基于需求的無人直升機標準視圖建模研究

何瑞恒，鄭朔昉，呂保良，伍心皓

(1.中國航空綜合技術研究所，北京 100028；2.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

無人直升機具有起降簡單，操作靈活，造價低廉，可靠性高，隱蔽性好，機動性好，生命力強等特點[1]，因此在軍民用領域得到廣泛應用。無人直升機系統由機體平臺、地面站、測控與信息傳輸等多個系統組成，是一項復雜系統。為了更好地支撐無人直升機系統的研制，增強數字化研發模式下標準化工作對產品研制的促進作用，有必要創新產品研制過程中的標準化工作模式，使得現有標準能夠有效約束各類研制活動，并使得新編的產品專用標準能夠切實體現用戶使用需求。

美國國防部體系結構框架(DoDAF)是應用系統工程的方法，從總體上描述武器裝備的構成要素、各要素的地位與相互聯系，以及制約它們的原則和指南[2]，是大型集成系統設計、分析、投資決策、工程研制和系統評價的依據，是系統集成和組件間信息交換、知識交互和系統互通互操作的基礎[3]。目前最新的DoDAF 2.0版共規定了八類視圖：全景視圖、能力視圖、使用視圖、服務視圖、系統視圖、數據視圖、項目視圖和標準視圖，從而建立了一種將大型復雜系統進行結構化描述的建模方法。基于DoDAF的標準視圖方法，致力于從DoDAF中規定的標準視圖出發描述裝備的體系結構，實現與用戶方的使用視圖和研制方的系統視圖等的緊密關聯[4]，使得產品研制過程中的標準化工作更有效地保證用戶使用需求的實現。本文著重開展無人直升機的標準視圖建模研究，借助DoDAF方法研究使用需求與約束產品研制的各類標準要求的關聯路徑，明確標準視圖建模流程，并結合通用型無人直升機的研制，構建完整的標準視圖模型。

1 需求牽引的標準視圖建模原理

DoDAF的核心思想就是建立使用活動、系統功能、系統組成和標準等體系結構對象之間的關聯關系，其中使用活動描述了產品的使用場景，可以由此得出產品的使用需求。通過使用視圖和系統視圖的關聯關系，可以實現需求架構向功能架構和物理架構的映射，進而借助系統視圖和標準視圖的關聯，建立需求-功能-系統-標準的關聯。圖1清晰地顯示了研制需求到具體的標準要求的映射。需求牽引的標準視圖建模過程是對正向設計思想的全面貫徹，與傳統的產品仿制模式下僅體現標準與系統組成的關聯關系的標準體系表具有顯著的區別。

圖1 需求指標與標準要求的關聯路徑

2 標準視圖建模通用流程

基于需求的標準視圖建模過程強調以數據為中心，重視標準視圖建模所需的各類數據以及數據內部和數據之間的關系。標準視圖建模應開展以下六個步驟的工作：

步驟1：明確標準視圖的目的及其預期用途。DoDAF中標準視圖包括兩類模型：標準配置模型(StdV-1)和標準預測模型(StdV-2)。StdV-1主要描述體系結構與相關系統實現適用的標準和協議；StdV-2主要是確定預期的關鍵技術、標準的可實現性以及這些標準對體系結構各組成單元開發和維護的影響。標準視圖的構建應涵蓋產品全壽命周期，包括設計、制造、使用保障等環節所有適用的標準和需要新編的標準。

步驟2：確定標準視圖的適用范圍。根據DoDAF中對于標準視圖的要求，在標準視圖的兩個模型中需要說明其適用的時間，并且在開發前期明確在標準視圖開發過程中可能存在的技術難點，以及相關資源對標準視圖的限制，根據現有的資源條件，確定標準視圖的工作范圍。

步驟3：確定標準視圖的產品模型及所需數據。標準視圖的兩類模型的最終表現形式是兩類表格，但表格中的數據源自和系統功能、系統組成等體系結構對象關聯的標準數據。其中StdV-1應包含標準所屬的技術領域、現有標準的相關信息(標準編號、標準名稱、標準內容、發布日期、標準狀態)、產品的系統組成和標準適用的研制階段等信息；StdV-2應包含標準所屬的技術領域、預測標準的相關信息(預測標準名稱、標準內容、標準狀態)、產品的系統組成和標準將應用的研制階段等信息。

步驟4：開發標準視圖產品。GJB/Z 156-2011《軍用電子信息系統體系結構設計指南》是對DoDAF的轉化，規定了體系結構產品的邏輯開發順序，據此分析構建標準視圖所需的最小模型集。其中使用視圖至少應包含高級使用概念圖(OV-1)和使用活動模型(OV-5)，系統視圖至少應包含系統組成模型(SV-1)、系統功能描述模型(SV-4)和系統關鍵技術預測(SV-9)，基于SV-1和SV-4開展標準配置模型(StdV-1)的構建，基于SV-9開展標準預測模型(StdV-2)的構建。

