基于民機初教6場景模型的航電系統(tǒng)設計

周 志，劉 至，林 舒，孫 凱

（1.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024；2.中國航空無線電電子研究所，上海，200241）

0 引言

民用飛機的研制是一項復雜的系統(tǒng)工程，在這項系統(tǒng)工程中，需求是從飛機級、航電級、航電分系統(tǒng)級再往下到設備級每一層級的開發(fā)輸入。需求的捕獲和確認是民機研制過程中的公認難點。初教6飛機的場景建模是采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法進行綜合航電系統(tǒng)設計過程中需求捕獲的實踐。

1 場景建模的意義

基于模型的系統(tǒng)設計是將傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)設計里的需求、架構、功能等采用數(shù)字化模型的方式表達，自頂向下進行的系統(tǒng)設計，支持系統(tǒng)需求、設計、確認和驗證活動。針對自然語言描述中的文檔一致性和完整性等問題，通過模型開展需求捕獲、功能分析、架構設計等工作，具有設計流程明確直觀、提升效率和減少設計過程中的溝通問題等優(yōu)勢。本文在民機初教6項目中，通過建立初教6飛機的目視飛行場景模型，并對該機型的飛行員操作各階段進行梳理，捕獲了每一階段的運行需求，從而全方面定義了民機初教6綜合航電系統(tǒng)的功能。

2 建模方法和過程

基于場景實例的方法是從用戶的角度設想和期望目標系統(tǒng)的行為和功能邏輯，以此對目標系統(tǒng)進行描述和理解。相對于單純通過溝通、調查等途徑獲取利益相關方需求，并對原始信息進行分析的需求捕獲方法，基于場景分析的方法更具有完整性和邏輯性。首先明確系統(tǒng)的邊界，在系統(tǒng)邊界外確定系統(tǒng)的利益相關方，從而構建系統(tǒng)實施功能的場景，并描述系統(tǒng)和外部利益相關方之間的交互。場景的建模主要采用SysML建模語言，通過模型的用例圖（Use Case Diagram）構建所有的場景，確定系統(tǒng)的所有利益相關方，再通過活動圖（Activity Diagram）的建模對場景進行描述，表達實現(xiàn)該場景用例時所執(zhí)行的一系列活動。在不同場景下構建對邊界內的系統(tǒng)活動的期望，呈現(xiàn)預期系統(tǒng)的功能。

在民機初教6項目的場景模型中，利益相關方是飛行員和地面維護人員，而整個系統(tǒng)的邊界是初教6飛機，代表初教6飛機能夠為飛行員和地面維護人員執(zhí)行的功能，如圖1所示。

圖1 民機初教6場景用例圖

場景模型包含5個用例：地面準備、導航、著陸、通用和維護場景，其中通用場景為地面準備、導航和著陸的擴展用例。該擴展用例為地面準備、導航和著陸這三個用例添加新的基礎行為，能根據(jù)這三個用例中的系統(tǒng)狀態(tài)來決定是否執(zhí)行該通用場景中的活動：場壓裝訂、通話控制、應答機控制、獲取系統(tǒng)告警信息和計時，如圖2所示。

圖2 民機初教6通用場景活動圖

以“通話控制”這一飛行員和航電系統(tǒng)同時參與的活動為例，如圖3所示。這一場景的初始情況為飛機在地面或空中，初教6的機內通話器和電臺此時工作正常，飛行員在“通話控制”這一活動中可能會做出以下四種行動：

圖3 通話控制功能活動圖

1）調節(jié)機內通話音量

2）調節(jié)電臺音量

3）調節(jié)靜噪

4）選擇應急頻率通信

這就對航電系統(tǒng)的設計提出了如下人機交互的接口需求：

1）航電系統(tǒng)應提供機內通話音量調節(jié)接口

2）航電系統(tǒng)應提供電臺音量調節(jié)接口

3）航電系統(tǒng)應提供靜噪調節(jié)接口

4）航電系統(tǒng)應提供應急通話模式接口

而圖3中的飛行員操作程序界面截圖也對這些需求進行了設計，包括在機內通話器的面板上能夠調節(jié)機內通話音量，在綜合顯示單元的電臺設置頁面能夠設置電臺音量，在綜合顯示單元的菜單中的設置菜單下能通過對應的按鍵快速調至應急通信頻率121.5MHz，也能通過菜單所對應的“靜噪”周邊鍵定位到“靜噪”這一參數(shù)并通過旋鈕在頁面上進行靜噪值的設定。

