基于軍事需求工程的軍用飛機EWIS設計需求分析

肖楚琬，韓 維，孫 陽，王希彬

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

線路是飛機的“血管”和“神經”，承擔著信息傳遞、供電等重要功能，直接關系到飛機任務執行和飛行安全。2007年，美國聯邦航空安全局（Federal Aviaion Administration，FAA）在適航規章中增加了H分部，即電氣線路互聯系統（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）[1]，將原屬于各功能系統的電纜、連接器、繼電器、開關等連接和控制、保護等部件，作為一個綜合系統進行整體設計。2011年，我國民航在CCAR-25-R4修訂版中，引入了相關要求和標準，在C919等機型中貫徹落實[2]。

由于軍機EWIS部件數量多、種類雜，涉及全機各功能系統，貫穿機身各個位置，安裝環境差異較大，需求變化頻繁，導致系統集成設計難度很大。為了解決類似問題，美軍提出了基于需求的系統工程（Requirements Based Engineering，RBE）。它屬于系統工程（System Enineering，SE）學科，是對需求工程（Requirements Engineering，RE）的延伸。軍事需求工程（Military Requirement Engineering，MRE）就是在RBE基礎上進行拓展，應用科學方法和技術，對目標軍事系統進行需求分析，確定用戶需求，幫助設計人員理解問題，并定義軍事系統所有外部特征的工程技術，已在美軍F-22、F-35等多型航空裝備上得到重大應用。[3-4]

1 軍用飛機EWIS需求設計現狀分析

我國民用航空根據CCAR-25-R4要求，結合ARJ-21、C919等型號設計，已經開展了大量的EWIS設計研究工作[5]。但是，EWIS在軍機設計領域還屬于探索階段。目前，主要存在如下5個問題。

1）EWIS系統定位尚不明確。EWIS與飛控、航電等功能系統不同，系統特點鮮明。在功能屬性上，它本身并不具備任何功能，主要承擔連接功能，作為飛控等功能系統的一部分發揮作用。在物理屬性上，它與環境、結構、系統安裝等密切相關，每一處的更改都會影響EWIS設計。所以，將EWIS定位為特殊的功能支持系統比較合理。

2）傳統需求設計不能適應EWIS要求。傳統軍用飛機需求分析只分解至部件級，并沒有細化到EWIS部件級[6]。在設計時，根據需求先確定結構、設備、管路等位置，再根據剩余空間調整線路走向。但是，新型軍機線路系統部件數量過多，電纜成束后屬于半剛性部件，基本無法調整。在安裝時，經常出現線路部件安裝位置、間距等條件不能和總體協調，造成維護性、維修性、測試性差等后果。

3）EWIS需求設計信息交互不順暢。大多數主機廠所在進行EWIS設計時，盡管采用了數字化設計工具，但是依舊以文檔作為各階段信息交互的核心。各功能系統、成品廠商獨自設計自己管理的EWIS部件，形成海量文檔，發現問題比較困難，很難嚴格控制技術狀態。隨著設計推進，EWIS設計需求散落在各個系統中，并未在整機進行統一。比如，同一功能在不同系統中使用不同型號電纜，造成維護性差等問題[7]。

4）EWIS設計需求變更頻繁。全機各系統功能和位置的更改都會產生大量的EWIS需求變更[8]。但是，目前涉及EWIS的需求管理不完善，導致設計變更與需求更改不一致。分系統修改圖紙后，總圖反應時間較長，對需求端影響更是難以控制，對飛機正常研制工作造成影響。

5）缺乏明確的EWIS需求驗證要求。目前，軍機EWIS沒有單獨提出驗證試驗要求，僅是跟隨飛機各系統進行相應的試驗測試工作[9]。在整機層面，主要進行導通測試，難以驗證EWIS設計是否能夠滿足飛機設計和用戶需求[10]。

2 軍事需求工程

2.1 軍事需求開發和管理

軍事需求工程的基本活動是圍繞需求展開的，主要包括需求開發和需求管理2個部分，組成見圖1。

圖1 軍事需求工程框架Fig.1 Military requirements engineering framework

2.1.1 軍事需求開發

軍事需求開發包括需求獲取、分析、描述與建模、評價、驗證。軍事需求獲取是軍事需求工程的基礎，是指應用一系列需求獲取方法，使原始、模糊的需求概念，細化為清晰、準確需求規范的過程。需求分析針對已獲取需求進行論證和分析，主要內容包括作戰、系統、技術等方面，完成需求的分解和描述，最終建立一套各方認可的規范需求框架。軍事需求描述是指用需求規格說明書等規范的文檔形式，描述已獲取需求，使之能夠作為設計輸入。軍事需求驗證是綜合運用各種手段，在設定條件下，對需求有效性進行系統分析、評估和確認，是需求落實的驗收標準[11-13]。

