空中客車公司需求管理應(yīng)用綜述

董亮，劉看旺

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

需求管理是航空行業(yè)全面推行基于模型系統(tǒng)工程（MBSE）研制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，其建設(shè)和應(yīng)用面臨技術(shù)范圍定義、實(shí)現(xiàn)途徑規(guī)劃、軟件架構(gòu)選型、應(yīng)用模式選擇等問題。為了更好地選擇適合行業(yè)特點(diǎn)及發(fā)展水平的需求管理建設(shè)及應(yīng)用模式，本文對(duì)空中客車公司（空客公司）的需求管理發(fā)展進(jìn)行了分析研究。

為了充分滿足市場(chǎng)的需要，應(yīng)對(duì)波音公司的挑戰(zhàn)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，空客公司十分重視對(duì)需求的管理，提出了基于需求的工程（Requirement Based Engineering， RBE）。RBE[1～3]始于1996年，在A380、A400M、A350等機(jī)型的研制中逐漸成熟，體系化于2006年（以AP1034-RBE Policy為代表）?？湛凸镜腞BE借助IBM DOORS RMF需求管理平臺(tái)，在A380、A400M、A350等飛機(jī)研制中進(jìn)行了應(yīng)用，覆蓋50多個(gè)主要供應(yīng)商、3000多個(gè)終端用戶，對(duì)減少研制后期的產(chǎn)品缺陷、減少額外費(fèi)用、提高產(chǎn)品客戶滿意度方面取得了良好效果。

1 空客公司需求管理文件體系

1.1 總體文件體系

頂層飛機(jī)需求考慮飛機(jī)最終產(chǎn)品和使能產(chǎn)品的劃分進(jìn)行定義。依據(jù)頂層飛機(jī)需求定義飛機(jī)總體功能，形成飛機(jī)功能需求文件（飛機(jī)級(jí)FRD），同時(shí)對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)組成形成相應(yīng)的功能需求文件。由于設(shè)計(jì)理念、專業(yè)、方法的不同，機(jī)體結(jié)構(gòu)領(lǐng)域和系統(tǒng)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)采用不同的設(shè)計(jì)規(guī)則，并形成不同的需求設(shè)計(jì)文件，如圖1所示，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的頂層需求文件為TLStRD，系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)頂層需求文件為TLSRD。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的需求文件體系有所不同[4]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求文件體系

針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于TLStRD生成各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的結(jié)構(gòu)需求文件（StRD），并進(jìn)一步定義其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則文件（RSDP），RSDP的內(nèi)容來自以前的飛機(jī)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)、重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、最新的技術(shù)進(jìn)步、最近制造和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，主要內(nèi)容組成有通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、復(fù)材設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、金屬材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、組部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如機(jī)身設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、機(jī)翼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、尾段設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等[5]。其中，頂層結(jié)構(gòu)需求文件用于飛機(jī)主要部段的需求定義，如機(jī)翼、機(jī)身。結(jié)構(gòu)框架在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工作就是設(shè)計(jì)各主結(jié)構(gòu)的功能需求，并裝配成完整的飛機(jī)機(jī)體，達(dá)到裝配協(xié)調(diào)和功能承載[5]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的需求文件相對(duì)簡(jiǎn)單。在A400M項(xiàng)目的前機(jī)身研制中[4]，前機(jī)身的飛機(jī)組件管理團(tuán)隊(duì)（ACMT）根據(jù)研制合同、頂層飛機(jī)需求頂層支持需求及空中加油、低位飛行、空中運(yùn)輸投放等功能需求，定義前機(jī)身頂層結(jié)構(gòu)需求文檔，如圖2所示。這是在進(jìn)行前機(jī)身下一層結(jié)構(gòu)組成需求定義（形成子部件需求規(guī)范）的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)他們直接的接口關(guān)系進(jìn)行定義，形成相應(yīng)的接口定義文檔。

圖1 空客公司需求管理文件體系Fig.1 Requirement management fi les system in Airbus

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求文件體系

系統(tǒng)設(shè)計(jì)不像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)，而是從系統(tǒng)的功能需求開始，進(jìn)行總體布局和設(shè)計(jì)，并經(jīng)過多次迭代才能形成。因此，系統(tǒng)架構(gòu)因系統(tǒng)需求不同而不同。相對(duì)而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。因此，系統(tǒng)的需求文件體系相對(duì)復(fù)雜。

