号主要按照飞机功能分类，如货机、标准客机、公务机等；主部件是指飞机的大型部件，大致可分为机体结构和飞机系统两类；段部件层是每块大部件的细分层，专业层ATA涉及的是段部件对应的相关国际民航通行的ATA规范，目前需要符合的是SlOOODSNS标准体系和ATA 2200规范。
2）构型层
产品结构中的核心层是构型层，构型管理活动主要在这一层里进行，构型层的设计是产品数据构型结构设计的关键。在役构型层的设计主要是为了支持在役飞机构型的模块化管理、多构型管理和单机管理等功能需求。
3）底层
构型层下面是底层零部件层，由具体构型文件和具体零部件组成。底层每一个模块是独立的小顶层装配件，架次有效性不在这一层定义，它只是继承对应顶层的有效性。SBOM是EBOM的一种衍生，所有SBOM的底层内容都是EBOM内包含的所有零部件按照客服公司服役产品支援工程的需要进行重新组织与管理而获得的，因此保留了飞机物理结构的固有关系和特征。
1.2 SBOM构型层结构规划
同型号和批次的飞机尽管在出厂前的产品数据结构是一致的，但是在服役过程中会因为各种维修更换而使产品结构发生变化，并且随着服役时间的增加，产品数据结构所关联的数据会不断增加，所以一架飞机对应一个产品结构，对应一个SBOM。若采用与在研阶段相同的单树式BOM结构，会产生大量的结构相似但又有区别的SBOM，造成数据冗余，SBOM数据的一致性也无法保证。因此，借鉴复合式BOM结构设计思想[12]，面向部门之间，建立以维修业务数据为构型层的SBOM产品结构，将SBOM构型层分解为资料构型层（维修资料和知识构型数据）和业务构型层（维修业务构型数据），提出混合式SBOM构型层结构。每个业务构型项与对应的资料构型项相关联，多个业务构型项可以关联同一个资料构型项，但一个业务构型项只能关联一个资料构型项，因为多个不同的业务可能对应同样的支持数据，但资料构型项的粒度要根据业务构型项的种类来控制，即资料构型项粒度要满足一个业务构型项只能对应唯一一个关键的资料构型项的要求。例如，飞机研究设计阶段的复合式BOM设计思想中，实例物料与中性物料只能是N：l的对应关系，这里业务构型项和资料构型项也是N：l的关系。一个业务项的主要资源数据支持构型项只能控制为一个，否则对应关系过于复杂，不便计算机进行信息化管理。
两种构型层的基本结构一致，都由CI（Configuration Item）、LO（LinkedObj ect）、DS（Design Solution）三种基本元素组成，通过这种组合式构型层将维修业务数据与维修支持数据相关联，将在研和在役飞机的构型管理相结合，实现统一数据源的思想，为在役飞机构型管理提供有效的产品结构。图2所示为构型层的基本组成，图3是SBOM的混合式构型层结构。
1）构型项CI是产品构型结构中的一个管理节点，是进行构型管理且可以满足最终使用功能的基本单元体，能够作为单个实体，用来描述硬件、软件、服务或其任一部分的集合体[11]。CI是一个中性标识符，而非一个真实零件。在研飞机的构型项按照飞机的物理结构定义，管理的是飞机本身的物理构型；而在役飞机的构型项定义不仅是具体的物理管理，更是服务功能化的定义。
本文提出的SBOM产品模型的构型层CIs分为业务构型层和资料构型层。业务构型层用于组织管理单架次飞机运营阶段的各种业务数据，如例行工作项目、部件更换项目、故障和缺陷维修项目等；资料构型层用于组织管理随机的各种支持数据，如适航指令、服务通告、维修大纲、维修手册等。
2） 10表示一对CI-DS之间的关系，用于存储有效信息。一个DS对应一个LO，但一个LO可能对应几个DS，即LO与DS之间是一对多的关系。
3） DS定义能够满足CI要求的解决方案，它与描述、建立该方案所必需的元素关联（即零件、文件、规范、实验报告等）。DS里面涉及的是具體的活动执行方案。每个DS之后连接的是产品结构的底层，对应相应的需要更换和修理的组件、零件。
在SBOM构型层里面，业务构型项与资料构型项关联，一个资料构型项可以关联多个业务构型项，但一个业务构型项只能关联一个主要资料构型项。两种构型项CI的父节点都是同一架飞机的顶层结构，两种构型项对应的解决方案DS也关联在同一架飞机的零部件底层，通过这样的混合结构，将在役飞机MRO的业务数据和维修支持数据有效地整合起来。
