基于DoDAF建模的民用飛機(jī) 運(yùn)行需求捕獲方法研究

楊 銘，錢 馨，王久元

(1.中航西飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司， 西安 710089； 2.中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所， 北京 100028)

民用飛機(jī)的研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有學(xué)科交叉性強(qiáng)、系統(tǒng)綜合集成度高、高新技術(shù)密集程度高、項(xiàng)目研制周期長(zhǎng)、投入巨大且管理復(fù)雜等特點(diǎn)[1]。因此，需要將飛機(jī)各類要素進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以滿足客戶需要(Need)和適航要求。而所設(shè)計(jì)的飛機(jī)在滿足適航規(guī)章要求的前提下，能否滿足客戶需要決定了研制項(xiàng)目的成功與否，因此，客戶需要是否被完整、正確地捕獲作為設(shè)計(jì)輸入，對(duì)于項(xiàng)目后期的研制具有關(guān)鍵影響。

飛機(jī)是系統(tǒng)高度復(fù)雜的產(chǎn)品，需采用系統(tǒng)工程方法，把客戶需要轉(zhuǎn)化為飛機(jī)頂層運(yùn)行需求(Operational Requirement，OR)，建立客戶與飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位之間的橋梁，客戶需要、運(yùn)行需求與功能需求的關(guān)系如圖1所示，運(yùn)行需求只關(guān)注如何使用，而與具體的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)。通過(guò)運(yùn)行需求的分析，回答如何滿足用戶需要的問(wèn)題，并后續(xù)以運(yùn)行概念文件的方式確定和定義。通常在飛機(jī)設(shè)計(jì)的概念階段，研制單位需要從多個(gè)方面獲得需求，重要的類型包括“市場(chǎng)調(diào)研”、“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”、“遵循的適航規(guī)章”3個(gè)方面。從市場(chǎng)部門將會(huì)獲得同類型飛機(jī)運(yùn)行市場(chǎng)、特定航空公司用戶和乘客對(duì)未來(lái)飛機(jī)產(chǎn)品的期望和需求；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的選擇通常為了從研發(fā)與制造周期的考慮，盡量適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。適航規(guī)章的遵循是從飛機(jī)安全的角度出發(fā)，滿足適航審定機(jī)構(gòu)、飛機(jī)航空公司、乘客的安全需求，所以這也是很有必要的。但這些并不能被飛機(jī)產(chǎn)品研發(fā)工程師直接去使用，因?yàn)檫@些需求通常是較為生活化、口語(yǔ)化，并以一種期望的形式進(jìn)行表述，其中有部分期望甚至是沖突的。所以通常將它們歸類為“需要”更為貼切?；谏鲜鲇懻摚虼诵枰ㄟ^(guò)相關(guān)技術(shù)手段將各方面“需要”轉(zhuǎn)換為飛機(jī)的運(yùn)行需求，從而銜接市場(chǎng)到設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確過(guò)渡。

傳統(tǒng)的需求捕獲方式主要包括采訪、交流、調(diào)查問(wèn)卷等方式，通過(guò)這些方式獲取利益攸關(guān)方的需要與期望。因此需要建立需求捕獲團(tuán)隊(duì)，與利益攸關(guān)方代表進(jìn)行面對(duì)面的溝通。另外，對(duì)于飛機(jī)主制造商而言，可能還需要設(shè)置專門的專業(yè)人員定期或不定期拜訪客戶，以了解客戶的實(shí)時(shí)需要。在此基礎(chǔ)上結(jié)合飛機(jī)的生命周期特點(diǎn)運(yùn)用質(zhì)量功能展開(kāi)(QFD)改善捕獲、評(píng)估客戶需求、排列這些需求的優(yōu)先次序，并轉(zhuǎn)化為概念，最終將利益攸關(guān)方需要轉(zhuǎn)換為飛機(jī)的頂層運(yùn)行需求[2]。但是上述方法可能帶來(lái)的問(wèn)題是，所捕獲的需求完整性有待考量、需求的合理性缺乏強(qiáng)有力的依據(jù)。需求的不完整性表現(xiàn)為客戶的合理需要捕獲不夠完整，從而沒(méi)能轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)需求，如圖2所示中的Need0002，另一方面由于缺乏與市場(chǎng)需求的可追溯性，導(dǎo)致所捕獲的運(yùn)行需求缺乏支撐依據(jù)，如Requ0003和Requ0005?；谏鲜鰡?wèn)題，本文通過(guò)場(chǎng)景分析手段開(kāi)展飛機(jī)運(yùn)行需求捕獲，此方法能夠建立市場(chǎng)需要與運(yùn)行需求的可追溯關(guān)系，同時(shí)將場(chǎng)景與適航規(guī)章相關(guān)聯(lián)，同時(shí)將適航要求轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)需求。

