基于系統(tǒng)工程方法的直升機(jī)燃油系統(tǒng)需求分析

劉 歡

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)333000）

0 引言

系統(tǒng)工程是一門專注于整體（系統(tǒng)）的學(xué)科，是一種自上而下的綜合、開發(fā)和運行真實系統(tǒng)的迭代過程，以接近最優(yōu)的方式滿足系統(tǒng)的全部需求。在開發(fā)周期的早期階段，就定義客戶需求與所要求的功能，在考慮運行、成本、進(jìn)度、性能、培訓(xùn)、保障、試驗、制造和退役問題時，進(jìn)行設(shè)計綜合和系統(tǒng)確認(rèn)。系統(tǒng)工程以提供滿足用戶需求的高質(zhì)量產(chǎn)品為目的，同時考慮了所有用戶的業(yè)務(wù)和技術(shù)需求［1］。目前，國內(nèi)外各領(lǐng)域特別是以德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”和“中國制造2025”為代表，大力推行智能制造政策。通過利益攸關(guān)者識別、需求捕獲與運行概念設(shè)計、系統(tǒng)需求分析、功能架構(gòu)設(shè)計、邏輯分析和系統(tǒng)物理綜合集成、分系統(tǒng)集成試驗、系統(tǒng)交聯(lián)試驗、全系統(tǒng)模擬與驗證等研發(fā)途徑［2］，實現(xiàn)產(chǎn)品研制。特別是以基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）為代表的新技術(shù)和新方法為航天航空領(lǐng)域系統(tǒng)工程帶來了巨大的變革，促使航天航空領(lǐng)域系統(tǒng)工程快速且持續(xù)演進(jìn)［3］。燃油系統(tǒng)主要是存儲直升機(jī)所規(guī)定的燃油量，保證直升機(jī)在地面和飛行條件下向動力裝置可靠有效的供油。在以直升機(jī)燃油系統(tǒng)研制為代表的復(fù)雜產(chǎn)品研制中，系統(tǒng)工程可有效解決系統(tǒng)的論證、設(shè)計、生產(chǎn)和使用的決策和優(yōu)化問題，是用于系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)、技術(shù)管理、運行使用和退役的專業(yè)學(xué)科方法論，可以引導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)、需求的定義和分配、設(shè)計方案的評價和權(quán)衡，系統(tǒng)間技術(shù)風(fēng)險權(quán)衡、系統(tǒng)接口的定義和評估、驗證和確認(rèn)。

1 燃油系統(tǒng)需求和功能分析

1.1 系統(tǒng)的生命周期

直升機(jī)研制是典型的巨型復(fù)雜系統(tǒng)，周期較長，每個直升機(jī)產(chǎn)品的生命周期都包含很多元素，主要分為開發(fā)、生產(chǎn)、使用、退役四個階段。每個階段都有不同的目的和相關(guān)活動，都存在著關(guān)鍵事件的決策點、里程碑，通過決策評估，控制風(fēng)險。一般生命周期包含概念階段、開發(fā)階段、生產(chǎn)階段、使用保障階段、退役階段。系統(tǒng)工程的可視化表達(dá)有多種經(jīng)典模型［4］：橢圓模型、瀑布模型、V模型、螺旋模型。V模型主要側(cè)重需求分析與用戶需求反復(fù)迭代和演化的過程，直升機(jī)燃油系統(tǒng)的研制采用V模型進(jìn)行研發(fā)，可以保證成附件、子系統(tǒng)、整個燃油系統(tǒng)始終滿足整機(jī)要求，在論證和設(shè)計階段具有指導(dǎo)意義。V模型如圖1所示表示了從全機(jī)需求分解為燃油系統(tǒng)需求，確定燃油系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計，對燃油系統(tǒng)進(jìn)行功能分解，提出燃油系統(tǒng)設(shè)計方案，通過生產(chǎn)及制造，進(jìn)行燃油系統(tǒng)集成驗證和確認(rèn)，明確燃油系統(tǒng)邏輯關(guān)系，確保系統(tǒng)自洽性，再進(jìn)行整機(jī)集成驗證及確認(rèn)，通過驗證解決問題，交付客戶使用，清晰表達(dá)了燃油系統(tǒng)研制的演進(jìn)過程，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)需求分析

圖1 系統(tǒng)研制演進(jìn)過程

需求分析包含了多個復(fù)雜內(nèi)容，它需要系統(tǒng)工程師對系統(tǒng)需求進(jìn)行反復(fù)的定義、存檔以及更替，直到對需求確認(rèn)。研究認(rèn)為，需求工程僅僅包括兩個部分：需求開發(fā)和需求管理。而需求開發(fā)則包含：需求獲取、需求分析、編寫軟件規(guī)格說明書SRS和需求驗證四個階段。需求管理包含：需求確認(rèn)、需求變更、需求評審和需求跟蹤［5］。直升機(jī)研制需求主要是把利益相關(guān)者的期望全部轉(zhuǎn)換成對經(jīng)認(rèn)定的技術(shù)需求，以來自用戶和利益相關(guān)者的關(guān)于直升機(jī)意見一致的頂層需求和期望為依據(jù)，先進(jìn)行頂層需求捕獲，明確獨立的能力及外部交互關(guān)系，依據(jù)場景進(jìn)行功能邏輯的分解，通過需求分析確定全機(jī)物理架構(gòu)設(shè)計及需求分配，將全機(jī)級需求進(jìn)行性能指標(biāo)研討及確認(rèn)，性能需求需滿足效能需求，技術(shù)指標(biāo)需滿足性能需求，需求分配與架構(gòu)設(shè)計，反復(fù)迭代權(quán)衡，當(dāng)全機(jī)級需求基線確認(rèn)后，將分配至燃油系統(tǒng)的系統(tǒng)需求進(jìn)行需求分析及建模，將驗證過的需求結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫以便于需求管理。如圖2、圖3基于模型的直升機(jī)燃油系統(tǒng)需求分解流程所示，將燃油系統(tǒng)需求分析以全機(jī)需求基線分配結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)一步優(yōu)化迭代，再進(jìn)行燃油系統(tǒng)子系統(tǒng)、子系統(tǒng)成附件需求分析與分配。

