電傳飛控系統需求捕獲和確認技術研究

張松 房峰 李小光

摘? 要：該文首先介紹電傳飛控系統的重要性和發展趨勢，并基于美國國防部體系結構框闡明飛控場景建模的步驟和方法。其次介紹飛機場景捕獲的由來，分析了場景對當今民機電傳飛控系統捕獲的重要意義。最后基于飛控電傳系統需求確認目的，對電傳飛控系統需求確認的方法和過程展開討論，形成了對電傳飛控系統需求捕獲和確認技術的閉環論述。

關鍵詞：電傳飛控系統? 場景建模? 需求捕獲? 需求確認

中圖分類號：V249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0031-03

Research on Requirements Acquisition and Validation Technology for Fly-by-wire Flight Control System

ZHANG Song? FANG Feng? LI Xiaoguang

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016? China）

Abstract： Firstly， this paper first introduces the importance and development trend of fly-by-wire flight control system（FTCS）， and then illustrates the steps and methods of flight control scenario modeling based on the architecture frame of the U.S. Department of Defense. Then it introduces the origin of aircraft scene capture and analyzes the significance of scene capture for civil aircraft fly-by-wire flight control system. Finally， based on the purpose of FTCS requirement confirmation， the method and process of FTCS requirement confirmation are discussed， forming a closed-loop discussion on FTCS requirement capture and confirmation technology.

Key Words： Fly-by-wire flight control system; Scene modeling; Demand capture; Demand confirmation

商用飛機產品具有利益攸關方眾多、全生命周期場景多、功能集成度高等特點，商用飛機產品研制模式不斷轉變，而且科學技術不斷發展演進，加之信息化技術的不斷發展，國外商用飛機主制造商紛紛基于需求工程、滿足系統工程要求的工作方式，開展商用飛機的研制，需求逐漸變成了飛機系統研制的基礎，商用飛機的研制要綜合權衡所有利益攸關方的需求實現產品最優。

傳統上用于確定性風險或常規的、非復雜系統的設計和分析方法，已無法向FBW系統提供充分的安全性保證。因此，過程保證和V&V（Validation and Verification，即確認與驗證）體系組合的研制保證技術已大量應用于FBW系統的研制，以確保安全性需求得到滿足和引起失效狀態的研制差錯降低至可以接受的安全性范圍內。

1? 基于場景分析的電傳飛行控制系統需求捕獲方法

“需求捕獲完整”是需求和產品設計的前提，應充分識別利益攸關方，全面挖掘客戶內在需求，綜合權衡各方訴求，形成產品的正確定位。對于一個商用飛機項目來說，客戶的聲音、民航運輸系統的要求、行業標準、適航規章、運營維護要求，這些都是需要的輸入。

需求捕獲是確保項目需求能充分反映利益相關方的各項要求和項目自身特點。鑒于產品的復雜性，需求捕獲即產品設計的頂層考慮得全面完整，是很難做好的。因此，為了做到需求捕獲完整，應從多個維度不同場景去考慮產品，確保全面性和完整性。

什么是場景？場景是系統在產品的制造、使用、維修等過程中，產品與其操作者、外部環境對象之間相互交互、相互作用過程中的事件和關系的結合。

對于商用飛機產品而言， 飛機的場景是指駕駛員、乘客、維修等人員，在某個飛機運行的階段（比如爬升的飛行階段）、內外部環境以及飛機內部不同狀態下的人機交互以及系統間交互的事件與關系的組合。

場景分析的目的是通過分析飛機及其功能在各種場景中的行為活動及外部交互關系，在產品構思過程中，通過對各類場景在人腦海中的預想和設想，開展基于場景分析的需求捕獲，進一步保證產品盡可能考慮全面，降低重要需求被忽視的可能性，尤其是商用飛機產品作為高度重視安全與質量的產品，對于故障、異常等場景的考慮和其中所派生的需求是需求捕獲工作的重點和關鍵之一，因此采用場景分析的辦法，可以確保前期捕獲的需求更加完整和準確[1]。

場景分析主要包括如下工作。

（1）識別明確商用飛機產品的場景，不同場景應涉及不同的運用階段（When）、環境（Where）、參與方（Who）、目的用途（Why）等要素。

（2）正確分析了在各種場景中的行為活動及外部交互關系，理解在某個場景下，基于客戶的需求和產品的目的，預期的參與方（不僅是人，還包括系統）的交互行為和解決方案（How），這里面應分析不同參與方的交互、時序和邏輯等關系，為進一步理清系統行為奠定基礎。

（3）基于梳理的參與方的交互行為和功能要求，形成對飛機相關方系統的功能和需求以及相互之間接口關系、傳遞內容和邏輯。

場景分析應做到“全面”，場景分析的全面是保證功能和需求的完整的手段。如何確保全面，應該從如下幾個方面入手。

首先，要保證場景識別的全面，全面準確地識別了與飛機及其功能相關的各個場景，場景應囊括方方面面，從產品的生命周期考慮，包括運行概念（Operational Concept，或稱為Concept of Operations，CONOPS）、制造概念（Production Concept）、支持概念（Support Concept）、退役報廢概念（Disposal Concept）。

