直升機需求工程方法與應用研究

曾衛平，孫 強，占日新，肖向榮

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

美國聯邦航空管理局在2011年明確要求飛機的研發必須開展需求工程，實施項目頂層管控。國內直升機工業部門自2013年開始逐步引入基于模型的系統工程方法論，在多個直升機型號研制過程中開展了基于需求的系統工程工作。其中在民用直升機研制方面，開展的直升機需求工程工作主要包括梳理市場要求、研制總要求、總體技術要求、各系統技術要求、接口控制要求及適航規章要求等方面內容。而對于軍用直升機來說，需求工程要求型號論證及研制模式不局限于基于指標要求而進行的設計，更重要的是要滿足新形勢下軍事斗爭對武器裝備提出的作戰需求。因此，直升機工業部門迫切需要引入正向設計的思想，加大對直升機作戰需求與使用的設計，實現直升機裝備需求論證與工程研制相銜接。

1 直升機需求工程定義與內容

需求工程是用已證明有效的技術和方法進行需求分析，確定客戶需求，幫助分析人員理解問題，并定義目標系統的所有外部特征的一門學科[1]。需求工程脫胎于基于模型的系統工程(Model Based on System Engineering，MBSE)，而基于模型的系統工程方法學有很多，例如：INCOSE OOSEM、IBM Rational Harmony-SE、Vitech MBSE Methodology等，涉及到的建模語言也有很多，例如：SysML語言、UML語言、IDEF0語言、AADL語言、VHDL語言等，涉及到的體系框架也很多，例如：TOGAF、DoDAF、MoGAF、ITSA、FACE等。MBSE方法論尚在發展中，不同單位和組織需對標準的建模語言語義和規則進行裁剪和修改，以適配實際產品研發活動的需要。

直升機研發設計流程活動不同于軟件研發流程活動。有效將軟件研發流程方法及工具應用于直升機需求工程的工作過程中，是未來MBSE方法在直升機研制過程中亟需實踐探索的。就目前需求工程方法的發展程度而言，直升機需求工程是由一系列與直升機需求相關的開發活動和管理活動組成的，具體內容如圖1所示。

圖1 直升機需求工程主要內容

基于需求管理信息系統或工具的應用，直升機需求工程是直升機需求開發和需求管理的結合體，其最首要的任務即是開發分別來自軍方用戶和民機客戶的需求，因此直升機的需求開發顯得尤為重要。

2 多軟件平臺與工具應用

如前所述，直升機需求工程主要基于需求管理信息系統或工具應用，在總體方案論證、總體需求分析、總體初步設計、分系統需求分析、分系統初步設計等直升機立項論證各階段，需要有直升機裝備描述數據庫、需求管理工具、作戰想定編輯工具、想定驗證工具、體系結構建模仿真工具、效能仿真工具等支持平臺和軟件，并且要求其中的主要工具軟件能做到規范化、模型化、工具化和資源化的深度集成。國內支持整個開發生命周期的相關論證工程化軟件較少[2]。

相關的軟件平臺與工具集成架構主要分為專業仿真層、專業設計層、虛擬仿真層、需求分析層和需求管理層。虛擬仿真層的任務與體系架構工具與需求分析層的建模工具進行數據關聯；需求分析層的建模工具與專業仿真層的仿真工具、專業設計層的設計工具進行數據交聯；需求分析層的建模工具與需求管理層的管理信息系統集成，需求管理系統將輸入的分散數據結構化互關聯；然后再與產品全生命周期管理系統做集成管理，關聯型號研制各階段的設計、仿真等過程。通過多個軟件、工具、平臺之間的集成，使直升機裝備從立項論證、需求分析、系統初步設計的生命周期前期各階段中的不同類型數據得到有效管理，即使到了產品全生命周期研制的后期，這些模型數據甚至仍具有單一數據源性和可追溯性。

