基于功能場景分析的飛機需求捕獲和確認方法研究

謝陵++方俊偉等

摘 要：民用飛機的研制過程是極其復雜的系統工程。其中以需求為驅動，以需求的捕獲和確認為核心。由于飛機需求的利益相關方眾多，需求的捕獲和確認是公認的難點，因此基于對飛機的場景的開發和分析，對需求進行捕獲和確認，是提高需求的完整性和正確性的重要方法，基于模型的系統工程（MBSE）方法是當前熱門的系統開發流程，實踐了基于場景分析進行需求捕獲和確認的過程。

關鍵詞：系統工程 需求捕獲 確認 場景分析

中圖分類號：TH47 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0083-02

Research on Capture and Confirmation Method for Aircraft Requirements Based on Functional Scenario Analysis

Xie Ling Fang Junwei Xu Zhou Tang Chao Zhang Lei

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， COMAC， Pudong， Shanghai， 200000 China）

Abstract：Civil aircraft development process is extremely complex systems engineering.The requirements are its driver，while requirements capture and validation are the core.As there are many stakeholders for aircraft requirements，so its capture and validate are the generally recognized difficulty.Therefore based on aircraft functional scenario analysis，to make capture and confirmation for requirements is an important method to improve the integrity and correctness of the requirements.The model based system engineering （MBSE） is a hot system development process，carrying out the requirements capture and validation process based on scenario analysis.

Key words：System engineering； Requirements capture； Validation； Scenario analysis

對于系統高度復雜的產品，我們通常采用系統工程方法，把客戶的要求轉化為系統需求，同時系統和/或部件的規范滿足這些需求[1]。飛機是一個極度復雜的產品，飛機的研發也是巨復雜的系統工程，作為飛機制造商，需要捕獲飛機級頂層需求，以滿足航空公司、政府、飛行員等干系人的要求，同時要制定系統或者產品規范，并進行試驗驗證，以保證供應商提供符合需求的產品。在實踐系統工程的過程中，場景分析是一種常用的手段[2]，常被稱為故事板[3]，飛機產品本身非常復雜，其運營和維護場景也非常的復雜，飛機或者不同層次的系統也有其自身的場景，該文闡述了場景分析的理論，并點出基于模型的系統工程（MBSE）通過場景分析進行需求捕獲和確認的過程。

1 功能與需求

所謂功能，是指產品的預期行為，該行為是由一系列的需求定義的，并且與具體的實現過程無關[2]。功能即客戶期望的產品具備的能力，功能是進行場景分析的主體。需求是產品必須滿足的性能或者設計約束的描述，必須是可驗證的[4]。可以看出，需求是產品的用戶與供應商溝通的紐帶，是供應商對用戶承諾，也是用戶對供應商的約束。其重要性可想而知。因此在飛機研制過程中，需求分為不同的層次，不同層次之間的需求建立追溯關系。一般來說，分為飛機級需求-系統級需求-部件級需求。同時，需求還需要經過確認，以保證捕獲的需求是正確的和完整的[2]，功能場景分析的過程，即分析功能在場景中的預期行為，從而進行需求的捕獲和確認。

2 場景和飛行場景的定義

場景（Scenario），本意來源于戲劇，是指劇情梗概，通用的解釋理解為：具有一定關系的事件的組合。場景分析是一種常用的需求捕獲的技術，是指把要開發的產品，置于其運營的場景中，通過分析其在場景中的預期行為，從而獲得需求的方法。

場景分析方法最早可以追溯到早期哲學家如柏拉圖和塞內卡的著作。作為一種戰略規劃工具，場景分析技術一直被歷史上的軍事戰略家作為戰略規劃工具使用。場景分析是一種創造性思維，通過這種方法，可以降低系統中重要的需求被忽視的可能性，同時開發場景的活動能夠促進組織機構內部之間的溝通[5]。

飛行場景是指飛機在機組（飛行員和乘務組）、外部環境（大氣、無線電、地形、電磁等）以及內部狀態（故障）的組合中的預期行為（即功能）。那如何開發和確定這些場景，則是功能場景分析方法的重要基礎。

3 飛行場景的開發

3.1 飛行場景的層次

飛機的運營環境、操作、飛機產品本身都異常復雜。與需求的層次對應，飛行場景可以分為飛機級場景-系統級場景-設備級場景，飛機級場景則以飛機為對象，考慮飛機運營、維護，包括飛行員、乘務員以及機務維修人員，乃至空管、乘客等所有的干系人對產品的使用，以及飛機的運營環境情況。系統級場景則以系統為研究對象，考慮系統的運營、維護環境，與飛機級場景不同，系統級場景還需要考慮的點就是交聯系統的狀態的影響，即與對象系統有電氣接口、機械接口等其他的系統的狀態，設備級場景類似。

