民機自動飛控系統需求捕獲及確認策略研究

關鍵詞： 民用飛機 自動飛行 需求捕獲 需求確認

民用飛機的主要任務就是安全、有效、經濟地按要求的姿態和航跡完成規定的飛行任務。自動飛控系統是大型民用客機必不可少的組成部分，不需要駕駛員直接操縱，可以自動控制并穩定飛機姿態和航跡的系統。在機載設備的支持下，系統經過綜合計算得到飛機飛行的操縱指令，自動操控飛機的各操縱面，實現飛機姿態和航跡的穩定與控制，減輕駕駛員的工作負荷[1]。

目前，在民用飛機市場上，電傳方式是國內外的主飛控系統的控制方式。電傳方式作為大型民用客機自動飛控系統研制的關鍵技術，其對飛行的經濟性、舒適性提出高要求的同時，對安全性的要求也更為嚴苛[2]。隨著民用飛機的更新換代，自動飛控系統在功能上由最初的只有姿態角穩定功能的自動駕駛儀發展到當前可實現姿態、航跡以及速度同時選擇和控制的多功能系統[3]。

ARP 4754A 標準在闡述民用飛機與系統整體研制要求的同時，對需求管理過程提供了管理方法和確認內容，其核心思想是確認需求是正確且完整的，經過系統架構設計，將需求向軟件與硬件進行分配。

在自動飛控系統功能增加的同時，系統復雜度也有所增加，這也意味著可能會發生研制錯誤、產生非預期影響的風險[2，4]。因此，從正向設計出發，確定自動飛控系統產品是否實現滿足利益攸關方需求，確保設計需求正確、完整，并在實際環境中滿足使用要求的過程，對于開發出高度綜合化、集成化、復雜化和智能化方向的自動飛控系統愈發重要。

1 民機自動飛控系統概述

自動飛控系統相較于人工飛行控制系統，可以輔助飛行員對飛機進行飛行控制，對飛機的俯仰角穩定、滾轉角保持、高度改變及保持、自動著陸等進行自動控制，進而減輕飛行員的駕駛負擔，提高飛行品質，提升乘坐舒適性，提高飛機性能[5]。自動飛控系統可在起飛階段（飛機起飛、離場、爬升）、巡航階段、下降、進近著陸階段（進近、著陸、滑跑）全飛行階段使用，其功能如圖1 所示，主要包含飛行導引控制、自動推力、自動著陸、顯示告警、飛行包線保護等功能[6]，在控制過程中，飛行導引控制功能基于機上多源傳感器信號的數據（如慣導系統提供的姿態信息、飛管系統提供的指令信息、飛行控制板提供的控制指令等），進行姿態解算，提供飛行指引和自動駕駛功能，最終對飛機垂直方向和水平方向控制；自動推力功能通過計算油門桿指令信息，調節油門桿位置，進而實現發動機推力控制；自動著陸功能可根據不同的氣象條件對飛機在接近著陸階段進行精準控制，提升飛機在關鍵飛行階段的精密和安全進近[7]；通過顯示及告警信息，向飛行員提供飛行指引及自動駕駛的進出的狀態和故障告警信息；飛行包線保護功能則通過多工作方式的耦合工作，協同限制自動飛控系統在工作狀態下的飛行包線，提供全飛行過程中的速度保護功能。

隨著民機的快速發展，現代先進民用飛機上的自動飛控系統已由穩定飛機三軸角運動、功能簡單的自動駕駛儀發展為高度集成化的自動飛控系統專用模塊[8]，形成了高集成、高安全、高傳輸速率、多階段自動控制、模態復雜的先進民用飛機自動飛控系統。

2 民用飛機需求管理策略

2.1 需求管理目標

根據SAE ARP 4754A 提供的民用飛機或復雜系統的開發指南，可以在飛機或系統全研發過程中，根據產品研制階段，對不同階段的需求工作進行詳細分工和規劃，通過不同階段的需求管理工作，建立正確、完整的需求基線[9]。需求管理的目的是確保利益相關方對飛機系統需求理解的一致性。在需求管理過程中，主要分為計劃管理、需求捕獲、需求確認、需求的可追溯性管理。