3 面向直升機設計的需求工程方法

3.1 型號典型研制流程

以往航空器型號研制通常都是使用部門提出的指標，工業部門按照指標要求，結合技術發展最新現狀進行設計制造，所得到的產品或裝備基本滿足使用要求，但外部使用場景一般未充分考慮，導致后續改進和試驗試飛持續進行。如圖2所示，整個航空器產品研制流程中工程設計研制后期的工作流程占了研制流程的大部分工作，而后續研制流程中的更改迭代往往帶來時間和成本的倍增，系統故障與問題也越發難以發現和解決。

圖2 典型航空器產品研制流程

3.2 系統需求開發方法

除上述典型航空器產品研制流程面臨的問題之外，隨著航空器產品相關技術和交叉學科不斷發展，系統交聯程度越發高，系統也愈發復雜龐雜。以直升機為例，其內部系統之間的和外部的交聯關系以及直升機系統、分(子)系統組成元素的復雜導致了一個龐大的復雜系統工程。傳統的基于文件的系統工程方式，已無法支撐作為系統的直升機裝備全生命周期開發。基于此，應用RFLP(“需求、功能、邏輯、物理”)方法，完成系統需求、設計、分析、驗證和確認活動的正規化建模應用，如圖3所示，起始于直升機需求論證階段，貫穿整個直升機產品全生命周期研制階段，避免了目前直升機需求論證與后續直升機工程設計嚴重脫節的問題，發展了需求論證的相關理論方法。

圖3 直升機裝備全生命周期研制下的需求開發流程

3.2.1 體系需求開發

基于軍事作戰的體系需求開發過程是直升機裝備需求論證的一個重要組成部分。任務場景分析是軍用直升機需求分析過程中的重要一環，是裝備需求的重要來源[3]。體系需求論證還在不斷發展中，因此，體系需求開發方法隨著各類裝備型號的實踐應用也在一直更新完善中。以直升機型號為例，直升機體系需求開發基本遵循MBSE方法，需要強調的是基于模型中的模型，它不僅僅是虛擬戰場任務場景中的直升機三維模型、其它武器裝備模型、地形模型、煙霧模型、爆炸效果模型等，而且還有基于DoDAF2.0的OV-1、OV-2、OV-6c、OV-6b等多類視角構建形成的SysML模型(包括用例圖、時序圖、狀態機圖等)。

直升機需求論證階段注重基于作戰場景的需求開發方法。體系需求論證與系統需求分析設計建模過程如圖4所示，根據軍方使用要求，重點論述基于能力的視角。基于DoDAF方法對作戰任務進行分析，這一階段主要對作戰使用性能需求條目化，形成作戰想定報告和任務場景建模分析，最終完成運行概念文檔的編制。下一步對直升機整機系統進行需求分析和架構設計，目的在于形成直升機系統需求規格說明書，再對各類分(子)系統的使用進行需求分析，完成分(子)系統架構描述，形成分(子)系統需求規格說明書。

圖4 體系需求論證與系統需求分析設計

3.2.2 機械設計系統需求開發

傳統直升機設計員往往在設計完三維模型之后在模型上手工標注各類設計參數，以便后續工藝加工人員編排或加工。通過MBD技術詳細標注模型的三維尺寸，并簡要標準模型的加工信息，這樣可以減少將三維模型圖紙化的過程，直接將參數信息表達在三維模型上。應用MBSE方法之后，基于直升機機械物理設計過程，邏輯設計表達最終能夠和基于模型的三維設計(MBD)進行關聯，通過SysML模型向CAD模型傳遞參數的方法，實現直升機機械設計過程與需求分析過程的有效融合貫通。需求分解的指標信息可以與后續初步設計階段，甚至詳細設計階段的三維CAD模型進行關聯。MBD技術所標注的三維信息很多在直升機需求論證階段就已經可清晰表達了。

