基于模型的民機(jī)自動(dòng)飛行功能分析與設(shè)計(jì)

?

基于模型的民機(jī)自動(dòng)飛行功能分析與設(shè)計(jì)

0引言

自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)(Auto Flight Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)AFCS)是在20世紀(jì)60年代中逐步發(fā)展起來(lái)的，隨著機(jī)載系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從前期以模擬式為主到后期以數(shù)字化為主，其功能由簡(jiǎn)到繁，與其交聯(lián)的系統(tǒng)由少到多。現(xiàn)代民用飛機(jī)上的自動(dòng)飛行系統(tǒng)包含飛行指引(Flight Director)、自動(dòng)駕駛(Automatic Pilot)、自動(dòng)油門(mén)(Automatic Throttle)等系統(tǒng)，借助飛行管理系統(tǒng)在飛行計(jì)劃、性能軌跡、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等方面的統(tǒng)一管理和支持，可以通過(guò)內(nèi)部邏輯對(duì)飛控和推進(jìn)系統(tǒng)的控制，基本實(shí)現(xiàn)飛機(jī)從起飛、爬升、巡航至接地和滑行等大多數(shù)飛行階段自動(dòng)操控。本文詳細(xì)描述了針對(duì)民用飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計(jì)工作，采用基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering，簡(jiǎn)稱(chēng)MBSE)方法流程，重點(diǎn)分析在不同的場(chǎng)景條件下的功能和架構(gòu)，用數(shù)字化方式描述、分析和檢驗(yàn)飛機(jī)及其系統(tǒng)在各種飛行任務(wù)或者運(yùn)行場(chǎng)景下的活動(dòng)內(nèi)容、狀態(tài)特性、交互狀況，并生成與之匹配的功能需求、功能接口、測(cè)試場(chǎng)景和邏輯架構(gòu)的過(guò)程。該研究是反復(fù)迭代進(jìn)行的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程，其最終目標(biāo)是形成一套符合工程實(shí)踐的設(shè)計(jì)規(guī)范，以支撐民用飛機(jī)各種系統(tǒng)的數(shù)字化功能分析與綜合。

1自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)以減輕飛行員工作負(fù)擔(dān)、改善乘坐舒適性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，能按飛行員手動(dòng)設(shè)置、飛行管理指令等，自動(dòng)保持飛機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定，按照設(shè)定的航跡/空速飛行。一般在硬件上包括飛控電子設(shè)備和供飛行員操縱的人機(jī)接口飛行模式控制板(Flight Management Control Panel，簡(jiǎn)稱(chēng)FMCP)，軟件上包括飛行指引、自動(dòng)駕駛、自動(dòng)推力等駐留模塊。飛機(jī)級(jí)功能，如飛行指引、自動(dòng)著陸、俯仰控制、滾轉(zhuǎn)控制、偏航控制、自動(dòng)駕駛、推力管理、空中加速、空中減速、地面加速、提供信息顯示、提供操作控制、飛行包線保護(hù)、提供對(duì)風(fēng)切變的防護(hù)等均與自動(dòng)飛行系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

一般地，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)接收來(lái)自各個(gè)導(dǎo)航傳感器的數(shù)據(jù)，并依據(jù)飛行管理系統(tǒng)(Flight Management System，簡(jiǎn)稱(chēng)FMS) 提供的航跡規(guī)劃和飛行管理控制板(FMCP) 選擇工作模式，根據(jù)飛行指引及其他外環(huán)控制律將提供姿態(tài)指令給自動(dòng)駕駛和飛行指引。自動(dòng)駕駛控制律將姿態(tài)指令轉(zhuǎn)化為角速率指令，并將主飛控系統(tǒng)(PFCS)的控制增穩(wěn)環(huán)路作為內(nèi)回路。自動(dòng)推力完成推力管理功能的監(jiān)控和執(zhí)行，控制油門(mén)臺(tái)(TCQ)及FADEC以提供合適的推力。AFCS 主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)飛行導(dǎo)引控制系統(tǒng)(FGCS，包括自動(dòng)駕駛Auto Pilot/飛行指引Flight Director等)；

