民用飛機研發過程中需求閉環驗證技術研究與應用

2020-02-08 08:43:56任金虎許鴻杰王英儒陳雙余涵

智能制造 2020年11期

任金虎許鴻杰王英儒陳雙余涵

摘要：為了實現飛機的正向研發設計，提高設計的創新能力，縮短飛機的研制周期，航空行業開展了基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，簡稱MBSE）方法的探索與應用。研究的需求閉環驗證屬于系統工程范疇，提出在飛機的某一研制階段下，同一研發層級內的需求閉環驗證方法和不同研發層級間的需求閉環驗證方法；給出需求閉環驗證的實現流程，并通過案例，基于達索3D EXPERIENCE平臺驗證需求閉環驗證流程的實現方法。研究表明：提出的需求閉環驗證的方法、實現流程和應用平臺，能夠支持飛機研制過程中需求的驗證，從而確認設計的合理性，驗證設計的正確性，對推進MBSE方法在飛機研制過程中全面而深入的應用具有重要意義。

關鍵詞：基于模型的系統工程；研制階段；需求；閉環驗證

1 引言

在工業4.0時代的背景下，國際航空市場對飛機型號的研制要求愈來愈高，研制周期越來越短。為此航空行業的諸多單位和相關專家進行MBSE[1]～[4]正向設計探究。通過理論方法的不斷創新應用，將MBSE設計路線從市場調研、模型設計、仿真驗證到生產制造等環節不斷延伸應用。在系統工程的實現解決方案中，基于SysML語言的HarmonySE[5] 、基于Modelica語言的MMS（Modeling Methodology for Systems）[6] ～[7]等方法論在航空航天行業的應用最為廣泛。但是，現階段基于模型的系統工程的工程應用還處于架構設計或者初步的物理模型設計階段，鮮有學者針對基于模型的系統工程的需求閉環驗證進行相關報告。

如今在飛機研發過程中，需求閉環驗證方面，大多還是采用單機的分析工具進行系統仿真和機體部件有限元仿真，或者物理試驗等手段，如于惠舟等基于Modelica語言進行飛機飛控系統虛擬樣機構建，驗證虛擬樣機性能驗證及工程應用[8] ；陳彥達等采用數值仿真分析方法研究民用飛機機身段適墜性[9]；趙峻峰等通過物理試驗方法分析并研究民用飛機機體結構靜強度[10]。

本文采用基于Modelica語言的MMS方法論，將頂層需求進行細化，論述使命（Mission）、服務（Service）、功能（Function）及組件（Component）層的需求閉環驗證方法；從飛機研發業務角度，闡述相關研發部門的需求閉環驗證實現方法。在飛機設計階段實現需求的閉環驗證，能夠提前發現研發的問題使其及早解決，大大減少物理試驗次數，能夠節約研制成本和縮短研發周期，所以需求閉環驗證的技術研究具有重大意義。

2 需求閉環驗證方法

結合國內飛機研制的實際情況，將民用飛機研制劃分為五個階段：立項論證階段、可行性論證階段、預發展階段（包括總體方案定義/聯合概念定義階段JCDP、初步設計/聯合定義階段JDP）、工程發展階段（包括詳細設計階段、全面試制階段、試飛取證階段）、產業化階段[11] ，前四個階段一般屬于飛機設計研發階段，飛機研發部門為主，試制部門為輔。在飛機設計研發階段，將飛機研發分為全機級、系統級、子系統級、部件級、組件級、零件或元器件級和材料級進行飛機的研發設計[12]～[13]。在飛機設計研發的每一個階段，都會按照飛機研發的各個層級進行設計，只是不同階段重點設計的層級不同，即頂層設計需求不同。

2.1 同一研發層級內的需求閉環驗證

基于達索MMS系統工程方法論，主要通過使命、服務、功能及組件層的分析以及用例圖、功能圖、場景圖、順序圖等來展開飛機設計研發某階段的研發某層級頂層需求的分解、細化，建立基于需求-功能-邏輯-物理（R-FL-P）的統一架構的相關模型[6]，獲得使命層需求、服務層需求、功能層需求及組件層需求；按照組件層需求，進行組件模型、接口等的設計，至此完成了基于MBSE的物理設計，如圖1所示。各層需求的驗證方法如下。

