中航工業(yè)西安計算技術(shù)研究所 毛 寧 呂 偉
飛機(jī)航空電子系統(tǒng)(簡稱:航電系統(tǒng))關(guān)系到飛機(jī)的可靠性、安全性、重量、體積及成本,是飛機(jī)上最重要的子系統(tǒng)之一。航電系統(tǒng)作為一個復(fù)雜學(xué)科和一種高精尖技術(shù),在飛機(jī)中的地位日益提高[1],其成本已超過飛機(jī)總成本的30%(現(xiàn)代軍用飛機(jī)航空電子系統(tǒng)已接近整機(jī)出廠成本的40%~50%[2])。先進(jìn)航電系統(tǒng)已經(jīng)是現(xiàn)代軍機(jī)作戰(zhàn)效能的標(biāo)志, 也是民機(jī)安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的重要保障[3]。
航電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅速,隨著平臺中心向網(wǎng)絡(luò)中心思想的演變,飛機(jī)對機(jī)載電子設(shè)備的性能要求進(jìn)一步深化,航電系統(tǒng)綜合化結(jié)構(gòu)從早期物理上分離的功能子系統(tǒng)向概念上的功能區(qū)方向發(fā)展。短短30年的時間里,波音777/787、空客A380等民機(jī)的先進(jìn)航空電子系統(tǒng)以及F-22、F-35等第四代飛機(jī)的航電結(jié)構(gòu),經(jīng)歷了從聯(lián)合式體系向綜合模塊化航電體系IMA,乃至分布式綜合模塊化航電體系DIMA發(fā)展的過程[4]。單項技術(shù)朝著越來越尖端、系統(tǒng)技術(shù)朝著越來越復(fù)雜的方向不斷發(fā)展,以及向 “開放式、綜合化、模塊化、資源共享”的模式演進(jìn),給航電系統(tǒng)研發(fā)和系統(tǒng)集成帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題,美軍早已提出了基于需求的系統(tǒng)工程(Requirements Based Engineering, RBE)?;谛枨蟮墓こ掏ǔ1徽J(rèn)為是獨立于機(jī)載設(shè)備研制的系統(tǒng)工程(SE)學(xué)科,包括需求工程(RE)、構(gòu)型管理(CM)、驗證和確認(rèn)(V&V)以及設(shè)計。目前RBE已經(jīng)在A400M、A350飛機(jī)得到了重大應(yīng)用[4]。
本文對航電系統(tǒng)復(fù)雜性需求獲取問題進(jìn)行了梳理,研究基于需求的工程方法在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計過程中的應(yīng)用,指出在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)研發(fā)中應(yīng)用RBE方法有助于項目的順利實施,并以某型航電系統(tǒng)為例,著重說明需求工程在航電系統(tǒng)研發(fā)過程
中的重要作用。
航電系統(tǒng)研發(fā)過程中主要存在以下幾個問題:
(1)研發(fā)模式面臨轉(zhuǎn)變。隨著技術(shù)的發(fā)展,航電系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)模式已經(jīng)由“需求滿足型”向“需求驅(qū)動型”轉(zhuǎn)變。在系統(tǒng)研發(fā)過程中,需要根據(jù)主機(jī)的要求,進(jìn)行功能探索和細(xì)化,并自頂向下將功能分配至各部件,這種研制模式更注重架構(gòu)設(shè)計、多部件協(xié)調(diào)優(yōu)化和系統(tǒng)集成。在由“需求滿足型”向“需求驅(qū)動型”轉(zhuǎn)變的過程中,需要應(yīng)用系統(tǒng)工程的方法對機(jī)載設(shè)備研制過程進(jìn)行指導(dǎo)。
(2)文檔驅(qū)動的研制過程引發(fā)諸多問題。航電系統(tǒng)產(chǎn)品雖然在整個飛機(jī)系統(tǒng)中技術(shù)變革快,但是產(chǎn)品研制過程還處在傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程階段,還是以文檔作為各個階段數(shù)據(jù)傳遞的核心,且通過大量文件對階段性成果進(jìn)行描述和評審,并通過文件驅(qū)動過程。文檔規(guī)模大、版本多,技術(shù)狀態(tài)不容易控制,評審較為困難,不容易發(fā)現(xiàn)問題,且研制過程中的需求散落在各個文件中,查找和共享不便捷,文檔中的需求描述存在不確定性,可能造成理解歧義,導(dǎo)致需求和設(shè)計脫節(jié)。
