基于多視角的民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模方法

畢文豪，范秋岑李德林，張安

1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

2.中國航空研究院，北京 100029

隨著信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、管理科學(xué)等學(xué)科，以及復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)、模型仿真技術(shù)、決策技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的迅速發(fā)展，民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為一個大型的多學(xué)科交叉、多領(lǐng)域融合、多種技術(shù)高度集成的復(fù)雜系統(tǒng)工程［1-2］。系統(tǒng)工程理論和方法已用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、社會等多個領(lǐng)域，并取得了重要應(yīng)用成果［3-4］。

民機(jī)正向設(shè)計(jì)是指以利益相關(guān)方需要/需求為驅(qū)動，自上而下地進(jìn)行分解，通過構(gòu)建民機(jī)功能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)功能設(shè)計(jì)，并基于此建立邏輯及物理架構(gòu)，形成各級系統(tǒng)、子系統(tǒng)及部件設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)工程活動。傳統(tǒng)的民機(jī)正向設(shè)計(jì)過程是基于文檔管理的，以自然語言為主要語言、圖表為主要承載形式，對民用飛機(jī)設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的項(xiàng)目文檔、技術(shù)規(guī)范、管理?xiàng)l例等進(jìn)行描述，不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員從文檔中讀取信息很容易產(chǎn)生理解偏差，從而導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中需要反復(fù)迭代修正，嚴(yán)重影響了復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)效率。這導(dǎo)致了設(shè)計(jì)文檔變更難度大、工程模型可讀性差、工程數(shù)據(jù)追溯性差、設(shè)計(jì)周期不斷拉長、設(shè)計(jì)成本增大且版本難以控制等問題［5-7］。正向設(shè)計(jì)能力較弱已經(jīng)成為制約中國航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新、增強(qiáng)市場競爭力的重要因素［8］。

目前，民機(jī)設(shè)計(jì)在型號設(shè)計(jì)上逐漸推廣基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based Systems Engineering， MBSE）方法［9］來構(gòu)建涵蓋需求、功能、邏輯和物理層面的設(shè)計(jì)架構(gòu)和邏輯關(guān)聯(lián)，與民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需推進(jìn)的正向設(shè)計(jì)趨勢不謀而合。中國商飛在C919大飛機(jī)研制中探索正向設(shè)計(jì)與研制方法，在工程設(shè)計(jì)研制實(shí)踐中力爭完全掌握自主知識產(chǎn)權(quán)，在研制過程中基于異地協(xié)同機(jī)制，采用基于模型的定義（Model Based Definition， MBD）的方法，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造高度并行、廣域協(xié)同，無紙數(shù)字化制造技術(shù)得以落地實(shí)施［10］。美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）將MBSE方法應(yīng)用于培養(yǎng)超高效、低排放的航空動力（Fostering Ultra-Efficient， Low Emitting Aviation Power， FUELEAP）項(xiàng)目，構(gòu)建了利益相關(guān)方之間規(guī)范的溝通途徑，包括功能和物理架構(gòu)的所有主要方面進(jìn)行建模并實(shí)現(xiàn)需求追溯［11］。

國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和眾多學(xué)者對MBSE在復(fù)雜體系和系統(tǒng)建模中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究，尤其是在航空［12-14］、航天［15-16］、車輛工程［17-19］等涉及復(fù)雜體系及系統(tǒng)的領(lǐng)域內(nèi)并行實(shí)施了理論研發(fā)與技術(shù)實(shí)踐，在開發(fā)周期和質(zhì)量水平方面都取得了較為顯著的提升［20-21］。

在當(dāng)前的民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模中，存在利益相關(guān)方與設(shè)計(jì)需求脫節(jié)、需求到功能的映射關(guān)系解耦難度較大、系統(tǒng)級系統(tǒng)之間功能耦合關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間層次架構(gòu)不清晰、子系統(tǒng)之間功能流和數(shù)據(jù)接口定義不明確等眾多問題，亟需解耦民機(jī)正向設(shè)計(jì)體系，從多視角描述民機(jī)正向設(shè)計(jì)過程中的工作流、信息流和任務(wù)流。

本文面向民用飛機(jī)正向設(shè)計(jì)流程，詳細(xì)梳理民機(jī)正向設(shè)計(jì)中的建模要素和邏輯關(guān)系，從多視角對民機(jī)設(shè)計(jì)建模過程進(jìn)行抽象描述，提出一套基于多視角的民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模方法。

1 民機(jī)正向設(shè)計(jì)架構(gòu)構(gòu)建

1.1 MBSE方法論架構(gòu)分析

截至目前，系統(tǒng)工程國際委員會（International Council on Systems Engineering， INCOSE）已公布了6種MBSE方法論［22］，分別為IBM Rational Telelogic Harmony-SE［23］、OOSEM（INCOSE Object-Oriented System Engineering Method）、Vitech MBSE Methodology、RUP-SE（IBM Rational Unified Process for System Engineering）、Dori OPM（Dori Object-Process Methodology）、SA（JPL State Analysis）。此外，法國Thales公司提出的Arcadia方法論［24］和Dassault公司提出的MagicGrid方法論［25-26］的應(yīng)用也較為廣泛。MBSE方法論對比分析如表1所示。

表1 MBSE方法論對比Table 1 Comparison of MBSE methodology

通過對比分析不難發(fā)現(xiàn)，MBSE方法論大多以需求/目標(biāo)為導(dǎo)向，采取自上而下的正向分解，以迭代化開發(fā)的方式，將需求/目標(biāo)逐層分解，并通過以SysML［27］為代表的建模語言構(gòu)建自頂向下分解產(chǎn)生需求、功能、邏輯、物理層級的權(quán)威真相源模型［28］。但是現(xiàn)有的如Harmony SE、MagicGrid、Arcadia等方法論，都是設(shè)計(jì)者從自身熟悉的實(shí)際設(shè)計(jì)領(lǐng)域出發(fā)，往往都是直接針對系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)對象進(jìn)行設(shè)計(jì)，如配套Arcadia方法論而開發(fā)的專業(yè)建模工具Capella被廣泛應(yīng)用于Thales公司所設(shè)計(jì)的航電、軌道交通、航天、雷達(dá)系統(tǒng)等［29］。

隨著民機(jī)各系統(tǒng)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，這些方法論已經(jīng)不足以全面、清晰地描述民機(jī)作為復(fù)雜巨系統(tǒng)所面臨的內(nèi)部系統(tǒng)之間交互的設(shè)計(jì)架構(gòu)，在設(shè)計(jì)中往往難以描述在不同視角下的各民機(jī)系統(tǒng)及子系統(tǒng)的耦合交互關(guān)系。同時(shí)，系統(tǒng)工程方法在實(shí)踐中隨著建模對象的復(fù)雜性越來越強(qiáng)、模型精細(xì)度越來越高，對工程設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識、過往經(jīng)驗(yàn)、建模水平都有較高的要求，很難將MBSE建模方法在設(shè)計(jì)部門進(jìn)行廣泛推廣實(shí)踐。另外，MBSE方法論的嚴(yán)格實(shí)施對工程設(shè)計(jì)人員的知識儲備要求較高，尤其是對于民機(jī)正向設(shè)計(jì)缺乏足夠歷史機(jī)型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，迫切需要一套建模詳細(xì)流程范式，以輔助設(shè)計(jì)人員在MBSE方法論的指導(dǎo)下更好地進(jìn)行民機(jī)正向設(shè)計(jì)的建模設(shè)計(jì)工作。

