民用飛機(jī)研發(fā)過程中需求閉環(huán)驗(yàn)證技術(shù)研究與應(yīng)用

任金虎 許鴻杰 王英儒 陳雙 余涵

摘要：為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的正向研發(fā)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力，縮短飛機(jī)的研制周期，航空行業(yè)開展了基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，簡稱MBSE）方法的探索與應(yīng)用。研究的需求閉環(huán)驗(yàn)證屬于系統(tǒng)工程范疇，提出在飛機(jī)的某一研制階段下，同一研發(fā)層級內(nèi)的需求閉環(huán)驗(yàn)證方法和不同研發(fā)層級間的需求閉環(huán)驗(yàn)證方法；給出需求閉環(huán)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)流程，并通過案例，基于達(dá)索3D EXPERIENCE平臺驗(yàn)證需求閉環(huán)驗(yàn)證流程的實(shí)現(xiàn)方法。研究表明：提出的需求閉環(huán)驗(yàn)證的方法、實(shí)現(xiàn)流程和應(yīng)用平臺，能夠支持飛機(jī)研制過程中需求的驗(yàn)證，從而確認(rèn)設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，對推進(jìn)MBSE方法在飛機(jī)研制過程中全面而深入的應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：基于模型的系統(tǒng)工程；研制階段；需求；閉環(huán)驗(yàn)證

1 引言

在工業(yè)4.0時代的背景下，國際航空市場對飛機(jī)型號的研制要求愈來愈高，研制周期越來越短。為此航空行業(yè)的諸多單位和相關(guān)專家進(jìn)行MBSE[1]～[4]正向設(shè)計(jì)探究。通過理論方法的不斷創(chuàng)新應(yīng)用，將MBSE設(shè)計(jì)路線從市場調(diào)研、模型設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證到生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)不斷延伸應(yīng)用。在系統(tǒng)工程的實(shí)現(xiàn)解決方案中，基于SysML語言的HarmonySE[5] 、基于Modelica語言的MMS（Modeling Methodology for Systems）[6] ～[7]等方法論在航空航天行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。但是，現(xiàn)階段基于模型的系統(tǒng)工程的工程應(yīng)用還處于架構(gòu)設(shè)計(jì)或者初步的物理模型設(shè)計(jì)階段，鮮有學(xué)者針對基于模型的系統(tǒng)工程的需求閉環(huán)驗(yàn)證進(jìn)行相關(guān)報告。

如今在飛機(jī)研發(fā)過程中，需求閉環(huán)驗(yàn)證方面，大多還是采用單機(jī)的分析工具進(jìn)行系統(tǒng)仿真和機(jī)體部件有限元仿真，或者物理試驗(yàn)等手段，如于惠舟等基于Modelica語言進(jìn)行飛機(jī)飛控系統(tǒng)虛擬樣機(jī)構(gòu)建，驗(yàn)證虛擬樣機(jī)性能驗(yàn)證及工程應(yīng)用[8] ；陳彥達(dá)等采用數(shù)值仿真分析方法研究民用飛機(jī)機(jī)身段適墜性[9]；趙峻峰等通過物理試驗(yàn)方法分析并研究民用飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度[10]。

本文采用基于Modelica語言的MMS方法論，將頂層需求進(jìn)行細(xì)化，論述使命（Mission）、服務(wù)（Service）、功能（Function）及組件（Component）層的需求閉環(huán)驗(yàn)證方法；從飛機(jī)研發(fā)業(yè)務(wù)角度，闡述相關(guān)研發(fā)部門的需求閉環(huán)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)方法。在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)需求的閉環(huán)驗(yàn)證，能夠提前發(fā)現(xiàn)研發(fā)的問題使其及早解決，大大減少物理試驗(yàn)次數(shù)，能夠節(jié)約研制成本和縮短研發(fā)周期，所以需求閉環(huán)驗(yàn)證的技術(shù)研究具有重大意義。

2 需求閉環(huán)驗(yàn)證方法

結(jié)合國內(nèi)飛機(jī)研制的實(shí)際情況，將民用飛機(jī)研制劃分為五個階段：立項(xiàng)論證階段、可行性論證階段、預(yù)發(fā)展階段（包括總體方案定義/聯(lián)合概念定義階段JCDP、初步設(shè)計(jì)/聯(lián)合定義階段JDP）、工程發(fā)展階段（包括詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、全面試制階段、試飛取證階段）、產(chǎn)業(yè)化階段[11] ，前四個階段一般屬于飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)階段，飛機(jī)研發(fā)部門為主，試制部門為輔。在飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)階段，將飛機(jī)研發(fā)分為全機(jī)級、系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、部件級、組件級、零件或元器件級和材料級進(jìn)行飛機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)[12]～[13]。在飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的每一個階段，都會按照飛機(jī)研發(fā)的各個層級進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是不同階段重點(diǎn)設(shè)計(jì)的層級不同，即頂層設(shè)計(jì)需求不同。

