背景

航空业在过去十年中取得了显著的增长。据估计，仅2019年一年，全球将有约3900万架次航班（Mazareanu，2020年）。在确保高安全性和高可靠性的同时，维持一个要求严格的飞行计划是一项挑战。为此，航空公司必须密切关注为飞机提供的维修质量，并确保机队的可用性仍然很高。机队可用性是多个因素的函数，包括维修质量、供应链约束和需求。飞机维修对保持飞机的正常运行起着重要的作用。

维护包括典型的飞行间维修任务，如加油、检查、预定任务和故障排除。使用贝叶斯网络分析等技术，考虑和分析了维修所需的物理时间、部件等待时间和飞机执行任务的总体可用性之间的联系。

然而，今天的飞机维修部门正面临着由于维修指南的不当文件导致的重大问题，这些文件阻碍了飞机的良好维修。航空工业利用以可靠性为中心的维修（RCM）和故障模式影响分析（FMEA）等过程来确定管理定期维修的最佳策略。这些策略包括确定维修间隔、分析故障模式和确定文件需求。这些分析是在故障模式级别进行的，不考虑维修系统的固有复杂性。进行的分析不考虑故障模式和相关故障排除指南之间的因果关系。

应对飞机维修行业挑战的解决方案必须考虑基础系统的复杂性。复杂系统包含许多相互作用的元素，不一定表现出线性。例如，维护系统不仅包含飞机本身，还包括多个级别的维护、供应链、零件仓库和文档，以确保采用有效的维护实践。通常，很难对老化飞机故障进行故障排除，这对于许多平台超过设计寿命运行的军事应用尤其重要。故障排除在本质上可能是循环的，零件被多次更换，而不是解决故障的根本原因。错误的故障排除可能不是由于培训不当或经验不足，而是由于底层系统的复杂性。这种维护质量的影响可能会通过系统级联，并影响其他位置、飞机或操作环境。

当今围绕技术文档的许多问题都与基于文档的方法有关，这些方法不试图捕获或建模维护系统中潜在的技术复杂性和关系。文献表明，技术文档通常使用基于文档的方法进行维护。当发现新的故障模式或技术进步时，故障排除手册等文档也会更新。但是，文档与实际维护系统的行为没有直接联系或关联。因此，可能无法很好地理解或建模故障模式对文档的影响。这进一步降低了维护过程对文件和资产管理实践的总体可追溯性。

基于模型的系统工程（Model-based systems engineering，MBSE）是一种允许工程师创建模型的实践，该模型将自动生成给定系统所需的所有工件。这些模型捕捉复杂系统的行为、背景和操作，帮助设计团队理解设计变更的非线性影响。此外，MBSE降低了人为错误的可能性，因为它是一个一致且清晰的系统模型。在飞机系统的维修过程中使用MBSE将使维修程序保持一致性和清晰性，使其不易出错。它将进一步提供在单一模型内内在连接故障模式、维护系统特征和组织的能力。为了实践MBSE，工程师需要熟悉一种建模语言，该语言将指定可用于系统设计的元素类型。常用的建模语言之一是系统建模语言（SysML）。SysML是一种通用图形语言，允许用户可视化系统设计的各个部分。SysML提供了一组图表，显示系统工程规程所需的不同特性。MBSE/SysML更大的好处是能够详细描述复杂系统。

为了更好地指导维修技术文件，这项研究提出了应用基于模型的系统工程方法结合SysML模型建模航空技术过程。为了演示这种方法，将提供一个实例来展示军用飞机EA-6B的建模。有许多类型的错误会降低EA-6B飞机的准备状态。这些错误主要分为三类：人为错误、技术性错误和非技术性错误。许多人为错误，如安装不当，都与飞机当前技术文件的使用不当有关。因此，使用SysML可以更好地开发维护过程模型，从而改进维护技术文档。

MBSE/SysML在航空领域的应用越来越广泛。一些研究在不同的复杂飞机系统中采用了使用SysML的MBSE方法。虽然目前的航空文献中已有一些研究利用了MBSE/SysML技术，但MBSE/SysML在航空维修中的应用还没有得到广泛的讨论或相对的忽视。

方法和建模细节

以EA-6B军用飞机为例，介绍了SysML的应用。采用SysML方法对EA-6B军用飞机前罩组件的维修过程进行了描述。其目的是展示航空维修行业如何从基于文档的方法转变为基于模型的方法。提出的模型基于现有的维护手册、技术报告和维护人员评审。基于这些来源，SysML模型被开发来可视化机头天线罩组件维护的结构和行为方面。

1. 案例——EA-6B飞机

这项研究为军用飞机维修提供了一种替代方案，使用基于系统模型的方法，而不是大多数航空维修公司遵循的传统基于文件的方法。根据文献调查和国防部当前项目的结果，我们发现EA-6B飞机有六个主要部件需要定期维修，即：警示灯显示面板、综合位置指示器、音频放大器、飞机操纵杆总成、机头天线罩总成，以及燃料相关系统。然而，在本研究中，我们将只考虑机头天线罩组件，因为