步驟5：分析評估標準視圖。需要結合標準視圖構建的既定目標和用途，采用對比分析的方法，分析構建的標準視圖與預期結果的一致性，發現存在的不足，分析StdV-1是否能夠對各個系統的研制提供相關的約束，StdV-2是否與系統關鍵技術預測的情況相符合，并能夠對系統未來發展提供相應的約束。對于不滿足的，需要逐步返回，查找不足，對其進行修改完善。

步驟6：生成技術標準視圖開發文檔。當確定標準視圖內容后，需要生成標準視圖開發文檔，作為標準視圖開發過程的總結文件。

3 無人直升機標準視圖建模方法

依據標準視圖建模通用流程，結合無人直升機研制特點，圍繞標準視圖構建，形成能夠有效支撐無人直升機研制的體系結構模型集。遵循基于活動的建模方法(Activity-Based Methodology，ABM)[5]，這是一種基于DoDAF的快速建立體系結構模型的方法，將體系結構對象分成三類：實體、關系和屬性。實體是體系結構數據采集的對象；關系是實體對象之間的聯系；屬性確定了實體和關系對象的特征。該方法還歸納出了使用視圖和系統視圖的核心實體以及核心實體間的關系，以此為基礎可以進行相關體系結構產品的構建，并支持建立跨產品關系。

首先開展無人直升機使用視圖的構建，包括高級使用概念圖(OV-1)和使用活動模型(OV-5)。其中，OV-1概括地給出待開發體系結構的宏觀信息，概要描述項目所覆蓋的使命/領域，幫助各類人員進行溝通，為高層決策人員提供重點關注的信息；綜合分析使用需求、威脅環境和使用想定等，進行整體上的高級概念設計，明確無人直升機的任務需求以及使用特點和使用方式，如圖2所示。

圖2 高級使用概念圖(OV-1)

使用活動模型(OV-5)用于描述在實現任務的過程中需要完成的使用活動、各種活動之間的輸入輸出信息流，對使用活動進行逐級分解，直到滿足使用需求所要求的層次為止[6]。無人直升機的使用活動模型如圖3所示。

圖3 使用活動模型(OV-5)

從收到使用任務開始，到完成信息分析為止，第一層級的使用活動包括五大類：任務分配、管理無人直升機任務列表、監控目標、目標數據處理、信息分析。其中監控目標活動可分解至第二層級，包括跟蹤目標和拍照兩項子活動。使用視圖的構建明確了無人直升機的使用場景，基于使用場景開展需求捕獲，可以分析得出支撐各項使用活動所需的系統功能和系統組成。以監控目標這一使用活動為例，為了持續對目標進行跟蹤和監視，要求無人直升機具備較好的飛行操控功能，進而得出對飛控系統的研制需求，包括：響應延遲需求、控制精度需求、穩定裕度需求等性能需求，功能失效發生的概率、對系統功能失效后的響應動作進行限制等安全性需求，以及對飛控系統的可靠性和維修性需求等。

在完成使用視圖構建的基礎上，開展系統視圖的構建。系統視圖是使用活動的實現視圖，主要描述各個系統實體的功能作用、系統間的數據流及系統的互聯互通互操作，對后續系統的研制和優化具有重要的作用[7]。同時，系統視圖也是聯系使用視圖和標準視圖的重要載體，基于使用視圖捕獲的各類需求確定所需研制的無人直升機的功能架構，繼而將各項功能依次分配至各個系統，而現行標準的適用性分析、關鍵技術標準研究和缺項標準預測等各項標準化工作都要基于系統視圖來開展。

其中，系統功能描述(SV-4)用于展示系統功能間的層次結構關系以及輸入/輸出數據流，確保功能間數據關系的完整性，確保系統功能分解到合適的粒度。功能分析是面向使用場景展開的，對應OV-5定義的無人直升機使用范圍內的各種運行場景，生成與之匹配的功能需求和功能接口，從而描述了系統做什么活動，以及如何進行這些活動，并能夠在此基礎上分析各項功能間的優先等級和沖突等級。分析得出的無人直升機系統功能描述如圖4所示，第一層級的功能包括四大類：地面控制、放飛與回收、飛行監控和數據傳輸，各項系統功能均由SV-1中的相應系統來實現。

圖4 無人直升機系統功能描述(SV-4)

系統組成模型(SV-1)用于展示為使用活動提供支撐的無人直升機各個組成系統以及系統之間的接口關系。無人直升機的系統組成如圖5所示，包括無人直升機平臺、任務系統、地面站系統和綜合保障系統，各組成系統可以進一步細分。以系統組成為核心，可以定義各個系統實體的屬性，實現與使用活動和標準等體系結構對象的關聯，使得設計人員能夠直觀了解各個系統組件研制所需遵循的各類現行有效標準，并及時反饋在關鍵技術攻關過程中需要新編或修訂的標準。

圖5 無人直升機系統組成(SV-1)