(2)自動(dòng)推力(Auto Thrust)；

(3)自動(dòng)著陸(Auto Land)；

(4)自動(dòng)飛行包線保護(hù)(Flight Envelope Protection)；

(5)機(jī)組通告及告警(EICAS、FMA 等)。

根據(jù)這些功能，設(shè)計(jì)形成功能、性能、運(yùn)行、物理和安裝、安全性、可靠性、維修性、環(huán)境、接口、適航審定等方面的需求，根據(jù)這些需求可以定義系統(tǒng)原理和系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)功能、系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)接口、部件狀況、軟件設(shè)計(jì)等進(jìn)行詳細(xì)描述。通過(guò)追溯、分析、建模、測(cè)試、相似性和工程評(píng)審對(duì)功能邏輯作綜合評(píng)估。

2基于模型的系統(tǒng)功能建模方法

基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)是采用模型驅(qū)動(dòng)(Model-Driven)的方式進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的現(xiàn)代工程方法。其中，功能建模分析是遵從系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)原則，采用模型形式來(lái)描述、分析和檢驗(yàn)飛機(jī)及其系統(tǒng)功能的過(guò)程，包括在各種飛行任務(wù)或者運(yùn)行場(chǎng)景下的活動(dòng)內(nèi)容、狀態(tài)特性、交互狀況，并生成與之匹配的功能需求、功能接口、測(cè)試場(chǎng)景和邏輯架構(gòu)。功能建模描述系統(tǒng)做什么活動(dòng)、系統(tǒng)如何進(jìn)行這些活動(dòng)，表明下一層級(jí)的功能之間的優(yōu)先等級(jí)和沖突情況。它集中在民用飛機(jī)研制的概念設(shè)計(jì)階段、初步設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，并在型號(hào)研制的全壽命周期內(nèi)反復(fù)迭代進(jìn)行。圖1為系統(tǒng)工程“V”型圖中功能建模的示意圖(虛線區(qū)域)，主要內(nèi)容包括需求分析(Requirement Analysis)、功能分析(Functional Analysis)和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)(Design Synthesis)。圖中“V”型遵循典型的確認(rèn)與驗(yàn)證的流程，包含需求分析、功能分析、設(shè)計(jì)集成、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試、模塊集成與測(cè)試、系統(tǒng)集成與測(cè)試、系統(tǒng)評(píng)估等內(nèi)容。MBSE功能分析主要構(gòu)建以下四類(lèi)框圖來(lái)描述系統(tǒng)的功能活動(dòng)。

圖1　功能分析在MBSE中的定位

(1)用例圖(Use Case Diagram)。用例圖劃定了系統(tǒng)的主要范圍(Scope)和外部交互對(duì)象(Actor)，并依據(jù)系統(tǒng)的主要運(yùn)行階段或者主要功能模塊制定主要用例(Use Case)。

(2)活動(dòng)圖(Functional Activity Diagram)。活動(dòng)圖描述用例中的功能流轉(zhuǎn)，包括系統(tǒng)運(yùn)行活動(dòng)、層級(jí)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。

(3)時(shí)序圖(Interactive Sequence Diagram)。時(shí)序圖是采用時(shí)間序列的方式，對(duì)并排分列的目標(biāo)系統(tǒng)和外部對(duì)象之間的信息交互關(guān)系進(jìn)行描述，并對(duì)信息的內(nèi)容進(jìn)行確認(rèn)。它反映系統(tǒng)在活動(dòng)圖中沿著某一條或者多條特定路徑下的各種內(nèi)外部運(yùn)行活動(dòng)。

(4)狀態(tài)機(jī)(System Statechart)。狀態(tài)機(jī)是根據(jù)活動(dòng)圖和時(shí)序圖，用基于相互跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)的方式來(lái)描述系統(tǒng)功能的模型。狀態(tài)機(jī)可以進(jìn)行執(zhí)行運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)行各個(gè)狀態(tài)檢驗(yàn)系統(tǒng)功能運(yùn)轉(zhuǎn)是否符合預(yù)期。

