電傳飛控系統(tǒng)需求捕獲和確認(rèn)技術(shù)研究

張松 房峰 李小光

摘? 要：該文首先介紹電傳飛控系統(tǒng)的重要性和發(fā)展趨勢(shì)，并基于美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框闡明飛控場(chǎng)景建模的步驟和方法。其次介紹飛機(jī)場(chǎng)景捕獲的由來(lái)，分析了場(chǎng)景對(duì)當(dāng)今民機(jī)電傳飛控系統(tǒng)捕獲的重要意義。最后基于飛控電傳系統(tǒng)需求確認(rèn)目的，對(duì)電傳飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)的方法和過(guò)程展開(kāi)討論，形成了對(duì)電傳飛控系統(tǒng)需求捕獲和確認(rèn)技術(shù)的閉環(huán)論述。

關(guān)鍵詞：電傳飛控系統(tǒng)? 場(chǎng)景建模? 需求捕獲? 需求確認(rèn)

中圖分類(lèi)號(hào)：V249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（c）-0031-03

Research on Requirements Acquisition and Validation Technology for Fly-by-wire Flight Control System

ZHANG Song? FANG Feng? LI Xiaoguang

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016? China）

Abstract： Firstly， this paper first introduces the importance and development trend of fly-by-wire flight control system（FTCS）， and then illustrates the steps and methods of flight control scenario modeling based on the architecture frame of the U.S. Department of Defense. Then it introduces the origin of aircraft scene capture and analyzes the significance of scene capture for civil aircraft fly-by-wire flight control system. Finally， based on the purpose of FTCS requirement confirmation， the method and process of FTCS requirement confirmation are discussed， forming a closed-loop discussion on FTCS requirement capture and confirmation technology.

Key Words： Fly-by-wire flight control system; Scene modeling; Demand capture; Demand confirmation

商用飛機(jī)產(chǎn)品具有利益攸關(guān)方眾多、全生命周期場(chǎng)景多、功能集成度高等特點(diǎn)，商用飛機(jī)產(chǎn)品研制模式不斷轉(zhuǎn)變，而且科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展演進(jìn)，加之信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外商用飛機(jī)主制造商紛紛基于需求工程、滿(mǎn)足系統(tǒng)工程要求的工作方式，開(kāi)展商用飛機(jī)的研制，需求逐漸變成了飛機(jī)系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)，商用飛機(jī)的研制要綜合權(quán)衡所有利益攸關(guān)方的需求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最優(yōu)。

傳統(tǒng)上用于確定性風(fēng)險(xiǎn)或常規(guī)的、非復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法，已無(wú)法向FBW系統(tǒng)提供充分的安全性保證。因此，過(guò)程保證和V&V（Validation and Verification，即確認(rèn)與驗(yàn)證）體系組合的研制保證技術(shù)已大量應(yīng)用于FBW系統(tǒng)的研制，以確保安全性需求得到滿(mǎn)足和引起失效狀態(tài)的研制差錯(cuò)降低至可以接受的安全性范圍內(nèi)。

1? 基于場(chǎng)景分析的電傳飛行控制系統(tǒng)需求捕獲方法

“需求捕獲完整”是需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提，應(yīng)充分識(shí)別利益攸關(guān)方，全面挖掘客戶(hù)內(nèi)在需求，綜合權(quán)衡各方訴求，形成產(chǎn)品的正確定位。對(duì)于一個(gè)商用飛機(jī)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，客戶(hù)的聲音、民航運(yùn)輸系統(tǒng)的要求、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、適航規(guī)章、運(yùn)營(yíng)維護(hù)要求，這些都是需要的輸入。

需求捕獲是確保項(xiàng)目需求能充分反映利益相關(guān)方的各項(xiàng)要求和項(xiàng)目自身特點(diǎn)。鑒于產(chǎn)品的復(fù)雜性，需求捕獲即產(chǎn)品設(shè)計(jì)的頂層考慮得全面完整，是很難做好的。因此，為了做到需求捕獲完整，應(yīng)從多個(gè)維度不同場(chǎng)景去考慮產(chǎn)品，確保全面性和完整性。

什么是場(chǎng)景？場(chǎng)景是系統(tǒng)在產(chǎn)品的制造、使用、維修等過(guò)程中，產(chǎn)品與其操作者、外部環(huán)境對(duì)象之間相互交互、相互作用過(guò)程中的事件和關(guān)系的結(jié)合。

對(duì)于商用飛機(jī)產(chǎn)品而言， 飛機(jī)的場(chǎng)景是指駕駛員、乘客、維修等人員，在某個(gè)飛機(jī)運(yùn)行的階段（比如爬升的飛行階段）、內(nèi)外部環(huán)境以及飛機(jī)內(nèi)部不同狀態(tài)下的人機(jī)交互以及系統(tǒng)間交互的事件與關(guān)系的組合。