對民機(jī)正向設(shè)計(jì)而言，CCAR-25（中國民用航空規(guī)章運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)）［30］、SAE ARP4754A（民用飛機(jī)和系統(tǒng)的開發(fā)指南）［31］、ISO ISO/IEC/IEEE 15288： 2015（系統(tǒng)和軟件工程-系統(tǒng)生命周期過程）［32］等適航條款和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中隱含著大量產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求［33］。在需求捕獲階段，這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求應(yīng)當(dāng)盡可能地被有效識別和捕獲，以設(shè)計(jì)約束或利益相關(guān)方需要的形式進(jìn)入民機(jī)正向設(shè)計(jì)的迭代流程，以進(jìn)一步確定正向設(shè)計(jì)流程各階段所涉及的規(guī)范、功能、物理結(jié)構(gòu)要求，指導(dǎo)民機(jī)正向設(shè)計(jì)中相關(guān)應(yīng)用、能力、功能的設(shè)計(jì)工作。

為了更好地滿足適航和市場需求，民機(jī)產(chǎn)品主制造商需要向適航局方提供更加嚴(yán)謹(jǐn)詳實(shí)的適航符合性證據(jù)，因此在構(gòu)建民機(jī)正向設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)，充分結(jié)合適航條款、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范就顯得非常重要和必要。目前國內(nèi)已經(jīng)基于適航取證的要求，在民機(jī)航電系統(tǒng)的研制中采用了正向設(shè)計(jì)的思路。

基于MBSE方法論的設(shè)計(jì)邏輯，遵循適航條款和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，提出的民機(jī)正向設(shè)計(jì)流程如圖1所示。按照流程，大致可以將正向設(shè)計(jì)流程劃分為體系交互、需求、功能、邏輯、物理、關(guān)聯(lián)回溯等6個模塊。

圖1 民機(jī)正向設(shè)計(jì)流程Fig.1 Civil aircraft forward design process

體系交互模塊是在現(xiàn)代民機(jī)以需求驅(qū)動為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)背景下逐漸衍生出來的，其主要作用有以下3點(diǎn)：① 在設(shè)計(jì)初期對利益相關(guān)方需要/需求進(jìn)行捕獲，作為正向設(shè)計(jì)流程中需求分析階段的輸入，確保民機(jī)設(shè)計(jì)是以需求為驅(qū)動，且能夠隨著需求變更而進(jìn)行改型等工作；② 全面把控民機(jī)正向設(shè)計(jì)的各階段，對各階段下產(chǎn)生的模型、文檔、數(shù)據(jù)開展過程管理，綜合把握項(xiàng)目開展的迭代周期和模型構(gòu)建的性能度量；③ 對設(shè)計(jì)流程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)沖突和矛盾進(jìn)行權(quán)衡與控制，對現(xiàn)有設(shè)計(jì)階段下的方案進(jìn)行評估與決策。

需求分析階段的主要工作是對MBSE流程的初始輸入——利益相關(guān)方需求進(jìn)行分析，產(chǎn)生系統(tǒng)需求，并將利益相關(guān)方需求與系統(tǒng)需求相關(guān)聯(lián)，產(chǎn)生的系統(tǒng)需求定義了系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)功能的頂層描述。在此基礎(chǔ)上定義系統(tǒng)用例，用于描述操作者（也稱用戶，具體指代可以是人、系統(tǒng)，也可以是任意可產(chǎn)生“主動”行為的部件）的行為、操作者與用例之間的信息流。系統(tǒng)用例不對應(yīng)功能的結(jié)構(gòu)化，不能按照功能分解，但是系統(tǒng)用例需要覆蓋所有的功能需求、性能需求，并建立起系統(tǒng)用例與功能性需求、性能需求之間的追溯鏈接關(guān)系。

功能分析階段的主要工作是基于用例模型對功能進(jìn)行進(jìn)一步分析和分解，梳理分析功能之間的依賴關(guān)系、改善關(guān)系等，產(chǎn)生功能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并基于此細(xì)化分解功能，用連貫的各系統(tǒng)/子系統(tǒng)的功能描述或連續(xù)的功能流來關(guān)聯(lián)系統(tǒng)功能性需求，形成功能和需求的映射關(guān)系。在功能分析中新識別的需求或在用例分析中細(xì)化的需求，都需要建立新增需求與用例或上級需求之間的追溯鏈接關(guān)系，并進(jìn)入下一層次的需求分析階段。

邏輯架構(gòu)分析和物理架構(gòu)分析階段的主要工作任務(wù)是，在規(guī)定的設(shè)計(jì)約束下，對承載所需實(shí)現(xiàn)功能的邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)進(jìn)行綜合開發(fā)。邏輯架構(gòu)分析階段是將需求分析階段、功能分析階段中輸出的功能性需求、系統(tǒng)需求、非功能性需求以面向用例的迭代設(shè)計(jì)方式，分配落實(shí)在邏輯架構(gòu)中，以螺旋前進(jìn)、逐層向下的正向設(shè)計(jì)方法推進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)完善，實(shí)現(xiàn)將功能分析階段的黑盒視圖解白的用例實(shí)現(xiàn)過程。在物理架構(gòu)分析階段，以自底向上的設(shè)計(jì)思路，面向底層用例/功能實(shí)現(xiàn)，將實(shí)際物理元件嵌入邏輯架構(gòu)，建立起物理世界的架構(gòu)，并與邏輯架構(gòu)對應(yīng)關(guān)聯(lián)。

關(guān)聯(lián)回溯貫穿于正向設(shè)計(jì)的全生命周期，主要是對設(shè)計(jì)過程中提出的需求變更申請、需求確認(rèn)、功能確認(rèn)、面向功能架構(gòu)和系統(tǒng)需求的設(shè)計(jì)確認(rèn)、面向最終用戶的試驗(yàn)與評價(jià)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)迭代能夠形成閉環(huán)并促進(jìn)后續(xù)的迭代設(shè)計(jì)過程。

1.2 基于多視角的架構(gòu)分析建模方法

民機(jī)設(shè)計(jì)過程中涉及的利益相關(guān)方眾多，耦合關(guān)系復(fù)雜，難以通過簡單的、線性的“分解-集成”系統(tǒng)工程方法實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)模型的抽象構(gòu)建和描述。歐美在探索體系化構(gòu)建指揮信息系統(tǒng)的過程中，逐漸形成了美國國防部架構(gòu)框架（United States Department of Defense Architecture Framework， DODAF）［34］、英國國防部體系結(jié)構(gòu)框架（Ministry of Defense Architecture Framework， MODAF）、北約體系結(jié)構(gòu)框架（North Atlantic Treaty Organization Architecture Framework， NAF）、統(tǒng)一架構(gòu)框架（Unified Architecture Framework， UAF）［35］等為代表的體系結(jié)構(gòu)框架理論成果，實(shí)踐證明該類結(jié)構(gòu)框架的理論能夠?qū)Υ嬖趶?fù)雜內(nèi)聯(lián)及外聯(lián)關(guān)系的事物進(jìn)行多角度抽象，是有序解耦復(fù)雜事物并指導(dǎo)抽象建模的重要科學(xué)方法理論［36］。