3面向場(chǎng)景的自動(dòng)飛行功能建模與仿真

自動(dòng)飛行功能的建模與仿真分析過(guò)程是面向場(chǎng)景展開(kāi)的。該過(guò)程捕獲和定義了使用范圍內(nèi)的各種運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)于每個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景，覆蓋了主要活動(dòng)流程、狀態(tài)邏輯、與機(jī)組、環(huán)境和其他系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。現(xiàn)代民用飛機(jī)高度綜合和復(fù)雜的機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參照或者遵循SAE ARP4754A為指南的研制保證過(guò)程，其中明確指出，飛機(jī)及所有復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證活動(dòng)必須考慮系統(tǒng)的運(yùn)行場(chǎng)景，這些場(chǎng)景不僅應(yīng)包括正常運(yùn)行包線內(nèi)的運(yùn)行階段、交互情形和自然環(huán)境，也包括非正常的運(yùn)行條件，如失效故障情形。這些規(guī)定客觀上要求進(jìn)行復(fù)雜場(chǎng)景條件下功能邏輯的建模仿真分析和綜合，系統(tǒng)化地進(jìn)行確認(rèn)與驗(yàn)證工作。

自動(dòng)飛行系統(tǒng)的場(chǎng)景設(shè)計(jì)綜合考慮了飛機(jī)運(yùn)營(yíng)的整體場(chǎng)景和系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀況，包括飛行場(chǎng)景、系統(tǒng)場(chǎng)景和故障場(chǎng)景。針對(duì)各個(gè)場(chǎng)景，進(jìn)行了需求確認(rèn)和架構(gòu)設(shè)計(jì)，確保飛機(jī)運(yùn)營(yíng)時(shí)功能的有效性和安全性。

(1) 正常飛行場(chǎng)景。包含各種典型飛行任務(wù)剖面中的不同階段，比如起動(dòng)、滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近、著陸等，與飛行任務(wù)密切相關(guān)的重要信息有高度、速度、氣壓、姿態(tài)等。對(duì)應(yīng)飛行的各個(gè)階段，特別是起飛階段和進(jìn)近著陸階段，飛機(jī)的運(yùn)行過(guò)程包含了一般條件下的大多數(shù)場(chǎng)景，如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、正常起飛、定常飛行、儀表進(jìn)近、著陸減速等場(chǎng)景。這些場(chǎng)景的確認(rèn)和分析過(guò)程同時(shí)充分地考慮了飛行員正常操作程序和由人為因素引起的各種情況，對(duì)人為錯(cuò)誤進(jìn)行了充分地屏蔽處理。

(2)系統(tǒng)場(chǎng)景。包括自然環(huán)境引起的和內(nèi)部構(gòu)型配置引起的。飛機(jī)會(huì)遇到一些自然環(huán)境，如風(fēng)切變、大側(cè)風(fēng)、突風(fēng)、連續(xù)突風(fēng)、地面結(jié)冰、機(jī)體部件結(jié)冰等，系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)遇到不同狀態(tài)或者配置變化，比如配置狀況、信號(hào)采集、通信質(zhì)量、電氣載荷、燃油存量等，由此可能引起一些特殊的工作場(chǎng)景，如轉(zhuǎn)場(chǎng)、復(fù)飛、風(fēng)切變模式等。

(3)故障場(chǎng)景。系統(tǒng)在執(zhí)行功能時(shí)還可能遇到因內(nèi)部、外部因素引起的故障、失效事件。外部因素引起的情形如鳥(niǎo)撞、閃電擊中等，內(nèi)部因素引起的情形如火警、油量不足、輪胎爆破、發(fā)動(dòng)機(jī)失效等。故障分析是民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要方面，本研究考慮了四個(gè)方面：可能的失效模式，包括外界原因造成的故障和損壞；多重失效和失效未被檢測(cè)出的可能性；在各個(gè)飛行階段和運(yùn)行條件下，對(duì)飛機(jī)和乘員造成的后果；機(jī)組對(duì)警告信號(hào)所需的應(yīng)對(duì)措施，以及對(duì)故障的檢測(cè)能力。