2.1 同一研發(fā)層級內(nèi)的需求閉環(huán)驗(yàn)證

基于達(dá)索MMS系統(tǒng)工程方法論，主要通過使命、服務(wù)、功能及組件層的分析以及用例圖、功能圖、場景圖、順序圖等來展開飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)某階段的研發(fā)某層級頂層需求的分解、細(xì)化，建立基于需求-功能-邏輯-物理（R-FL-P）的統(tǒng)一架構(gòu)的相關(guān)模型[6]，獲得使命層需求、服務(wù)層需求、功能層需求及組件層需求；按照組件層需求，進(jìn)行組件模型、接口等的設(shè)計(jì)，至此完成了基于MBSE的物理設(shè)計(jì)，如圖1所示。各層需求的驗(yàn)證方法如下。

組件層，將組件模型、接口進(jìn)行單一組件的專業(yè)仿真，包括組件結(jié)構(gòu)CAE仿真和系統(tǒng)仿真等，驗(yàn)證組件層需求，確認(rèn)設(shè)計(jì)的組件，形成組件層需求閉環(huán)驗(yàn)證方法。

功能層，將組件模型、接口按照功能層需求進(jìn)行組件模型裝配、集成，將以功能單元（單條功能需求）集成的組件和接口，依據(jù)各自功能需求分別進(jìn)行集成仿真，包括各集成組件的多體運(yùn)動學(xué)仿真、結(jié)構(gòu)CAE仿真、系統(tǒng)仿真等，驗(yàn)證集成組件和接口的功能需求，實(shí)現(xiàn)集成驗(yàn)證，形成功能層需求閉環(huán)驗(yàn)證方法。

服務(wù)層，將按功能單元形成的集成組件和接口，再次按照服務(wù)層需求進(jìn)行集成組件的裝配和集成，再將形成的集成組件和接口進(jìn)行動態(tài)行為仿真，包括多體運(yùn)動學(xué)仿真、系統(tǒng)仿真等，驗(yàn)證集成組件的服務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)集成確認(rèn)，形成服務(wù)層需求閉環(huán)驗(yàn)證方法。

使命層，將按服務(wù)層需求形成的集成組件和接口，按照使命層需求進(jìn)行集成組件的裝配和集成，形成飛機(jī)研發(fā)本層級的總裝配模型，針對總裝配模型進(jìn)行仿真，包括多體運(yùn)動學(xué)仿真、系統(tǒng)仿真、多學(xué)科聯(lián)合仿真等，形成飛機(jī)研發(fā)本層級的數(shù)字化性能樣機(jī)，驗(yàn)證集成組件的使命需求，測試本研發(fā)層級模型設(shè)計(jì)的合格性，形成使命層需求閉環(huán)驗(yàn)證方法。

最后，試制本層級研發(fā)的模型，通過物理試驗(yàn)檢測物理產(chǎn)品性能，驗(yàn)證本層級研發(fā)的頂層任務(wù)。

2.2 不同研發(fā)層級間的需求閉環(huán)驗(yàn)證

組件層形成的組件模型是該飛機(jī)研發(fā)層級組件的白盒模型，同時也是下一研發(fā)層級總裝配的黑盒模型。

組件層需求按不同組件分類并分發(fā)給下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門，作為下一研發(fā)層級的頂層任務(wù)；組件層需求可分發(fā)給多個下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門，作為其基于模型的系統(tǒng)工程的研發(fā)頂層任務(wù)，比如飛機(jī)級的組件需求通過分類可分發(fā)給機(jī)體、飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等系統(tǒng)級研發(fā)層級的相關(guān)研發(fā)部門。下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門同樣按照MMS系統(tǒng)工程方法論，進(jìn)行使命、服務(wù)、功能及組件層的分析，形成相關(guān)模型和相應(yīng)層級需求，并進(jìn)行需求閉環(huán)驗(yàn)證。不同研發(fā)層級間的需求閉環(huán)驗(yàn)證技術(shù)路線如圖2所示。

下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門最終交付的模型和產(chǎn)品有如下要求。

下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門交付的總裝配模型可供本研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門進(jìn)行相關(guān)仿真驗(yàn)證，包括組件仿真、組件集成及功能仿真、動態(tài)行為仿真等。

下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門需搭建其所屬研發(fā)層級的數(shù)字化性能樣機(jī)。

下一研發(fā)層級相關(guān)研發(fā)部門交付的物理產(chǎn)品可供本研發(fā)層級進(jìn)行物理試驗(yàn)，檢測研發(fā)的產(chǎn)品是否實(shí)現(xiàn)頂層任務(wù)。