圖2 燃油系統(tǒng)層次分解流程（僅以供油系統(tǒng)為例）

圖3 燃油系統(tǒng)需求分解流程

燃油系統(tǒng)需求的完備集，包括功能需求、性能需求和接口需求，這些需求依照產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)分配到設(shè)計單元中，此外可靠性需求、安全性需求等，同樣影響設(shè)計選擇。燃油系統(tǒng)功能需求主要針對燃油系統(tǒng)全壽命周期所有預(yù)期的應(yīng)用需要指定的功能需求。主要包含供油能力需求和儲存燃油能力需求，并且要具備燃油系統(tǒng)各項參數(shù)指示管理能力需求。燃油系統(tǒng)性能需求主要通過量化定義燃油系統(tǒng)需要在直升機(jī)飛行期間執(zhí)行功能的程度。燃油系統(tǒng)的接口需求主要包括機(jī)械接口需求和電氣接口需求，機(jī)械接口需求是指燃油系統(tǒng)與機(jī)體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系，電氣接口需求主要包括燃油開關(guān)需求、燃油量、燃油壓力等參數(shù)顯示需求、告警需求、供電需求等。燃油系統(tǒng)的功能需求和性能需求分配到各個子系統(tǒng)，采用輸入、輸出和接口需求形式，自頂向下辨識和描述每項功能，系統(tǒng)任何指定的運用能夠通過全系統(tǒng)路徑追蹤，反映系統(tǒng)必須實現(xiàn)的所有功能的順序關(guān)系。

燃油系統(tǒng)的主要功能需求是存儲直升機(jī)所規(guī)定的燃油量，保證直升機(jī)在地面和飛行條件下向動力裝置可靠有效的供油。燃油系統(tǒng)主要由供油子系統(tǒng)、油箱子系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)、燃油測量管理子系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)燃油系統(tǒng)功能。圖4分析了典型燃油系統(tǒng)的主要系統(tǒng)需求，依據(jù)利益相關(guān)者的要求，進(jìn)行需求分析。

1.3 系統(tǒng)功能分析

功能分析是用于系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)和功能需求分解的主要方法，燃油系統(tǒng)架構(gòu)定義了層級結(jié)構(gòu)及關(guān)聯(lián)關(guān)系，燃油系統(tǒng)一旦建立了頂層的功能需求和約束，就可以規(guī)劃概念上的燃油系統(tǒng)架構(gòu)。燃油系統(tǒng)架構(gòu)注重整個結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)之間的配合，確保有效的工作，以滿足整機(jī)需求。通過迭代和遞歸的過程，將燃油系統(tǒng)必要的層級完成分析、定義和設(shè)定控制基線，隨著持續(xù)的遞歸過程直到燃油系統(tǒng)被完整地定義，所有的需求都被理解，且認(rèn)為是可行的，可驗證的和內(nèi)在一致的。如圖5所示，系統(tǒng)工程具備遞歸特性，燃油系統(tǒng)遞歸過程對各層級每個產(chǎn)品持續(xù)進(jìn)行，直到架構(gòu)最底層，經(jīng)系統(tǒng)壽命周期后完成細(xì)化，形成燃油系統(tǒng)概念設(shè)計。通過個層級明確計劃及實現(xiàn)產(chǎn)品的方法，確保階段產(chǎn)品和目標(biāo)產(chǎn)品的概念設(shè)計滿足利益相關(guān)者期望。

圖4 全機(jī)分配燃油系統(tǒng)需求分析

圖5 燃油系統(tǒng)層次劃分

2 結(jié)語

本文通過系統(tǒng)工程研究方法，結(jié)合直升機(jī)研制流程，分析燃油系統(tǒng)研制演進(jìn)流程，提出了直升機(jī)燃油系統(tǒng)需求分解方法。研究直升機(jī)燃油系統(tǒng)功能需求、性能需求及接口需求的關(guān)系，依據(jù)功能分析方法，分析了燃油系統(tǒng)層級架構(gòu)，有利于積累國內(nèi)直升機(jī)設(shè)計人員大型項目設(shè)計經(jīng)驗，提高工程技術(shù)管理能力。應(yīng)進(jìn)一步開展燃油系統(tǒng)需求建模和仿真工作，建立燃油系統(tǒng)典型場景的功能邏輯模型，進(jìn)行燃油系統(tǒng)功能邏輯自洽性仿真，更好地指導(dǎo)燃油系統(tǒng)設(shè)計工作。