自動(dòng)飛行系統(tǒng)功能模型按飛行場(chǎng)景分為兩個(gè)主要用例，其中，第一個(gè)用例“起飛與空中”覆蓋起飛、爬升、巡航、下降四個(gè)階段的自動(dòng)飛行控制功能，第二個(gè)用例“自動(dòng)著陸”覆蓋進(jìn)近和著陸兩個(gè)階段的自動(dòng)飛行控制功能，這兩個(gè)用例進(jìn)行一體化合并，形成綜合架構(gòu)(Integrated Architecture)，可描述整個(gè)飛行階段中自動(dòng)飛行系統(tǒng)的功能和狀態(tài)遷移的過(guò)程。圖2是自動(dòng)著陸場(chǎng)景的用例圖，外部對(duì)象分別是：ILSSystem(儀表著陸系統(tǒng))、ISSSystem (綜合監(jiān)視系統(tǒng))、IRSSystem(慣性基準(zhǔn)系統(tǒng))、RASystem (無(wú)線電高度表)、ADSSystem (大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng))、DisplaySystem (顯示系統(tǒng))、Pilot (飛行員)、LGS (起落架)、FMS (飛行管理系統(tǒng))、FADEC (全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng))、TCQ (油門(mén)臺(tái))、PFCS (主飛控系統(tǒng))、HLS (高升力系統(tǒng))。

圖2　自動(dòng)飛行模型“自動(dòng)著陸”場(chǎng)景用例圖

“起飛與空中”用例(UC1_TakeOffAndInAir)描述了自動(dòng)飛行系統(tǒng)在起飛、爬升、巡航、下降階段的自動(dòng)控制功能，前置條件是飛機(jī)在地面上，準(zhǔn)備加速起飛；后置條件是在空中下降結(jié)束或盤(pán)旋等待過(guò)程，準(zhǔn)備進(jìn)近前。這個(gè)過(guò)程的主要功能包括飛行指引(Control Outer Loop)、自動(dòng)駕駛(Auto Pilot Control)、推力指引(Thrust Director)和自動(dòng)油門(mén)(Auto Throttle Control)。其中，自動(dòng)導(dǎo)引模塊包含了起飛設(shè)置檢查、起飛控制、橫向控制、縱向控制和多軸控制模式等，多軸模式包含復(fù)飛模式、風(fēng)切變保護(hù)模式等。自動(dòng)駕駛模塊包含了自動(dòng)駕駛模式的觸發(fā)激活、激活條件檢查邏輯、模式運(yùn)行、中斷邏輯等。推力指引模塊主要包含了推力等級(jí)計(jì)算、推力模式設(shè)置、油門(mén)臺(tái)指令等。自動(dòng)油門(mén)模塊包含了自動(dòng)推力觸發(fā)激活邏輯、激活條件檢查邏輯、模式運(yùn)行、中斷邏輯等。

圖3　自動(dòng)著陸場(chǎng)景用例的頂層邏輯狀態(tài)圖

“自動(dòng)著陸”用例(UC2_Autoland)主要描述了自動(dòng)飛行系統(tǒng)在著陸階段的自動(dòng)控制功能，圖3是自動(dòng)著陸場(chǎng)景用例的頂層邏輯狀態(tài)圖，著重于儀表導(dǎo)引著陸過(guò)程中的各種導(dǎo)引模式邏輯以及自動(dòng)/人工駕駛模式的控制。前置條件是飛機(jī)下降結(jié)束，盤(pán)旋等待中，準(zhǔn)備進(jìn)入進(jìn)近程序中；后置條件是在飛機(jī)退出自動(dòng)近進(jìn)或者自動(dòng)著陸模式，進(jìn)入人工操控，此時(shí)對(duì)于LAND2、LAND1兩種子模式來(lái)說(shuō)，可以引導(dǎo)到地面跑道上，對(duì)于APPR2、APPR1兩種子模式來(lái)說(shuō)，可以自動(dòng)引導(dǎo)到近地面一定的高度。用例描述了自動(dòng)飛行系統(tǒng)在儀表著陸導(dǎo)引下的四種精密進(jìn)近和著陸模式的選擇，這些模式之間從LAND2→LAND1→APPR2→APPR1成降級(jí)序列，根據(jù)飛機(jī)的系統(tǒng)能力不同和飛行員的設(shè)置選擇，可以進(jìn)行降級(jí)切換，不同程度上導(dǎo)引飛機(jī)的進(jìn)近和下降。每一個(gè)模式的功能均包含了硬件配置檢測(cè)邏輯、主運(yùn)行模塊、能力監(jiān)控邏輯、模式退出/任務(wù)完成邏輯等，其中硬件配置的檢測(cè)邏輯主要是出于安全性的考慮對(duì)系統(tǒng)設(shè)備，特別是傳感器的冗余進(jìn)行分析判斷。

