大型客機設(shè)計中的功能分析

李浩敏 /

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

0 引言

現(xiàn)代大型民機設(shè)計是高度復(fù)雜的多系統(tǒng)綜合集成設(shè)計，具有技術(shù)密集、學(xué)科交叉、綜合集成、適航驗證等復(fù)雜的技術(shù)特征，研制過程投入巨大、管理復(fù)雜、時間緊、任務(wù)重。需求作為支持整個研制過程的公共基礎(chǔ)[1]，基于需求的工程(Requirements Based Engineering,簡稱RBE)即是民機研制中面向安全性、面向適航建立置信度和過程保證的重要手段。

如圖1所示的“雙V”(Validation & Verification)研制流程，正向的民機設(shè)計過程是頂層需求不斷向下分解的過程，飛機頂層需求到飛機級功能需求，再分配到系統(tǒng)需求及產(chǎn)品需求，并在整個過程中不斷地確認和驗證需求[2]。

圖1 民機研制的“雙V”流程

對于高度復(fù)雜系統(tǒng)的研制，需求作為整個研制過程的基礎(chǔ)，產(chǎn)品開發(fā)過程中會遇到如下問題：

1) 如何保證這些海量需求的正確性與完整性；

2) 如何保證各方對于需求理解的一致性；

3) 如何解決系統(tǒng)間接口不清的問題；

4) 需求的確認和驗證缺乏手段。

這些成為了急需設(shè)計人員解決的問題，設(shè)計需求源自功能，為解決以上問題，下文將探討功能分析方法。

1 功能分析概述

功能分析是功能在預(yù)期場景中的行為分析，通過定義功能的運行特性，解析系統(tǒng)的主要工作內(nèi)容和工作機理，將上層功能逐級分解成各個層級的功能，并將相應(yīng)功能需求分配到這些功能層級，把相關(guān)方的需要轉(zhuǎn)換成功能邏輯架構(gòu)的過程，由此提出功能性需求和內(nèi)部、外部功能接口。值得注意的是，功能分析描述的行為不涉及物理層次，不會提出具體的系統(tǒng)解決方法[3]。

功能分析的主要工作包括：(1)確定系統(tǒng)工作的邊界，描述系統(tǒng)的任務(wù)、運行場景；(2)定義頂層功能；(3)根據(jù)運營狀態(tài)組織功能邏輯關(guān)系；(4)把高層級功能分解成低層級功能；(5)評估多種功能向下分解的方式；(6)形成功能分析的基線，記錄形成功能架構(gòu)及功能描述文檔。

2 基于模型的功能分析

基于模型的功能分析方法是基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering，簡稱MBSE)的重要組成部分，設(shè)計者之間通過易于理解的圖形交流系統(tǒng)設(shè)計方案，減少因誤解造成的隱患?？蓤?zhí)行的功能模型使得在設(shè)計的各個階段都能分析系統(tǒng)對功能性需求的符合性，并驗證系統(tǒng)需求是否符合利益相關(guān)方的原始需求，能加速復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)過程，減少研制錯誤。

建模語言、建模方法和建模工具是基于模型的功能分析過程的三大支柱。

2.1 建模語言

在特定的建模語言中定義的規(guī)則會使得模型的元素和關(guān)系更加清晰。UML(Unified Modeling Language)是針對軟件工程領(lǐng)域的標準化建模語言，SysML (Systems Modeling Language)是UML的一種擴展，通過圖形化的語言描述系統(tǒng)運行的過程，它是系統(tǒng)工程的標準建模語言，為系統(tǒng)的行為模型、結(jié)構(gòu)模型、需求模型和參數(shù)模型定義語義。

SysML語言定義了九種基本圖形來表示模型的各個方面。從模型的不同描述角度來劃分，這九種基本圖形分成三類：行為圖、需求圖和結(jié)構(gòu)圖。行為圖包括用例圖、活動圖、時序圖和狀態(tài)機圖[4-5]，結(jié)構(gòu)圖包括包圖、內(nèi)部模塊圖和模塊定義圖。如圖2所示。

圖2 SysML框圖組成

2.2 建模方法

建模方法是建模團隊創(chuàng)建系統(tǒng)模型要執(zhí)行的以系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)的合集，它確保團隊中所有人按一致的方式構(gòu)建模型，沒有這樣的指導(dǎo)，團隊中每個成員建模的模型深度、廣度和準確度方面就會有很大差別。

本文介紹基于Harmony的系統(tǒng)工程方法，一般來說，Harmony將系統(tǒng)設(shè)計分為3個階段，需求分析、功能分析(黑盒)和設(shè)計綜合(白盒)，在功能分析階段按圖3所示的方法進行建模。

圖3 基于SysML語言的行為建模方法

1)根據(jù)需求分析的結(jié)果構(gòu)建用例圖

用例圖一般會在系統(tǒng)周期的早期創(chuàng)建，它定義系統(tǒng)的邊界和外部執(zhí)行者，并將外部執(zhí)行者和用例關(guān)聯(lián)。

用例圖是系統(tǒng)的一種黑盒視圖，所以適合展示飛機的運行場景。對于一個給定功能/系統(tǒng)，可能需要考慮各種不同的場景，用來描述在不同環(huán)境和操作模式下的情況。用例可以作為需求表達的重要組織形式，可以在需求開發(fā)過程中，保證需求的正確性與完整性，同時也是基于需求測試和驗證的基礎(chǔ)。能建立完整的飛機功能用例和運行場景，對飛機系統(tǒng)開發(fā)有重要意義。