(3)需求變更頻繁。航電系統(tǒng)屬于信息技術(shù)行業(yè),技術(shù)革新快,而目前的需求管理水平不完善,缺少有效手段提供需求變更的快速反應(yīng)機(jī)制,導(dǎo)致在研發(fā)過程中難以在主機(jī)需求出現(xiàn)變更時,評估需求變更給研制帶來的影響,易造成無法預(yù)估和控制,從而影響飛機(jī)的正常研制工作。
(4)系統(tǒng)集成難度高,缺少明確的測試要求。飛機(jī)各系統(tǒng)在研制過程中需要開展相關(guān)的試驗測試工作以驗證所開發(fā)的產(chǎn)品是否滿足設(shè)計需求,最終需要將各系統(tǒng)綜合集成,并通過飛機(jī)整機(jī)試驗測試以驗證飛機(jī)是否可以實現(xiàn)既定的功能、滿足飛機(jī)設(shè)計需求和用戶需求。缺少完整、正確的需求以及相應(yīng)的測試要求,都無法有效開展各項測試工作以驗證飛機(jī)滿足最初要求[5]。
需求工程是所有與需求有關(guān)活動的通稱,包括需求開發(fā)和需求管理兩個方面, 具體內(nèi)容如圖1所示。
圖1 需求工程基本內(nèi)容
現(xiàn)代戰(zhàn)爭突破了傳統(tǒng)模式,發(fā)展成為陸、海、空、天、電磁、網(wǎng)絡(luò)六位一體的立體戰(zhàn)爭。在現(xiàn)代戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)中,目前航電系統(tǒng)所提供信息已無法滿足作戰(zhàn)需要, 必須運用綜合化的航電系統(tǒng)提供必要的觀測信息,實時進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理來獲得狀態(tài)估計、目標(biāo)屬性、態(tài)勢評估、威脅估計等作戰(zhàn)信息,并將這些信息提供給飛行員及地面指揮中心做判斷。當(dāng)前系統(tǒng)的需求開發(fā)就是基于這樣的情況提出,如何通過調(diào)查與分析獲取用戶乃至作戰(zhàn)需求并定義產(chǎn)品需求,對打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭具有重要的意義。筆者梳理了當(dāng)今流行需求開發(fā)方法,主要概括為基于場景實例的方法、基于原型的方法、基于知識的方法[6]。
(1)基于場景實例的方法。
基于場景實例(Scenario-Based)的方法是當(dāng)前研究較多的一種方法。該方法從用戶(利益有關(guān)方)角度設(shè)想和期望目標(biāo)系統(tǒng)的行為和功能邏輯,以此來理解、分析和描述目標(biāo)系統(tǒng)。目前采用最多的是用Use Case(UC)圖來表示用例場景。Use Case是一種可視化場景建模方法[5]?;舅悸肥牵菏紫却_定系統(tǒng)的邊界,然后在系統(tǒng)邊界外發(fā)現(xiàn)用例的使用者,即主角。此后,確定系統(tǒng)的功能和活動,即用例?;趫鼍暗男枨蟛东@關(guān)鍵是確定正確范圍,明確系統(tǒng)邊界。明確系統(tǒng)邊界的關(guān)鍵在于描述交互,而不是內(nèi)在的系統(tǒng)活動。UC 方法旨在方便涉眾從較高的抽象層次上來理解系統(tǒng)的行為。用例模型是從系統(tǒng)環(huán)境的視角描述系統(tǒng)的行為,屬于系統(tǒng)的黑盒模型,通常是按事件發(fā)生的時間順序來描述系統(tǒng)行為。
(2)基于知識的方法。
基于知識的方法與基于場景實例的方法不同,目標(biāo)在需求開發(fā)中起著重要的作用,并且需求的本質(zhì)就是達(dá)到一個目標(biāo)。比較典型的工作如Sutcliffe和Maiden 的基于類比推理的領(lǐng)域模型重用、KAOS項目的元模型制導(dǎo)下的需求獲取[7-8]。該方法采用了目標(biāo)概念,并提出了一種從系統(tǒng)級目標(biāo)和組織環(huán)境目標(biāo)來獲取需求說明的方法,其目的是支持面向目標(biāo)的整個需求獲取和建模過程,復(fù)合系統(tǒng)不但包括系統(tǒng)本身,而且包括其所處的組織環(huán)境。采用目標(biāo)的方法以該復(fù)雜系統(tǒng)及組織環(huán)境為研究背景,試圖以本體和領(lǐng)域本體作為需求獲取過程的基本線索,引導(dǎo)用戶全面描述現(xiàn)實系統(tǒng),并通過重用領(lǐng)域模型,構(gòu)造應(yīng)用軟件的需求模型。該方法的特點是有益于精確定義需求,有益于需求文檔的書寫更方便,有利于最終需求說明書更容易被理解。
