基于系統(tǒng)工程的航空運輸系統(tǒng)建模方法

陳剛

摘 要結(jié)合實際項目對航空運輸系統(tǒng)仿真模型的建立方法進(jìn)行了研究。提出一套從利益相關(guān)者分析、需求定義至仿真模型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的完整建模方法。該方法基于國際系統(tǒng)工程委員會系統(tǒng)工程手冊設(shè)計，并增添了相應(yīng)的追蹤關(guān)系矩陣，保證了需求的可追溯性、可驗證性及模型間的一致性。最后給出使用該方法建立的一個仿真模型的測試結(jié)果，對方法進(jìn)行了可行性和有效性驗證。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)工程 航空運輸系統(tǒng) 建模 仿真

隨著科技的發(fā)展，民用飛機(jī)設(shè)計向著降低成本和提高安全性兩大目標(biāo)持續(xù)邁進(jìn)。但是究竟對飛機(jī)的哪項參數(shù)或者哪些配置進(jìn)行更改才能實現(xiàn)這個目標(biāo)，始終難以進(jìn)行系統(tǒng)的衡量。

本文旨在建立一套完整的仿真網(wǎng)絡(luò)，對飛機(jī)的更改后配置進(jìn)行系統(tǒng)性仿真，使飛機(jī)的設(shè)計方能夠完整預(yù)測新配置對整個航空運輸系統(tǒng)帶來的關(guān)鍵性影響。

航空運輸系統(tǒng)是系統(tǒng)的系統(tǒng)，包含航空公司、機(jī)場、飛機(jī)、ATM、飛機(jī)設(shè)計制造公司等系統(tǒng)，而各大系統(tǒng)本身又有復(fù)雜的組織架構(gòu)和業(yè)務(wù)邏輯。系統(tǒng)工程方法能夠為此類復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計建模提供一個有效工作環(huán)境，從需求階段開始，通過模型的不斷演化、迭代實現(xiàn)最終的設(shè)計目標(biāo)，同時通過系統(tǒng)工程理論中追蹤、驗證等方法確保設(shè)計結(jié)果的正確性和完整性。

本文作者以INCOSE（國際系統(tǒng)工程委員會）系統(tǒng)工程理論為基礎(chǔ)支撐，設(shè)計了一套從需求到最終仿真網(wǎng)絡(luò)搭建的完整方法。

1 建模方法設(shè)計

圖1所示為本項目的建模方法。模型分為兩大部分：基本模型和仿真模型。基本模型包括從利益相關(guān)者定義直至架構(gòu)定義的一系列模型?；灸Ｐ褪呛娇者\輸系統(tǒng)的靜態(tài)模型和業(yè)務(wù)模型的集合，是航空運輸系統(tǒng)的模型化體現(xiàn)，也是繼續(xù)構(gòu)建仿真模型的基礎(chǔ)依據(jù)。仿真模型是將基本模型中各模塊關(guān)系、算法使用建模方法進(jìn)行固化，并依據(jù)輸入?yún)?shù)的變化對各模塊的影響進(jìn)行量化和偵測的動態(tài)模型。仿真使用的模型類型可使用參數(shù)模型、網(wǎng)絡(luò)模型或其它適用于相關(guān)問題域的動態(tài)模型。

建模各環(huán)節(jié)描述如表1所示。

除了上述模型定義過程，在模型開發(fā)過程中還需記錄和維護(hù)幾種追蹤表，這些表確保了需求和模型、模型和模型之間的一致性，見表2。

航空運輸系統(tǒng)的復(fù)雜性使其無法一次性建模完成。本文設(shè)計的方法以螺旋式生命周期為基礎(chǔ)，在任一階段模型設(shè)計或仿真測試過程中，都可以根據(jù)需要回到需求定義階段重新開始，按順序向各個模型增添細(xì)節(jié)信息，并維護(hù)相應(yīng)的關(guān)系表。由于每次增量開發(fā)并不需要對已有模型進(jìn)行修改，因此并不會造成開發(fā)成本的浪費。

2 仿真模型測試

仿真模型是用于量化飛機(jī)配置更改所帶來的各種影響的最終手段。本文以一個利潤估算模型為例展示仿真模型的運行結(jié)果。該仿真模型以法蘭克福機(jī)場到紐約機(jī)場的航線為例，針對該航線上德國漢莎公司運行的全部四種機(jī)型（A380，A340，波音747-400和波音747-8）進(jìn)行利潤計算，并假設(shè)將該航線所有機(jī)型替換為A380后，對其利潤變化進(jìn)行仿真演示。

計算過程中所有航班數(shù)據(jù)均來自于德國漢莎公司2015年的真實飛行記錄。

仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2紅色曲線代表年度總座位數(shù)，藍(lán)色曲線代表總利潤，X軸數(shù)字代表A380航班數(shù)。由結(jié)果可知，A380在完全替換其余兩種機(jī)型后利潤總值達(dá)到頂峰，而替換波音747-8時利潤開始下滑。因此A380在該航線的利潤低于波音747-8而低于其余兩種機(jī)型。

3 結(jié)論

應(yīng)用該方法的模型開發(fā)目前已完成基本模型和部分仿真模型并通過評測。后續(xù)將對仿真模型進(jìn)行代碼輸出，并使用編程的方式實現(xiàn)各仿真模型的輸入輸出鏈，最終實現(xiàn)整個仿真網(wǎng)絡(luò)。使得在一次仿真過程中觸發(fā)多個問題域不同仿真模型，并能夠同時輸出影響結(jié)果，為后續(xù)民機(jī)的發(fā)展和更改提供決策支持。

本文探討的建模方法經(jīng)實踐證明，可以實現(xiàn)基本模型及仿真模型的建立。方法中對系統(tǒng)工程理論的應(yīng)用以INCOSE系統(tǒng)工程手冊第四版為基礎(chǔ)，可以廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。

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作者單位

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計研究院 陜西省西安市 710089