系統(tǒng)研制所涉及的各類需求文件按照系統(tǒng)工程過程進(jìn)行傳遞演變，如圖3所示，各層級(jí)用到的空客公司文件見表1，分為程序（AP）、手冊(cè)（AM）、指令及指南（ABD）等三類文件。在飛機(jī)層主要指導(dǎo)文件為空客公司的AP2161與AP2245，用于對(duì)用戶需要的定義和管理，并將其轉(zhuǎn)換為上層需求。進(jìn)入系統(tǒng)研制時(shí)，空客公司指導(dǎo)文件為AP2283、AP1013和ABD0200，上層需求要被分解分配到不同的系統(tǒng)，依次形成系統(tǒng)需求文件（SRD）和系統(tǒng)描述文件（SDD），通過對(duì)系統(tǒng)安裝方式及接口關(guān)系的分析定義，形成系統(tǒng)安裝需求卷宗（SIRD）和系統(tǒng)接口文件（SID），在此基礎(chǔ)上根據(jù)供應(yīng)商交付要求，定義采購(gòu)技術(shù)規(guī)范（PTS）和設(shè)計(jì)規(guī)范（DFS）及設(shè)備安裝需求文件（EIRD）。各供應(yīng)商根據(jù)任務(wù)分工，定義形成供應(yīng)商設(shè)備規(guī)范（SES），該層對(duì)應(yīng)的空客公司指導(dǎo)文件為ABD0100[6，7]。

圖2 A400M前機(jī)身需求文件層次關(guān)系Fig.2 The requirement fi les of A400M front fuselage

在這個(gè)過程中的確認(rèn)活動(dòng)包含需求確認(rèn)和產(chǎn)品確認(rèn)。需求確認(rèn)包含：確認(rèn)各系統(tǒng)對(duì)上層需求的接受、確認(rèn)上下游需求的一致性、確認(rèn)衍生需求、確認(rèn)假設(shè)、確認(rèn)供應(yīng)商需求與對(duì)應(yīng)PTS的一致性等。產(chǎn)品確認(rèn)包含：結(jié)合系統(tǒng)產(chǎn)品對(duì)SRD、SDD、PTS進(jìn)行補(bǔ)充確認(rèn)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)品與用戶需要的一致性進(jìn)行確認(rèn)等。

在這個(gè)過程中的驗(yàn)證活動(dòng)自底向上進(jìn)行，包含針對(duì)供應(yīng)商交付產(chǎn)品的PTS及SES驗(yàn)證，針對(duì)設(shè)備安裝的EIRD驗(yàn)證，針對(duì)系統(tǒng)安裝的SIRD及SID驗(yàn)證，針對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)品的SRD驗(yàn)證等[6]。

圖3 需求確認(rèn)與驗(yàn)證過程及對(duì)應(yīng)的主要標(biāo)準(zhǔn)文件Fig.3 The main standard documents during requirements conf i rmation and verif i cation process

表1 部分需求管理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文件Table 1 The main standard documents related to requirement management

2 空客公司需求管理實(shí)施過程

2.1 功能需求管理

空客公司在功能需求管理過程中，將飛機(jī)劃分為4個(gè)層次，如圖4所示，覆蓋飛機(jī)頂層到供應(yīng)商的功能分解過程。

以飛機(jī)頂層構(gòu)件為例，在飛機(jī)頂層功能分解過程中，根據(jù)飛機(jī)的功能樹分解和運(yùn)行場(chǎng)景分析，定義飛機(jī)初步功能及每個(gè)生命周期的用例定義。基于用例生成用例規(guī)范，形成基于黑盒模型的需求分配，輸出初步的飛機(jī)級(jí)FRD。針對(duì)特定用例進(jìn)行，詳細(xì)用例場(chǎng)景定義，形成包含架構(gòu)選擇的白盒場(chǎng)景，并進(jìn)一步通過需求分配，明確飛機(jī)的系統(tǒng)組成及系統(tǒng)對(duì)應(yīng)需求，形成各系統(tǒng)初步的FDD。

在整個(gè)飛機(jī)研制過程，功能逐層分解，以遞歸的方式進(jìn)行細(xì)化，以分配的需求為源，經(jīng)過邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)形成FRD或SRD，進(jìn)一步通過物理架構(gòu)設(shè)計(jì)形成FDD或SDD，同時(shí)根據(jù)確定的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分配，形成下一層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行設(shè)計(jì)的分配需求。在各層邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)和物理架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，大量的衍生需求也將被納入需求文件。

2.2 安全性需求管理

在空客公司的安全性需求管理體系中，主要的文件組成及層級(jí)關(guān)系如圖5所示。美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）提出的ARP 4754和ARP 4761是開展安全性需求管理工作最頂層要求?？湛凸驹诖嘶A(chǔ)上分別制定了面向系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)備層面的操作指導(dǎo)文件ABD0200和ABD0100文件。而在最底層具體的設(shè)備軟硬件開發(fā)過程中，則以RTCA的DO-178C和DO-254分別進(jìn)行軟硬件開發(fā)過程進(jìn)行嚴(yán)格的指導(dǎo)和約束，應(yīng)用DO-160進(jìn)行具體的測(cè)試過程控制。