3.2.3 機電液系統多學科需求開發與仿真驗證

以往直升機(機、電、液)系統設計過程中，需求開發與仿真驗證過程是人為在文檔傳遞之間割裂的。因此，涉及(機、電、液)系統多學科之間的設計開發問題，首先對基于某(機、電、液)系統的需求進行分析，形成系統需求文檔。(機、電、液)系統多學科需求開發可將系統的需求抽象成若干關鍵系統功能，每一個關鍵系統功能就是一個系統用例，所有系統用例的集合就構成了完整的系統功能。如圖5所示，針對該系統開展基于SysML語言的功能邏輯建模仿真，驗證功能需求與接口需求。同時，針對(機、電、液)系統專業要求，以專業仿真軟件進行建模仿真，基于Modelica語言對系統的性能指標進行仿真驗證。

圖5 機電液系統多學科需求開發與仿真驗證

1)基于模型的需求開發過程

在(機、電、液)系統多學科需求開發與仿真驗證過程中，(機、電、液)多學科需求開發的需求分析過程明確基于模型，而非基于文檔，(機、電、液)系統需求分析的輸入為上層的直升機產品需求。對于需求工程師或設計員而言，針對直升機不同類型的需求，選擇最合適的分析技巧，目的是便于需求的溝通交流、捕獲和確認；對于系統設計員而言，很多需求類型與設計過程中的問題相關。多數情況下，外部接口需求和其他一些性能需求與特定的設計管理問題關系緊密。基于模型的(機、電、液)系統需求分析過程實現利益攸關者需求轉換為系統需求描述，系統需求和上一層產品需求在需求管理系統中實現追溯，系統需求與描述使用場景或功能的用例關聯。

功能分析根據用例圖所表示的系統功能，分別依次創建表示功能邏輯過程的黑盒活動圖、表示系統交聯關系的黑盒順序圖、表示系統接口信息的黑盒接口圖以及表示系統狀態行為變化的黑盒狀態圖等模型，并對模型進行執行，以確認系統需求。根據相關規范和以往經驗，對系統架構進行權衡分析，根據黑盒活動圖將系統的各功能分配至子系統，分別依次創建白盒活動圖、白盒順序圖、白盒內部塊圖和白盒狀態圖，最終實現評估優化。

2)基于模型的邏輯建模仿真驗證過程

基于上述需求開發之后的系統邏輯架構，在CAD設計工具中開展系統機械機構的線框圖設計，得到物理架構；通過邏輯架構到物理架構的映射，得到(機、電、液)系統的一個或多個物理架構，利用多物理域系統仿真工具，并通過各專業仿真方法和流程規范，對系統的物理架構進行權衡分析，確定最佳系統設計方案。

3.2.4 軟件工程系統需求開發

軟件工程系統的需求開發相比機械系統、電氣系統等其它系統較成熟。其開發過程類同于(機、電、液)系統多學科基于模型的需求開發，即基于SysML語言進行建模分析與設計，用全局視角分析軟件工程系統功能邊界及系統與外部Actor的交互關系，分析軟件工程系統在特定用例場景下具有的功能流和邏輯關系以及與外部發生的交互信息和響應，進一步分析軟件工程系統的狀態行為以及狀態之間的轉移，最后通過狀態機模型仿真運行，對軟件工程系統功能邏輯進行預先驗證。但是軟件工程系統需求開發過程也有其特殊性，即軟件需求開發是自頂向下逐層分解的過程，高層需求分解到分系統。這種分解和分配過程一直持續到達到可設計的需求[4]，最終目的在于融合模型、文檔驅動系統設計，結合軟件建模軟件工具，實現模型代碼的自動生成。

