基于工作流理論的民用飛機排故路徑

工作流由案例、任務、過程、條件等一系列概念構成，其概念源于生產組織和辦公自動化，可提高工作效率、管理水平和競爭力。工作流有助于實現產品設計、審批、修改和生產過程的管理。工作流管理為合作和協調的方式提供有效的平臺，在企業(yè)和商業(yè)運作過程的分析中取得很大的成功。

分析工作流的前提是將工作流轉化為模型。工作流建模的眾多理論中，Petri網以其嚴格的形式定義、直觀的圖形表示、豐富的系統描述手段和系統行為分析技術等優(yōu)點成為復雜系統的工作流建模的有效手段。民用飛機的排故路徑也可看作是一種由案例、任務、過程、條件構成的工作流，可以建立相應的工作流模型。

一、工作流理論

工作流的研究源于數據庫的發(fā)展，數據庫及其管理系統把數據和數據管理從應用程序中分離出來，從而簡化了應用程序，也提高了它的可靠性。工作流的提出不僅是為業(yè)務流程自動化提供基礎，也為網絡環(huán)境下應用系統的進一步分離提供基礎。荷蘭學者Aalst是工作流建模理論的創(chuàng)立者，他從20世紀90年代初開始研究工作流，提出了工作流網的概念。因為工作流網模型的創(chuàng)立和應用的成功，工作流理論產生了巨大的影響。

Aalst的工作流網建立在有向網的基礎之上的，有向網PN=（P, T, F）為工作流網的條件是：①PN有一個源庫所，其前集為空；②PN有一個漏庫所，其后集為空；③每個節(jié)點都屬于從源庫所到漏庫所的一條路徑上。工作流網的四個基本結構是合分、合并、或分、或并，它們的圖形符號如圖1所示。

圖1 Aalst工作流網模型的基本結構

工作流發(fā)展的主要方向是交互式工作流技術，它集成工作流的管理和仿真，為工作流模型研究提供了新的思路。

二、排故路徑的工作流模型

民用飛機排故路徑的工作流模型基本思路依然是由設計出發(fā)，因此需要由設計推導出排故可能涉及到的工作。

民用飛機的排故路徑與設計的邏輯關系如圖2（a）所示，主要包括適航、設計和制造、維護、運行、檢查和維修等。民用飛機設計和制造、維修等過程必須通過適航審查；運行、維護、檢查等排故路徑則是由飛機制造商提供的，因此可將排故路徑分為保養(yǎng)、檢測、恢復、拆裝等四類。其工作邏輯關系如圖2（b）所示。

圖2 民用飛機工作的邏輯關系圖

民用飛機與故障診斷相關的工作主要是運行檢查、功能檢查和拆裝修復。運行檢查在使用過程中記錄是否出現故障；在保養(yǎng)和檢測過程中進行功能檢查，保證民用飛機非工作期間達到預期功能；進行拆裝、恢復的目的是修理。

三、數據來源——工卡

工卡是綜合維修大綱、維修計劃文件和維修手冊等文件的內容所編制的操作性文件，它為排故人員提供依據和應遵循的規(guī)定和程序。民用飛機排故工作的起點是工作指令，這些指令包括故障現象、適航指令、定檢指令、一般檢查指令等。

民用飛機制造商發(fā)布的工卡一般有運行檢查工卡、功能檢查工卡、修復工卡三種，總結工卡可得到民用飛機排故工作的一般流程。民用飛機排故工作的一般流程如圖3所示。

圖3 民用飛機排故工作的一般流程圖

由圖可以得到結論，由民用飛機的工作流程復合模型a，以及飛行功能檢查b、地面功能檢查c、拆裝維修d三個分流程構成。接受指令后，分析指令執(zhí)行時間是否可用、所在地點有無工作能力。確定了工作時間和地點后，依據指令要求進入分流程。若需要檢查，轉入分流程b——運行檢查；若獲取具體故障信息，轉分流程c——功能檢查；若已知故障，則進行分流程d——拆裝修復。分流程工作的前提是準備工作的就緒，如準備好電源、準備好專用工具或口蓋開啟等；工作結束時工作復位，如關閉電源、閉合口蓋等。

四、工作流的Petri網模型及性質

依據工作流理論，確定工作流的一般化模塊之后，需要將其映射為Petri網，進行分析。

工作流中的開始標記即是Petri網中的初始庫所，當接受指令時自動產生托肯；工作流中的結束標記即是Petri中的終點庫所中存在托肯。

民用飛機工卡的Petri網模型是一種由復合流程到分流程、分流程還可進一步細化的層次化模型，對其模塊化處理在一定意義上實現了排故流程的模塊化，同時該模型還具有托肯總量不變、始終為一的特點。

