基于功能場景分析的飛機(jī)需求捕獲和確認(rèn)方法研究

謝陵++方俊偉等

摘 要：民用飛機(jī)的研制過程是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。其中以需求為驅(qū)動，以需求的捕獲和確認(rèn)為核心。由于飛機(jī)需求的利益相關(guān)方眾多，需求的捕獲和確認(rèn)是公認(rèn)的難點(diǎn)，因此基于對飛機(jī)的場景的開發(fā)和分析，對需求進(jìn)行捕獲和確認(rèn)，是提高需求的完整性和正確性的重要方法，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法是當(dāng)前熱門的系統(tǒng)開發(fā)流程，實(shí)踐了基于場景分析進(jìn)行需求捕獲和確認(rèn)的過程。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程 需求捕獲 確認(rèn) 場景分析

中圖分類號：TH47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0083-02

Research on Capture and Confirmation Method for Aircraft Requirements Based on Functional Scenario Analysis

Xie Ling Fang Junwei Xu Zhou Tang Chao Zhang Lei

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， COMAC， Pudong， Shanghai， 200000 China）

Abstract：Civil aircraft development process is extremely complex systems engineering.The requirements are its driver，while requirements capture and validation are the core.As there are many stakeholders for aircraft requirements，so its capture and validate are the generally recognized difficulty.Therefore based on aircraft functional scenario analysis，to make capture and confirmation for requirements is an important method to improve the integrity and correctness of the requirements.The model based system engineering （MBSE） is a hot system development process，carrying out the requirements capture and validation process based on scenario analysis.

Key words：System engineering； Requirements capture； Validation； Scenario analysis

對于系統(tǒng)高度復(fù)雜的產(chǎn)品，我們通常采用系統(tǒng)工程方法，把客戶的要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求，同時系統(tǒng)和/或部件的規(guī)范滿足這些需求[1]。飛機(jī)是一個極度復(fù)雜的產(chǎn)品，飛機(jī)的研發(fā)也是巨復(fù)雜的系統(tǒng)工程，作為飛機(jī)制造商，需要捕獲飛機(jī)級頂層需求，以滿足航空公司、政府、飛行員等干系人的要求，同時要制定系統(tǒng)或者產(chǎn)品規(guī)范，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以保證供應(yīng)商提供符合需求的產(chǎn)品。在實(shí)踐系統(tǒng)工程的過程中，場景分析是一種常用的手段[2]，常被稱為故事板[3]，飛機(jī)產(chǎn)品本身非常復(fù)雜，其運(yùn)營和維護(hù)場景也非常的復(fù)雜，飛機(jī)或者不同層次的系統(tǒng)也有其自身的場景，該文闡述了場景分析的理論，并點(diǎn)出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）通過場景分析進(jìn)行需求捕獲和確認(rèn)的過程。

1 功能與需求

所謂功能，是指產(chǎn)品的預(yù)期行為，該行為是由一系列的需求定義的，并且與具體的實(shí)現(xiàn)過程無關(guān)[2]。功能即客戶期望的產(chǎn)品具備的能力，功能是進(jìn)行場景分析的主體。需求是產(chǎn)品必須滿足的性能或者設(shè)計(jì)約束的描述，必須是可驗(yàn)證的[4]?？梢钥闯觯枨笫钱a(chǎn)品的用戶與供應(yīng)商溝通的紐帶，是供應(yīng)商對用戶承諾，也是用戶對供應(yīng)商的約束。其重要性可想而知。因此在飛機(jī)研制過程中，需求分為不同的層次，不同層次之間的需求建立追溯關(guān)系。一般來說，分為飛機(jī)級需求-系統(tǒng)級需求-部件級需求。同時，需求還需要經(jīng)過確認(rèn)，以保證捕獲的需求是正確的和完整的[2]，功能場景分析的過程，即分析功能在場景中的預(yù)期行為，從而進(jìn)行需求的捕獲和確認(rèn)。