1.3 ERJ190飞机的SBOM构型结构
按照上述提出的SBOM结构，给出ERJ190飞机的SBOM结构。因为之后会对此飞机机翼的改装流程进行建模分析，所以给出的ERJ190飞机产品维修构型结构主要围绕机翼的构型结构展开描述。
根据以上设计的SBOM混合式构型层结构，将ERJ190飞机的业务构型层按照维修主要业务制定，业务构型项可设计为故障维修管理、适航指令管理、服务通告管理、定检时寿管理。每个业务构型项都关联其业务活动所需的关键资料构型项，故障件和时寿件更换构型项都与资源构型层的维修手册构型项相关联，适航指令与适航法规和条款构型项关联，服务通告与维修大纲构型项关联。
关联对象可以按照业务活动开展步骤分类，或者再将构型项细分。故障件和时寿件更换的关联层可分为拆卸和更换，适航指令和服务通告的关联层可按照紧急性划分为紧急类和一般类。其中，服务通告会被改成可执行的工程指令，之后再改成可执行的工卡，工卡可关联资源构型层维修大纲构型项的解决方案DS，因此构型项的关联使得其下的DS也是相关的。图4是ERJ190飞机的SBOM结构。
2 基于Cl-CPN的在役飞机构型数据模型
在役飞机的构型管理涉及的管理数据庞大，而且会随着时间不断积累，是一系列相当繁琐的程序。面对这种复杂的、动态业务过程描述与仿真，可以利用Petri网作为有效解决的工具。CPN是建立于经典petri网基础之上的更高级的网系统，是适用于异步并发系统的图形数学建模的工具，简洁明了的图形表达方式和精确的语义定义使其成为对系统描述的良好工具[14]。目前已有一些对于飞机维修业务过程优化的Petri网模型，本文将借鉴这些成果[15]，以在役飞机混合式SBOM结构为基础，提出基于构型项的Petri网（CI-CPN）模型。
此模型用CI来描述维修管理数据信息及产品构型结构，CPN的托肯即CI的属性，描述CI中间状态对象的性质及动作变迁。其形式化模型描述如下：
CI-CPN= {CPN，CIs），其中，CI-CPN由CPN和CIs两个部分组成，其中CPN是有色网结构，CIs是构型项。网结构CPN包含库所集、变迁集、颜色集、网的流关系、权函数以及初始标识函数等信息，即CPN=。
1）P是一个（Pl，P2，…，Pn）的有限库所集，表示在役飞机维修信息的数据管理节点。
2）T是一个（Ti，T2，…，Tn）的有限变迁集，表示在役飞机构型管理过程中的各种维修数据管理活动，且Pn T≠φ；PUT≠φ
3） CO表示颜色集，也可以称为库所的令牌，表示参与数据信息管理的部门或负责人、软硬件资源、构型管理任务信息等。
4）E是网的流关系：
E∈P×TUT×P。
5）W是权函数，W（x，y）∈{0，1，2"'），如果（X，y）∈E，则“W（x，y）=0，Mo：P→{0，1，2"'）”是初始标识函数。
构型项CIs是维修业务活动过程描述的对象和其属性以及动作的集合，即CIs=（CIid.H，C，DS，LO，MMs），CIid代表构型项的标识号，具有唯一性。
1）H是一个可以描述该构型项技术特性的三元组集合（t，p，v），涵盖构型项的有关属性，包括功能特性与物理特性。
2）p为构型项的属性，用H中的符号进行唯一性的标识；t表示H集合中属性p的类型；v表示H集合中属性p的值，一对t和v关联一个H。H作为产品构型结构的信息载体，其中含有丰富的数据信息，它的设定必须满足经典Petri网托肯的约束条件。
3）C为二元组（Cn，Ce）的集合，它是CI属性之间的共享集合，Cn表示共享名，Ce表示共享表达式。DS={DS1，DS2，…，DSn）表示构型项CI的设计方案的集合。
4）10表示CI和DS之间的关联集合。
5） MMs={MM1，MM2，…，MMn），表示对应于DS的零件主模型集合。
3 工程实例验证与分析
3.1 ERJ190-100LR机翼改装过程
在某航空公司ERJ190-100LR飞机的管理过程中，根据所提出的CI-CPN模型，对ERJ190-100LR机翼真实改装过程的构型管理流程进行建模。