組件層，將組件模型、接口進行單一組件的專業仿真，包括組件結構CAE仿真和系統仿真等，驗證組件層需求，確認設計的組件，形成組件層需求閉環驗證方法。

功能層，將組件模型、接口按照功能層需求進行組件模型裝配、集成，將以功能單元（單條功能需求）集成的組件和接口，依據各自功能需求分別進行集成仿真，包括各集成組件的多體運動學仿真、結構CAE仿真、系統仿真等，驗證集成組件和接口的功能需求，實現集成驗證，形成功能層需求閉環驗證方法。

服務層，將按功能單元形成的集成組件和接口，再次按照服務層需求進行集成組件的裝配和集成，再將形成的集成組件和接口進行動態行為仿真，包括多體運動學仿真、系統仿真等，驗證集成組件的服務需求，實現集成確認，形成服務層需求閉環驗證方法。

使命層，將按服務層需求形成的集成組件和接口，按照使命層需求進行集成組件的裝配和集成，形成飛機研發本層級的總裝配模型，針對總裝配模型進行仿真，包括多體運動學仿真、系統仿真、多學科聯合仿真等，形成飛機研發本層級的數字化性能樣機，驗證集成組件的使命需求，測試本研發層級模型設計的合格性，形成使命層需求閉環驗證方法。

最后，試制本層級研發的模型，通過物理試驗檢測物理產品性能，驗證本層級研發的頂層任務。

2.2 不同研發層級間的需求閉環驗證

組件層形成的組件模型是該飛機研發層級組件的白盒模型，同時也是下一研發層級總裝配的黑盒模型。

組件層需求按不同組件分類并分發給下一研發層級相關研發部門，作為下一研發層級的頂層任務；組件層需求可分發給多個下一研發層級相關研發部門，作為其基于模型的系統工程的研發頂層任務，比如飛機級的組件需求通過分類可分發給機體、飛控系統、液壓系統、航電系統等系統級研發層級的相關研發部門。下一研發層級相關研發部門同樣按照MMS系統工程方法論，進行使命、服務、功能及組件層的分析，形成相關模型和相應層級需求，并進行需求閉環驗證。不同研發層級間的需求閉環驗證技術路線如圖2所示。

下一研發層級相關研發部門最終交付的模型和產品有如下要求。

下一研發層級相關研發部門交付的總裝配模型可供本研發層級相關研發部門進行相關仿真驗證，包括組件仿真、組件集成及功能仿真、動態行為仿真等。

下一研發層級相關研發部門需搭建其所屬研發層級的數字化性能樣機。

下一研發層級相關研發部門交付的物理產品可供本研發層級進行物理試驗，檢測研發的產品是否實現頂層任務。

3 需求閉環驗證實現方法

基于現階段航空行業中系統工程方法的研究現狀，結合相關研發部門實際的研發和管理方法，提出需求閉環驗證的實現流程，并基于法國達索系統公司的3DEXPERIENCE平臺（以下簡稱3DE平臺），根據需求定義測試用例，可以將仿真結果與測試案例的需求參數對比，驗證仿真結果是否滿足需求，并可在測試案例管理界面查看測試驗證狀態。

3.1 需求閉環驗證實現流程

3DE平臺中對需求進行閉環驗證，首先需求管理工程師在平臺中對需求進行參數化，并對需求進行驗證方法的定義，例如仿真、實驗、演示等。系統工程師對相關需求建立測試用例TC及測試執行TE；仿真負責人參考相關業務的仿真標準（或仿真模板），對測試執行的需求建立測試計劃TP，并建立相關的需求驗證矩陣，對相關的仿真工程師進行測試驗證請求（AR）。仿真工程師接收到測試請求后，可執行相關的仿真模板，進行仿真模板實例化和仿真，仿真負責人對仿真結果進行審核，確認驗證結果是否通過，在業務流程中完成測試請求，從而實現端對端的需求閉環驗證。圖3為需求閉環驗證流程圖。