3 需求閉環(huán)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)方法

基于現(xiàn)階段航空行業(yè)中系統(tǒng)工程方法的研究現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)研發(fā)部門實(shí)際的研發(fā)和管理方法，提出需求閉環(huán)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)流程，并基于法國達(dá)索系統(tǒng)公司的3DEXPERIENCE平臺（以下簡稱3DE平臺），根據(jù)需求定義測試用例，可以將仿真結(jié)果與測試案例的需求參數(shù)對比，驗(yàn)證仿真結(jié)果是否滿足需求，并可在測試案例管理界面查看測試驗(yàn)證狀態(tài)。

3.1 需求閉環(huán)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)流程

3DE平臺中對需求進(jìn)行閉環(huán)驗(yàn)證，首先需求管理工程師在平臺中對需求進(jìn)行參數(shù)化，并對需求進(jìn)行驗(yàn)證方法的定義，例如仿真、實(shí)驗(yàn)、演示等。系統(tǒng)工程師對相關(guān)需求建立測試用例TC及測試執(zhí)行TE；仿真負(fù)責(zé)人參考相關(guān)業(yè)務(wù)的仿真標(biāo)準(zhǔn)（或仿真模板），對測試執(zhí)行的需求建立測試計(jì)劃TP，并建立相關(guān)的需求驗(yàn)證矩陣，對相關(guān)的仿真工程師進(jìn)行測試驗(yàn)證請求（AR）。仿真工程師接收到測試請求后，可執(zhí)行相關(guān)的仿真模板，進(jìn)行仿真模板實(shí)例化和仿真，仿真負(fù)責(zé)人對仿真結(jié)果進(jìn)行審核，確認(rèn)驗(yàn)證結(jié)果是否通過，在業(yè)務(wù)流程中完成測試請求，從而實(shí)現(xiàn)端對端的需求閉環(huán)驗(yàn)證。圖3為需求閉環(huán)驗(yàn)證流程圖。

3.2 需求閉環(huán)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)方法

在3DE平臺中，以如下案例表明需求閉環(huán)驗(yàn)證流程的實(shí)現(xiàn)方法。

在3DE平臺的需求管理模塊中，需求工程師創(chuàng)建標(biāo)題為“測試需求閉環(huán)”的需求規(guī)格，并在此需求規(guī)格下創(chuàng)建測試需求，在該需求內(nèi)容中輸入“輸出角度為1”。如圖4所示。

系統(tǒng)工程師登錄平臺賬號，在此測試需求的“相關(guān)對象”中創(chuàng)建測試案例TC，如圖5、6所示。

在參數(shù)選項(xiàng)卡中選擇“插入新參數(shù)”，單位選擇“deg”，值輸入“1”；同理，插入新參數(shù)，單位選擇“deg”，值輸入“0”，如圖7所示。

以上標(biāo)題為“Output deg”的需求是需要驗(yàn)證的參數(shù)化需求，標(biāo)題為“Test deg”的需求是仿真結(jié)果驗(yàn)證的需求。

在該測試案例TC中，創(chuàng)建測試執(zhí)行TE，如圖8所示。并加入被分派的人（一般是仿真負(fù)責(zé)人）。

仿真負(fù)責(zé)人登錄平臺賬號，參考仿真流程模板，在該測試執(zhí)行TE中加入測試計(jì)劃TP，并加入被分派的人（一般是仿真工程師），如圖9所示。

仿真工程師登錄平臺賬號，進(jìn)入該測試計(jì)劃TP，實(shí)例化仿真流程模板作為仿真過程，搭建行為模型并執(zhí)行，得到所需結(jié)果并反饋到測試案例的參數(shù)中，如圖10所示。

其中，在仿真專家制定仿真流程模板時，通過3DE平臺的3DX PARAMETER組件，檢索和選擇需要回傳的參數(shù)值，如圖11所示。

需求管理工程師和系統(tǒng)工程師登錄平臺賬號，在需求管理模塊中可查看需求的驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)現(xiàn)需求的閉環(huán)驗(yàn)證，如圖12、13所示。

4 結(jié)語

為了探索MBSE的需求閉環(huán)驗(yàn)證在飛機(jī)研制過程中的工程應(yīng)用，本文提出的在飛機(jī)的某一研制階段下，同一研發(fā)層級內(nèi)的需求閉環(huán)驗(yàn)證方法和不同研發(fā)層級間的需求閉環(huán)驗(yàn)證方法，能夠確認(rèn)設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

基于現(xiàn)階段航空行業(yè)系統(tǒng)工程的研究現(xiàn)狀，提出需求閉環(huán)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)流程，并采用3DE平臺，通過案例表明需求閉環(huán)驗(yàn)證流程的實(shí)現(xiàn)方法。

本文成功地探索了需求閉環(huán)驗(yàn)證的方法、實(shí)現(xiàn)流程和應(yīng)用平臺，為基于模型的系統(tǒng)工程方法在飛機(jī)研制過程中更加深入應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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