在系統(tǒng)工程實(shí)踐中，場(chǎng)景分析逐漸被公認(rèn)是開(kāi)展需求捕獲的有效方法。運(yùn)行場(chǎng)景描述了飛機(jī)與外部環(huán)境之間的交互關(guān)系，在SAEARP4754A[3]中需求確認(rèn)中指出“There are a number of methods for developing and documenting scenarios (e.g. state diagram, timeline diagrams).”“The early capture of operation and maintenance scenarios as well as prototyping are example means of eliciting requirements.”可以看出，目前場(chǎng)景分析在民機(jī)需求捕獲和確認(rèn)中是已被認(rèn)可的技術(shù)方法。目前，美國(guó)國(guó)防部DoDAF技術(shù)框架是構(gòu)建飛機(jī)場(chǎng)景模型的有效手段[4]，DoDAF采用視圖的形式，應(yīng)用于航空裝備頂層作戰(zhàn)需求、裝備功能需求以及功能分解等工作。在民用航空領(lǐng)域，F(xiàn)AA也借鑒了DoDAF多視圖分析技術(shù)，在美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)(National Airspace System NAS)[5]的體系規(guī)劃和設(shè)計(jì)中也采用了DoDAF的OV、SV、TV視圖等架構(gòu)工具描述了國(guó)家航空空域各個(gè)系統(tǒng)之間的運(yùn)行場(chǎng)景。

本文以基于模型的系統(tǒng)工程為指導(dǎo)，在DoDAF框架下應(yīng)用建模技術(shù)[6]對(duì)民用飛機(jī)不同階段的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行完整描述，包括飛機(jī)靜立、推出、滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸、滑入等10個(gè)階段。通過(guò)不同運(yùn)行場(chǎng)景下飛機(jī)與各個(gè)利益攸關(guān)方的交互來(lái)捕獲飛機(jī)的運(yùn)行需求，從而保證所捕獲需求的完整性與正確性，使其作為下一步飛機(jī)設(shè)計(jì)工作的有效輸入。所捕獲需求的正確性可通過(guò)運(yùn)行場(chǎng)景模型的確認(rèn)進(jìn)行保證，需求的完整性則可通過(guò)運(yùn)行場(chǎng)景的不斷迭代與優(yōu)化以及與交互動(dòng)作的不可細(xì)分確保所捕獲需求的完整性。因此，基于本文場(chǎng)景的運(yùn)行需求捕獲能夠確保所捕獲需求的有效性。

1 民機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景DoDAF描述方法

1.1 飛機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景模型構(gòu)建方法

場(chǎng)景(Scenario)最初應(yīng)用于軟件工程領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于前期的需求分析，用于描述與軟件之間的交互關(guān)系[7]。目前場(chǎng)景技術(shù)已被引入到系統(tǒng)工程領(lǐng)域，用于描述飛機(jī)與運(yùn)行環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，可用于飛機(jī)功能識(shí)別和需求捕獲，即在飛機(jī)產(chǎn)品研制的早期概念設(shè)計(jì)和需求分析階段，將研制的飛機(jī)置于未來(lái)的運(yùn)行場(chǎng)景中，通過(guò)分析飛機(jī)在場(chǎng)景中的預(yù)期行為，從而識(shí)別飛機(jī)的功能以及捕獲飛機(jī)功能性需求。飛行場(chǎng)景考慮多個(gè)利益攸關(guān)方參與，包括航空公司、機(jī)場(chǎng)、空中交通管理等，并以時(shí)間尺度為基礎(chǔ)，考慮飛機(jī)狀態(tài)，以此描述飛機(jī)與外部環(huán)境的交互行為。

