基于Mealy 机的航空电子组件仿真模型*

刘家学，李蒙阳

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

0 引言

航空电子组件仿真模型是飞机虚拟维修训练器的重要组成部分，同时也是飞机维修仿真的主要操作对象之一。建立航空电子组件的仿真模型，对于飞机维修仿真开发具有重要意义［1-2］。

近年来，刘睿等人提出了部件级的故障建模方法，在仿真部件正常功能模型的基础上通过重构建立故障仿真模型［3］；李冰月等人结合故障树分析方法，利用Matlab/Simulink 软件建立了各部件的数值仿真模型，搭建了空调系统故障仿真平台［4］。何永勃等人通过能量守恒、动量方程和力平衡方程建立引气系统的故障仿真数学模型［5］。航空电子组件故障种类繁多，其仿真建模是一个不断迭代的过程，另一方面，至今飞机上的航空电子组件每年仍然有新的故障出现。因此，航空电子组件的仿真模型经常需要进行迭代更新，传统的基于故障树、部件级故障建模等方法在系统二次开发时，需要对系统进行重新构建，带来大量重复工作。

针对上述问题，本文提出了基于Mealy 机的航空电子组件仿真模型。Mealy 机利用其状态机转移机制描述新的故障状态，可以有效降低组件之间的耦合度，在不改变原有系统情况下进行故障更新，提高航空电子组件建模效率。

1 航空电子组件建模

在民航飞机虚拟维修仿真建模场景中，航空电子组件的建模需要满足以下条件：1）仿真组件在虚拟场景中可以同其他组件互相配合，具备正常的航空电子组件属性，比如启动、关闭等。2）为满足对机务人员的维修训练需求，可以根据维修工卡内容对仿真组件进行故障设置，组件反应出的故障效果和真实的故障场景一致。3）在虚拟环境中，被培训人员按照规定的维修步骤，进行故障排查、更换部件等行为，仿真组件可以根据训练人员的动作，出现相应的响应［6-8］，最终达到逼真的训练效果。在建立电子组件仿真模型的过程中，综合考虑效率和速度因素，仿真的模型可以满足机务维修训练场景的需求即可，真实组件的原理和仿真不在本次任务中［9-10］。综上所述，建立了基于Mealy 机的航空电子组件模型，模型可用六元组表示：

2 航空电子组件ECB 行为描述

电子控制盒（Electronic Control Box，ECB）是飞机中一种重要的电子控制组件，它是辅助动力装置的控制中心，以民航飞机A320 电子控制盒为例，建立基于Mealy 机的航空电子组件仿真模型。以下为ECB 状态行为描述：

ECB 初始状态为OFF，第1 阶段启动ECB，需要打开当驾驶舱25VU 面板14KD 开关。ECB 启动后会依次控制供油泵4QC、进气口1KD、LP 活门3QF 开始工作，为APU 的启动做准备工作。

第2 阶段启动APU，此时需要打开驾驶舱25VU 面板2KD 开关。START 开关启动后，ECB 协调其他电子组件保证APU 顺利过渡到平稳期。依次协调的组件包括：起动机、IGV、点火器、燃油电磁活门。在这个过程中，ECB 还需要监控滑油温度、滑油油压、APU 转速、EGT 等指标，在指标异常时随时做好停车准备。

第3 阶段APU 启动成功。当N＞=95%时，APU处于工作状态，可以对整个飞机提供电源和引气。此时AVAIL 指示灯点亮，ECB 控制起动机关闭，并同时监测以下指标：APU 荷载、电压、引气压力。

第4 阶段关闭APU。当APU 需要关停时，依次关闭驾驶舱25VU 面板14KD、2KD 开关，同时依次关闭联动组件：油箱泵、进气门、IGV。停止各个参数指标监控。

为满足虚拟维修仿真功能，仿真组件需要满足以下故障设置需求：EGT 超温、IGV 失效、滑油超温、APU 失火、发动机失速等。结合历年来的民航机务维修故障类型统计数据表明：EGT 超温和IGV 失效两类是维修过程中高频代表性故障，因篇幅因素，本文对此两种代表性故障进行故障注入建模。

3 基于Mealy 机的ECB 功能模型

3.1 仿真模型结构描述

根据ECB 的5 种工作状态以及7 种跳转动作构造Mealy 状态机模型，其仿真模型结构如图1 所示。仿真组件ECB 的正常功能状态有5 类：关闭（OFF）、通电（ON）、启动（START）、可用（AVAIL），其中初始态OFF，异常故障态（FAULT）。

图1 Mealy 机组件模型

3.2 仿真模型功能描述

表1 信号输入

表2 布尔化输入量

表3 输出信号

3.2.2 输出函数

ECB 的输出信号类型包括进气活门、油箱泵、起动机等布尔功能信号，和飞机电子集中监视系统ECAM、中央故障数据系统CFDS 等离散型功能信号，如表3 所示。

ECB 输出信号构成Mealy 状态机的信号输出集，功能输出信号包括布尔型信号，离散型信号，连续性信号，输出信号可以用集合表示。信号输入集合Δ：

4 实验结果与分析

模型验证平台为实验室自主研发的空客A320飞机维修综合训练器中的驾驶舱环境。其中3DMAX 版本2013X64，三维动画引擎版本OSG 3.0、PROE 版本5.0、cal3d 版本0.11.0、osgcal 版本0.3.1，编程语言为C++，编程平台为Windows10 64位系统下的VS2015。

4.1 仿真实验

在虚拟维修仿真平台中，设置ECB 初始状态为关闭状态，在仿真驾驶舱的25VU 位置面板，两个信号指示灯关闭，辅助动力装置关闭，ECAM 页面上各指标参数均未显示。如图2 所示。

图2 ECB 的Mealy 机仿真实现（OFF 态）

图3 ECB 的Mealy 机仿真实现（ON 态）

在虚拟维修仿真平台中，打开主电门按钮，辅助动力装置启动，进气门指示灯显示打开，同时辅助动力装置燃油泵开始工作，按照维修手册，按下启动按钮ON，APU 开始启动。ECAM 指示参数显示初始化成功。如图3 所示。

当转速N 达到95%，点火指示灯熄灭，ON 灯熄灭，引气和气源指示灯打开。AVAIL 灯点亮。此时转速达100%，EGT 温度在475℃附近，APU 荷载在26%附近，引起压强达2 Pa。如图4 所示。

图4 ECB 的Mealy 机仿真实现（AVAIL 态）

在虚拟维修仿真平台中设置故障状态，ECAM出现自动关车，屏幕中各项参数不再显示，出现故障警告。如下页图5 所示。

4.2 实验对比

图5 ECB 的Mealy 机仿真实现（FAULT 态）

表4 实验对比

为评价模型效果，本文选取部件法、故障树分析法作为对比。实验任务选取为ECB 的故障注入仿真：IGV 失效故障、EGT 超温故障。人员配置同为后台开发人员5 名、测试人员2 名。评价指标为故障注入时间消耗，实验结果如图4 所示。

通过数据对比分析得到，本文提出的基于Mealy 机的故障注入建模方法比故障树和部件法所用建模时间平均降低41.4%，有效提高了模型的故障注入效率。

5 结论

本文根据航空电子组件仿真模型故障注入效率低下的问题，详细分析了航空电子组件的功能及行为，提出基于Mealy 机的航空电子组件仿真模型，有效降低系统耦合度，提升系统的二次开发效率。并通过在A320 虚拟维修训练器上构建ECB 仿真模型进行验证，结果表明，本文建立的Mealy 机仿真模型可有效提高系统建模效率。