1）机头天线罩组件由于人为错误而有很高的维护延迟，

2）维护延迟也可能是由于维护培训不当造成的。

通过显示维修过程的结构和行为特征以及不同部件的结构，给出了一个详细的前罩总成维修过程的SysML模型。

结构模型描述了整个维修系统以及飞机结构部件的结构，而行为模型则显示了用于执行各种维修活动的过程。这两个模型最适合于案例研究。

2.结构模型的开发

为保证模型的组织性，首先创建了包图。包关系图表示使用包含不同模型元素的包的模型组织。在这种情况下，将创建一个包图，以将建议的系统模型组织为结构和行为，如图所示。

结构包括描述模型的不同结构的图，行为包括描述建议模型的行为方面的图。建议的包图将确保维护模型的一致性和组织性。包括工程经理在内的干系人可以轻松地浏览模型以查看系统的特定方面，而无需检查各种手册。

名为“MilitaryAviationMaintenanceModel”的包由两个名为structure和behavior的包组成。此外，结构包包含两个不同的包：aircraft structure和aviation maintenance structure。每个包都包含描述飞机结构和维修系统结构的块定义图（BDD）。bdd是SysML中最常用的图表，因为它允许用户可视化系统层次和分类树，可以帮助维护人员可视化系统结构并跟踪系统中使用的硬件。下图所示的bdd描述了EA-6B飞机结构系统的主要部件，重点是前天线罩组件。机头天线罩组件进一步分解为密封件、标牌、整流罩表面、螺钉和隔板法兰等部件。所有这些组件都表示为块。

维护系统结构可以用bdd表示，如下图所示。显示了航空维护所需的不同组件。这些要素以块表示，包括不同的维修数据，如手册、计划和零件清单、维修人员、设备、维修设施、飞机和外部环境。

3.行为模型的开发

使用两种行为图来建模飞机的行为，用例图（uc）和活动图（ac）。用例图可以看作是一个黑盒子，因为它显示了系统提供的服务和需要的组织。用例图通常在系统生命周期的早期阶段创建。在本案例研究中，创建了一个关于飞机总体维护系统的用例图，以显示各个参与者为系统提供的不同服务。

关于活动图，它用于显示系统的动态行为，目的是向团队成员或利益相关者传达有关某个系统行为的信息。在本案例研究中，活动图将显示与机头天线罩组件维护程序相关的各种行为，如下图所示。更准确地说，用例图提供了不同利益相关者如何与感兴趣系统交互的视图。

下图展示了使用活动图显示机头天线罩组件拆卸过程中使用的维护程序的示例。技术文件中提供的维护程序被转换为活动，然后用活动图表示。这种从基于文件的方法到基于软件的方法的转变将极大地提高飞机机头天线罩总成整体维修过程的清晰度和可追溯性。另一方面，使用SysML表示维护过程的好处也会增加过程的可用性和可维护性。通过自动更新维护文档，SysML可以节省维护公司的成本和时间。

所有代表维护过程不同阶段的活动都可以进一步组织在一个包中，从而使模型更有组织性，更易于访问。在这种情况下，包被称为“活动”，“活动”包将包含与机头天线罩组件维护程序相关的所有活动，包括拆卸、检查和维修程序。

启示和结论

鉴于航空维修部门目前面临的问题，是时候采用一种新的方法来记录维修程序了。为了克服基于文档的维修过程固有的模糊性和不一致性，本研究概述了SysML在飞机建模和维修过程中的应用。向诸如SysML之类的高级建模技术发展将避免使用传统的基于文档的方法，而是允许将维护过程表示为一组可执行活动。换句话说，基于SysML的方法将更精确地表达维护过程。通过对感兴趣的系统进行仿真进行故障诊断，进一步验证了模型的有效性。这项研究的贡献总结如下：

•这项研究可以作为一个起点，更好地理解如何将基于文档的维护过程转化为基于高级建模的技术。

•建议的方法通过基于模型的系统工程方法的镜头演示了飞机机头天线罩组件的维护。建模过程的每个步骤都清楚地描述了如何执行所需的维护任务。

•本研究还说明了MBSE在航空维修领域的应用。

这项研究也为工程管理者提供了进一步的启示和支持。以下是研究的主要意义的总结。

•实践：该研究通过利用MBSE等新方法，支持改进复杂系统的工程管理实践。

•整体视角：新方法还将帮助工程经理通过可视化SysML图（如bdd和用例图），使用更全面的方法更好地理解复杂系统的维护过程。复杂系统通常具有不确定性、模糊性和进化发展的特点，需要更全面的方法。

•更好的框架：MBSE可以增强感兴趣系统（即维护系统）的“框架”，以便更好地理解系统结构和行为，从而更有效地集中和优先考虑维护过程工作。