進一步分析Petri網模型的性質，同樣滿足活性、安全性和有界性。

對于民用飛機工卡的Petri網模型可轉化為著色Petri網。將庫所中的資源表示為{Ax, By, Cz}, x, y, z表示資源，A, B, C表示數量。如某民用飛機的作動筒（ATA27-61），北京飛機維修工程有限公司有修理資格證、專用工具、技術員資格證，而山東太古飛機工程有限公司沒有修理資格證、有專用工具、沒有技術員資格證。則兩個維修單位表示為Petri網模型，它們的庫所顏色集分別是{1x, 1y, 1z}和{0x, 1y, 0z}。上述庫所對應變遷的點火規(guī)則是庫所中托肯p≥{1x, 1y, 1z}時變遷發(fā)生。

五、民用飛機的工作流的改進Petri網模型

工作流模型沒有統一的形式化方法，Aalst的工作流雖然得以廣泛應用，但是該模型混淆了網系統中托肯和變遷的概念，存在不足?；綪etri模型雖然有狀態(tài)方程、代數方程等較完善的解法，但是還不能清楚表達工作流中存在的托肯和變遷的狀態(tài)。

①改進Petri網：工作流應用同步網可以清楚刻畫并發(fā)關系，有效解決死鎖問題；C_net擅長描述計算機程序，可實現任務的判斷及趨勢分析，基于此，本文應用同步網和C_net構成的擴展Petri網模型描述航空發(fā)動機的工作流，它們的理論基礎是同步網和C_net。

同步網和C_net的概念均源于袁崇義的專著，同步網的概念與書中一致，C_net的概念作以下擴展：變遷由狀態(tài)、條件和實體構成，其中狀態(tài)是邏輯量，在航空發(fā)動機故障診斷工作流中表示是或否；條件是邏輯的表達式，表示判斷方式；實體由賦值語句組成，表示庫所的取值范圍。增加讀關系R和寫關系Wr，并通過增加伴隨庫所x, y與變遷t間的連接而實現，這樣就增加了變遷的控制功能，其結構示意圖見圖4?？偠灾?，同步網的庫所表示任務；變遷表示工作流的任務執(zhí)行情況；變遷發(fā)生條件是基本Petri網變遷發(fā)生條件的基礎上增加只能單向傳播，且每個變遷只能發(fā)生一次。

圖4 擴展C_net結構示

②邏輯模型和語義模型：工作流模型可分為工作流邏輯和工作流語義兩部分，前者用于描述所有事件共同的路徑框架，與屬性無關；后者用于從路徑框架上選擇實際路徑。對于航空發(fā)動機而言，它的工作過程是按照工作流邏輯依次檢查已完成的任務并啟動下一步任務，工作流語義表示執(zhí)行具體的任務內容。

基于同步器和C_net的理論，可以改進傳統的工作流邏輯模型和工作流語義模型，從而構成航空發(fā)動機的工作流模型。

考慮航空發(fā)動機單元體的結構，每個工作單最多只涉及兩個單元體，所以對同步網的同步單元作如下改進：一個庫所最多有兩個輸入變遷、兩個輸出變遷。這樣可得某系統的工作流邏輯模型見圖5（a），圖中的起始庫所中賦予一個托肯?？紤]到對航空發(fā)動機單元體檢查和維修工作的特殊性，單元體的檢查或維修有兩個狀態(tài)：故障或正常、維修或不維修。簡化圖4所示C_net中的變遷：不考慮庫所的條件，只考慮狀態(tài)、體兩個因素。得到航空發(fā)動機的工作流語義模型見圖5（b），在圖中伴隨庫所x, y用于實現讀寫操作功能，目的是實現不同變遷間狀態(tài)的控制。

圖5 某系統故障診斷的工作流邏輯模型和工作流語義模型

③性能分析：建立工作流模型的目的是實現工作流的管理和化簡等操作，而工作流邏輯具備暢通性和良好性是可進行管理和化簡以及對工作流進行性能分析的前提。

暢通性是指與沖突消解方案無關的情況下，保證入口庫所中的托肯經傳遞、復制及合并能流到終點庫所。即由起點出發(fā)總能回到終點，起點的庫所總是可以實現的。要證明一個工作流邏輯是暢通的，有三種方法：①分析可達樹，根據葉節(jié)點的性質判斷其標識是否只有一個終點庫所有托肯；②找出所有最長變遷序列，檢查其終止標識；③在工作流邏輯上加測試變遷，把每個終點庫所中的托肯引回入口庫所的若干變遷，看工作流邏輯增加測試變遷后是否具有T不變量。良好性是指庫所間托肯單向可傳遞，并且?guī)焖鶝]有冗余。證明良好性的過程相對復雜，但只要滿足了良好性的定義就說明工作流邏輯是良好的。

建立的航空發(fā)動機故障診斷工作流模型表現出很多優(yōu)點：

①最突出的優(yōu)點在于反映了檢查或維修與故障間的關系，方便了故障診斷；

②便于航空發(fā)動機的使用部門根據自己的實際情況制定檢查和維修流程；

③有利于設計故障與征兆樣本集；

④航空發(fā)動機工作流模型滿足暢通性和良好性，可對工作流進行簡化、管理等操作；

⑤建立的工作流模型可與其他理論結合，進而為降低航空發(fā)動機故障診斷復雜性提供了思路。