2 場景和飛行場景的定義

場景（Scenario），本意來源于戲劇，是指劇情梗概，通用的解釋理解為：具有一定關(guān)系的事件的組合。場景分析是一種常用的需求捕獲的技術(shù)，是指把要開發(fā)的產(chǎn)品，置于其運(yùn)營的場景中，通過分析其在場景中的預(yù)期行為，從而獲得需求的方法。

場景分析方法最早可以追溯到早期哲學(xué)家如柏拉圖和塞內(nèi)卡的著作。作為一種戰(zhàn)略規(guī)劃工具，場景分析技術(shù)一直被歷史上的軍事戰(zhàn)略家作為戰(zhàn)略規(guī)劃工具使用。場景分析是一種創(chuàng)造性思維，通過這種方法，可以降低系統(tǒng)中重要的需求被忽視的可能性，同時開發(fā)場景的活動能夠促進(jìn)組織機(jī)構(gòu)內(nèi)部之間的溝通[5]。

飛行場景是指飛機(jī)在機(jī)組（飛行員和乘務(wù)組）、外部環(huán)境（大氣、無線電、地形、電磁等）以及內(nèi)部狀態(tài)（故障）的組合中的預(yù)期行為（即功能）。那如何開發(fā)和確定這些場景，則是功能場景分析方法的重要基礎(chǔ)。

3 飛行場景的開發(fā)

3.1 飛行場景的層次

飛機(jī)的運(yùn)營環(huán)境、操作、飛機(jī)產(chǎn)品本身都異常復(fù)雜。與需求的層次對應(yīng)，飛行場景可以分為飛機(jī)級場景-系統(tǒng)級場景-設(shè)備級場景，飛機(jī)級場景則以飛機(jī)為對象，考慮飛機(jī)運(yùn)營、維護(hù)，包括飛行員、乘務(wù)員以及機(jī)務(wù)維修人員，乃至空管、乘客等所有的干系人對產(chǎn)品的使用，以及飛機(jī)的運(yùn)營環(huán)境情況。系統(tǒng)級場景則以系統(tǒng)為研究對象，考慮系統(tǒng)的運(yùn)營、維護(hù)環(huán)境，與飛機(jī)級場景不同，系統(tǒng)級場景還需要考慮的點(diǎn)就是交聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)的影響，即與對象系統(tǒng)有電氣接口、機(jī)械接口等其他的系統(tǒng)的狀態(tài)，設(shè)備級場景類似。

3.2 飛行場景的維度

飛行場景開發(fā)的目的是為了捕獲并確認(rèn)需求，為了保證所捕獲得到的需求是完整性，那么需要飛行場景盡量的完整，能夠覆蓋到所有可能的場景，因此，該文提出飛行場景的維度，建立飛行場景多維矩陣，以盡可能的保證場景的完整性。

3.2.1 飛機(jī)級場景

以飛機(jī)為對象，以下面幾個維度考慮場景：

（1）時間維度：即飛機(jī)所處的運(yùn)營或者維護(hù)階段，如飛行階段，包括地面階段、地面滑跑、起飛、爬升、巡航、進(jìn)近、著陸等；維修階段，包括車間維修、航前航后檢查等。

（2）環(huán)境維度：環(huán)境維度主要考慮飛機(jī)運(yùn)營所在地的宏觀氣候、微觀的天氣、重力場、電磁環(huán)境、跑道的長度、跑道所在位置的海拔高度、風(fēng)沙、空氣含鹽量等等。

（3）狀態(tài)維度：這個狀態(tài)即飛機(jī)的狀態(tài)，例如，單發(fā)失效，雙發(fā)失效，舵面卡阻，單套液壓系統(tǒng)失效等，主要考慮比較大、嚴(yán)重的整個系統(tǒng)的失效情況。

（4）任務(wù)維度：相對軍用飛機(jī)，商用飛機(jī)的任務(wù)比較簡單，但對于研制過程來講，仍舊包括正常的航線運(yùn)營，飛行試驗(yàn)，維修等。

