基于軍事需求工程的軍用飛機EWIS設(shè)計需求分析

肖楚琬，韓 維，孫 陽，王希彬

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001）

線路是飛機的“血管”和“神經(jīng)”，承擔(dān)著信息傳遞、供電等重要功能，直接關(guān)系到飛機任務(wù)執(zhí)行和飛行安全。2007年，美國聯(lián)邦航空安全局（Federal Aviaion Administration，F(xiàn)AA）在適航規(guī)章中增加了H分部，即電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）[1]，將原屬于各功能系統(tǒng)的電纜、連接器、繼電器、開關(guān)等連接和控制、保護等部件，作為一個綜合系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計。2011年，我國民航在CCAR-25-R4修訂版中，引入了相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，在C919等機型中貫徹落實[2]。

由于軍機EWIS部件數(shù)量多、種類雜，涉及全機各功能系統(tǒng)，貫穿機身各個位置，安裝環(huán)境差異較大，需求變化頻繁，導(dǎo)致系統(tǒng)集成設(shè)計難度很大。為了解決類似問題，美軍提出了基于需求的系統(tǒng)工程（Requirements Based Engineering，RBE）。它屬于系統(tǒng)工程（System Enineering，SE）學(xué)科，是對需求工程（Requirements Engineering，RE）的延伸。軍事需求工程（Military Requirement Engineering，MRE）就是在RBE基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，應(yīng)用科學(xué)方法和技術(shù)，對目標(biāo)軍事系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，確定用戶需求，幫助設(shè)計人員理解問題，并定義軍事系統(tǒng)所有外部特征的工程技術(shù)，已在美軍F-22、F-35等多型航空裝備上得到重大應(yīng)用。[3-4]

1 軍用飛機EWIS需求設(shè)計現(xiàn)狀分析

我國民用航空根據(jù)CCAR-25-R4要求，結(jié)合ARJ-21、C919等型號設(shè)計，已經(jīng)開展了大量的EWIS設(shè)計研究工作[5]。但是，EWIS在軍機設(shè)計領(lǐng)域還屬于探索階段。目前，主要存在如下5個問題。

1）EWIS系統(tǒng)定位尚不明確。EWIS與飛控、航電等功能系統(tǒng)不同，系統(tǒng)特點鮮明。在功能屬性上，它本身并不具備任何功能，主要承擔(dān)連接功能，作為飛控等功能系統(tǒng)的一部分發(fā)揮作用。在物理屬性上，它與環(huán)境、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)安裝等密切相關(guān)，每一處的更改都會影響EWIS設(shè)計。所以，將EWIS定位為特殊的功能支持系統(tǒng)比較合理。

2）傳統(tǒng)需求設(shè)計不能適應(yīng)EWIS要求。傳統(tǒng)軍用飛機需求分析只分解至部件級，并沒有細(xì)化到EWIS部件級[6]。在設(shè)計時，根據(jù)需求先確定結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管路等位置，再根據(jù)剩余空間調(diào)整線路走向。但是，新型軍機線路系統(tǒng)部件數(shù)量過多，電纜成束后屬于半剛性部件，基本無法調(diào)整。在安裝時，經(jīng)常出現(xiàn)線路部件安裝位置、間距等條件不能和總體協(xié)調(diào)，造成維護性、維修性、測試性差等后果。

3）EWIS需求設(shè)計信息交互不順暢。大多數(shù)主機廠所在進(jìn)行EWIS設(shè)計時，盡管采用了數(shù)字化設(shè)計工具，但是依舊以文檔作為各階段信息交互的核心。各功能系統(tǒng)、成品廠商獨自設(shè)計自己管理的EWIS部件，形成海量文檔，發(fā)現(xiàn)問題比較困難，很難嚴(yán)格控制技術(shù)狀態(tài)。隨著設(shè)計推進(jìn)，EWIS設(shè)計需求散落在各個系統(tǒng)中，并未在整機進(jìn)行統(tǒng)一。比如，同一功能在不同系統(tǒng)中使用不同型號電纜，造成維護性差等問題[7]。

4）EWIS設(shè)計需求變更頻繁。全機各系統(tǒng)功能和位置的更改都會產(chǎn)生大量的EWIS需求變更[8]。但是，目前涉及EWIS的需求管理不完善，導(dǎo)致設(shè)計變更與需求更改不一致。分系統(tǒng)修改圖紙后，總圖反應(yīng)時間較長，對需求端影響更是難以控制，對飛機正常研制工作造成影響。