DoDAF是面向美軍不斷發(fā)展的聯(lián)合作戰(zhàn)需求而提出的一體化框架，繼承了被廣泛實(shí)踐驗(yàn)證的C4ISR（Command， Control， Communication，Computer， Intelligence， Surveillance， Reconnaissance）體系結(jié)構(gòu)框架，并逐漸完善而形成現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，其不僅可用于指導(dǎo)國防指揮控制系統(tǒng)和武器裝備研制，還能廣泛運(yùn)用到各種商業(yè)運(yùn)作過程中的管理和研發(fā)活動［37］。2017年，為了弱化現(xiàn)存各體系結(jié)構(gòu)框架如DoDAF、MoDAF、NAF的視角，解決各體系結(jié)構(gòu)框架概念定義不統(tǒng)一的問題，以進(jìn)一步提高框架兼容性，對象管理組織（Object Management Group， OMG）發(fā)布了統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)框架（Unified Architecture Framework， UAF），其豐富的領(lǐng)域模型和統(tǒng)一元模型語義為體系結(jié)構(gòu)開發(fā)提供了更為規(guī)范的方法［38-39］，為描述復(fù)雜系統(tǒng)及其內(nèi)外交互關(guān)系提供科學(xué)的建模支撐。

目前，DoDAF、UAF目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類面向復(fù)雜體系交互的作戰(zhàn)場景描述、體系能力描述、活動描述等需要依賴多視角描述的工程實(shí)踐中，得到了業(yè)界廣泛認(rèn)可，并在民機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用［40-42］。

1.3 基于多視角的正向設(shè)計(jì)建模流程

民機(jī)的正向設(shè)計(jì)基本上遵循“需求-功能-邏輯架構(gòu)-物理架構(gòu)”設(shè)計(jì)脈絡(luò)，利用需求模型到系統(tǒng)模型關(guān)鍵設(shè)計(jì)信息的逐步映射，實(shí)現(xiàn)原先傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)由概念到詳細(xì)的逐步設(shè)計(jì)。

但是在這類實(shí)踐中，各系統(tǒng)之間的交互是以民用飛機(jī)利益相關(guān)方需求的形式進(jìn)入設(shè)計(jì)迭代的。如何理解這樣的需求，準(zhǔn)確把握缺少工程視角的利益相關(guān)方實(shí)際需要，并逐步落實(shí)到后續(xù)具體設(shè)計(jì)中，往往還需要結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)一化、模型化、標(biāo)準(zhǔn)化的描述方式。

為了更好地解決民用飛機(jī)在多視角下充分解耦的設(shè)計(jì)需要，使得民機(jī)正向設(shè)計(jì)邏輯能夠科學(xué)地從多視角進(jìn)行解構(gòu)，本文吸取了DoDAF及UAF在體系分析上的顯著優(yōu)勢，基于全景視角（All Viewpoint， AV）、能力視角（Capability Viewpoint， CV）、運(yùn)行視角（Operational View，OV）和系統(tǒng)視角（Systems View， SV）等4個視角，提出了如圖2所示的基于多視角的民機(jī)設(shè)計(jì)建模流程，利用具有一致性的模型將多視角下的設(shè)計(jì)流程以SysML進(jìn)行歸納與表達(dá)。

圖2 基于多視角的民機(jī)設(shè)計(jì)建模流程Fig.2 Modeling process of civil aircraft design based on multiple perspectives

通過全景視角下的設(shè)計(jì)綜述與概要信息AV-1、民機(jī)設(shè)計(jì)體系交互概要模型AV-UAF來解耦正向設(shè)計(jì)流程中的需求分析和體系交互；構(gòu)建能力視角下的能力愿景CV-1、能力分級描述CV-2、能力依賴關(guān)系CV-4以實(shí)現(xiàn)功能分析，建立起需求和功能的映射關(guān)系、功能分類、功能依賴的邏輯關(guān)系；依托運(yùn)行視角下的高層運(yùn)行概念OV-1、運(yùn)行資源流活動OV-2、運(yùn)行活動模型OV-5a/b、運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換OV-6b、事件順序模型OV-6c來描述功能映射到邏輯架構(gòu)層面時(shí)各層級對象的運(yùn)行目標(biāo)、資源流活動、活動轉(zhuǎn)換邏輯及實(shí)現(xiàn)順序；以系統(tǒng)視角下的系統(tǒng)功能描述SV-4、系統(tǒng)接口描述SV-1、系統(tǒng)資源流SV-2、活動-系統(tǒng)關(guān)系SV-5、部件系統(tǒng)關(guān)系SV-3來描述邏輯架構(gòu)層面映射到物理架構(gòu)層面的具體實(shí)施形式，建立起領(lǐng)域設(shè)計(jì)內(nèi)的部件級功能描述和資源流關(guān)系，形成邏輯與物理層級的鏈接關(guān)系。通過不同視角間的逐層映射，可以保證在每一個設(shè)計(jì)階段下各利益相關(guān)方需求與體系的其他需要的落實(shí)與追溯。

2 民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模流程

為了進(jìn)一步詳細(xì)梳理民機(jī)設(shè)計(jì)建模流程，以抽象的建模范式為表達(dá)形式，對民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模中涉及的建模要素進(jìn)行詳細(xì)分析與抽象表達(dá)，分析各建模要素之間的內(nèi)在、外在邏輯聯(lián)系關(guān)系，形成一套自頂向下的民機(jī)正向設(shè)計(jì)抽象建模范式。

自頂向下不僅僅是實(shí)現(xiàn)“需求-功能-邏輯架構(gòu)-物理架構(gòu)”的邏輯自洽過程，也是充分繼承了傳統(tǒng)民機(jī)系統(tǒng)工程中飛機(jī)級、系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、部件級等不同邏輯架構(gòu)層級的逐層分解與開發(fā)過程。

2.1 面向需求的全景視角（AV）建模流程

設(shè)計(jì)綜述與概要信息模型（AV-1）是對民用飛機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的雛形概念進(jìn)行匯總與解析，主要?dú)w納民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)想、目的、范圍、預(yù)計(jì)成果等關(guān)鍵初始設(shè)計(jì)信息。

AV-1主要利用包圖（Package）構(gòu)建，其模型中每個包視為民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的1個信息集合，在各個包中創(chuàng)建SysML定義的需求圖（Requirement Diagram）來反映最初的工程需要。

設(shè)計(jì)綜述與概要信息模型ΣAV-1的關(guān)鍵概念定義為

式中：I為項(xiàng)目信息包圖；P為目的包圖；R為范圍包圖；Sc為場景包圖；So為系統(tǒng)資源包圖；So-template為需求模板信息；So-alphabet為需求術(shù)語表信息；So-type為以往型號設(shè)計(jì)資料。