2.1.2 軍事需求管理

軍事需求管理涉及裝備全壽命周期，是軍事需求工程能順利展開的重要保障，主要包括變更分析、需求跟蹤、變更控制、版本控制4項內容。需求變更分析主要是針對項目推進中必然會出現的需求變化，綜合利用相關工具，分析待變更需求與其它需求之間的聯系，多維度驗證需求變化時對系統設計、計劃安排和他需求的影響，形成需求變更影響結論（如費用、進度、風險等）。需求跟蹤是通過需求跟蹤能力矩陣或需求鏈接圖，建立不同需求之間的關聯關系，保證需求變化可以“溯源”。需求變更控制是在分析和跟蹤的基礎上，綜合考慮各方面因素，對需求變更申請、分析、執行、驗證等過程的管控，是保證需求和項目推進一致性的重要手段。需求版本管理是在項目執行過程中，建立需求條目、屬性等要素之間的關聯關系，并對需求文檔與可交付產品之間的相互關系等按照一定的版本命名規則進行管理[14]。

2.2 軍事需求開發過程

美軍針對系統開發，如聯合能力集成開發體系（JCIDS），采用了以ISO/IEC 15288系統工程要求的RBE標準工作流程[15]。FAA在咨詢通告AC20-174中，將ARP4754A作為系統研制中的可接受方法[16]。綜合以上方法，借鑒MRE基本流程進行管理和控制。

MRE在系統研制過程中的基本流程如圖2所示。整體上是一個V型結構，在獲取客戶需求的基礎上，通過需求分析活動定義系統需求，形成設計輸入，進行產品研制。在產品的制造過程中，通過逐層進行產品驗證和確認，驗證產品是否滿足系統需求和客戶要求，從而有效保證設計與需求的一致性。

圖2 MRE一般過程Fig.2 General process of MRE

2.3 軍事需求分解和描述模型

軍事需求分解是需求與設計對接的核心環節。在飛機研制過程中，需求是由頂端作戰需求逐級分解的[17]。因此，可以采用樹結構對任務進行分解描述，如圖3所示。其中，根節點是頂層軍事需求，中間節點是功能系統需求，葉子節點是具體的系統設計要求。

圖3 軍事需求分解示意圖Fig.3 Decomposition schematic diagram of military requirement

為了更準確地描述需求之間的關系，便于需求管理，建立需求之間的關系模型，如圖4所示。需求關系模型主要有2種：有序和無序。假設分別有2個需求：R1和R2。有序關系是指R1和R2相互關聯，存在某種關系；無序是指R1和R2之間相互獨立。在實際工作中，可能存在多種關系的混雜。

圖4 有序和無序關系模型Fig.4 Relational model of ordered and disordered

為了更科學地描述關系模型，引入集合論的數學表述。用S表示所有軍事需求所組成的需求空間，空間中的每個元素是EWIS需求，不可再分。從系統工程的角度看，某軍事需求Tn就是S的一個子集。S的規模和元素隨時間t而變化，可以看成是時間t的函數S(t)。

對于某一獨立軍事需求Tn，要求同一層次的節點之間不存在交集。在軍事需求T1和T2之間，如果存在T1?T2，則表示需求之間有相互關系。否則，相互獨立。以此區分需求最小要素，構建描述模型。最終，由軍事人員和系統分析人員聯合工作，通過形式化的表述方式，如面向過程的建模方法IDEFO[18]等進行表達，形成可理解的規范需求。

3 海軍飛機EWIS需求開發設計

3.1 基于MRE的EWIS需求開發總體設計

軍用飛機EWIS設計比較困難，既要滿足作為獨立功能支持系統的總體要求，與總體結構、安裝位置等相協調，又要滿足功能系統對于供電能力、電磁防護、信號完整性等方面要求[15]。為了更好地開展飛機EWIS設計，滿足各方面要求，根據飛機設計的主要階段，設計基于MRE的EWIS需求開發過程如圖5所示。