圖4 飛機(jī)功能分解層級(jí)劃分Fig.4 Aircraft functional decomposition levels

圖5 安全性需求控制文件Fig.5 Safety requirements control fi les

2.3 機(jī)載軟件需求管理

在機(jī)載軟件開發(fā)過程中[7]，同樣采用需求管理進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)需求到測(cè)試、代碼的傳遞控制，機(jī)載軟件需求管理的文件組成及相互關(guān)系如圖6所示。設(shè)備層分配的需求是源頭，SRD_Global 只存在于當(dāng)軟件由多個(gè)組件組成的情況，組件表示可執(zhí)行單元，如CPU、進(jìn)程或分區(qū)。該文檔是軟件分析和設(shè)計(jì)活動(dòng)的結(jié)果，定義了分配給軟件的需求及軟件的高層需求，高層需求隨后將被分配給不同的組件。而這些被分配的需求將在每個(gè)SRD_xxx（對(duì)應(yīng)組件xxx）中進(jìn)行重復(fù)。SRD_xxx是組件需求分析活動(dòng)的結(jié)果，是對(duì)組件相關(guān)高層次需求的分組。需求要和SRD_Global中的高層次需求、詳細(xì)系統(tǒng)規(guī)范中的分配需求和衍生需求相一致，隨后，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與靜態(tài)設(shè)計(jì)活動(dòng)的結(jié)果是分別產(chǎn)生SDDDYN和SDDSTAT，定義與高層次需求一致的實(shí)體，也包含低層次（SDDDYN和SDDSTAT）的衍生需求及高層次（SDDDYN）衍生需求。Code源自靜態(tài)設(shè)計(jì)，通過轉(zhuǎn)化規(guī)則（自動(dòng)或非自動(dòng)）得到。靜態(tài)設(shè)計(jì)與Code間的追蹤性是隱含的。單元測(cè)試計(jì)劃（PTU）覆蓋低層次設(shè)計(jì)需求，靜態(tài)設(shè)計(jì)與PTU的追蹤性是隱含的，通過命名規(guī)則識(shí)別。

圖6 機(jī)載軟件開發(fā)需求文件組成Fig.6 Requirements fi les for airborne software development

組件xxx的驗(yàn)證測(cè)試計(jì)劃（SDCP_xxx）覆蓋了只用于集成驗(yàn)證的高層次需求和低層次需求。整個(gè)軟件的確認(rèn)測(cè)試計(jì)劃（SDCP）覆蓋了SRD_Global中并未被測(cè)試（指組件驗(yàn)證測(cè)試或其單元測(cè)試）的高層次需求。而軟件的需求傳遞過程如圖7所示，包含需要分析、組件分析、組件設(shè)計(jì)、組件編碼、驗(yàn)證與確認(rèn)、組件測(cè)試、衍生需求分析等活動(dòng)。

圖7 機(jī)載軟件需求傳遞過程Fig.7 The delivery process of airborne software requirements

3 需求管理軟件架構(gòu)

空中客車防務(wù)及航天公司負(fù)責(zé)國(guó)防和航空航天產(chǎn)品及服務(wù)的公司，是空中客車集團(tuán)旗下三大子公司之一，主要負(fù)責(zé)軍用運(yùn)輸機(jī)、衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)與服務(wù)、戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈系統(tǒng)、防務(wù)電子等產(chǎn)品。其在需求管理方面主要采用的軟件解決方案如圖8所示，各組成軟件信息見表2。

圖8 需求管理軟件架構(gòu)Fig.8 The software architecture of requirement management

表2 需求管理架構(gòu)相關(guān)軟件組成Table 2 The main software for requirement management

在空客公司民用飛機(jī)機(jī)載軟件研制中，按照設(shè)計(jì)支持、需求追蹤、代碼生成、規(guī)則驗(yàn)證、測(cè)試環(huán)境、過程控制與構(gòu)型管理等業(yè)務(wù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，具體的軟件選擇如圖9所示。

圖9 機(jī)載軟件需求管理軟件架構(gòu)Fig.9Requirements management software architecture for airborne software development

4 結(jié)束語

空客公司需求管理經(jīng)過多個(gè)型號(hào)十余年的發(fā)展，逐步構(gòu)建了一整套相對(duì)完善的需求管控體系，形成了包含需求管理文件組成體系、需求管理控制流程、需求管理系統(tǒng)平臺(tái)等多個(gè)要素的解決方案。在RBE體系的分步、分線實(shí)施過程中，空客公司在飛機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)。但隨著基于模型的需求分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)、多學(xué)科綜合仿真分析技術(shù)等基于模型系統(tǒng)工程新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需求數(shù)據(jù)還需要進(jìn)一步與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的其他過程及研制數(shù)據(jù)進(jìn)行更加深入的關(guān)聯(lián)，才能真正實(shí)現(xiàn)需求驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。這些新技術(shù)與傳統(tǒng)研制體系的融合，正逐步成為數(shù)字化發(fā)展的新方向。

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