5）缺乏明確的EWIS需求驗證要求。目前，軍機EWIS沒有單獨提出驗證試驗要求，僅是跟隨飛機各系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的試驗測試工作[9]。在整機層面，主要進(jìn)行導(dǎo)通測試，難以驗證EWIS設(shè)計是否能夠滿足飛機設(shè)計和用戶需求[10]。

2 軍事需求工程

2.1 軍事需求開發(fā)和管理

軍事需求工程的基本活動是圍繞需求展開的，主要包括需求開發(fā)和需求管理2個部分，組成見圖1。

圖1 軍事需求工程框架Fig.1 Military requirements engineering framework

2.1.1 軍事需求開發(fā)

軍事需求開發(fā)包括需求獲取、分析、描述與建模、評價、驗證。軍事需求獲取是軍事需求工程的基礎(chǔ)，是指應(yīng)用一系列需求獲取方法，使原始、模糊的需求概念，細(xì)化為清晰、準(zhǔn)確需求規(guī)范的過程。需求分析針對已獲取需求進(jìn)行論證和分析，主要內(nèi)容包括作戰(zhàn)、系統(tǒng)、技術(shù)等方面，完成需求的分解和描述，最終建立一套各方認(rèn)可的規(guī)范需求框架。軍事需求描述是指用需求規(guī)格說明書等規(guī)范的文檔形式，描述已獲取需求，使之能夠作為設(shè)計輸入。軍事需求驗證是綜合運用各種手段，在設(shè)定條件下，對需求有效性進(jìn)行系統(tǒng)分析、評估和確認(rèn)，是需求落實的驗收標(biāo)準(zhǔn)[11-13]。

2.1.2 軍事需求管理

軍事需求管理涉及裝備全壽命周期，是軍事需求工程能順利展開的重要保障，主要包括變更分析、需求跟蹤、變更控制、版本控制4項內(nèi)容。需求變更分析主要是針對項目推進(jìn)中必然會出現(xiàn)的需求變化，綜合利用相關(guān)工具，分析待變更需求與其它需求之間的聯(lián)系，多維度驗證需求變化時對系統(tǒng)設(shè)計、計劃安排和他需求的影響，形成需求變更影響結(jié)論（如費用、進(jìn)度、風(fēng)險等）。需求跟蹤是通過需求跟蹤能力矩陣或需求鏈接圖，建立不同需求之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證需求變化可以“溯源”。需求變更控制是在分析和跟蹤的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面因素，對需求變更申請、分析、執(zhí)行、驗證等過程的管控，是保證需求和項目推進(jìn)一致性的重要手段。需求版本管理是在項目執(zhí)行過程中，建立需求條目、屬性等要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對需求文檔與可交付產(chǎn)品之間的相互關(guān)系等按照一定的版本命名規(guī)則進(jìn)行管理[14]。

2.2 軍事需求開發(fā)過程

美軍針對系統(tǒng)開發(fā)，如聯(lián)合能力集成開發(fā)體系（JCIDS），采用了以ISO/IEC 15288系統(tǒng)工程要求的RBE標(biāo)準(zhǔn)工作流程[15]。FAA在咨詢通告AC20-174中，將ARP4754A作為系統(tǒng)研制中的可接受方法[16]。綜合以上方法，借鑒MRE基本流程進(jìn)行管理和控制。

MRE在系統(tǒng)研制過程中的基本流程如圖2所示。整體上是一個V型結(jié)構(gòu)，在獲取客戶需求的基礎(chǔ)上，通過需求分析活動定義系統(tǒng)需求，形成設(shè)計輸入，進(jìn)行產(chǎn)品研制。在產(chǎn)品的制造過程中，通過逐層進(jìn)行產(chǎn)品驗證和確認(rèn)，驗證產(chǎn)品是否滿足系統(tǒng)需求和客戶要求，從而有效保證設(shè)計與需求的一致性。

圖2 MRE一般過程Fig.2 General process of MRE

2.3 軍事需求分解和描述模型

軍事需求分解是需求與設(shè)計對接的核心環(huán)節(jié)。在飛機研制過程中，需求是由頂端作戰(zhàn)需求逐級分解的[17]。因此，可以采用樹結(jié)構(gòu)對任務(wù)進(jìn)行分解描述，如圖3所示。其中，根節(jié)點是頂層軍事需求，中間節(jié)點是功能系統(tǒng)需求，葉子節(jié)點是具體的系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖3 軍事需求分解示意圖Fig.3 Decomposition schematic diagram of military requirement