3.3 系統需求管理

需求管理是關系到需求開發結果的實現方式之一，作為一項技術，類同于直升機型號研制管理過程中的構型管理技術。構型管理是研究產品開發規律性的一門學科[5]。以直升機構型管理為基礎，保障直升機工程設計活動高效且有效，需求管理也需要建立需求捕捉和協同、文檔化和搜索，然后通過決策點將需求交付到直升機產品全生命周期下游的設計者；對需求池中收集捕獲到的關于直升機裝備的經驗、問題報告、標準、客戶要求、技術等需求文件進行組織管理，按需求層級劃分。需求管理業務層級可分為L1-L4，即L1為客戶需求，L2為產品需求，L3為分(子)系統需求，L4為設備零件需求，每一業務層級的需求管理業務流程如圖6所示。根據各系統、分(子)系統之間的層級關系，定義好需求模型之間的父子鏈接和衍生鏈接，形成直升機需求結構樹。這個過程中的關鍵在于定制直升機需求對象的屬性，包括：需求類型、優先級、需求來源、相關方、設計意圖、驗證意圖等。

圖6 各層級系統需求管理業務流程

同時，根據上述需求對象屬性中的優先級進行排序，定義需求基線。需求基線又稱為客戶基線[6]。需求基線必須經過評審，需求管理系統管理員定義基線并發布流程，構型管理人員根據優先級創建狀態基線和快照，設計員(或系統工程師)查看快照并對基線進行過濾，方便其使用。整個過程為：需求基線流程定義—需求基線創建—需求基線使用。

需求變更管理的目的在于對需求管理過程中出現變更流程的工作進行記錄，主要針對問題報告和需求變更單，以需求變更流程的方式，詳細說明問題報告管理流程和需求變更管理流程的狀態、遷移過程以及定制表單等。系統工程師與設計員首先在需求管理系統中發起變更申請，然后需求變更流程系統提供流程，創建完成需求變更流程，在需求變更流程系統中完成變更審批，最終在需求管理系統中完成需求更新。需求分析、需求分配和需求確認這幾個業務流程階段都有可能會進行需求變更工作。

4 直升機型號應用實踐

按系統工程方法定義下的直升機產品全生命周期的主要工作內容已發生包含平臺、架構、體系及過程等在內的質的變換[7]。已有多個民用直升機型號貫徹ARP4754A標準實現了需求條目化、結構化、可追溯管理，一個直升機型號的需求條目數量能達到數十萬條。在總體、航電等試點專業，利用需求管理系統、文檔生成工具以及需求變更管理工具初步建立了基于文檔的需求管理。通過需求分析流程生成的系統規范更加完整、正確、可追溯，已形成初步直升機級規范及主要系統初步需求文檔，并可自動生成文件；同時，系統逐層展開，上一層系統定義下一層系統的需求及相互間接口，完成了直升機各主要分(子)系統初步架構設計，這個過程中不僅定義了直升機，還定義其它交聯的外部系統。

在民用直升機先行先試的基礎上，某型軍用直升機型號還按照圖3流程，基于MBSE正向設計思想，構建了虛擬仿真作戰場景，完成了直升機級和任務系統級的需求分析與架構設計，并在典型專業上完成了分(子)系統級基于Harmony的建模仿真，形成了需求數據庫，基本實現了該型機基于MBSE正向設計的裝備需求論證。

5 結語

系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的方法[8]。直升機需求工程方法是為了讓直升機產品研發更好地定義，而不是像以前一樣的逆向研發模式；它是提升集成整個系統研發能力的技術，是真正意義上的關注整個直升機產品全生命周期；其本質是解決設計員研發設計流程的問題，而不僅是信息化工具和平臺。直升機需求工程方法是一種新的設計方法，是不同于MBD的設計方法。直升機需求工程方法中的系統建模要求培育的內容太多(包含方法、工具、平臺，尤其是設計員的設計習慣)，不僅要有會建模的設計員，也要有看得懂模型的設計員。

直升機需求工程中的模型是對設計的補充，不同的專業對模型的使用層次不一樣，應建立相應的規范和傳遞流程，在試點項目上多專業聯合推進需求開發與需求管理。將系統建模融入到當前直升機產品設計的產出(主要是需求論證報告、系統設計方案、需求規格等方面)基本可行，并能提高設計產出的質量，提升直升機產品設計能力。