其次，針對每一個概念的場景分析中還應該進一步展開，比如：針對運行概念，飛機的幾十個子系統如何在不同的外部環境和內部狀態下，和操作人員一起，發揮各自應有的作用，順利安全地完成任務目標，這需要把場景一個一個地進行識別分析，最終確定飛機各功能和子系統的需求。

最后，場景分析應從任務階段、內外部環境和系統狀態等多維度進行綜合考量，梳理出不同維度組合下的場景，確保場景應盡可能地全面。這里不僅僅考慮正常的任務剖面（推出、滑跑、起飛、爬升、巡航、降落、著陸等），還應考慮非正常的任務剖面（如中斷起飛、降落復飛、備降等）;不僅僅考慮正常的外部環境，也應考慮惡劣極端的外部環境（冰雹、大側風、雷電、風切變等），除了飛機自身工作的正常，還應該包括各故障模式（如單發失效、客艙失壓、操控卡阻等）對飛機所帶來的影響，并綜合考慮解決這些問題所需要賦予飛機其他系統的功能需求，這樣才能確保場景分析的全面性[2]。

2? 電傳飛行控制系統需求確認

需求確認工作在項目的前期，發生在每個層級的需求定義后，對需求和假設進行確認的工作，確認過程的輸入包括系統描述（包含運行環境）、系統需求、系統架構定義以及研制保證等級等。需求的確認過程是為了確保所提出的需求足夠正確和完整，并且產品能夠滿足客戶、用戶、供應商、維護人員、審定局方以及飛機、系統和項目研制人員的需求。需求是否正確、完整直接影響設計研發活動的有效性和研發產品的質量[3]。

需求確認結果用于證實：需求可以正確地貫徹上一層級確定的預期需求和功能，對于下一層級的設計活動而言，該層級定義的需求是充分正確和完整的。

2.1 系統需求的確認

確認所構建的系統滿足系統設計需求與目標，確認活動就是將每一條需求嚴格地對應到合適的確認方法（如試驗和分析方法），將所有的確認內容形成確認矩陣的正式文檔，且該文檔應被批準和存檔。

2.1.1 轉階段設計評審

轉階段設計評審是需求確認過程和系統確認過程的一部分。電傳飛控系統和組件的設計需求進行系統頂層設計評審（SDR）、初步設計評審（PDR）和關鍵設計評審（CDR），在系統開發的主要轉階段節點上表明系統如何滿足相應的需求，并開展相應的構型管控[4]。同時，作為供應商驗證過程部分的部件級評審也相應進行。

2.1.2 支持飛機級需求確認的系統需求確認

飛機級的需求確認包括飛機級需求的評審和分析、綜合試驗室試驗和飛行試驗。FBW系統直接參與飛機級的需求確認，為系統提供了精確的和即時的確認[5]。

2.1.3 供應商驗證活動的管理

供應商完成系統部件或子系統的設計評審、分析和試驗，以驗證部件或子系統的設計滿足詳細設計要求，同時，對FBW系統的需求確認提供支持。

2.2 覆蓋率和追溯性

通過將設計需求和目標中的每條需求都分配到一個或多個確認活動中，以確保確認覆蓋率是完整的。完整的系統覆蓋率是通過每條開發需求都具有一定的嚴酷度等級。需求管理工具用于追溯需求分配確認活動、校核確認過程的完整性等。提供了嚴格的確認覆蓋率和追溯性、構型控制、確認文件和問題報告等。

2.3 需求確認方法

需求確認的正確性：保證需求陳述的正確性，其中需求的陳述需符合“SMART”原則，是指需求符合需求編寫要求相關的規定，需求不存在技術錯誤并且滿足父輩需求。需求確認的完整性：在保證一系列需求正確的前提下，檢查這一系列需求是否在所有運行模式和全壽命周期階段的運行環境下滿足客戶、局方等相關人員的利益。需求確認的方法包括追溯性和依據說明、分析、相似性、建模、試驗、工程評審[6]。

3? 結語

該文首先介紹了電傳飛控系統在民機中應用的重要地位和價值，闡述飛機場景建模在捕獲FBW系統完整需求的一般方法，最后從FBW系統需求確認目的和方法進行論述，形成一套較為完整的FBW系統需求捕獲和確認技術方法體系。

參考文獻

[1] 王勝利，李波.電傳飛控系統供電方案設計與分析[J].機械研究與應用，2018，31（2）：141-143.

[2] 邱軼峰.基于需求模型的復雜飛控系統軟件安全性分析方法研究[D].電子科技大學，2020.

[3] 張如佩.飛控系統的故障樣本選取與故障注入方法研究[D].南京航空航天大學，2017.

[4] 李良玉，張琦，張兆璨.電傳飛控系統曲線測量方法探究[J].科技風，2020（13）：117，119.

[5] 趙成，張棟善.電傳飛控系統供電保護方法探析[J].電子測試，2020（1）：120-121.

[6] 韓建輝，翦巍.電傳飛控檢測系統設計研究[J].航空科學技術，2018，29（11）：8-13.