本研究中，功能建模工具選用了IBM公司的Rational Rhapsody商業(yè)軟件，該軟件可構(gòu)建各種圖例，包括需求分析矩陣、功能分析四類(lèi)基本框圖，以及綜合架構(gòu)和權(quán)衡分析等模塊。本研究中建立的模塊如表1所示，其中功能分析包含了黑盒和白盒階段。

4功能建模設(shè)計(jì)總結(jié)

以上分析和討論表明，基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)適用于民用飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)的功能分析與架構(gòu)權(quán)衡過(guò)程，通過(guò)規(guī)范建模仿真的標(biāo)準(zhǔn)，充分聯(lián)系系統(tǒng)的功能與運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需要，能有效地表明系統(tǒng)功能在各種運(yùn)行決策、人機(jī)交互和外部環(huán)境中的變化，指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)級(jí)功能結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)需要充分考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，把握飛機(jī)及其系統(tǒng)的各種運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)各種外部對(duì)象、應(yīng)用用例、功能定義、交聯(lián)時(shí)序和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)進(jìn)行邏輯化的表達(dá)和確認(rèn)。該研究檢驗(yàn)了飛行導(dǎo)引控制系統(tǒng)、自動(dòng)推力、自動(dòng)著陸、機(jī)組通告及告警等功能的正確性和完整性，為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和軟硬件架構(gòu)提供良好的參考和對(duì)照。

表1　使用Rational Rhapsody構(gòu)建的模塊列表

參考文獻(xiàn)：

[1] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S]. SAE，2010.

[2] System Engineering Manual[S]. Federal Aviation Administration， 2006.

[3] Scott Jackson.System Engineering for Commercial Aircraft[J]. Gower Technical，1997.

[4]陳奎兆，王江云.飛行仿真器自動(dòng)飛行系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(2)：706-709.

[5]李慶.飛機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的全新突破——基于模型的系統(tǒng)工程[J].航空制造技術(shù)，2011，12(12)：48-53.

The Model-Based Functional Analysis and Design for Auto Flight Control System on Commercial Airplane

方俊偉湯超張翔張磊謝陵 /

Fang JunweiTang ChaoZhang XiangZhang LeiXie Ling

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

摘要：

描述了民用飛機(jī)自動(dòng)飛行系統(tǒng)基于模型的功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程。該研究采用符合現(xiàn)代系統(tǒng)工程理念的模型化設(shè)計(jì)形式，表明和確認(rèn)系統(tǒng)功能在各種運(yùn)行決策、人機(jī)交互和外部環(huán)境中的變化。它針對(duì)系統(tǒng)級(jí)功能靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析和設(shè)計(jì)，系統(tǒng)性地研究外部對(duì)象、應(yīng)用用例、功能邏輯、交聯(lián)時(shí)序和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，在確認(rèn)模型的合理性后生成邏輯架構(gòu)與接口，將設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分配，用于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和軟硬件架構(gòu)。該研究通過(guò)對(duì)飛行導(dǎo)引、自動(dòng)推力、自動(dòng)著陸、機(jī)組通告等功能的可用性和完整性進(jìn)行分析檢驗(yàn)，改進(jìn)了功能需求設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程；自動(dòng)飛行；建模；功能；場(chǎng)景分析

[Abstract]This paper reports the model-based functional analysis and architecture design for the auto flight control system on commercial aircraft. The system engineering process develops functional models that can define and validate the system functions. The functional flow is logically dynamic upon changes in operational states, human-machine interaction and external environment. Its static and dynamic characteristics are systematically studied including external actors, application cases, functional logics, interactive sequence and state shifting. The logical architecture and interfaces are also generated, and relevant requirements are allocated accordingly as development references of physical architecture and implementation design. The study examines availability and integrity of flight guidance, auto thrust, auto landing, crew warning and alerts functions and improves the design requirements.

[Key words]system engineering；auto flight；modeling；function；scenario analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：V249.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A