圖5 基于MRE的需求開發過程Fig.5 Requirement development process based on MRE

在需求分析階段，根據飛機技術總要求、相關標準、適航法規等頂層文件，經適應性裁剪重點生成EWIS的系統級要求；在初步設計階段，根據EWIS系統級設計規范、總體的結構安裝要求、功能系統設計要求等輸入，提出各功能系統EWIS的詳細設計規范；在詳細設計階段，重點是根據詳細設計規范，開展具體設計，并進行設計驗證，完成需求閉環。通過協調EWIS與功能系統的設計要求，貫徹MRE的“需求牽引”理念，將EWIS需求開發貫穿飛機設計全過程。

3.2 海軍飛機EWIS需求獲取

3.2.1 建立需求問題域

需求獲取是需求分析的第一步。一般講，前期需求是模糊和不確定的。為了獲得準確、規范的需求，需要各方共同探討，通過多次分析、驗證和迭代形成最終的需求。因此，建立面向問題的工作域，劃定需求探討范疇，有助于各方進行需求溝通，如圖6所示。

圖6 問題域與需求獲取關系Fig.6 Problem domain and requirements acquisition relation ship

軍用飛機與民機需求開發的最大不同，在于作戰需求，海軍飛機的特點是考慮海戰場環境下影響。在進行海軍飛機EWIS設計時，主要需建立以下4個方面問題域。

1）海軍飛機作戰背景和戰術指標，包括作戰環境、作戰樣式、持續工作時間、過載負荷等。

2）作為單一功能支持系統，EWIS需要考慮的問題，如系統布線設計（物理安裝）、系統安全（隔離保護）、重量要求（輕量化）、可靠性（使用環境）、維修性（可達性）、標識等。

3）作為功能系統一部分，EWIS需要考慮的問題，如電磁兼容、承載電流量、斷路器工作效率，外部接口關系等。

4）需求工程管理過程中的可能損失，如系統功能失效、部分功能缺失，以及糾錯可能需要付出的巨大代價等。

3.2.2 基于作戰背景的問題域需求獲取

由于EWIS需求問題域范圍較廣，本文主要以海軍飛機作戰背景和戰術指標問題域舉例進行研究。未來，海軍飛機的作戰主要有2種樣式：一種是從航母起飛，對于敵人進行打擊；另一種是從陸上起飛，對近岸敵人進行打擊。

從作戰環境看，以海上作戰為主，必然是高電磁、高鹽霧、高振動環境；從出動效率看，要求高可靠性、維護性、測試性；從保障條件看，按照艦上兩級維護體制進行保障，要求便于修理和保障；從生命周期看，需要改變傳統與機體同壽思路，明確在海洋環境下的壽命指標；從使用條件看，航母載重有限，要求輕量化設計。將這些模糊、不確定的定性描述制成表格，作為進行需求分解的頂層輸入。需求基本格式見表1。

表1 EWIS需求獲取例表Tab.1 EWIS requirement acquisition table

3.3 海軍飛機EWIS需求分析和描述

3.3.1 需求分析

在獲取初步需求之后，需要對需求進行規范性描述。軍事需求獲取的結果只說明了要做什么事情，要考慮哪些問題等，對于設計人員來說過于籠統，還需要進一步細化。因此，按照MRE的需求分解模型建立EWIS需求樹形模型，如圖7所示。

圖7 海軍飛機EWIS能力需求分解模型Fig.7 Decomposition model of navy aircraft EWIS capability requirements

可以看出，除了頂層標準和適航法規規定的相關要求之外，海軍飛機的EWIS主要考慮海洋環境適應性，包括部件防腐蝕，高潮濕環境下電弧損傷等要求。這些要求應該與適航等標準一并納入EWIS的系統總體需求。

同時應該看到，對于不同功能系統中的EWIS個性需求，需要由具體專業給出需求說明。比如，同樣是耐鹽霧要求，由于雷達系統的部分EWIS部件暴露在機身外，振動和拆裝多，要求高防腐性，而電源系統要求相對低些。

3.3.2 EWIS統一需求描述模型構建

為了在全機層面統一各功能系統的EWIS具體需求，實現各系統之間的接口標準，建立統一的需求描述模型，設計構建步驟如下。

步驟1：需求定義和賦值。定義海軍飛機EWIS整體需求集為S，作戰問題域需求集設為T，各功能系統整體需求集定義為Rn，功能系統對于EWIS的分解需求定義為。由此，建立原始需求空間T1。