為了盡可能完整的捕獲飛機(jī)運(yùn)行需求，在構(gòu)建本文中場(chǎng)模型景時(shí)，主要需要考慮3個(gè)因素，即時(shí)間維度、環(huán)境維度、狀態(tài)維度[8]。

1) 時(shí)間維度。將飛機(jī)投入整個(gè)民用航空運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，定義飛機(jī)運(yùn)行完整過(guò)程，包括飛機(jī)靜立、推出、滑行、起飛等十個(gè)階段；

2) 環(huán)境維度?？紤]飛機(jī)運(yùn)行的外部環(huán)境，并將航路氣象系統(tǒng)作為飛機(jī)利益攸關(guān)方，描述飛機(jī)在特定環(huán)境下的運(yùn)行場(chǎng)景；

3) 狀態(tài)維度。具體指飛機(jī)的狀態(tài)，在以時(shí)間維度為基礎(chǔ)上考慮飛機(jī)的狀態(tài)對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行描述，如靜立階段包括初始登機(jī)、飛行準(zhǔn)備，也包括飛行任務(wù)結(jié)束后的機(jī)組離機(jī)等場(chǎng)景。

圖3給出了飛行場(chǎng)景3個(gè)維度的示例[8]：

1.2 DoDAF運(yùn)行場(chǎng)景描述

DoDAF主要用于指導(dǎo)美軍開(kāi)展武器狀態(tài)需求生成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由美國(guó)國(guó)防部于2004年正式頒布。DoDAF框架內(nèi)具有一系列視圖產(chǎn)品，通過(guò)這些視圖能夠從不同角度描述系統(tǒng)體系架構(gòu)的構(gòu)建和研制，從而實(shí)現(xiàn)以一種統(tǒng)一的模型描述武器裝備需求，確保從作戰(zhàn)需求到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的順利過(guò)渡[9-10]。目前，DoDAF作為武器裝備需求描述的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。

本文采用基于DoDAF框架對(duì)飛機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行建模，主要?jiǎng)澐譃?個(gè)層次：運(yùn)行階段、任務(wù)單元、行為單元。運(yùn)行階段是根據(jù)飛機(jī)時(shí)間、狀態(tài)維度進(jìn)行劃分，分為以下階段：靜立、推出、滑出、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸、滑入。在每個(gè)階段又劃分了若干任務(wù)單元，如在起飛階段包括的任務(wù)單元有：監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)、獲取起飛許可、開(kāi)始飛機(jī)計(jì)時(shí)、松剎車、加速滑跑、檢查空速、抬前輪及飛機(jī)狀態(tài)跟蹤。在每個(gè)任務(wù)單元中，飛機(jī)系統(tǒng)與其利益攸關(guān)方則存在資源、信息及數(shù)據(jù)的傳遞，這些信息的傳遞可通過(guò)兩者之間的交互動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，當(dāng)每個(gè)動(dòng)作細(xì)化到不可分解，即可對(duì)飛機(jī)的相關(guān)運(yùn)行需求通過(guò)簡(jiǎn)潔、一致、無(wú)歧義的語(yǔ)句進(jìn)行定義。整個(gè)模型架構(gòu)如圖4所示。

基于DoDAF框架對(duì)飛機(jī)整個(gè)運(yùn)行階段的場(chǎng)景進(jìn)行完整定義，通過(guò)飛機(jī)與利益攸關(guān)方每個(gè)行為單元的交互，可捕獲飛機(jī)完整的運(yùn)行需求。經(jīng)過(guò)對(duì)模型的多次迭代與優(yōu)化，可對(duì)利益攸關(guān)方如航空公司、飛行員、旅客、空管、機(jī)場(chǎng)、維修人員、乘務(wù)人員等進(jìn)行正確、完整的捕獲。只有飛機(jī)利益攸關(guān)方是正確且完整的，才能保證所捕獲的運(yùn)行需求的完整性與正確性。通過(guò)模型捕獲的需求可經(jīng)過(guò)功能分析獲得飛機(jī)的功能層次結(jié)構(gòu)，最終形成飛機(jī)研制的功能清單，作為飛機(jī)研制的設(shè)計(jì)輸入?；贒oDAF場(chǎng)景的運(yùn)行需求捕獲與系統(tǒng)工程實(shí)施的關(guān)系如圖5所示。