AV-1包括項(xiàng)目信息包圖（I）、目的包圖（P）、范圍包圖（R）、場景包圖（Sc）和系統(tǒng)資源包圖（So）5部分。項(xiàng)目信息包圖中，在需求圖中撰寫項(xiàng)目層面的參與設(shè)計(jì)研發(fā)的各部門、設(shè)計(jì)任務(wù)的分配、項(xiàng)目起始、成本投入方面的信息；在目的包圖（P）中，捕獲利益相關(guān)方初步形成的原始需求，從設(shè)計(jì)角度描述系統(tǒng)預(yù)期的功能、對系統(tǒng)的非功能性（可靠性、維護(hù)性、保障性）要求、多種設(shè)計(jì)方案下的決策流程與決策方法；在范圍包圖（R）中，指出系統(tǒng)預(yù)期的運(yùn)行范圍與功能執(zhí)行范圍，明確系統(tǒng)的運(yùn)行概念與功能邊界；在場景包圖（Sc）中，根據(jù)已定義的運(yùn)行范圍，結(jié)合民機(jī)及系統(tǒng)任務(wù)剖面，定義出該民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要適應(yīng)的各種場景以及場景狀態(tài)信息；除此之外，應(yīng)繪制系統(tǒng)資源包圖（So），以記錄所有設(shè)計(jì)過程可能需要的設(shè)計(jì)資源，基本的系統(tǒng)資源包括需求模板So-template、需求術(shù)語表So-alphabet、以往型號設(shè)計(jì)資料So-type。其中

即通過對記錄在目的包圖（P）中的民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的初始需求進(jìn)行解析，將其進(jìn)一步拆解為范圍包圖（R）與場景包圖（Sc）中的數(shù)據(jù)信息。其中功能性及非功能性需求分解為范圍包圖（R）中的系統(tǒng)運(yùn)行的性能指標(biāo)與場景包圖（Sc）中的既定運(yùn)行條件和場景；構(gòu)建的包圖與包中的設(shè)計(jì)信息共同構(gòu)成了待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的AV-1模型。

民機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)外交互關(guān)系如圖3所示。在需求捕獲與分析階段，民用航空體系下例如航空公司、生產(chǎn)制造商、試飛試驗(yàn)部門都存在反復(fù)的需求變更、需求確認(rèn)等迭代環(huán)節(jié)；在進(jìn)入概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段時(shí)，各飛機(jī)級系統(tǒng)和系統(tǒng)級系統(tǒng)交互關(guān)系復(fù)雜導(dǎo)致的需求變更與捕獲階段的各交互主體密不可分，需要從多方面建立起利益相關(guān)方同架構(gòu)和基于場景的交互之間的關(guān)系，保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程并非獨(dú)立存在，而是與設(shè)計(jì)流程下的復(fù)雜交互息息相關(guān)，且能夠隨著需求變更對建立的模型進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，在迭代修正中以模型更迭的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的逐步完善及對設(shè)計(jì)需求的逐步覆蓋。

圖3 民機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)外交互關(guān)系Fig.3 Internal and external interaction of civil aircraft design

民機(jī)設(shè)計(jì)體系交互概要模型（AV-UAF）是在待設(shè)計(jì)系統(tǒng)上層系統(tǒng)或體系層面，分析待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能定位與可能的交互關(guān)系，由此確定該系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初的利益相關(guān)方及需求來源，初步明確可能存在的接口去向與相應(yīng)要求。AV-UAF主要包括體系內(nèi)系統(tǒng)架構(gòu)關(guān)系（St）、基于場景的交互關(guān)系（Op）、涉及的利益方（Pr），即

體系內(nèi)架構(gòu)關(guān)系（St）是基于上層系統(tǒng)（SV）分解的，主要涉及在上層系統(tǒng)/體系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與分類，需要明確待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)邊界；基于場景的交互關(guān)系（Op）是根據(jù)AV-1模型中分類完成的場景（Sc）確定體系內(nèi)各組成部分的初步交互關(guān)系與傳遞的資源或信息類別；涉及的利益相關(guān)方（Pr）是對Op中以人為構(gòu)成主體的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步歸納細(xì)分，補(bǔ)足體系視角下潛在利益相關(guān)方的全部捕獲來源。

上述AV-1、AV-UAF模型的建立順序并非逐步進(jìn)行的，一般來說，這是一個相互迭代逐漸完善的過程。

2.2 面向功能的能力視角（CV）建模流程

在能力視角（CV）下定義的CV-1能力愿景、CV-2能力分級描述、CV-4能力依賴關(guān)系3種子視圖作為待設(shè)計(jì)系統(tǒng)能力描述的3個層次，即

式中：CVision為能力愿景；CTaxonomy為能力分級描述；CDependencies為能力依賴關(guān)系。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中先定義能力愿景CVision，然后根據(jù)已定義的CVision分解出能力分級描述CTaxonomy與能力依賴關(guān)系CDependencies，其中CDependencies是對CTaxonomy的修飾，即在CDependencies中定義并表示CTaxonomy中的子能力之間的相互關(guān)系，即

建立用例圖（Use Case Diagram）描述民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CV-1能力愿景，CV-1能力愿景反映該系統(tǒng)的功能執(zhí)行期望，用例圖中包括基于系統(tǒng)運(yùn)行目的（全景視角定義）的基本運(yùn)行環(huán)境與可能的運(yùn)行模式；在每一種用例圖中反映一個通用場景或者某一特定場景下的系統(tǒng)邊界與運(yùn)行情況，繪制的要素如下：

1） 系統(tǒng)的交互對象（外界）Cobject，包括系統(tǒng)操作人員Cpeople和其他系統(tǒng)Csystem。

2） 該交互對象情況下，系統(tǒng)能夠執(zhí)行的功能活動，即系統(tǒng)能力Ccapability。

3） 交互對象與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)期功能的關(guān)聯(lián)關(guān)系Crelation。

4） 運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行場景Cenvironment，即

然后用需求圖、用例圖建立描述CV-2能力分級描述CTaxonomy、CV-4能力依賴關(guān)系CDependencies；在CV-2中首先明確民機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)對應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行能力，與已建立的CV-1中反映對應(yīng)運(yùn)行場景的用例模型之間建立鏈接，根據(jù)CV-1的用例圖，使用用例圖、需求圖或用例圖與需求圖的組合繪制描述CV-1中定義的系統(tǒng)能力愿景的子能力CSubcapability，子能力的撰寫依據(jù)為AV-1系統(tǒng)需求信息概要模型中目的包圖模型中所定義的利益相關(guān)方需求與非功能性要求；在CV-4中基于CV-2撰寫出的系統(tǒng)功能模塊的子能力之間的協(xié)作關(guān)系Crelationship，構(gòu)建待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的子能力模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系包括依賴（Dependency）、擴(kuò)展（Extend）、包含（Include），即

2.3 面向邏輯架構(gòu)的運(yùn)行視角（OV）建模流程

基于運(yùn)行視角（OV）的系統(tǒng)功能分析模型，包括OV-1高層運(yùn)行概念模型、OV-2活動資源流模型、OV-5b運(yùn)行活動模型、OV-6c事件追蹤描述模型、OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型，即