(3)基于原型的方法。
航電系統(tǒng)所有設(shè)計活動的根基與系統(tǒng)和利益有關(guān)方的匹配程度息息相關(guān)?;谠偷姆椒òㄐ枨蟛东@、需求分析和需求定義3個活動,這3個活動有先后順序,需求捕獲的主要目的是通過采訪、調(diào)查、溝通等途徑獲取利益有關(guān)方的需求,并最終形成用戶頂層要求[9]。需求分析是對各種途徑獲取的用戶需求原始信息進(jìn)行分析、歸類、總結(jié),也可以使用SysML建模語言對需求進(jìn)行建模,形成每一個用例的活動、順序、狀態(tài)模型,并最終來驗證需求的合理性。
航電系統(tǒng)包括通信系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)、操作系統(tǒng)、硬件及其驅(qū)動程序和一組用于配置的軟件工具鏈。在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中必須考慮許多約束和需求,所以航電系統(tǒng)存在著天生的需求易變問題,需求不穩(wěn)定,需求本身改變/拓展,并隨時間發(fā)生變化。而這些問題的解決依賴于先進(jìn)的需求管理技術(shù)[10-11]。需求管理是一個動態(tài)管理過程,主要包括版本控制、需求變更管理、需求追溯、狀態(tài)追蹤活動。目前,需求分析和管理成為建立企業(yè)能力的關(guān)鍵一步,也成為自主創(chuàng)新、建立中國品牌的關(guān)鍵一步。
每一項需求在項目不同階段有著不同的成熟度,隨著工程的不斷推進(jìn),系統(tǒng)研發(fā)人員對于所開發(fā)的系統(tǒng)認(rèn)識逐步具體、全面,需求的成熟度不斷發(fā)生變化,同時眾多利益有關(guān)方的要求變化也會使產(chǎn)品的需求發(fā)生變化,因此需求的變更貫穿于整個項目的生命周期。
如圖2所示,展示了利用IBM DOORS工具進(jìn)行需求管理的路線圖。首先,需要建立并理解需求流程,這樣可以從中識別出各種與需求相關(guān)的不同類型的信息,以及各種不同類型信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。根據(jù)這些可以建立信息的邏輯模型。接下來的工作就是將它們“映射”到DOORS工具,如DOORS中的結(jié)構(gòu)、模塊、文件夾、項目、屬性。為了嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)的活動和設(shè)計結(jié)果滿足系統(tǒng)需求,有必要對需求的狀態(tài)進(jìn)行追蹤,建立需求與架構(gòu)、方案及產(chǎn)品測試等數(shù)據(jù)間的追溯關(guān)系,驗證和確認(rèn)產(chǎn)品開發(fā)的各個階段所開展的設(shè)計活動、設(shè)計結(jié)果是否滿足需求,并可迅速提供需求的符合性檢查。
圖2 需求管理流程架構(gòu)圖
需求確認(rèn)是為了保證所定義的需求是正確的、完整的,可以滿足市場需求以及所有相關(guān)方的需求。需求確認(rèn)是站在需求及用戶的角度來看設(shè)計方案及產(chǎn)品是否滿足用戶和上一層需求。在航電系統(tǒng)研制過程中,需求的確認(rèn)與設(shè)計工作是一個互相迭代的動態(tài)過程。但一般看來,在產(chǎn)品研制初期提高需求的正確性和完整性,可以有效減少設(shè)計迭代、縮短研制周期、降低研制成本[12]。
需求驗證的目的是證明所設(shè)計的產(chǎn)品或系統(tǒng)滿足相應(yīng)層級的需求,產(chǎn)品或系統(tǒng)可以實現(xiàn)既定功能。通過需求模型或者產(chǎn)品檢查需求的一致性、完備性和準(zhǔn)確性。驗證方法包括形式化驗證和可執(zhí)行模型驗證,形式化驗證通過語義分析、邏輯性分析來檢查需求的正確性和一致性;可執(zhí)行模型驗證通過建立可執(zhí)行模型對需求進(jìn)行動態(tài)分析,驗證需求的正確性。需求驗證工作的輸入是飛機(jī)或者系統(tǒng)經(jīng)過確認(rèn)的需求,采用檢查、評審、分析、試驗、建模等方法驗證所設(shè)計的產(chǎn)品或者系統(tǒng)滿足相應(yīng)層級的需求。