2 基于場(chǎng)景的民機(jī)需求捕獲流程

飛機(jī)需求捕獲主要目的是記錄、產(chǎn)生利益相關(guān)方需求，并確保準(zhǔn)確理解并與其形成一致需求，最終建立民用運(yùn)輸類飛機(jī)市場(chǎng)需要至飛機(jī)研制流程的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)需要與飛機(jī)研制需求間的追溯性。

基于DoDAF場(chǎng)景的運(yùn)行需求捕獲流程如圖6所示。

具體捕獲步驟如下：

1) 定義飛機(jī)頂層任務(wù)。首先對(duì)飛機(jī)運(yùn)行的頂層飛行任務(wù)進(jìn)行定義，此時(shí)需考慮本身機(jī)型的市場(chǎng)定位及載客數(shù)等因素。

2) 定義飛機(jī)運(yùn)行階段。對(duì)頂層任務(wù)進(jìn)行階段劃分，包括靜立、推出、滑出等十個(gè)階段，共同組成完整的飛行任務(wù)過(guò)程。

3) 定義任務(wù)單元。在某個(gè)特定運(yùn)行階段，劃分為若干任務(wù)單元，該部分通過(guò)OV-5b視圖進(jìn)行定義。

4) 定義行為單元。行為單元是對(duì)任務(wù)單元的詳細(xì)描述，當(dāng)行為單元過(guò)多時(shí)可采用嵌套的方式，當(dāng)有場(chǎng)景重復(fù)出現(xiàn)的情況可采用引用方式定義，此場(chǎng)景使用OV-6c視圖描述。

5) 運(yùn)行需求捕獲。對(duì)每個(gè)任務(wù)單元詳細(xì)描述后，可進(jìn)行運(yùn)行需求的捕獲，需求來(lái)源于飛機(jī)與各個(gè)利益攸關(guān)方的交互動(dòng)作。

3 案例分析

根據(jù)本文前面介紹的場(chǎng)景建模方法和需求捕獲流程，本章節(jié)以某型民用飛機(jī)典型場(chǎng)景為例，具體闡述在DoDAF框架下機(jī)組登機(jī)場(chǎng)景模型，并在此場(chǎng)景下的運(yùn)行需求捕獲示例。

根據(jù)圖6所示的需求捕獲過(guò)程，下面結(jié)合案例，給出飛機(jī)運(yùn)行需求捕獲的具體實(shí)施過(guò)程。

1) 飛機(jī)頂層任務(wù)定義。通過(guò)DoDAF中的OV-1視圖描述的飛機(jī)總體運(yùn)行場(chǎng)景，如圖7所示[11]，該場(chǎng)景中描述了飛機(jī)作為航空運(yùn)輸系統(tǒng)(SOS)中的組成部分，與外部環(huán)境(如塔臺(tái)、ATC、衛(wèi)星、臨近飛機(jī)、雷達(dá)等)之間的交互關(guān)系，根據(jù)頂層任務(wù)的定義能夠?qū)ψ陨盹w機(jī)的利益攸關(guān)方進(jìn)行識(shí)別。

2) 飛機(jī)運(yùn)行階段定義。在此對(duì)上述頂層任務(wù)進(jìn)行階段劃分，使用OV-5a視圖來(lái)展現(xiàn)階段之間的前后邏輯關(guān)系。該步驟的任務(wù)是完成頂層任務(wù)的分解。部分運(yùn)行階段如圖8所示。

3) 任務(wù)單元定義。該步驟的任務(wù)是完成運(yùn)行階段活動(dòng)分解。此活動(dòng)的輸入為上一步驟中的階段模型，輸出為任務(wù)單元模型。如圖9所示，以“靜立階段”中的“飛行任務(wù)準(zhǔn)備”為例，使用OV-5b視圖展現(xiàn)內(nèi)部的任務(wù)關(guān)系。其中，“task1-task4”是串行的關(guān)系?！皌ask5～task7”是并行的關(guān)系。

4) 行為單元定義。該部分是對(duì)上述任務(wù)的詳細(xì)定義，通過(guò)飛機(jī)與利益攸關(guān)方的交互動(dòng)作對(duì)任務(wù)單元內(nèi)容進(jìn)行描述，此部分內(nèi)容在OV-6c視圖中完成。