3.2 飛行場景的維度

飛行場景開發的目的是為了捕獲并確認需求，為了保證所捕獲得到的需求是完整性，那么需要飛行場景盡量的完整，能夠覆蓋到所有可能的場景，因此，該文提出飛行場景的維度，建立飛行場景多維矩陣，以盡可能的保證場景的完整性。

3.2.1 飛機級場景

以飛機為對象，以下面幾個維度考慮場景：

（1）時間維度：即飛機所處的運營或者維護階段，如飛行階段，包括地面階段、地面滑跑、起飛、爬升、巡航、進近、著陸等；維修階段，包括車間維修、航前航后檢查等。

（2）環境維度：環境維度主要考慮飛機運營所在地的宏觀氣候、微觀的天氣、重力場、電磁環境、跑道的長度、跑道所在位置的海拔高度、風沙、空氣含鹽量等等。

（3）狀態維度：這個狀態即飛機的狀態，例如，單發失效，雙發失效，舵面卡阻，單套液壓系統失效等，主要考慮比較大、嚴重的整個系統的失效情況。

（4）任務維度：相對軍用飛機，商用飛機的任務比較簡單，但對于研制過程來講，仍舊包括正常的航線運營，飛行試驗，維修等。

（5）干系人維度：即從干系人的角度考慮場景，例如飛行員的正常航線飛行場景，乘務員與乘客的應急撤離場景，乘務員的廚房操作場景，乘客的盥洗室操作場景，航前維護場景等。

表1為一個地面減速的飛機級場景的示例。

3.2.2 系統級場景

是指以系統為對象，除了飛機級場景所具備的維度之外，系統級相比飛機場景不同之處還需要考慮交聯系統的狀態情況，以飛行控制系統為例，系統級場景的維度包括：

（1）時間維度：與飛機級一樣，考慮系統所處的運營或者維護階段，主飛行控制的地面模式和空中模式；

（2）環境維度：也與飛機級一樣，主要考慮閃電，電磁，高溫，高濕，振動，沙塵，真菌，鹽蝕，大側風，結冰和風切變等。

（3）狀態維度：對于飛控，依據傳感器的可用性，可以劃分為正常模式場景，備用模式場景和直接模式場景，以及各種失效模式。

（4）任務維度：也可以劃分為航線運營場景，試飛場景和維護場景等。

（5）干系人維度：飛行員，維護人員等。

（6）關聯系統狀態：與飛控系統關聯的系統包括：航電系統，為飛控提供傳感器輸入、狀態信息顯示與告警，液壓系統和電氣系統提供能源，起落架系統提供輪載和輪速信號，機體結構提供設備安裝位置等，這些系統的狀態會給飛控系統造成不同的場景，是一個重要的考慮維度（圖1）。

表2為飛控系統地面航前維護的場景示例。

三個維度的任意組合，再加上之前假設的兩個維度，構成了一個飛行場景，“航線運營時，側風大于20kt的正常著陸，前起觸地后到速度減至20kt之前的飛行員操作的場景”[6]。在場景開發的過程中，可以依據實際需要，調整各維度的顆粒度，提高基于此場景下分析得到的需求的完整性。

4 MBSE中基于場景分析的需求捕獲和確認過程

基于模型的系統工程（MBSE）是復雜系統開發領域企業和研究機構目前正在廣泛應用和推廣的現代系統開發流程。這一方法依靠大型軟件平臺，利用圖形化建模方法，把功能和需求等抽象概念以模型的形式表達出來，便于系統設計者之間的無歧義的交流和構型管理等。關于MBSE，有專業的論著進行詳細的描述，并且有大量的專業軟件工具來實現，如IBM的Rhapsody，該文不再贅述。

5 結語

在飛機研制的系統工程過程中，飛行場景分析非常重要，在需求捕獲、需求確認及驗證、安全性分析以及局方的適航審定過程起著非常重要的作用。針對飛行場景開發，提出了飛行場景的定義，層次和維度，并且提出了飛行場景開發的過程，為飛機研制過程中的飛行場景開發給出了建議性指導。

參考文獻

[1] Federal Aviation Administration. NASA System Engineering Manual （Version 3.1）[S].FAA，2006.

[2] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[M].USA：SAE，2010.

[3] Project Management Institute.項目管理知識體系指南（PMBOK指南）（第5版）[M].北京：電子工業出版社，2013.

[4] Scott Jackson.System Engineering for Commercial Aircraft[M].UK：Ashgate Publishing Limited，1997.

[5] INCOSE.System Engineering Handbook[M].USA：Wiley，2006.

[6] 徐敏敏，揭裕文.面向適航審定的飛行場景研究[J].民用飛機設計與研究.2014（2）：66～69.