圖3為系統(tǒng)驗證和確認(rèn)關(guān)系,確認(rèn)和驗證的區(qū)別是:確認(rèn)的目的是證明系統(tǒng)的需求是正確的和完整的,而驗證的目的是證明需求的實現(xiàn),也就是系統(tǒng)能夠滿足需求。
基于需求的工程(RBE)是對需求工程(RE)的延伸,應(yīng)ISO/IEC 15288系統(tǒng)工程要求實施的活動,并貫穿于飛機(jī)項目的全壽命周期。RBE的最終目標(biāo)是:全面滿足客戶的需求,縮短型號研制周期,全面支持合格審定,使項目時間、成本和質(zhì)量達(dá)成最佳平衡,減小產(chǎn)品研制重復(fù)工作并降低風(fēng)險,提升產(chǎn)品研制的成功率[13-14]。
圖3 系統(tǒng)驗證和確認(rèn)關(guān)系
RBE重點是準(zhǔn)確捕獲并定義所開發(fā)系統(tǒng)的需求,在產(chǎn)品研制整個壽命周期實施需求管理, 在整個壽命周期內(nèi)所有的設(shè)計活動均圍繞最初的設(shè)計需求而開展。圖4給出了RBE方法在系統(tǒng)研制過程中的應(yīng)用流程,首先捕獲客戶需求,其次,通過需求分析活動定義系統(tǒng)需求,并根據(jù)系統(tǒng)需求研制產(chǎn)品,在產(chǎn)品的制造過程中,通過產(chǎn)品驗證和系統(tǒng)確認(rèn),分別驗證產(chǎn)品已經(jīng)滿足系統(tǒng)需求和客戶要求,有效保證了設(shè)計與需求之間的一致性。
現(xiàn)以某飛機(jī)航電系統(tǒng)使用場景為例,簡要說明需求捕獲、確認(rèn)驗證及管理過程。航電系統(tǒng)在飛機(jī)中的定位如圖5所示,航電系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、動力系統(tǒng)連接,由多個傳感器、模塊及其軟件組成,為用戶(包含飛行機(jī)組、地勤和空勤)提供飛行參數(shù)、飛機(jī)系統(tǒng)和飛機(jī)環(huán)境信息顯示、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和飛行計劃管理、飛控系統(tǒng)自動飛行的飛行引導(dǎo)數(shù)據(jù)、飛機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄等功能。
設(shè)計者首先對航電系統(tǒng)的應(yīng)用場景進(jìn)行想定,如假設(shè)滑跑、爬升、巡航、降落等階段的航電系統(tǒng)應(yīng)用場景,描述各個階段應(yīng)用場景下航電系統(tǒng)的操作流程,每一步操作即為一個用例,描述和分析每個用例的操作步驟的目的、初始條件、環(huán)境、主體,描述的是用戶如何使用系統(tǒng),而非系統(tǒng)能提供什么功能??偨Y(jié)用例分析結(jié)果中所有相關(guān)信息形成用戶需求,用戶需求是產(chǎn)品的研制總要求,是從用戶的角度對產(chǎn)品進(jìn)行的直觀描述。用戶需求分析后,衍生并分解形成產(chǎn)品需求并展開設(shè)計,所有需求的處理工作在DOORS工具下完成。
飛機(jī)的整個工作過程可以分為暖機(jī)、起飛、爬升、巡航、下降、著陸6個剖面,假定飛機(jī)暖機(jī)過程中,如圖6所示航電系統(tǒng)的工作過程為:系統(tǒng)開機(jī)后進(jìn)行飛行前準(zhǔn)備(飛行計劃、系統(tǒng)檢查)、任務(wù)確認(rèn)、起飛爬升、巡航等,巡航過程中涉及飛行監(jiān)控和監(jiān)控對象,飛行準(zhǔn)備中涉及飛行計劃導(dǎo)入和系統(tǒng)檢查,每一步驟即為一個用例。
圖4 RBE一般過程
圖5 航電系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系圖
現(xiàn)以UC1為例進(jìn)行分析,如航電系統(tǒng)上電過程條件是外部應(yīng)有面板提供按鈕,應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行操作起動其他設(shè)備,應(yīng)通過座艙維護(hù)顯示檢查各設(shè)備是否起動。在此過程中,系統(tǒng)開發(fā)者還須考慮各個利益攸關(guān)方所關(guān)注的其他問題,如系統(tǒng)服務(wù)、系統(tǒng)必需的性能、硬件約束等條件,將所有信息進(jìn)行梳理以形成原始需求文檔。如表1所示,基于場景的UC描述必須包括標(biāo)識、標(biāo)題、目的、環(huán)境、描述、結(jié)束狀態(tài)。