為了更準(zhǔn)確地描述需求之間的關(guān)系，便于需求管理，建立需求之間的關(guān)系模型，如圖4所示。需求關(guān)系模型主要有2種：有序和無序。假設(shè)分別有2個需求：R1和R2。有序關(guān)系是指R1和R2相互關(guān)聯(lián)，存在某種關(guān)系；無序是指R1和R2之間相互獨立。在實際工作中，可能存在多種關(guān)系的混雜。

圖4 有序和無序關(guān)系模型Fig.4 Relational model of ordered and disordered

為了更科學(xué)地描述關(guān)系模型，引入集合論的數(shù)學(xué)表述。用S表示所有軍事需求所組成的需求空間，空間中的每個元素是EWIS需求，不可再分。從系統(tǒng)工程的角度看，某軍事需求Tn就是S的一個子集。S的規(guī)模和元素隨時間t而變化，可以看成是時間t的函數(shù)S(t)。

對于某一獨立軍事需求Tn，要求同一層次的節(jié)點之間不存在交集。在軍事需求T1和T2之間，如果存在T1?T2，則表示需求之間有相互關(guān)系。否則，相互獨立。以此區(qū)分需求最小要素，構(gòu)建描述模型。最終，由軍事人員和系統(tǒng)分析人員聯(lián)合工作，通過形式化的表述方式，如面向過程的建模方法IDEFO[18]等進(jìn)行表達(dá)，形成可理解的規(guī)范需求。

3 海軍飛機EWIS需求開發(fā)設(shè)計

3.1 基于MRE的EWIS需求開發(fā)總體設(shè)計

軍用飛機EWIS設(shè)計比較困難，既要滿足作為獨立功能支持系統(tǒng)的總體要求，與總體結(jié)構(gòu)、安裝位置等相協(xié)調(diào)，又要滿足功能系統(tǒng)對于供電能力、電磁防護、信號完整性等方面要求[15]。為了更好地開展飛機EWIS設(shè)計，滿足各方面要求，根據(jù)飛機設(shè)計的主要階段，設(shè)計基于MRE的EWIS需求開發(fā)過程如圖5所示。

圖5 基于MRE的需求開發(fā)過程Fig.5 Requirement development process based on MRE

在需求分析階段，根據(jù)飛機技術(shù)總要求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、適航法規(guī)等頂層文件，經(jīng)適應(yīng)性裁剪重點生成EWIS的系統(tǒng)級要求；在初步設(shè)計階段，根據(jù)EWIS系統(tǒng)級設(shè)計規(guī)范、總體的結(jié)構(gòu)安裝要求、功能系統(tǒng)設(shè)計要求等輸入，提出各功能系統(tǒng)EWIS的詳細(xì)設(shè)計規(guī)范；在詳細(xì)設(shè)計階段，重點是根據(jù)詳細(xì)設(shè)計規(guī)范，開展具體設(shè)計，并進(jìn)行設(shè)計驗證，完成需求閉環(huán)。通過協(xié)調(diào)EWIS與功能系統(tǒng)的設(shè)計要求，貫徹MRE的“需求牽引”理念，將EWIS需求開發(fā)貫穿飛機設(shè)計全過程。

3.2 海軍飛機EWIS需求獲取

3.2.1 建立需求問題域

需求獲取是需求分析的第一步。一般講，前期需求是模糊和不確定的。為了獲得準(zhǔn)確、規(guī)范的需求，需要各方共同探討，通過多次分析、驗證和迭代形成最終的需求。因此，建立面向問題的工作域，劃定需求探討范疇，有助于各方進(jìn)行需求溝通，如圖6所示。

圖6 問題域與需求獲取關(guān)系Fig.6 Problem domain and requirements acquisition relation ship

軍用飛機與民機需求開發(fā)的最大不同，在于作戰(zhàn)需求，海軍飛機的特點是考慮海戰(zhàn)場環(huán)境下影響。在進(jìn)行海軍飛機EWIS設(shè)計時，主要需建立以下4個方面問題域。

1）海軍飛機作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，包括作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)樣式、持續(xù)工作時間、過載負(fù)荷等。

2）作為單一功能支持系統(tǒng)，EWIS需要考慮的問題，如系統(tǒng)布線設(shè)計（物理安裝）、系統(tǒng)安全（隔離保護）、重量要求（輕量化）、可靠性（使用環(huán)境）、維修性（可達(dá)性）、標(biāo)識等。