繪制內(nèi)部模塊圖（Internal Block Diagram）描述民用飛機(jī)待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的OV-2視圖，即活動資源流模型OResource，在繪制的活動或動作之間，定義不同資源和信號的傳遞方式或數(shù)據(jù)格式，活動或動作之間的流向關(guān)系使用信息流（Information Flow）連接器描述

同時(shí)，功能活動流OFunctionflow是基于運(yùn)行視角（OV ）的系統(tǒng)功能分析模型的核心內(nèi)容，包括輸入OInput、輸出OOutput、動作（活動）OAction、消息流OMessage、狀態(tài)OState、時(shí)間（序列）OTime、事件分支點(diǎn)ODecision等核心要素，即

式中：OConcept為OV-1高層運(yùn)行概念模型；OResource為OV-2活動資源流模型；OActivity為OV-5b運(yùn)行活動模型；OEvent為OV-6c事件追蹤描述模型；OState為OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型。

OV-1高層運(yùn)行概念OConcept，包括待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的任務(wù)OTask、功能活動流OFunctionflow、場景（運(yùn)行狀態(tài)）OScenes；在OV-1視圖中引用CV-1中建立的反映不同運(yùn)行狀態(tài)的用例場景，繪制活動圖（Activity Diagram）以描述該系統(tǒng)應(yīng)適用的不同場景狀態(tài)及其下的系統(tǒng)預(yù)期可執(zhí)行的不同功能活動流，活動圖中以活動或動作（Activity/Action）為單元，定義功能執(zhí)行過程中的各個功能活動或動作，同時(shí)在活動或動作單元之間建立依賴（Dependency）或關(guān)聯(lián)（Association）的鏈接關(guān)系，完成功能活動間的邏輯梳理，即

建立運(yùn)行活動模型OActivity，即建立該系統(tǒng)的OV-5b視圖。在OV-5b視圖中繪制活動圖以定義該系統(tǒng)的功能活動的運(yùn)行流程；針對CV-1與OV-1中定義的各場景與系統(tǒng)狀態(tài)OScenes，分別對應(yīng)各用例場景繪制活動圖模型以反映系統(tǒng)不同功能運(yùn)行活動流，每一個活動圖中繪制活動事件或動作事件作為基本元素OAction，通過構(gòu)建控制流（Control Flow）或?qū)ο罅鳎∣bject Flow）描述活動事件或動作事件的先后順序與關(guān)聯(lián)關(guān)系OTime，建立判斷點(diǎn)（Decision）表明功能流遇到的條件判斷分支ODecision，同時(shí)指示運(yùn)行活動流的前進(jìn)方向或者合并功能分支流。一個完整的活動圖，應(yīng)反映包含輸入OInput、輸出OOutput在內(nèi)的目標(biāo)系統(tǒng)的一個功能活動流。不同場景和運(yùn)行狀態(tài)下的所有的活動圖即構(gòu)成OV-5b運(yùn)行活動模型，即

繪制時(shí)序圖來反映各功能活動的執(zhí)行周期，通過建立生命線（Lifeline）表明各功能活動OAction的開始與終結(jié)，以及功能活動的交互對象Cobject、Cenvironment（在面向功能的能力視角建模流程中定義），建立消息序列（Message）反映功能活動之間消息流OMessage的交流方向與時(shí)段；時(shí)序圖描述該系統(tǒng)功能活動之間消息發(fā)送的先后順序OTime與輸入OInput、輸出OOutput，所有的時(shí)序圖構(gòu)成該系統(tǒng)的OV-6c事件追蹤描述模型OEvent，即

將OV-5b運(yùn)行活動模型與OV-6c事件追蹤描述模型的信息匯總，繪制狀態(tài)機(jī)圖（State Machine Diagram）描述基于該系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)OScenes下的功能活動流程OAction與時(shí)序OTime；以狀態(tài)（State）或狀態(tài)機(jī)（State Machine）反映該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)OScenes，以轉(zhuǎn)變（Transition）連接器及轉(zhuǎn)變連接器的屬性（Trigger、Guard、Effect）建立不同運(yùn)行狀態(tài)之間的切換關(guān)系ODecision，同時(shí)反映切換過程中的消息流，每一個狀態(tài)機(jī)元素中可繼續(xù)擴(kuò)展下層系統(tǒng)狀態(tài)，以起始點(diǎn)（Initial）和終點(diǎn)（Final）表明每個運(yùn)行狀態(tài)的執(zhí)行過程，即完成構(gòu)建OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型OState；OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型是一個多層迭代的狀態(tài)機(jī)模型，提供了功能模型設(shè)計(jì)的一個可執(zhí)行的功能完整性驗(yàn)證，即

2.4 面向物理架構(gòu)的系統(tǒng)視角（SV）建模流程

系統(tǒng)視角用于闡明待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部接口，以及其他系統(tǒng)在運(yùn)行和能力視角（CV）和運(yùn)行視角（OV）中與待設(shè)計(jì)系統(tǒng)交互的接口組成信息。

基于系統(tǒng)視角（SV）的系統(tǒng)架構(gòu)模型，包括SV-4系統(tǒng)功能描述模型SFunctionDes、SV-1系統(tǒng)接口描述模型SInterfaceDes、SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型SActivity-Sys、SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型SSys-Part，即

在SV-4視圖即系統(tǒng)功能描述模型SFunctionDes中，繪制模塊定義圖（Block Definition Diagram），將該系統(tǒng)的OV-5b運(yùn)行活動模型、OV-6c事件追蹤描述模型、OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型分配到具體的實(shí)體SPart上，通過定義模塊（Block）并撰寫模塊特性SPartFeature，表明該系統(tǒng)內(nèi)部的物理架構(gòu)組成及部件模塊的結(jié)構(gòu)特性、行為特性，表達(dá)式為

在SV-1視圖中的系統(tǒng)接口描述模型SInterfaceDes中繪制內(nèi)部模塊圖，用以描述系統(tǒng)部件的接口SPartInterface、數(shù)據(jù)傳輸格式信息SResource。建立零件圖（Part）與接口單元（Port），并根據(jù)基于運(yùn)行視角（OV）的活動資源流模型OResource撰寫數(shù)據(jù)傳輸格式信息SResource，結(jié)合SV-4系統(tǒng)功能描述模型中定義的實(shí)體SPart，完成系統(tǒng)部件接口SPartInterface的定義

構(gòu)建矩陣表格定義SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型SActivity-Sys、SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型SSys-Part。在SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型SActivity-Sys中，根據(jù)SV-4系統(tǒng)功能描述模型中定義的部件SPart，結(jié)合在OV-5b中定義的運(yùn)行活動模型OActivity描述的目標(biāo)系統(tǒng)的功能活動流，明確系統(tǒng)功能分析（OV）模型中定義的各功能活動流OFunctionflow執(zhí)行所需要或涉及的各系統(tǒng)部件SPart（SPart應(yīng)在SV-4中已定義，若未定義則應(yīng)補(bǔ)充定義），表明各功能活動OAction與其執(zhí)行對應(yīng)的部件SPart之間的關(guān)系。在SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型SSys-Part中，結(jié)合OV-2活動資源流模型OResource，定義SV-4系統(tǒng)功能描述模型中定義的部件SPart與其他系統(tǒng)SOtherSys的包含關(guān)系，表明該部件重復(fù)用于其他系統(tǒng)，或該部件引用于其他系統(tǒng)，表達(dá)式為

SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型矩陣表格的行是運(yùn)行視角下系統(tǒng)功能分析模型中的主要功能活動OActivity-Function，SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型矩陣表格的列是系統(tǒng)視角下的部件SPart；SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型的行是運(yùn)行視角下系統(tǒng)功能分析模型中所有其他系統(tǒng)SOtherSys，SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型矩陣表格的列是基于系統(tǒng)視角的部件SPart；SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型矩陣表格中每一個元素分別反映了基于系統(tǒng)視角定義的部件與基于運(yùn)行視角定義的運(yùn)行活動之間的關(guān)聯(lián)，SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型矩陣表格中每一個元素分別反映了基于系統(tǒng)視角的部件與其他系統(tǒng)的交聯(lián)關(guān)系，SV-5活動-系統(tǒng)關(guān)系模型矩陣表格將OV與SV模型關(guān)聯(lián)起來，SV-3系統(tǒng)-部件關(guān)系模型矩陣表格則能快速瀏覽系統(tǒng)資源之間的交互。

3 艙壓控制系統(tǒng)建模實(shí)例

民用飛機(jī)艙內(nèi)壓力控制是飛機(jī)環(huán)境控制的重要組成部分，其作用是保證民用飛機(jī)座艙內(nèi)空氣的壓力及其變化速率在整個飛行包線內(nèi)滿足規(guī)范要求。根據(jù)控制器的類型，民機(jī)艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)可以分為氣動式、電子式、數(shù)字式；根據(jù)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以分為氣動式、電動式；控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同組合形成不同的艙壓控制系統(tǒng)［43］。

民機(jī)艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了純氣動式、電子氣動式、電子電動式、數(shù)字電動式等階段。數(shù)字電動式艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的座艙壓力控制系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度較好、易與飛控計(jì)算機(jī)及大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)配合、可實(shí)現(xiàn)全航程座艙壓力按程序的自動控制等優(yōu)點(diǎn)，已在民用大型客機(jī)、公務(wù)機(jī)、軍用教練機(jī)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［44-45］。

以數(shù)字電動式艙內(nèi)壓力控制的設(shè)計(jì)邏輯為例，在第2節(jié)民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模流程指導(dǎo)下，面向民機(jī)飛機(jī)級系統(tǒng)，構(gòu)建具有高冗余度民用飛機(jī)艙內(nèi)壓力控制系統(tǒng)模型。

3.1 面向需求的全景視角（AV）模型建立

本步驟包括：獲取利益方需求集，梳理項(xiàng)目信息，記錄艙壓控制系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)規(guī)劃方法、設(shè)計(jì)規(guī)范、決策準(zhǔn)則等，可選地獲取以往系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，整合建立AV-1設(shè)計(jì)綜述與信息概要模型、AV-UAF民機(jī)設(shè)計(jì)體系交互概要模型。

艙壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述與信息概要模型示例如圖4所示。項(xiàng)目情況包圖是對艙壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概述，目的包圖為艙壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了最初期望與利益方需求，范圍與場景包圖定義了艙壓控制系統(tǒng)的初始邊界與運(yùn)行場景。系統(tǒng)資源包圖用于了解輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)決策的資源。

圖4 AV-1包視圖Fig.4 Package of AV-1

在AV-UAF視圖中，建立民用飛機(jī)艙壓控制系統(tǒng)交互的架構(gòu)關(guān)系（St），捕獲民用飛機(jī)艙壓控制系統(tǒng)所有的交互單位，以捕獲與民機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)交互的對象，在設(shè)計(jì)初期盡可能全面地捕獲利益相關(guān)方需要/需求，如圖5所示。民機(jī)設(shè)計(jì)中需要考慮到與外界環(huán)境存在的交互關(guān)系，在場景分析中需要轉(zhuǎn)化為需求進(jìn)入設(shè)計(jì)迭代環(huán)節(jié)；后勤維護(hù)人員對民機(jī)設(shè)計(jì)的維護(hù)性、易檢性會產(chǎn)生關(guān)聯(lián)關(guān)系，可由此捕獲民機(jī)設(shè)計(jì)的非功能性需求；乘客對民機(jī)乘坐的舒適性、經(jīng)濟(jì)性會提出合理的訴求，這也將被納入民機(jī)設(shè)計(jì)交互中；研發(fā)團(tuán)隊(duì)、生產(chǎn)制造、供應(yīng)商之間通常會產(chǎn)生關(guān)于民機(jī)設(shè)計(jì)的接口、易裝配程度、可加工性等方面的沖突交互。

圖5 艙壓控制系統(tǒng)體系內(nèi)架構(gòu)關(guān)系模型（St）Fig.5 Model of architecture relationship within cabin pressure control system （St）

眾多顯性的、潛在的基于場景的交互關(guān)系（Op）可以借助AV-UAF視圖進(jìn)行迭代式的細(xì)化與完善，最終更加全面地開展民機(jī)正向設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐活動。

其中以人為構(gòu)成主體的交互單位即是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的利益相關(guān)方，如圖6所示，一般包括機(jī)組成員、設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、供應(yīng)商、生產(chǎn)制造商、后勤維護(hù)人員（包括負(fù)責(zé)運(yùn)營的航空公司）、乘客等。在利益相關(guān)方模型（Pr）視圖中，可以進(jìn)一步明確可初步采集的利益方需求來源與具體對象，以便后續(xù)需求驗(yàn)證時(shí)進(jìn)行確認(rèn)與反饋。AV-UAF通過與不同類別的利益相關(guān)方建立交互關(guān)系，從而盡可能完備地捕獲在不同場景下、不同利益相關(guān)方對民機(jī)設(shè)計(jì)提出的利益相關(guān)方需要/需求。

圖6 艙壓控制系統(tǒng)涉及的利益相關(guān)方模型（Pr）Fig.6 Stakeholder model involved in cabin pressure control system （Pr）

3.2 面向功能的能力視角（CV）模型建立

本步驟包括：將艙壓控制系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)化為完成民機(jī)飛行任務(wù)的所需要的系統(tǒng)能力；將能力與相應(yīng)需求進(jìn)行關(guān)聯(lián)；驗(yàn)證能力對全部需求的完整覆蓋；對主要能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，并分析子能力間的依賴關(guān)系。

CV-1能力愿景模型主要反映了艙壓控制系統(tǒng)的初步期望，需要通過全景視角中捕獲的艙壓控制系統(tǒng)需求，明確系統(tǒng)應(yīng)有運(yùn)行狀態(tài)與交互對象。其中運(yùn)行狀態(tài)包含飛機(jī)運(yùn)行階段，如起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、停機(jī)，以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如正常狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)。艙壓控制系統(tǒng)交互對象主要是外界大氣、座艙環(huán)境、駕駛員。建立用例圖反映艙壓控制系統(tǒng)的CV-1能力愿景模型，如圖7所示。