圖7為航電系統(tǒng)需求信息架構(gòu)示意圖。根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求和系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與要求,開展相關(guān)設(shè)計工作并最終形成系統(tǒng)級需求,并將系統(tǒng)級需求分配給相應(yīng)的系統(tǒng)作為系統(tǒng)開展設(shè)計活動的輸入。
需求的確認(rèn)一般發(fā)生在研制周期的初期,責(zé)任主體是系統(tǒng)的集成者,在需求定義的每一個層次(包括飛機(jī)級需求、系統(tǒng)級需求和部件級需求)上都要進(jìn)行需求的確認(rèn),這與安全性方面的工作是一樣的,如圖7所示,在DOORS中建立用戶需求與系統(tǒng)需求、系統(tǒng)需求與測試性的追溯報告,整個需求追蹤關(guān)系清晰明確,當(dāng)需求發(fā)生變更可以迅速確認(rèn)變更范圍,評估需求變更將會造成的影響。
需求驗證是一件十分復(fù)雜的工作,有模型仿真驗證、相似性分析、試驗驗證等方法,可見很大程度上是基于分析的活動,它需要證實每個階段都符合前面階段所定義,仿真模型是構(gòu)建仿真模型體系和仿真系統(tǒng)的核心,在運用仿真驗證法驗證需求時,首要的是要通過建立可信賴的仿真模型體系和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來保證仿真模型的可信性,并通過模型的動態(tài)演示驗證需求的正確性,圖8所示是基于模型仿真驗證的需求驗證實例,仿真驗證環(huán)境主要在Matlab/Simulink中構(gòu)建,并通過DOORS接口工具完成需求條目和仿真模型的追蹤,保證了需求被正確實現(xiàn)。
圖6 航電系統(tǒng)暖機(jī)過程操作流程
表1 User Case場景描述
圖7 基于追蹤的需求管理視圖
需求管理工作貫穿于整個產(chǎn)品的研發(fā)工作,通過開展需求的狀態(tài)追蹤可以實時掌握需求的狀態(tài),必須合理有效控制需求條目的版本變更,才能保證客戶需求的正確實現(xiàn)[15-16]。需求管理還包括需求層級明確有效的追溯關(guān)系,復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)一般包含多個子系統(tǒng),這就涉及到需求的分配、分解而產(chǎn)生不同層級的需求,通過建立不同層級之間需求的追溯關(guān)系,可以清楚掌握需求的發(fā)展情況、了解不同層級之間需求的關(guān)系,同時所建立的追溯關(guān)系,也有助于在需求變更時評價需求變更后對于其他系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,以此來保證系統(tǒng)頂層設(shè)計要求被相關(guān)子系統(tǒng)滿足實現(xiàn)。
結(jié)合實際情況將信息架構(gòu)對應(yīng)至DOORS,并將需求的屬性、追蹤矩陣,需求的視圖在DOORS工具中定義和完善。圖9為航電系統(tǒng)需求信息架構(gòu)示意圖。根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求和系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)與要求,開展相關(guān)設(shè)計工作并最終形成系統(tǒng)級需求,并將系統(tǒng)級需求分配給相應(yīng)的系統(tǒng)作為系統(tǒng)開展設(shè)計活動的輸入。
為了適應(yīng)打贏未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的條件,航電系統(tǒng)的研制需建立起一整套滿足軍事需求分析的理論和方法[17]。目前,缺少有效的需求分析理論和方法指導(dǎo)。本文結(jié)合復(fù)雜航電系統(tǒng)的研制特點與實際問題,介紹了需求的分析方法、需求流程概念,并對需求捕獲技術(shù)進(jìn)行了深入探討,舉例說明需求定義及需求管理具體內(nèi)容,將RBE方法應(yīng)用于航電系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程,對現(xiàn)階段產(chǎn)品研制有重要實踐作用。
圖8 基于需求的設(shè)計驗證
圖9 需求的分解和傳遞過程
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