2.2 需求管理計劃

設計初期，根據產品開發階段，制訂確定需求管理計劃，對需求管理要素進行規劃和工作開展提供指導，為需求管理活動的開展提供依據[10]。包括產品設計各階段的需求工作（輸入、活動、輸出），需求的管理工具、需求的標準確定、需求確認過程中的方法等。

2.3 需求識別、記錄、修改

需求的來源主要包括：（1）來自飛機級的需求；（2）來自公共專業領域的需求；（3）其他系統對于該系統的需求；（4）此系統自身專業的需求；（5）適航條款要求。

需求工程師根據以上需求類別進行需求的全面捕獲，在需求捕獲與確認階段形成初步的系統級需求規范和矩陣，建立系統架構和設計工作的基礎。在需求基線管理的過程中，對需求的捕獲及修改需要經過充分的確認和過程記錄，在經過構型管理委員會認可后，方可納入需求基線，進行設計工作。

2.4 需求確認

需求確認往往在產品研制的全生命周期中持續進行。在產生研制的各個階段，通過不斷地進行需求確認，以增加系統的置信度。在需求確認過程中，可使用以下確認方法支持工作的開展，包括追溯性分析、分析、建模、試驗、相似（類比分析）、工程評審等。在需求確認過程中，不同研制保證等級的產品，其推薦的確認方法也有差異。在4754A 中推薦，產品的研制保證等級分為多個級別。其中，對于A 級、B 級和C 級的需求，進行追溯性審查是必須的，對于產品研制保障等級為C 級，對于其需求只需采取分析、建模、試驗、相似或工程評審等方法，即可滿足適航需求。相對而言，對于A級或B 級產品需求的確認需要采用多種方法結合的方式開展確認工作，以確定其置信度[11]。對于自動飛控系統，主機分配的系統研制保證等級多為A 級（或B級），因此，對于自動飛控系統的需求確認過程要求十分嚴格。

2.5 需求的可追溯性

追溯分為3 種：一是需求源的追溯，在對需求捕獲的過程中，要確保需求來源的準確性和可追溯性；二是需求的捕獲、確認、實施、驗證過程是可追溯的；三是在需求確認過程中，追溯是通過檢查較低層級需求能否滿足已經確認的較高層級需求，進而保證系統需求的完整性。

3 某型飛機自動飛控系統需求管理策略

結合某型自動飛控系統的研制工程實踐，從計劃階段出發，在產品的需求階段、初步設計階段、詳細設計階段、產品實現集成和驗證階段、飛機級集成和驗證階段按需求管理計劃對需求進行全生命周期的管理工作，可根據如圖2 所示的需求管理策略進行需求管理。

在民用飛機自動飛控系統的研制過程中，分為以下幾個階段。

3.1 計劃階段

此階段主要對民用飛機自動飛控系統的各類開發計劃及標準進行確認，為全生命周期的開發活動提供計劃和標準依據。在此階段，形成需求管理計劃及需求確認計劃，形成需求管理活動的輸入、活動、輸出、管理工具、管理團隊、需求表示、確認方法、獨立性等要求，用于指導項目全生命周期中的需求管理和確認工作，同時為過程保證人員提供過程保證工作輸入。某型自動飛控系統的需求管理計劃包括以下內容。

（1）組織機構及主要職責。對參與需求管理的各相關方進行職責描述。（2）需求管理流程與活動。對需求管理活動在產品研制階段中的各個階段的輸入、活動及輸出進行規定和約束。（3）需求屬性。規定需求的屬性類別及標識標準，確保需求在同一規則下進行控制。（4）工具和方法。對需求管理的工具（如捕獲工具、管理工具、確認工具）進行工具類型、使用約束、權限規定等描述。（5）輸出物。描述需求管理過程中各階段的輸出物，形成在需求管理過程中的數據。

3.2 需求捕獲與確認階段

在該階段，主要開展需求的識別、記錄工作，形成條目化的系統需求規范，發布需求基線。在該階段開展需求確認，對產品需求的正確性與完整性進行確認和分析，為自動飛控系統按正確的需求開發工作提供設計保證。

例如：某型自動飛控系統的需求規范至少包括：功能需求（對產品的功能性要求進行全面描述）、性能需求（對產品要實現的性能參數進行確定性規定）、安裝需求（對產品的安裝位置、安裝尺寸、安裝方式等進行詳盡描述）、接口需求（描述產品的外部交聯的電氣接口和機械接口）、安全性需求（描述產品的各類安全性要求）、可靠性需求（產品的可靠性指標要求）、維修性需求、測試性需求、環境適應性需求（產品需滿足的外部環境特性要求）、適航需求（產品需滿足的適航條款要求）、設計與約束需求等內容，確保此系統的功能及性能完整性。