此改装活动是由服务通告编写而来，主要任务是完成五号肋加强和扰流板改装。航空公司引入飞机后，厂家在交付飞机的文件中提供了一份后续在役阶段需要关注的服务通告清单OSBL（ OpenService Bulletin List），该清单列出的是适用于该飞机的且在生产线未被完全覆盖完成的服务通告，要求交付后一定时间内进行检查的工作，一般由航空公司工程部门接收，并对此清单上的服务通告进行评估，是否需要纳入后续的持续适航管理控制中，保持机队构型一致，减轻构型管理压力。另一方面，对于适用的服务通告，一线维修部门或者维修单位可以根据实际情况向工程部门提出执行服务通告申请，工程部门将补充评估此服务通告，并纳入产品构型结构的“CI3 -服务通告”构型项的管理系统中，这种从下游反馈的形式对航空公司整个构型数据管理的控制起到了有效的补充作用。以上两种方式接收到的服务通告，工程部门经过审查评估后，需要执行此通告，将会把此服务通告改写成维修部门和单位可读的、方便执行的工程指令，然后根据此工程指令生成此改装流程的工作指令包，最后生成可执行工卡用于执行此业务活动。如若没有涉及到手册更改或者工具更新，就可以申请航空器批准返回使用证明，若需要进行手册更改和工具更新，还需要向工程部门提出，由工程部门向相应制造商网站提出反馈，申请对客户化维修手册进行修订。图5所示为此活动的构型管理流程。
3.2 ERJ190飞机机翼改装过程的CI-CPN模型
利用提出的CI-CPN模型，對ERJ190飞机五号肋加强和扰流板改装活动的构型管理工作及其子项之间的关系进行描述与分解。图6是其CI-CPN表示，表1是最终模型建立的11个库所，表2是13个变迁内容，相关含义对应如下。
3.3 Cl-CPN模型的分析
基于CI-CPN模型的管理特点主要有如下几点：
a.层次化。层次化模型使管理过程简化清晰，如图1的产品构型结构，将构型层专门作为管理的一级，连接顶层ATA章节和底层零部件。基于这种产品构型结构的构型管理流程，特别是核心流程，体现层次化管理特点，如图6中Start-Tl-Pl-T3-P3 -T5-P4-T6-P5-T7-P6-T8-P7-T12-Pl0-T13-Pll为该模型的核心流程，其他环节依附在这条流程链上进行，各个工作对应各个部门，各个部门对应构型管理结构中的不同管理层，使分工精确、责任明确。
b.并发性。在在役构型管理中加入并行方法，使在役飞机的构型管理朝着整体优化的方向发展，使得在役构型数据管理的各个环节既相互关联又能有一定的独立性，避免了传统串行单链式管理效率低的缺点。Start-P2-T2-P4-Tl这个小流程环节是对整个流程的一个补充，也就是说，一线维修单位可根据实际情况自主提出执行服务通告申请，当附件、发动机送修时，对承修厂家建议执行的服务通告，应反馈到工程管理部门，该部门将补充评估服务通告并纳入系统管理。这种从下游的反馈可形成对整个控制流程的有效补充。
c.状态控制。一个是整体生命周期中飞机在役的构型管理控制，一个是各个构型项的具体状态的相关信息的控制，确保在役飞机构型管理完整的技术描述。
4 结论及未来工作
4.1 结论
本文将在役飞机构型数据管理与在研飞机产品结构相结合，实现统一数据源的思想，为有效保证在役飞机构型数据的一致性和可追溯性提供了一种可行性方案。
1）通过分析在役飞机构型维修数据特点，提出了一种混合式SBOM结构，将飞机在整个产品生命周期内的关键数据信息统一起来，方便在役飞机引进、运营、转租、退租等过程的构型管理工作。
2）利用有色Petri网原理建立CI-CPN模型，对在役飞机构型更改管理流程进行有效描述，使构型管理过程在SBOM框架里有序地进行。
3）通过ERJ190飞机的实例，给出每部分的工程验证：ERJ190飞机产品混合式维修构型数据结构、ERJ190飞机五号肋加强和扰流板改装工作的构型数据更改流程，及其对应的CI-CPN模型，此模型表明本文提出的混合式SBOM结构和CI-CPN模型用于组织管理实例的构型数据是可行的，且具有层次性、并发性、可控性的特点。
4.2 未来工作
接下来的研究方向是根据提出的SBOM结构，生成更多的SBOM多视图；对混合式构型层结构的设计进行更深入的研究，丰富在役飞机的产品结构；利用Petri网建立更完善的构型管理流程模型，将航材储备、工具、时间、费用等资源信息加入到CI-CPN模型中，进行更精准的管理，提高在役飞机构型数据管理的能力。
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