在民機初教6的場景模型所包含的場景內活動如表1所示。

表1 場景活動表

通過對場景構建，能夠完整地捕獲飛行員與航電系統(tǒng)、航電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的交互參數(shù)，從而對航電系統(tǒng)的設計提出交互接口、交互參數(shù)的處理需求，也能夠捕獲民機初教6航電系統(tǒng)內的各顯示參數(shù)和控制參數(shù)，減少由于航電系統(tǒng)設計的前期考慮欠周所引起的后期需求變更。以“直飛導航”為例，如圖4所示，相對于原有機械分立式儀表的初教6僅采用無線電羅盤和應急磁羅盤導航，此功能是采用新型綜合航電系統(tǒng)的民機初教6所獨具的。在該功能的設計中，考慮到了正常與異常情況，并通過對此功能的活動過程分解，產生了飛行管理軟件和顯示控制軟件的設計需求。

圖4 直飛導航活動圖

對于該功能航電層級的需求包括：

1）航電系統(tǒng)應具備至少2個航路點的存儲功能

2）航電系統(tǒng)應提供直飛點的選擇接口

3）航電系統(tǒng)應對直飛點按照與本機距離進行排序

4）航電系統(tǒng)應能按照選擇的直飛點進行導航解算

5）航電系統(tǒng)應能提供選擇直飛點的顯示畫面

而進行飛行管理和顯示控制軟件開發(fā)時則應滿足下列需求：

1）當飛行員按壓直飛周邊鍵，并選擇或輸入需要去的航點號后，系統(tǒng)應停止按原定航線飛行，建立一條從即時位置到該航路點之間的航線，并提供相應的操縱信息和飛行信息

2）當顯示畫面的周邊鍵顯示導航菜單時，按壓直飛周邊鍵，系統(tǒng)應進入直飛改航

3）直飛列表中應最多顯示20個航點

4）直飛點列表應按照距飛機距離排列直飛點

5）系統(tǒng)應默認選中距飛機最近的直飛點

6）直飛應包括直飛點圖形顯示、直飛點選擇區(qū)和直飛點輸入區(qū)

7）直飛點圖形顯示應包括直飛點符號和直飛點名稱

8）直飛點選擇應包括直飛點列表和直飛點詳細信息顯示

9）在進行航點選擇操作時，右撥右側旋鈕，應能顯示選中航點的詳細信息，包括航點號、航點名稱、經緯度、高度

最后能夠結合飛行員操作程序POP頁面和操作上的設計對上述需求加以確認。

3 民機初教6綜合航電系統(tǒng)簡介

民機初教6綜合航電系統(tǒng)的設計是符合CCAR23部設計要求的，是集飛行與顯示控制為一體的座艙綜合航電系統(tǒng)。該綜合航電系統(tǒng)以綜合顯示處理單元為核心，采用CAN總線為航電系統(tǒng)主網絡，通過ARINC429、RS422總線和音頻輸出接口等工業(yè)標準接口和周邊設備進行適配與通信。該綜合航電系統(tǒng)的設計能夠幫助飛行員和地勤人員實現(xiàn)民機初教6場景模型中所定義的活動，具備綜合顯示控制、導航、基本飛行管理、發(fā)動機參數(shù)采集與顯示、無線電參數(shù)顯示控制、通信協(xié)調控制、前后艙協(xié)調控制、告警、數(shù)據(jù)加卸載等功能。綜合航電系統(tǒng)的設備組成如表2所示。

表2 民機初教6航電系統(tǒng)組成

4 結語

傳統(tǒng)設計流程在項目研制初期難以做到全面、正確和完整的分解航電系統(tǒng)需求，造成航電系統(tǒng)各子系統(tǒng)設計方案不能完全滿足飛機運行需求，進而導致研制出來的產品與預期目標存在較大差異。采用民機初教6的場景模型對需求進行捕獲，基于用例識別系統(tǒng)的范圍和為外部利益相關方所執(zhí)行的服務，從而獲得該系統(tǒng)功能。場景中的功能分析可描述系統(tǒng)在場景下的操作過程，進而識別出新的需求。最后，綜合航電系統(tǒng)的飛行員操作程序對需求進行確認，有利于確保設計活動及產品滿足初始設計需求，各子系統(tǒng)的產品滿足相應的子系統(tǒng)需求，進而各系統(tǒng)共同協(xié)作，實現(xiàn)航電級及飛機級的整體功能。