智能化航電系統功能需求捕獲與功能分配方法

仲照華

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.007

摘 要：傳統的以設備為出發的航電系統功能捕獲方法忽視系統之間功能的權衡與協作關系的捕獲，導致設計后期存在大量的設計更改，且不能有效地解決未來智能化航電系統的需求捕獲問題。面對該問題，該文首先提出了將航電系統的需求的來源劃分為任務來源和飛機平臺來源，并針對這兩類來源的需求提出不同的需求捕獲與功能分配方法；而后，該文重點敘述了由任務所衍生的航電系統需求捕獲與功能分配方法：該方法由任務出發，首先將飛機的指揮功能與任務環境、飛機的載體功能進行分離，捕獲駕駛艙系統功能；而后以機器的智能作為權衡機組與機器系統功能的方法，根據飛機的指揮功能捕獲機器系統功能；最后根據該機器系統和定義的系統功能邊界，捕獲航電系統功能。

關鍵詞：航電系統 功能分配 人機系統 功能權衡 智能系統

中圖法分類號：V241.01 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0007-05

A Method for Requirements Captured and Function Allocated for Intelligent Avionics

Zhong Zhaohua

（China Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai， 200241， China）

Abstract：The existing methods of avionics systems requirements capture based on equipments ignore the function tradeoff and the co-operation among different systems， and the methods are unsuitable to the development of intelligent avionics. Using these methods results in significant design changes in latter phase of design in a specific project. Therefore， we introduce a method for an avionics requirements capture and functions allocation method in this paper to reduce the gap of different system co-operation in a specific A/C. First of all， we suggest dividing the sources of avionics requirements into the task source and the specific A/C platform source， and then using different methods to capture avionics requirements. Then， we explain more details about the method for the task sources requirements. Firstly， divide the tasks into three parts： the environment events， the carrier events， and command events， and then capture the requirements of cockpit system from command events. Secondly， allocate the cockpit system function to crew and/or machine by tradeoff the certain function performer， based on the intelligence level classification. Thirdly， capture avionics requirements from equipment functions， based on system definition of avionics.

Key Words：Requirements Capture； Function Allocation； Man-Machine Collaboration； Function Tradeoff； Intelligent System

航空電子系統（下文簡稱“航電系統”）是現代飛機核心的系統之一，是保障現代飛機運行安全、任務執行的重要系統。其需求可以分為功能性需求、非功能性需求和約束需求三類。

其中，對于航電系統的功能性需求，在傳統的飛機研制的過程中，采用以設備為主導的需求捕獲方法，以設備為出發點，類比相似機型的航電系統的功能，而提出所研制機型的功能性要求。但是，航電系統是一個具有人機交互功能的系統，包括航電系統設備基本功能、與其他設備的協作功能、與機組的協作功能。另一方面，隨著人工智能在各領域的應用，航電系統的智能化也是必然趨勢，通過人工智能系統的引入，使得飛機的運行操作更準確、更及時、更便捷。智能化航電系統的本質就是具有一定智能的機器系統替代部分機組工作，與機組協同實現對飛機的運行控制。由SHAL模型可知，具有人機交互功能的系統中的人機協作功能是該系統的薄弱環節；然而，傳統的類比法存在局限性，不能有效地捕獲航電系統與其他系統，特別是與機組的協作功能，影響子系統所捕獲需求的完整性，使得子系統的需求、功能、構架、機組操作程序的脫節，最終導致在產品研制后期，甚至AEG評審時才發現較多的需更改項，增加設計更改成本，拖累型號研制工作。另一方面，經過多年研究，前人已就具有人機交互功能的系統，建立了一些功能性需求捕獲方法，如基于場景的需求捕獲方法，又如基于人機能力比較分配法、Price決策圖法、Sheffield法、York法等方法的功能權衡分配方法，湯志荔等人也提出相應的人機功能分配方法[1]，但這些功能分配方法與需求捕獲相互孤立，且僅適用于已確定內容的功能，無法有效指導實際工作。