DoDAF方法的一個顯著特點是支持以矩陣的形式描述各類體系結構元素間的關聯。上述OV-5描述了無人直升機的各項使用活動，SV-1描述了無人直升機的系統組成，SV-4描述了無人直升機的系統功能，因此可以借助使用活動-系統跟蹤矩陣(SV-5)建立無人直升機使用活動和系統組成之間的關聯，如圖6所示，實現使用活動向系統組成的映射。

使用活動系統飛行管理系統導航系統機載測控與信息傳輸系統飛控系統地面控制站信息處理系統地面測控與信息傳輸系統任務分配√管理任務列表√√跟蹤目標√√√√拍照√√√√目標數據處理√√√√信息分析√√√

圖6使用活動-系統跟蹤矩陣(SV-5)

在上述使用視圖和系統視圖的基礎上，開展無人直升機標準視圖建模。開展各個系統的標準適應性分析，得出產品研制過程中需要遵循的現有標準的約束，通過與標準數據庫的關聯、檢索和查看，建立系統組成與現有標準的條目化關聯，生成標準配置模型StdV-1，如圖7所示，使得各類標準資源對產品研制的支撐作用更加顯性化。

技術領域標準機體地面控制站…標準編號標準名稱標準內容發布日期發布單位標準狀態適用時間適用時間總體綜合技術…系統技術…

圖7無人直升機標準配置(StdV-1)

針對無人直升機研制所采用的各項關鍵技術，開展關鍵技術標準研究，分析缺項標準，完成標準預測模型(StdV-2)的構建，如圖8所示。以地面控制站的研制為例，地面控制站接口設計技術是該系統研制的關鍵技術，為規范產品研制過程，需編制《地面控制站接口要求》，規范其機械接口、電氣接口和軟件接口設計。在StdV-2的基礎上，編制缺項標準的需求規格說明，列出缺項標準的結構框架、內容要點和可參考的國內外資料，規范缺項標準的編制過程。

技術領域標準名稱標準范圍標準狀態適用系統適用階段通用基礎技術無人直升機電磁兼容要求規定無人直升機系統電磁兼容性的總要求待起草無人直升機方案設計階段/工程研制階段系統技術地面控制站接口要求規定無人直升機地面控制站機械接口、電氣接口、軟件接口的要求待起草地面控制站方案設計階段/工程研制階段…

圖8無人直升機標準預測(StdV-2)

同時，通過與需求管理工具的集成，可以建立需求指標和產品專用標準的技術內容的雙向追溯關系，即產品研制需求中執行某項活動時應滿足的需求指標的改變能夠映射到與之相關的標準的技術內容中，而相關標準要求的調整也能追溯到與之關聯的需求指標上，使得標準化工作對產品研制需求落地的支撐作用更加清晰。以上述使用視圖中分析的飛控系統研制需求為例，相關性能需求、安全性需求等均應在《飛控系統研制規范》等相應的標準化文件中有對應的要求加以規范，從而確保各項研制需求在產品研制過程中均得到了嚴格的貫徹。

4 標準視圖建模工具

在明確了標準視圖建模原理和方法的基礎上，研究相應的建模工具以支持標準視圖產品的可視化展現，以及體系結構數據的結構化關聯與分析存儲，標準視圖建模工具的功能架構如圖9所示。

為了與當前的航空產品數字化研發環境相匹配，首先構建離散化的標準數據庫。分析國內外航空工業企業、協會團體在總體、機載、材料、制造、基礎、管理等專業的標準分類；針對標準的內容屬性，如流程、規則、參數、計算等，研究航空工業標準內容在數字化研制生產環境下的分類框架；將我國航空工業涉及的國家標準、國軍標、航空行業標準和國外相關標準的內容離散化，分別形成流程要素庫、產品參數庫、規則庫等各類標準數據庫。

將離散化的標準數據庫與標準視圖建模工具相關聯，支持在使用視圖和系統視圖下對離散化標準數據的檢索和關聯，便于高層管理人員和產品設計人員快速定位支撐任務實現和系統研制的準確的標準內容，有助于改善傳統標準形式存在的純文本、難檢索、非關聯等問題，能夠顯著提升標準化工作的數字化和信息化水平。

圖9 標準視圖建模工具的功能架構

標準視圖建模工具還支持與需求管理管理工具的集成，能夠建立需求-功能-系統-標準的關聯網絡，并開展變動影響分析。基礎平臺支持DoDAF各類產品的建模，各類模型數據能夠以XML格式進行導入導出，針對不同的工程項目形成相應的體系結構存儲庫，便于改進型號或關聯型號的數據重用。

5 結束語

本文就標準視圖建模的原理、流程、方法和工具進行了探討，圍繞通用型無人直升機系統的研制開展了具體的標準視圖的建模工作，分析了標準視圖建模工具的功能架構。研究結果表明，基于需求的標準視圖建模方法是標準化工作領域的有益探索，適用于無人直升機系統的建模，能夠保證設計工作更加有效、規范地進行，也使得標準化工作更加具有針對性，標準需求的采集更加規范合理，有助于促進工程研制工作和標準化工作的深度融合，從而助推產品研制取得成功。

參考文獻：

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