步驟2：分析系統需求R1,R2,…,Rn的相關性。如，令R′n={rab,ra1b1,…}，構建需求空間T′。

步驟3：對R′n進行歸一化分級處理。根據工程經驗和設計實際，為了描述清晰，一般建立5級標準劃分。如EWIS的安全性要求，按照GJB 900A，將軍用飛機EWIS風險嚴酷度定義為5級，如表2所示。

表2 危險嚴酷度等級劃分Tab.2 Grade division of danger severe degree

步驟4：重復步驟1～3，對各問題域需求T1～Tn進行匯總處理，建立統一需求描述集S，S內部各個要素之間彼此獨立。

步驟5：編程實現。利用IDEFO等形式化描述語言對需求集進行編程實現，形成規范化的需求描述。

通過以上步驟，將分散在全機各系統的需求在總體進行統一，構建完整的海軍飛機EWIS需求集，既可以符合EWIS整體系統需求，又可以滿足功能系統個性要求。比如，通過以上過程，分析電源和雷達系統的EWIS防腐設計需求特點后，在EWIS系統級要求中進行統一。其他功能系統如果有EWIS防腐方面要求，可以直接參考或引用EWIS系統要求。隨著項目推進，更改EWIS需求時，必須更新需求集S，從而實現對需求的全過程管理。

4 需求能力體系構建和管理

4.1 需求能力體系構建

基于EWIS需求描述模型，可以建立包括功能、性能、安裝、接口等各類要素的需求體系，指導各階段的開發活動。以通用質量特性為例，將海軍飛機EWIS系統要求劃分為7個基本能力需求模塊，如圖8所示。

圖8 海軍飛機EWIS通用質量特性需求結構圖Fig.8 General quality characteristic requirement structure chart for naval aircraft EWIS

下面選取4個能力模塊進行簡單說明。

1）環境適應性。海軍飛機EWIS設計應能承受起飛、降落時的巨大震動，鹽霧、溫度變化、潮濕、霉菌和漏瀉的氣體或液體以及其他各種環境條件共同作用的影響，突出對海洋環境的適應性。

2）艦機適配性。由于飛機從航母起飛載荷有限，應努力減輕盤箱、支架和線束的重量，采用輕質材料支撐，合理優化合并數據傳輸線路，多采用總線類數據線等。

3）維修性。EWIS設計應充分考慮外場維護和修理，對于重點系統的重點部件，以及需要經常檢查的線路部件，應該設計便于維修和更換，或開有適當的維修口蓋。

4）保障性。進行零部件設計時，應考慮采用簡單而合理的結構，選擇合適的加工精度和光潔度，合理選用材料，注意工藝方法的繼承性，提升產品可更換率。

4.2 指標體系構建和驗證

基于海軍飛機EWIS的能力體系，構建需求指標體系。需要考慮2個方面因素：一是由各功能系統根據總體指標分解確定本系統EWIS指標；二是由整機提出EWIS整體指標，與各功能系統指標相協調。

在進入詳細設計階段前，軍方要組建相關專家團隊，對指標要求、能力評價方法等部分進行評審，為后續開展設計評審等工作打下基礎。在具體驗證時，通過仿真、試驗、實測等方式綜合實施。

4.3 基于數據的EWIS需求管理

需求管理實際是管理需求變更的若干過程。飛機EWIS與各專業相關，傳統由各專業分工負責的管理模式已經不適應當前需求。在組織管理上，為了適應頻繁的需求變更實際，應設置EWIS室[19]，負責協調全機EWIS部件的設計與管理。各專業需求變更時，僅與總體EWIS專業交聯。在技術管理方面，以需求集S為核心建立唯一數據源，構建基于數據的EWIS需求管理框架，重點關注管理需求間關系和優先級，不同文檔間的從屬性，管理需求一致性變更等問題，對審核、變更等重點環節進行過程把控，基本流程如圖9所示。

圖9 以數據為核心的EWIS需求管理流程圖Fig.9 Flow chart of EWIS requirements management data-centered

5 結語

軍用飛機EWIS是新興專業，既有自身特點，又與各功能子系統交聯，其內在規律需要進一步挖掘。國內外的實踐經驗表明，基于軍事需求的系統工程是管理這一復雜特殊系統需求的有效方法，特別是通過需求管理，完成相關的設計需求更改工作管理意義重大?？梢灶A見，隨著我國航空裝備設計水平不斷提升，以軍事需求工程為基礎的EWIS專業設計，必將成為我軍航空裝備質量提升的基礎支撐。