3）作為功能系統(tǒng)一部分，EWIS需要考慮的問題，如電磁兼容、承載電流量、斷路器工作效率，外部接口關(guān)系等。

4）需求工程管理過程中的可能損失，如系統(tǒng)功能失效、部分功能缺失，以及糾錯可能需要付出的巨大代價等。

3.2.2 基于作戰(zhàn)背景的問題域需求獲取

由于EWIS需求問題域范圍較廣，本文主要以海軍飛機作戰(zhàn)背景和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)問題域舉例進(jìn)行研究。未來，海軍飛機的作戰(zhàn)主要有2種樣式：一種是從航母起飛，對于敵人進(jìn)行打擊；另一種是從陸上起飛，對近岸敵人進(jìn)行打擊。

從作戰(zhàn)環(huán)境看，以海上作戰(zhàn)為主，必然是高電磁、高鹽霧、高振動環(huán)境；從出動效率看，要求高可靠性、維護性、測試性；從保障條件看，按照艦上兩級維護體制進(jìn)行保障，要求便于修理和保障；從生命周期看，需要改變傳統(tǒng)與機體同壽思路，明確在海洋環(huán)境下的壽命指標(biāo)；從使用條件看，航母載重有限，要求輕量化設(shè)計。將這些模糊、不確定的定性描述制成表格，作為進(jìn)行需求分解的頂層輸入。需求基本格式見表1。

表1 EWIS需求獲取例表Tab.1 EWIS requirement acquisition table

3.3 海軍飛機EWIS需求分析和描述

3.3.1 需求分析

在獲取初步需求之后，需要對需求進(jìn)行規(guī)范性描述。軍事需求獲取的結(jié)果只說明了要做什么事情，要考慮哪些問題等，對于設(shè)計人員來說過于籠統(tǒng)，還需要進(jìn)一步細(xì)化。因此，按照MRE的需求分解模型建立EWIS需求樹形模型，如圖7所示。

圖7 海軍飛機EWIS能力需求分解模型Fig.7 Decomposition model of navy aircraft EWIS capability requirements

可以看出，除了頂層標(biāo)準(zhǔn)和適航法規(guī)規(guī)定的相關(guān)要求之外，海軍飛機的EWIS主要考慮海洋環(huán)境適應(yīng)性，包括部件防腐蝕，高潮濕環(huán)境下電弧損傷等要求。這些要求應(yīng)該與適航等標(biāo)準(zhǔn)一并納入EWIS的系統(tǒng)總體需求。

同時應(yīng)該看到，對于不同功能系統(tǒng)中的EWIS個性需求，需要由具體專業(yè)給出需求說明。比如，同樣是耐鹽霧要求，由于雷達(dá)系統(tǒng)的部分EWIS部件暴露在機身外，振動和拆裝多，要求高防腐性，而電源系統(tǒng)要求相對低些。

3.3.2 EWIS統(tǒng)一需求描述模型構(gòu)建

為了在全機層面統(tǒng)一各功能系統(tǒng)的EWIS具體需求，實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的需求描述模型，設(shè)計構(gòu)建步驟如下。

步驟1：需求定義和賦值。定義海軍飛機EWIS整體需求集為S，作戰(zhàn)問題域需求集設(shè)為T，各功能系統(tǒng)整體需求集定義為Rn，功能系統(tǒng)對于EWIS的分解需求定義為。由此，建立原始需求空間T1。

步驟2：分析系統(tǒng)需求R1,R2,…,Rn的相關(guān)性。如，令R′n={rab,ra1b1,…}，構(gòu)建需求空間T′。

步驟3：對R′n進(jìn)行歸一化分級處理。根據(jù)工程經(jīng)驗和設(shè)計實際，為了描述清晰，一般建立5級標(biāo)準(zhǔn)劃分。如EWIS的安全性要求，按照GJB 900A，將軍用飛機EWIS風(fēng)險嚴(yán)酷度定義為5級，如表2所示。

表2 危險嚴(yán)酷度等級劃分Tab.2 Grade division of danger severe degree

步驟4：重復(fù)步驟1～3，對各問題域需求T1～Tn進(jìn)行匯總處理，建立統(tǒng)一需求描述集S，S內(nèi)部各個要素之間彼此獨立。

步驟5：編程實現(xiàn)。利用IDEFO等形式化描述語言對需求集進(jìn)行編程實現(xiàn)，形成規(guī)范化的需求描述。

通過以上步驟，將分散在全機各系統(tǒng)的需求在總體進(jìn)行統(tǒng)一，構(gòu)建完整的海軍飛機EWIS需求集，既可以符合EWIS整體系統(tǒng)需求，又可以滿足功能系統(tǒng)個性要求。比如，通過以上過程，分析電源和雷達(dá)系統(tǒng)的EWIS防腐設(shè)計需求特點后，在EWIS系統(tǒng)級要求中進(jìn)行統(tǒng)一。其他功能系統(tǒng)如果有EWIS防腐方面要求，可以直接參考或引用EWIS系統(tǒng)要求。隨著項目推進(jìn)，更改EWIS需求時，必須更新需求集S，從而實現(xiàn)對需求的全過程管理。