由此，該文基于前人研究，提出一種面向航電系統的需求捕獲與功能分配方法，旨在解決民用飛機航電系統等復雜人機系統的需求捕獲與分配無有效正向方法的問題。

1 航電系統需求的來源

飛機是滿足任務活動所設計的，其需求可根據性質分為以下兩類功能。

（1）指揮類功能。為滿足任務的需求，對飛機平臺運行指揮，使其按照預期實現預定的任務目標；包括態勢和任務的監視、運行狀態和任務執行情況的分析與決策、運行狀態的控制等三類子功能。該類功能與任務活動有關。

（2）平臺功能。飛機平臺作為任務執行的主體，接受其他系統的指揮和控制，并為其他系統提供工作環境。該類功能與飛機平臺有關。

根據NASA定義，駕駛艙系統是一個包含：有權限和責任指揮飛機運行的實體；所有與這些實體相交聯的子系統；實體與實體之間的接口系統。由此可知，駕駛艙系統是飛機進行任務管理的系統集合，實現飛機任務執行活動的指揮類功能。根據現代民用飛機的構型和功能劃分方法，前述有權限和責任指揮飛機飛行的實體包括機組、航電系統和飛行控制系統等機器系統。由此基于傳統的飛機系統分層關系，飛機的系統的層次可更改為如圖1所示情況。

由此可知，飛機的航電系統需求源于駕駛艙系統和飛機平臺。

2 航電系統的需求捕獲過程

針對航電系統需求的不同來源，采用不同的航電系統需求捕獲方法。

（1）由飛機平臺所衍生的航電系統需求，采用傳統的以設備為出發點的需求捕獲方法，根據飛機各系統的具體構型和物理交聯關系，結合所劃定的該機型的航電系統功能具體邊界所確定（由于該方法在型號研制過程中成熟應用，該文不在此進行贅述）。

（2）由飛機任務活動所衍生的航電系統需求，則通過下述方法所捕獲。

2.1 飛機任務的分解

飛機的運行任務是由有限個事件所構成，這些事件又是由有限個需求所組成，通過對飛機有限事件的需求進行分析，可捕獲所需完成任務的需求。

對這些事件的捕獲，則需要通過飛機任務的分解。飛機任務的分解，采用HTA（Hierarchical Task Analysis）分析方法，并將飛機任務由上至下定義為以下三個層次：（1）飛行任務。是飛機運行所需完成的任務；（2）飛行階段。根據飛行任務，是按一定規則，將飛行任務劃分為有限的飛行階段；（3）運行事件。是組成飛行任務最小的飛機級事件，運行事件通過一定的邏輯組織形成飛行階段。

其中運行事件有可分為：運行指揮子事件、飛機平臺子事件、運行環境子事件，以及組成這些子事件的邏輯關系。將運行事件按這三類子事件進行拆分，從而捕獲相應的子事件。對于不可進行直接拆分的運行事件則通過這三類事件對該運行事件進行重新構建，并獲得相應的子事件。由此，可獲得運行事件中所包含的指揮類子事件與其他事件的邏輯關系以及駕駛艙系統事件與其他系統事件之間的邏輯關系（見圖2）。

2.2 駕駛艙系統需求的分解與分配

由于現代技術的發展，智能設備系統已經大量應用于現代飛機，駕駛艙系統是這類智能化設備與機組組成的智能系統。智能系統中的智能設備和人都具有感知、分析、決策與執行能力。因此，駕駛艙系統功能分配的實質是人與智能設備之間的功能權衡，并通過以下步驟實現。

將前述步驟中所捕獲的駕駛艙系統功能按照前述智能系統的4類功能，對駕駛艙系統事件進行轉義，由此獲得：（1）由駕駛艙事件轉義后的駕駛艙系統功能；（2）各功能的邏輯關系：時序、活動、交互信息、功能轉換條件等。

其中，轉義得到的駕駛艙系統功能，又可根據事件類型分為駕駛艙系統正常功能和駕駛艙系統非正常功能：（1）駕駛艙系統正常功能：在理想條件下的駕駛艙系統的功能；（2）駕駛艙系統非正常功能：是在特定的條件下，駕駛艙系統正常功能不能滿足既定的安全性等目標，而對已確定的駕駛艙系統正常功能的子功能與子功能載體進行調整并使其滿足既定的安全性等目標的駕駛艙系統的功能。