場(chǎng)景分析的目的是通過(guò)分析飛機(jī)及其功能在各種場(chǎng)景中的行為活動(dòng)及外部交互關(guān)系，在產(chǎn)品構(gòu)思過(guò)程中，通過(guò)對(duì)各類(lèi)場(chǎng)景在人腦海中的預(yù)想和設(shè)想，開(kāi)展基于場(chǎng)景分析的需求捕獲，進(jìn)一步保證產(chǎn)品盡可能考慮全面，降低重要需求被忽視的可能性，尤其是商用飛機(jī)產(chǎn)品作為高度重視安全與質(zhì)量的產(chǎn)品，對(duì)于故障、異常等場(chǎng)景的考慮和其中所派生的需求是需求捕獲工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵之一，因此采用場(chǎng)景分析的辦法，可以確保前期捕獲的需求更加完整和準(zhǔn)確[1]。

場(chǎng)景分析主要包括如下工作。

（1）識(shí)別明確商用飛機(jī)產(chǎn)品的場(chǎng)景，不同場(chǎng)景應(yīng)涉及不同的運(yùn)用階段（When）、環(huán)境（Where）、參與方（Who）、目的用途（Why）等要素。

（2）正確分析了在各種場(chǎng)景中的行為活動(dòng)及外部交互關(guān)系，理解在某個(gè)場(chǎng)景下，基于客戶(hù)的需求和產(chǎn)品的目的，預(yù)期的參與方（不僅是人，還包括系統(tǒng)）的交互行為和解決方案（How），這里面應(yīng)分析不同參與方的交互、時(shí)序和邏輯等關(guān)系，為進(jìn)一步理清系統(tǒng)行為奠定基礎(chǔ)。

（3）基于梳理的參與方的交互行為和功能要求，形成對(duì)飛機(jī)相關(guān)方系統(tǒng)的功能和需求以及相互之間接口關(guān)系、傳遞內(nèi)容和邏輯。

場(chǎng)景分析應(yīng)做到“全面”，場(chǎng)景分析的全面是保證功能和需求的完整的手段。如何確保全面，應(yīng)該從如下幾個(gè)方面入手。

首先，要保證場(chǎng)景識(shí)別的全面，全面準(zhǔn)確地識(shí)別了與飛機(jī)及其功能相關(guān)的各個(gè)場(chǎng)景，場(chǎng)景應(yīng)囊括方方面面，從產(chǎn)品的生命周期考慮，包括運(yùn)行概念（Operational Concept，或稱(chēng)為Concept of Operations，CONOPS）、制造概念（Production Concept）、支持概念（Support Concept）、退役報(bào)廢概念（Disposal Concept）。

其次，針對(duì)每一個(gè)概念的場(chǎng)景分析中還應(yīng)該進(jìn)一步展開(kāi)，比如：針對(duì)運(yùn)行概念，飛機(jī)的幾十個(gè)子系統(tǒng)如何在不同的外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)下，和操作人員一起，發(fā)揮各自應(yīng)有的作用，順利安全地完成任務(wù)目標(biāo)，這需要把場(chǎng)景一個(gè)一個(gè)地進(jìn)行識(shí)別分析，最終確定飛機(jī)各功能和子系統(tǒng)的需求。

最后，場(chǎng)景分析應(yīng)從任務(wù)階段、內(nèi)外部環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)等多維度進(jìn)行綜合考量，梳理出不同維度組合下的場(chǎng)景，確保場(chǎng)景應(yīng)盡可能地全面。這里不僅僅考慮正常的任務(wù)剖面（推出、滑跑、起飛、爬升、巡航、降落、著陸等），還應(yīng)考慮非正常的任務(wù)剖面（如中斷起飛、降落復(fù)飛、備降等）;不僅僅考慮正常的外部環(huán)境，也應(yīng)考慮惡劣極端的外部環(huán)境（冰雹、大側(cè)風(fēng)、雷電、風(fēng)切變等），除了飛機(jī)自身工作的正常，還應(yīng)該包括各故障模式（如單發(fā)失效、客艙失壓、操控卡阻等）對(duì)飛機(jī)所帶來(lái)的影響，并綜合考慮解決這些問(wèn)題所需要賦予飛機(jī)其他系統(tǒng)的功能需求，這樣才能確保場(chǎng)景分析的全面性[2]。

2? 電傳飛行控制系統(tǒng)需求確認(rèn)