4 需求能力體系構(gòu)建和管理

4.1 需求能力體系構(gòu)建

基于EWIS需求描述模型，可以建立包括功能、性能、安裝、接口等各類要素的需求體系，指導(dǎo)各階段的開發(fā)活動。以通用質(zhì)量特性為例，將海軍飛機EWIS系統(tǒng)要求劃分為7個基本能力需求模塊，如圖8所示。

圖8 海軍飛機EWIS通用質(zhì)量特性需求結(jié)構(gòu)圖Fig.8 General quality characteristic requirement structure chart for naval aircraft EWIS

下面選取4個能力模塊進(jìn)行簡單說明。

1）環(huán)境適應(yīng)性。海軍飛機EWIS設(shè)計應(yīng)能承受起飛、降落時的巨大震動，鹽霧、溫度變化、潮濕、霉菌和漏瀉的氣體或液體以及其他各種環(huán)境條件共同作用的影響，突出對海洋環(huán)境的適應(yīng)性。

2）艦機適配性。由于飛機從航母起飛載荷有限，應(yīng)努力減輕盤箱、支架和線束的重量，采用輕質(zhì)材料支撐，合理優(yōu)化合并數(shù)據(jù)傳輸線路，多采用總線類數(shù)據(jù)線等。

3）維修性。EWIS設(shè)計應(yīng)充分考慮外場維護和修理，對于重點系統(tǒng)的重點部件，以及需要經(jīng)常檢查的線路部件，應(yīng)該設(shè)計便于維修和更換，或開有適當(dāng)?shù)木S修口蓋。

4）保障性。進(jìn)行零部件設(shè)計時，應(yīng)考慮采用簡單而合理的結(jié)構(gòu)，選擇合適的加工精度和光潔度，合理選用材料，注意工藝方法的繼承性，提升產(chǎn)品可更換率。

4.2 指標(biāo)體系構(gòu)建和驗證

基于海軍飛機EWIS的能力體系，構(gòu)建需求指標(biāo)體系。需要考慮2個方面因素：一是由各功能系統(tǒng)根據(jù)總體指標(biāo)分解確定本系統(tǒng)EWIS指標(biāo)；二是由整機提出EWIS整體指標(biāo)，與各功能系統(tǒng)指標(biāo)相協(xié)調(diào)。

在進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計階段前，軍方要組建相關(guān)專家團隊，對指標(biāo)要求、能力評價方法等部分進(jìn)行評審，為后續(xù)開展設(shè)計評審等工作打下基礎(chǔ)。在具體驗證時，通過仿真、試驗、實測等方式綜合實施。

4.3 基于數(shù)據(jù)的EWIS需求管理

需求管理實際是管理需求變更的若干過程。飛機EWIS與各專業(yè)相關(guān)，傳統(tǒng)由各專業(yè)分工負(fù)責(zé)的管理模式已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前需求。在組織管理上，為了適應(yīng)頻繁的需求變更實際，應(yīng)設(shè)置EWIS室[19]，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全機EWIS部件的設(shè)計與管理。各專業(yè)需求變更時，僅與總體EWIS專業(yè)交聯(lián)。在技術(shù)管理方面，以需求集S為核心建立唯一數(shù)據(jù)源，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)的EWIS需求管理框架，重點關(guān)注管理需求間關(guān)系和優(yōu)先級，不同文檔間的從屬性，管理需求一致性變更等問題，對審核、變更等重點環(huán)節(jié)進(jìn)行過程把控，基本流程如圖9所示。

圖9 以數(shù)據(jù)為核心的EWIS需求管理流程圖Fig.9 Flow chart of EWIS requirements management data-centered

5 結(jié)語

軍用飛機EWIS是新興專業(yè)，既有自身特點，又與各功能子系統(tǒng)交聯(lián)，其內(nèi)在規(guī)律需要進(jìn)一步挖掘。國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗表明，基于軍事需求的系統(tǒng)工程是管理這一復(fù)雜特殊系統(tǒng)需求的有效方法，特別是通過需求管理，完成相關(guān)的設(shè)計需求更改工作管理意義重大?？梢灶A(yù)見，隨著我國航空裝備設(shè)計水平不斷提升，以軍事需求工程為基礎(chǔ)的EWIS專業(yè)設(shè)計，必將成為我軍航空裝備質(zhì)量提升的基礎(chǔ)支撐。