2.2.1 駕駛艙系統正常功能的分解

由于民用飛機的設計必須遵守現行的民航規章等法規、規范以及標準；這些強制條件中已對部分飛機功能的實現進行明確定義。因此在對駕駛艙系統功能分配時，首先需根據這些強制的設計要求，將已分解的駕駛艙系統功能直接分配給機組或機器系統。

其次，基于人機特點、系統設計主導思想、設計原則、已有工程經驗等制定人機特性比較分析判斷表。表1所示為Paul Fitts基于人機特性所建立的人機特性比較分析判斷表。

依據所制定人機特性比較分析判斷表，分析前述工作中未能直接分配給機組或機器系統的駕駛艙系統功能的人機特性。

再次，根據人機特性分析結果，結合駕駛艙系統功能的機器系統智能等級評判表如表2所示，確定該駕駛艙系統功能的機器系統的智能等級。其中，該文定義智能等級最高級別的功能為，機器系統具有完全自主，不需要機組參與的功能；隨著智能等級的降低，機器系統的自主能力隨之降低，機組的參與程度越高；智能等級最低級的功能為機組具有完全自主，不需要機器系統的參與功能。在確定機器系統等級之后，將駕駛艙系統功能的機器系統智能等級為最高的功能分配給機器系統，等級為最低的功能分配給機組。

對駕駛艙系統正常功能進行轉義和再描述時，所獲得不同功能之間的邏輯關系，結合功能的分配結果，進而可獲得駕駛艙系統正常功能的機器系統與機組的協作程序。

最后，剩余不可直接進行分配的功能，是需要機器系統與機組協同工作的功能。對于這部分功能，則按照前述辦法，將其按照智能系統的4類功能進行進一步的再描述、再分解和再分配，直至功能全部分配給機器系統和（或）機組。前述的駕駛艙系統正常功能的分配流程，如圖3所示。

2.2.2 駕駛艙系統非正常功能的分解

駕駛艙系統非正常功能是駕駛艙系統基于基本事件所衍生的復雜事件功能。運行條件等因素變化時，基于駕駛艙系統正常功能，通過對功能和功能的載體調整，使其在不同條件下，滿足既定的安全性等目標。

因此在對功能進行分解前，首先根據運行事件、運行階段和任務，識別并確定駕駛艙系統非正常功能所影響飛機任務可靠性/簽派可靠性、安全性等其他目標條件和對應的危害等級。

而后，參考駕駛艙系統正常功能分解的方法，將駕駛艙系統非正常功能進行分解。其中，較前述方法不同的是：（1）在進行功能分配之前，需判斷已分解獲得感知、分析、決策和執行4類功能，是否可有效的避免或有效降低已識別的影響因素對飛行任務的影響，并在確定滿足既定的安全性等目標的條件后，再對其進行分配；（2）由于駕駛系統非正常功能的分解和分配，是就該功能的載體和和實現過程的權衡，由此在滿足既定的安全性、任務可靠性/簽派可靠性等目標條件下，駕駛艙系統非正常功能的分解與分配結果可包括多種情況；另一方面，由于此時不能確定最終的方法，因此需對所有可能情況進行分解與分配，后續再通過技術成熟度、成本等條件對其權衡，相關的權衡方法不在該文討論范圍內，此處不再贅述。

由于駕駛艙系統非正常功能是在特定條件下的功能，因此，駕駛艙系統非正常功能的觸發包括如下兩類事件。

（1）功能觸發條件判斷事件：駕駛艙系統判斷是否從其他功能轉換為該駕駛艙系統非正常功能，或激活該駕駛艙系統非正常功能。

該類事件是與事件的觸發條件相關。功能觸發的條件按類型可以分為：時間觸發、事件觸發、時間和事件組合觸發等三種情況。另外，對于同一駕駛艙系統非正常功能的觸發，可能存在不同的功能觸發條件判斷條件，由于飛機對安全性、任務可靠性/簽派可靠性等特殊的要求，所以需對所有功能觸發條件判斷條件對應的事件進行分析，確定不同條件下的觸發事件。