2)針對每個用例，建立系統(tǒng)活動圖

活動圖描述某個用例下的功能流，包括功能運行活動、層級結(jié)構(gòu)規(guī)劃、決策跳轉(zhuǎn)邏輯、狀態(tài)條件監(jiān)控、外部交互響應(yīng)定義以及中斷應(yīng)急措施等。應(yīng)對各個活動的顆粒度應(yīng)充分地進行把控，應(yīng)基于功能層次的考慮作出適當?shù)某橄蟾爬ǎ荛_物理實現(xiàn)和軟硬件層次的具體設(shè)計。頂層活動的顆粒度應(yīng)以清晰明確的方式概括性地表明系統(tǒng)的主要活動，底層活動的顆粒度應(yīng)細化到可以滿足建模的分析要求，以支持功能分配、交聯(lián)分析等。

在上述兩個階段可以建立需求矩陣，反映需求與用例之間的追溯關(guān)系以及需求與系統(tǒng)活動的滿足關(guān)系，并進行需求覆蓋率的統(tǒng)計。

3)對于每個活動圖，生成時序圖和內(nèi)部塊圖

時序圖是采用時間序列的方式，對并排分列的目標系統(tǒng)和外部對象之間的信息交互關(guān)系進行描述，并對信息的內(nèi)容進行確認和反饋。內(nèi)部接口模塊圖能清晰地表征研究對象與外部交互對象的交互信息，反映功能接口信息，體現(xiàn)功能架構(gòu)。

4)建立狀態(tài)圖，運行并驗證模型

狀態(tài)圖是根據(jù)活動圖和時序圖，用基于相互跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)的方式來描述系統(tǒng)功能的模型。狀態(tài)圖可以進行執(zhí)行運算，通過運行各個狀態(tài)檢驗系統(tǒng)功能運轉(zhuǎn)是否符合預(yù)期。狀態(tài)圖可以對功能邏輯和設(shè)計需求進行驗證，確保設(shè)計早期發(fā)現(xiàn)問題，減少后期的迭代。

2.3 建模工具

功能建模的工具軟件有很多，如Enterprise Architecture、IBM Rational Raphsody、Magic Draw等，建模工具間的通用性非常重要，可以通過中間格式或軟件接口實現(xiàn)模型的共享，擺脫對某一種工具的依賴。

3 功能分析在大型客機自動飛行系統(tǒng)研制中的應(yīng)用

首先，根據(jù)自動飛行系統(tǒng)的涉眾需求確定系統(tǒng)的用例，確定系統(tǒng)的邊界和外部交互對象，圖4展示了自動著陸用例，該用例包括多個外部相關(guān)的交互對象，具體的接口信息將在下文中體現(xiàn)。

圖4 自動飛行系統(tǒng)的用例分析

針對每一用例，通過活動圖可以直觀地展示功能流的運轉(zhuǎn)情況，表征自動飛行系統(tǒng)在自動著陸過程中的功能運行活動、層級結(jié)構(gòu)規(guī)劃、決策跳轉(zhuǎn)邏輯、狀態(tài)條件監(jiān)控和外部交互響應(yīng)等，如圖5所示。

圖5 自動飛行系統(tǒng)的活動圖

在用例圖和活動圖完成后，可以對模型進行需求覆蓋率分析，需求覆蓋率分析包含關(guān)聯(lián)關(guān)系分析和滿足關(guān)系分析。關(guān)聯(lián)關(guān)系相對簡單，只需把所有功能性需求關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的用例即可，滿足關(guān)系則需要把每條功能性需求鏈接到模型中相應(yīng)的活動、事件和屬性參數(shù)上，再建立需求矩陣。

圖形化的顯示可以直觀地反映需求的覆蓋率，如圖6所示，導(dǎo)入的431條需求中有353條關(guān)聯(lián)到了自動著陸用例，覆蓋到該用例的需求比例為82%。

圖6 自動飛行系統(tǒng)的需求覆蓋率分析

基于活動圖，可以用生命線的方式建立自動飛行系統(tǒng)和各相關(guān)系統(tǒng)的交互關(guān)系，形成時序圖。它一般反映了系統(tǒng)在活動圖中沿著某一條或者多條特定的路徑下的各種內(nèi)外部運行活動。如圖7所示。

圖7 自動飛行系統(tǒng)的時序分析

在黑盒階段可以根據(jù)創(chuàng)建好的用例圖、時序圖自動生成內(nèi)部模塊圖，它反映的是系統(tǒng)和外部交互對象間的接口關(guān)系，此時，時序圖中的交互信息已經(jīng)在接口中體現(xiàn)。如圖8所示。

圖8 自動飛行系統(tǒng)的內(nèi)部模塊圖

最后，用狀態(tài)機圖從機器運轉(zhuǎn)的角度對系統(tǒng)進行闡述，如圖9所示，可執(zhí)行的狀態(tài)機圖可以有效地對功能邏輯、功能接口進行虛擬驗證，以便在設(shè)計初期及早發(fā)現(xiàn)問題，減少后期的更改。

圖9 自動飛行系統(tǒng)的狀態(tài)機分析

此外，在后續(xù)的設(shè)計和架構(gòu)綜合中，還可以按需采用參數(shù)圖、模塊定義圖來進行系統(tǒng)的約束和架構(gòu)的分析。

4 結(jié)論

針對民用飛機研制特點與研制需求，闡述了大型客機中的功能分析工作，詳細介紹了功能分析、基于模型的功能分析等內(nèi)容，及其在大型客機研制過程中的應(yīng)用情況。實踐表明，功能分析為復(fù)雜產(chǎn)品的自上而下的正向設(shè)計提供了很好的基礎(chǔ)，保證了民機研制過程中需求的正確性和完整性、各方對需求理解的一致性以及系統(tǒng)間接口完整清晰，對大型客機項目取得研制、市場和商業(yè)成功具有重要意義。