圖7 CV-1艙壓控制系統(tǒng)能力愿景模型Fig.7 CV-1 vision of cabin pressure control system

在CV-1定義的能力愿景基礎(chǔ)上，對艙壓控制系統(tǒng)主要能力進(jìn)行分解與梳理，將數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理與判斷、壓差調(diào)節(jié)、艙壓顯示與控制等4個能力劃分為12個子能力，建立的CV-2能力分級描述模型如圖8所示。

圖8 CV-2艙壓控制系統(tǒng)能力分級描述模型Fig.8 CV-2 capability taxonomy of cabin pressure control system

需要說明的是，某些能力會覆蓋多種運(yùn)行場景。例如，無論在正常狀態(tài)還是應(yīng)急狀態(tài)，艙壓控制能力均依靠作動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)壓差。能力與相應(yīng)需求的對應(yīng)關(guān)系，記錄在CV-2能力分級描述模型的各能力屬性中。

根據(jù)能力的分解邏輯，梳理出艙壓控制系統(tǒng)各能力之間的依賴關(guān)系，實(shí)例中建立的能力依賴關(guān)系模型如圖9所示。例如：作動機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)壓差能力依賴于控制信號識別與控制執(zhí)行能力；控制信號識別與控制執(zhí)行能力依賴于參數(shù)計(jì)算與控制判斷能力、模式選擇能力、人工控制能力；參數(shù)計(jì)算與控制判斷能力需要獲取經(jīng)過調(diào)理后的壓力信號與空地信號，并需要選擇相應(yīng)的座艙壓力制度進(jìn)行計(jì)算。

圖9 CV-4艙壓控制系統(tǒng)能力依賴關(guān)系模型Fig.9 CV-4 capability dependencies of cabin pressure control system

3.3 面向邏輯架構(gòu)的運(yùn)行視角（OV）模型建立

本步驟包括：艙壓控制系統(tǒng)能力概念到系統(tǒng)功能活動概念的轉(zhuǎn)化、追溯，功能活動流程中資源流的定義，全部系統(tǒng)功能執(zhí)行流程的活動模型的設(shè)計(jì)。

艙壓控制系統(tǒng)的功能活動流程概念需要依據(jù)上述步驟中建立的需求概念與能力分級描述模型。以系統(tǒng)需求為主體，結(jié)合能力分解關(guān)系，分析艙壓控制系統(tǒng)的主要功能活動，并明確系統(tǒng)的主要運(yùn)行場景，即包括起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、停機(jī)6個正常飛行階段與自動控制故障時(shí)的應(yīng)急狀態(tài)。

實(shí)例將艙壓控制活動視作由飛行信息檢測、增壓控制（正常與應(yīng)急狀態(tài)）、艙壓顯示等子活動集成功能活動。繪制的OV-1艙壓控制系統(tǒng)高層運(yùn)行概念圖如圖10所示。

圖10 OV-1艙壓控制系統(tǒng)高層運(yùn)行概念圖Fig.10 OV-1 high level operational concept graphic of cabin pressure control system

OV-2艙壓控制系統(tǒng)活動資源流負(fù)責(zé)描述艙壓控制系統(tǒng)不同功能執(zhí)行活動之間的資源流流向。在OV-1分解出的多項(xiàng)子活動基礎(chǔ)上，定義各個活動之間的資源交互情況。需要說明的是，應(yīng)考慮子活動與其他系統(tǒng)（非艙壓控制系統(tǒng)）之間的資源流向與資源種類，定義系統(tǒng)范圍（Region）界定艙壓控制系統(tǒng)邊界。

實(shí)例中定義的OV-2艙壓控制系統(tǒng)活動資源流如圖11所示。艙內(nèi)外壓力檢測會持續(xù)將采集到的大氣壓力與座艙壓力信息傳遞給增壓控制活動所需部件，然后將計(jì)算得出的增壓信號傳遞給作動機(jī)構(gòu)，執(zhí)行座艙增壓；座艙壓力信號同時(shí)傳遞給座艙顯示系統(tǒng)完成艙壓顯示活動，為駕駛員實(shí)時(shí)更新艙內(nèi)外壓力情況并在應(yīng)急狀態(tài)下發(fā)出警報(bào)，其中艙壓控制活動中需要的空地信號來源于通信系統(tǒng)。

圖11 OV-2艙壓控制系統(tǒng)活動資源流模型Fig.11 OV-2 operational resource flow description of cabin pressure control system

通過建立OV-5b運(yùn)行活動模型、OV-6c事件追蹤描述模型、OV-6b運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型來完成系統(tǒng)功能執(zhí)行流程的活動模型的設(shè)計(jì)。OV-5b艙壓控制系統(tǒng)運(yùn)行活動模型針對OV-1中提出的多種功能活動分別進(jìn)行建模。

需要說明的是，運(yùn)行活動模型OV-5b應(yīng)覆蓋OV-1中定義的所有運(yùn)行場景與運(yùn)行狀態(tài)下的每一種功能活動。比如艙壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下存在自動控制、人工控制2種活動流程，也應(yīng)考慮不同階段控制活動模型存在的差異，以及自動控制失效情況下切換到備用模式或人工模式的活動流程等。

實(shí)例中，建立的巡航狀態(tài)下的艙壓系統(tǒng)自動控制活動模型如圖12所示，巡航狀態(tài)下艙壓控制活動首先測量大氣與座艙壓力，經(jīng)過信號調(diào)理后與設(shè)定的壓力制度進(jìn)行對比解算，判定是否滿足乘員需求，若不滿足，則發(fā)出驅(qū)動信號控制活門開閉，執(zhí)行座艙壓力控制。

圖12 OV-5b艙壓控制系統(tǒng)運(yùn)行活動模型Fig.12 OV-5b operational activity model of cabin pressure control system

根據(jù)相應(yīng)的OV-5b運(yùn)行活動模型，定義OV-6c艙壓控制系統(tǒng)事件追蹤描述模型，時(shí)序圖主要以活動之間的信息流動為節(jié)點(diǎn)，表明參與者與系統(tǒng)內(nèi)部的活動順序，以及每一個活動執(zhí)行的數(shù)據(jù)內(nèi)容和流向。

圖13為巡航狀態(tài)下的艙壓自動控制模式下的OV-6c事件追蹤描述模型：環(huán)境信息檢測活動貫穿整個運(yùn)行周期，增壓控制活動依次完成壓力信號調(diào)理、壓力制度比對與計(jì)算、發(fā)出作動信號等活動，最終控制活門開閉完成增壓控制。

圖13 OV-6c艙壓控制系統(tǒng)事件追蹤描述模型Fig.13 OV-6c event-trace description of cabin pressure control system

依據(jù)建立的艙壓控制系統(tǒng)OV-5b、OV-6c模型，分析形成艙壓控制系統(tǒng)的OV-6b狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型，如圖14所示。艙壓控制系統(tǒng)在開機(jī)、待機(jī)狀態(tài)完成后，優(yōu)先進(jìn)入自動控制狀態(tài)，并同步實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)狀態(tài)檢測，主自動控制系統(tǒng)失效后切換至備份自動控制系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)失效即轉(zhuǎn)入人工控制狀態(tài)，二者皆失效后觸發(fā)艙壓控制系統(tǒng)應(yīng)急模式。圖14中正常運(yùn)行狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)、自檢狀態(tài)定義為系統(tǒng)的復(fù)合狀態(tài)，即可在各狀態(tài)內(nèi)部繼續(xù)定義系統(tǒng)子狀態(tài)。