該類事件的分解和分配方法是：將已確定的觸發事件，按照觸發條件的感知、感知信息的分析、是否觸發功能的決策、發出觸發指令的執行，4類功能進行轉義描述，并獲組成該功能的各子功能之間的邏輯關系。而后，參照駕駛艙系統正常功能分解的方法，將駕駛艙系統非正常功能激活條件判斷功能進行分解和分配。

（2）功能觸發過程控制事件：當功能激活條件判斷事件中判斷駕駛艙的非正常功能需要轉換/激活后，對這個駕駛艙系統非正常功能轉換/激活過程進行控制，使其按照既定的方式進行轉換/激活，且在必要時對這個轉換/激活過程進行監控。

特定駕駛艙系統非正常功能的功能觸發過程控制事件，可能不可直接從運行事件中所獲得，需對其進行構造：基于已確定的功能觸發條件判斷事件，構建與之連續的功能觸發過程控制事件；對所構建的功能觸發過程控制事件，按照過程監視、實際輸出與目標比較、過程控制三類子功能，對其進行描述。

此外，所建立的特定駕駛艙系統非正常功能的功能觸發過程控制事件，可能存在多種情況，則需根據經驗、繁雜程度對其進行取舍，以獲得較優的幾種解決方案，后續基于其他條件確定最終的方案。

該類事件的分解和分配方法是：參考駕駛艙系統正常功能分解的方法，將駕駛艙系統非正常功能的功能觸發控制功能進行分配。

駕駛艙系統非正常功能的功能觸發條件判斷事件、功能觸發過程控制事件的需求捕獲與功能分配，與較前述方法不同的是：為了滿足既定的安全性等目標，這兩類功能、功能分解與分配方案不是唯一的，需將所有可能情況進行分解與分配，后續根據技術成熟度、成本等條件對其權衡，以獲得可接受的方案。

此外，與駕駛艙系統正常功能分解與分配相同，在對駕駛艙系統非正常功能進行再描述，對功能觸發條件判斷事件和功能觸發過程控制事件進行轉義時，可獲得其子功能的邏輯關系，結合功能的分配結果，進而可獲得駕駛艙系統非正常功能的機器系統與機組的協作程序。前述的駕駛艙系統非正常功能的分配流程，如圖4所示。

2.3 航電系統的功能性需求捕獲

基于前述，機器系統的子系統包括航電系統、飛行控制系統；基于任務的概念，這兩個系統重新定義為：

（1）飛行控制系統。與有權指揮飛機飛行的機組協同，在飛行等任務執行過程中，對飛機在運行環境中的自身飛行狀態進行控制的機器系統。

（2）航電系統。與有權指揮飛機飛行的機組協同，在飛行等任務執行過程中，利用飛機外部信息，對任務執行進行管理的機器系統。

根據此子系統邊界定義，將前述步驟中捕獲的駕駛艙系統的機器系統的功能，按照實現或輔助實現飛機本體的飛行姿態進行控制類功能，對飛行等任務執行過程進行管理類功能，將其分配給飛行控制系統和航電系統。其中，對于不可直接分配的機器系統功能，則按照前述的兩類功能，對該機器系統功能進行再描述、再分解和再分配，直至所捕獲的全部機器系統功能可以完全分配給這兩個系統。若該功能涉及與機組的交互，則需根據分配結果，將對于的機組與機器系統的協作程序進行分解。

基于前述步驟中，所捕獲的駕駛艙系統機器和機組之間的機器系統與機組的協作程序，以及將機器功能分配給航電系統和飛行控制系統步驟中所產生的邏輯關系，根據該機器功能的分配結果，進而可獲得機組與航電系統的協作程序、機組與飛行控制系統的協作程序，以及航電系統與飛行控制系統的交互關系。前述的航電系統的功能性需求捕獲流程如圖5所示。

3 結語

針對航電系統智能化水平不斷提高，而傳統的需求捕獲與分配方法不能有效滿足其需求的問題，討論了一種基于設備智能等級的航電系統需求捕獲與功能分配方法，并對該方法的詳細過程進行了論述。通過該方法，可有效地將系統需求、系統功能、系統操作程序、系統構架和系統安全性、任務可靠性/簽派可靠性有效地結合，為新一代的航電系統的研制方法理論基礎研究做了一些探索。

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