（5）干系人維度：即從干系人的角度考慮場景，例如飛行員的正常航線飛行場景，乘務(wù)員與乘客的應(yīng)急撤離場景，乘務(wù)員的廚房操作場景，乘客的盥洗室操作場景，航前維護(hù)場景等。

表1為一個地面減速的飛機(jī)級場景的示例。

3.2.2 系統(tǒng)級場景

是指以系統(tǒng)為對象，除了飛機(jī)級場景所具備的維度之外，系統(tǒng)級相比飛機(jī)場景不同之處還需要考慮交聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)情況，以飛行控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)級場景的維度包括：

（1）時間維度：與飛機(jī)級一樣，考慮系統(tǒng)所處的運(yùn)營或者維護(hù)階段，主飛行控制的地面模式和空中模式；

（2）環(huán)境維度：也與飛機(jī)級一樣，主要考慮閃電，電磁，高溫，高濕，振動，沙塵，真菌，鹽蝕，大側(cè)風(fēng)，結(jié)冰和風(fēng)切變等。

（3）狀態(tài)維度：對于飛控，依據(jù)傳感器的可用性，可以劃分為正常模式場景，備用模式場景和直接模式場景，以及各種失效模式。

（4）任務(wù)維度：也可以劃分為航線運(yùn)營場景，試飛場景和維護(hù)場景等。

（5）干系人維度：飛行員，維護(hù)人員等。

（6）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)狀態(tài)：與飛控系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)包括：航電系統(tǒng)，為飛控提供傳感器輸入、狀態(tài)信息顯示與告警，液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)提供能源，起落架系統(tǒng)提供輪載和輪速信號，機(jī)體結(jié)構(gòu)提供設(shè)備安裝位置等，這些系統(tǒng)的狀態(tài)會給飛控系統(tǒng)造成不同的場景，是一個重要的考慮維度（圖1）。

表2為飛控系統(tǒng)地面航前維護(hù)的場景示例。

三個維度的任意組合，再加上之前假設(shè)的兩個維度，構(gòu)成了一個飛行場景，“航線運(yùn)營時，側(cè)風(fēng)大于20kt的正常著陸，前起觸地后到速度減至20kt之前的飛行員操作的場景”[6]。在場景開發(fā)的過程中，可以依據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整各維度的顆粒度，提高基于此場景下分析得到的需求的完整性。

4 MBSE中基于場景分析的需求捕獲和確認(rèn)過程

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)目前正在廣泛應(yīng)用和推廣的現(xiàn)代系統(tǒng)開發(fā)流程。這一方法依靠大型軟件平臺，利用圖形化建模方法，把功能和需求等抽象概念以模型的形式表達(dá)出來，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者之間的無歧義的交流和構(gòu)型管理等。關(guān)于MBSE，有專業(yè)的論著進(jìn)行詳細(xì)的描述，并且有大量的專業(yè)軟件工具來實(shí)現(xiàn)，如IBM的Rhapsody，該文不再贅述。

5 結(jié)語

在飛機(jī)研制的系統(tǒng)工程過程中，飛行場景分析非常重要，在需求捕獲、需求確認(rèn)及驗(yàn)證、安全性分析以及局方的適航審定過程起著非常重要的作用。針對飛行場景開發(fā)，提出了飛行場景的定義，層次和維度，并且提出了飛行場景開發(fā)的過程，為飛機(jī)研制過程中的飛行場景開發(fā)給出了建議性指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Federal Aviation Administration. NASA System Engineering Manual （Version 3.1）[S].FAA，2006.

[2] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[M].USA：SAE，2010.

[3] Project Management Institute.項(xiàng)目管理知識體系指南（PMBOK指南）（第5版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[4] Scott Jackson.System Engineering for Commercial Aircraft[M].UK：Ashgate Publishing Limited，1997.

[5] INCOSE.System Engineering Handbook[M].USA：Wiley，2006.

[6] 徐敏敏，揭裕文.面向適航審定的飛行場景研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究.2014（2）：66～69.