在某型自動飛控系統需求確認過程中，根據需求要素、確認要素，結合需求確認矩陣、需求正確性及完整性檢查單，形成需求確認證據。其中需求確認矩陣可以根據圖3 進行要素分解。

在需求確認過程中的正確性檢查單需包含以下要素：（1）需求正確性（如無二義性、不冗余、無錯誤、不沖突、可滿足、確定性、采用正面肯定語態、衍生需求有證據支撐、需求來源正確、無多重特征、唯一標識等）；（2）需求必要性；（3）需求一致性；（4）安全性內容覆蓋性（如系統失效狀態分類正確且確定、考慮了不安全設計和錯誤設計的影響等）。

在需求確認過程中的完整性檢查單需包含以下要素。（1）追溯性。與上層級需求追溯性的建立。（2）需求集覆蓋性。如系統功能的覆蓋情況、規章標準和指南的符合情況、需求屬性的全面性等。（3）相關性。如外部接口確認、特定需求的對應禁止需求的考慮等。（4）詳細性。如對每個接口的限制條件的定義詳細及清晰、對假設的定義和描述是否清楚（若有）等。

3.3 初步設計階段

在此階段，主要根據系統需求開展架構設計與需求分解工作，形成軟硬件的高層級需求。在此階段，可能會開展需求修改及衍生需求的管理工作。對于在此階段所產生修改的需求及衍生需求，經充分的確認工作后，納入需求基線，指導產品設計。

3.4 詳細設計階段

在此階段，需求管理工作的內容基本與初步設計階段要保持一致。需要注意的是，在需求管理過程中，對衍生需求的分析及安全性要進行充分評估，以確保衍生需求不會對系統的安全性產生影響。

3.5 系統實現、集成和驗證階段

此階段的重點工作主要在基于需求的驗證層面，若涉及需求更改，則需要經過充分論證與安全性評估。

3.6 飛機級集成和驗證階段、

此階段的主要目的與上一階段基本一致。在此階段需對需求與設計實現進行充分驗證。對于設計實現不符合需求要求的內容，要對設計實現進行自上而下的確認和追溯。若由于頂層需求或在需求分解過程中產生的需求與功能不一致問題，需求修改工作亦需經充分論證與安全性評估，經構型控制委員會及利益攸關方確認和同意后，方可將修改的需求納入需求基線，進行設計小改或設計大改。

4 民用飛機自動飛控系統需求捕獲與確認過程

結合民用飛機自動飛控系統需求管理策略及工程實踐，民用飛機自動飛控系統需求捕獲與確認過程如圖4 所示。

（1）在系統計劃階段，完成自動飛控系統需求管理計劃（含需求確認計劃，可獨立形成計劃）及需求標準，并開展評審。（2）開展需求管理計劃及需求標準評審，通過評審即轉入需求捕獲階段，不通過評審則進一步完善需求管理計劃及需求標準。（3）取得評審通過結論后，結合飛機級需求、相關適航規章要求、相似系統工程經驗，開展對系統的需求識別及記錄工作，形成自動飛控系統需求規范。在產品開發過程中，如有個別需要修改的要求，則重復進行需求識別過程。（4）根據自動飛控系統需求規范，形成系統需求初步確認矩陣，轉入需求確認工作。（5）根據對需求的正確性和完整性確認，如確認有效，則生成需求確認結果，保留需求確認證據及需求確認矩陣，發布確認有效后的自動飛控系統需求，形成需求基線。對當前階段無法確認的需求則在恰當階段開展確認工作，對當前階段確認無效的需求，進行需求修改或不納入需求規范。

5 結語

在民用飛機自動飛控系統設計過程中，系統需求捕獲與需求確認是一項關鍵且復雜的系統工程，需求的正確性及完整性影響系統設計實現的正確性和產品的安全性。在需求捕獲之初建立完整、全面的需求捕獲與需求確認計劃，在產品需求捕獲完整且進行充分確認后，保留相關過程證據，并進行完整的構型管理，正式發布需求基線，指導自動飛控系統在全生命周期進行管理。