在此，以“〈task1〉機(jī)組登機(jī)”為例，開(kāi)展行為單元定義。由于篇幅有限，在此展示部分模型內(nèi)容，如圖10所示。其中，與飛機(jī)有關(guān)的行為單元是5個(gè)，它們是“提供機(jī)身內(nèi)部人員通道”、“提供駕駛艙接近通道”、“提供駕駛艙開(kāi)口”、“提供駕駛艙門”、“提供駕駛艙”。另外，還包括飛機(jī)與飛行機(jī)組的交互動(dòng)作，即飛行機(jī)組“接收機(jī)身內(nèi)部人員通道”。

5) 飛機(jī)運(yùn)行需求捕獲。至此，飛機(jī)靜立階段飛行任務(wù)準(zhǔn)備下的建模已經(jīng)完成，本案例中以“提供駕駛艙接近通道”行為單元為例，對(duì)相關(guān)運(yùn)行需求進(jìn)行捕獲。此部分工作仍在OV-6c視圖中完成，捕獲示例如圖11所示。

首先捕獲與“提供駕駛艙接近通道”任務(wù)有關(guān)的適航需求，如在適航規(guī)章中，與“提供駕駛艙接近通道”的相關(guān)適航要求CCAR25.815以及CCAR121T.591，該要求作為該場(chǎng)景行為單元的約束性需求，即適航需求；同時(shí)，根據(jù)該場(chǎng)景中行為單元的描述和該行為單元與其他活動(dòng)之間的關(guān)系，系統(tǒng)工程師提煉飛機(jī)運(yùn)行需求，即對(duì)于“提供駕駛艙接近通道”這一行為單元，捕獲的需求是“該飛機(jī)應(yīng)提供人員在機(jī)上自由活動(dòng)，從其座位到達(dá)駕駛艙或正?；驊?yīng)急出口的內(nèi)部通道，位于駕駛艙座椅之間的旅客過(guò)道寬度應(yīng)滿足” CCAR25.815條款要求”。

通過(guò)本步驟分析，一方面通過(guò)場(chǎng)景行為單元捕獲的飛機(jī)運(yùn)行需求；另一方面，該行為單元與適航規(guī)章建立了追溯關(guān)系，適航成為行為單元約束性需求。

通過(guò)上述案例分析工作，建立了飛機(jī)階段層、任務(wù)層和行為單元層場(chǎng)景，通過(guò)場(chǎng)景捕獲了飛機(jī)運(yùn)行需求，保證了飛機(jī)需求的完整性，同時(shí)保證了需求的可追溯性。

4 結(jié)論

本文以模型的系統(tǒng)工程(MBSE)為指導(dǎo)，在DoDAF框架下對(duì)民用飛機(jī)不同階段的運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行建模和需求捕獲方法以及流程進(jìn)行了分析，并通過(guò)具體案例對(duì)上述流程進(jìn)行闡述，得出如下結(jié)論：

1) 在場(chǎng)景建模方法上，DoDAF的多視圖分析技術(shù)能夠描述飛機(jī)各個(gè)階段的運(yùn)行場(chǎng)景，研究了DoDAF在SOS級(jí)和飛機(jī)級(jí)的場(chǎng)景建模方法，通過(guò)場(chǎng)景模型構(gòu)建，更加清晰的描述飛機(jī)整個(gè)運(yùn)行活動(dòng)以及各個(gè)活動(dòng)相關(guān)的利益相關(guān)方，明確利益相關(guān)方與飛機(jī)之間的信息交互關(guān)系；

2) 在需求捕獲流程上，場(chǎng)景模型是需求捕獲的基礎(chǔ)，場(chǎng)景模型構(gòu)建完善與否決定了捕獲的需求完整性和正確性，本文通過(guò)場(chǎng)景行為單元捕獲飛機(jī)運(yùn)行需求，為需求捕獲提供了技術(shù)手段；另外隨著場(chǎng)景層次的不斷深入，需求也要隨著場(chǎng)景具有層次性，通過(guò)場(chǎng)景模型可以構(gòu)建飛機(jī)不同層次需求之間的追溯性。

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