圖14 OV-6b艙壓控制系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換描述模型Fig.14 OV-6b state transition description of cabin pressure control system

3.4 面向物理架構(gòu)的系統(tǒng)視角（SV）模型建立

本步驟包括：功能活動到系統(tǒng)具體部件的映射分析設(shè)計(jì)，功能活動到系統(tǒng)部件追蹤關(guān)系表示，艙壓控制系統(tǒng)接口信息建模，部件與不同系統(tǒng)交互關(guān)系分析。其中，功能活動到系統(tǒng)具體部件的映射由SV-4系統(tǒng)功能描述模型表示，該模型將系統(tǒng)主要活動分配到相應(yīng)組件上。

需要說明的是，對于一個系統(tǒng)功能執(zhí)行流程，可能會形成多個SV-4系統(tǒng)功能描述模型，即多種不同的設(shè)計(jì)方案，此時(shí)可以依據(jù)AV-1需求概要信息模型中定義的決策準(zhǔn)則（也可以在需要時(shí)再行補(bǔ)充），經(jīng)過設(shè)計(jì)部門組織討論后進(jìn)行方案決策。

圖15所示為一個艙壓控制系統(tǒng)部件的整體架構(gòu)組成：通過不同傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)視大氣與座艙壓力情況，利用數(shù)字控制器完成信號調(diào)理與控制解算、活門完成增壓控制，并在座艙顯示系統(tǒng)顯示艙壓信息與警報(bào)信號。

圖15 SV-4艙壓控制系統(tǒng)功能描述模型Fig.15 SV-4 systems functionality description of cabin pressure control system

對于已選定的SV-4系統(tǒng)功能描述模型，其可以存在多個視圖，表示系統(tǒng)的不同層次上部件的分解。在實(shí)例中，圖15建立的系統(tǒng)功能描述模型中可對活門中控制、執(zhí)行組件進(jìn)行進(jìn)一步分解，如控制組件采用電動扭矩馬達(dá)、執(zhí)行組件采用作動筒等。根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)程，不斷補(bǔ)充更多層面的SV-4視圖來完善更底層的設(shè)計(jì)方案。

在SV-4描述的部件架構(gòu)基礎(chǔ)上，撰寫SV-1艙壓控制系統(tǒng)接口描述模型。SV-1不僅表示了信息內(nèi)容及傳遞方向，而且明確了數(shù)據(jù)傳輸格式，如數(shù)字控制器以電流或電壓形式的電信號傳輸給活門控制組件，艙壓告警系統(tǒng)以燈光閃爍、蜂鳴警報(bào)提醒機(jī)組成員等，如圖16所示。

圖16 SV-1艙壓控制系統(tǒng)接口描述模型Fig.16 SV-1 systems interface description of cabin pressure control system

功能活動到系統(tǒng)部件追蹤關(guān)系使用SV-5活動-系統(tǒng)跟蹤矩陣，如表2所示。

表2 SV-5艙壓控制系統(tǒng)的活動-系統(tǒng)跟蹤矩陣Table 2 SV-5 operational activity to systems function traceability matrix of cabin pressure control system

同時(shí)，定義的各組件并不一定僅參與到座艙壓力控制系統(tǒng)中，SV-3系統(tǒng)-部件跟蹤矩陣在一定程度上描述了艙壓控制系統(tǒng)內(nèi)部組件參與到其他各系統(tǒng)的情況，例如大氣、艙內(nèi)壓力等傳感器屬于飛行環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)，同時(shí)會將監(jiān)測信息傳遞給飛行管理系統(tǒng)等完成其他民機(jī)系統(tǒng)功能。在民機(jī)整體設(shè)計(jì)中，結(jié)合其他相應(yīng)系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，對各組件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能及民機(jī)整體架構(gòu)有更全面的刻畫，艙壓控制系統(tǒng)的SV-3系統(tǒng)-部件跟蹤矩陣如表3所示。

表3 SV-3艙壓控制系統(tǒng)的系統(tǒng)-部件跟蹤矩陣Table 3 SV-3 systems-component tracking matrix of cabin pressure control system

需要說明的是，上述步驟并非純粹的線性步驟。在每一步建模過程中，均可依據(jù)該步的實(shí)現(xiàn)需要對之前步驟中建立的模型進(jìn)行增添補(bǔ)充或修改，但是應(yīng)建立系統(tǒng)基線來完成版本控制，留存變更的歷史記錄與歷史系統(tǒng)模型。

4 結(jié)論

首先，對比分析了MBSE方法論的架構(gòu)特點(diǎn)，考慮了現(xiàn)代民機(jī)設(shè)計(jì)中以需求為驅(qū)動、關(guān)聯(lián)眾多利益相關(guān)方的正向設(shè)計(jì)趨勢，提出了MBSE方法論指導(dǎo)下的民機(jī)正向設(shè)計(jì)流程，建立起“需求-功能-邏輯架構(gòu)-物理架構(gòu)”的映射和關(guān)聯(lián)關(guān)系。然后，考慮到民機(jī)系統(tǒng)在對內(nèi)對外復(fù)雜交互設(shè)計(jì)體系下各級系統(tǒng)的交錯耦合，引入了DoDAF、UAF的多視角，對民機(jī)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了更為全面的描述，從全景、能力、運(yùn)行、系統(tǒng)視角等視角深入剖析了各視角下模型構(gòu)建所需的構(gòu)成要素和邏輯關(guān)系，以抽象建模的方式，總結(jié)歸納了各設(shè)計(jì)階段所建立模型的構(gòu)建方式和信息交互關(guān)系。最后，以民用飛機(jī)座艙壓力控制系統(tǒng)為實(shí)例，采用SysML為建模語言進(jìn)行建模，無歧義地將每個設(shè)計(jì)階段中各視角下的民機(jī)系統(tǒng)模型進(jìn)行描述，以驗(yàn)證提出的建模方法。驗(yàn)證結(jié)果表明：

1） 利益相關(guān)方需要/需求信息能夠通過民機(jī)設(shè)計(jì)體系交互概要模型反映需求來源、架構(gòu)、交互信息，并將需求信息映射到后續(xù)功能研發(fā)設(shè)計(jì)中并建立已開發(fā)功能與需求的鏈接關(guān)系。

2） 全景、能力、運(yùn)行、系統(tǒng)4個視角能夠有效建立起對自頂向下、需求驅(qū)動的民機(jī)正向設(shè)計(jì)流程的立體描述，更全面地考慮民機(jī)正向設(shè)計(jì)下的對內(nèi)對外交互情況。

3） 抽象的建模流程詳細(xì)定義了各模型構(gòu)建的構(gòu)成要素和邏輯關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)民機(jī)系統(tǒng)功能與接口需要的無二義性描述。

本文提出的基于多視角的民機(jī)正向設(shè)計(jì)建模方法面向民機(jī)系統(tǒng)研發(fā)，清晰描述了民機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)建模流程，能夠有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模型構(gòu)建，契合民機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。