需求確認(rèn)工作在項(xiàng)目的前期，發(fā)生在每個(gè)層級(jí)的需求定義后，對(duì)需求和假設(shè)進(jìn)行確認(rèn)的工作，確認(rèn)過(guò)程的輸入包括系統(tǒng)描述（包含運(yùn)行環(huán)境）、系統(tǒng)需求、系統(tǒng)架構(gòu)定義以及研制保證等級(jí)等。需求的確認(rèn)過(guò)程是為了確保所提出的需求足夠正確和完整，并且產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足客戶(hù)、用戶(hù)、供應(yīng)商、維護(hù)人員、審定局方以及飛機(jī)、系統(tǒng)和項(xiàng)目研制人員的需求。需求是否正確、完整直接影響設(shè)計(jì)研發(fā)活動(dòng)的有效性和研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量[3]。

需求確認(rèn)結(jié)果用于證實(shí)：需求可以正確地貫徹上一層級(jí)確定的預(yù)期需求和功能，對(duì)于下一層級(jí)的設(shè)計(jì)活動(dòng)而言，該層級(jí)定義的需求是充分正確和完整的。

2.1 系統(tǒng)需求的確認(rèn)

確認(rèn)所構(gòu)建的系統(tǒng)滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與目標(biāo)，確認(rèn)活動(dòng)就是將每一條需求嚴(yán)格地對(duì)應(yīng)到合適的確認(rèn)方法（如試驗(yàn)和分析方法），將所有的確認(rèn)內(nèi)容形成確認(rèn)矩陣的正式文檔，且該文檔應(yīng)被批準(zhǔn)和存檔。

2.1.1 轉(zhuǎn)階段設(shè)計(jì)評(píng)審

轉(zhuǎn)階段設(shè)計(jì)評(píng)審是需求確認(rèn)過(guò)程和系統(tǒng)確認(rèn)過(guò)程的一部分。電傳飛控系統(tǒng)和組件的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)評(píng)審（SDR）、初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）和關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審（CDR），在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要轉(zhuǎn)階段節(jié)點(diǎn)上表明系統(tǒng)如何滿(mǎn)足相應(yīng)的需求，并開(kāi)展相應(yīng)的構(gòu)型管控[4]。同時(shí)，作為供應(yīng)商驗(yàn)證過(guò)程部分的部件級(jí)評(píng)審也相應(yīng)進(jìn)行。

2.1.2 支持飛機(jī)級(jí)需求確認(rèn)的系統(tǒng)需求確認(rèn)

飛機(jī)級(jí)的需求確認(rèn)包括飛機(jī)級(jí)需求的評(píng)審和分析、綜合試驗(yàn)室試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。FBW系統(tǒng)直接參與飛機(jī)級(jí)的需求確認(rèn)，為系統(tǒng)提供了精確的和即時(shí)的確認(rèn)[5]。

2.1.3 供應(yīng)商驗(yàn)證活動(dòng)的管理

供應(yīng)商完成系統(tǒng)部件或子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)審、分析和試驗(yàn)，以驗(yàn)證部件或子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，對(duì)FBW系統(tǒng)的需求確認(rèn)提供支持。

2.2 覆蓋率和追溯性

通過(guò)將設(shè)計(jì)需求和目標(biāo)中的每條需求都分配到一個(gè)或多個(gè)確認(rèn)活動(dòng)中，以確保確認(rèn)覆蓋率是完整的。完整的系統(tǒng)覆蓋率是通過(guò)每條開(kāi)發(fā)需求都具有一定的嚴(yán)酷度等級(jí)。需求管理工具用于追溯需求分配確認(rèn)活動(dòng)、校核確認(rèn)過(guò)程的完整性等。提供了嚴(yán)格的確認(rèn)覆蓋率和追溯性、構(gòu)型控制、確認(rèn)文件和問(wèn)題報(bào)告等。

2.3 需求確認(rèn)方法

需求確認(rèn)的正確性：保證需求陳述的正確性，其中需求的陳述需符合“SMART”原則，是指需求符合需求編寫(xiě)要求相關(guān)的規(guī)定，需求不存在技術(shù)錯(cuò)誤并且滿(mǎn)足父輩需求。需求確認(rèn)的完整性：在保證一系列需求正確的前提下，檢查這一系列需求是否在所有運(yùn)行模式和全壽命周期階段的運(yùn)行環(huán)境下滿(mǎn)足客戶(hù)、局方等相關(guān)人員的利益。需求確認(rèn)的方法包括追溯性和依據(jù)說(shuō)明、分析、相似性、建模、試驗(yàn)、工程評(píng)審[6]。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文首先介紹了電傳飛控系統(tǒng)在民機(jī)中應(yīng)用的重要地位和價(jià)值，闡述飛機(jī)場(chǎng)景建模在捕獲FBW系統(tǒng)完整需求的一般方法，最后從FBW系統(tǒng)需求確認(rèn)目的和方法進(jìn)行論述，形成一套較為完整的FBW系統(tǒng)需求捕獲和確認(rèn)技術(shù)方法體系。

參考文獻(xiàn)

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