王雨農(nóng), 畢文豪, 張 安,*, 詹 超

(1.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 陜西 西安 710072;2.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海 200120)

0 引 言

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的長周期工作。傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)工作通常分為擬定設(shè)計(jì)要求、概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等多個(gè)階段進(jìn)行[1]。設(shè)計(jì)人員在利益相關(guān)方提出初始需求后,選擇并確定飛機(jī)布局形式和總體設(shè)計(jì)參數(shù),并在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過計(jì)算、分析、修正對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改,使所設(shè)計(jì)出來的飛機(jī)以優(yōu)良的性能最大程度地滿足使用方的要求。在此過程中產(chǎn)生的報(bào)告、圖樣、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及財(cái)務(wù)信息等工程數(shù)據(jù)大多采用文檔文件記錄的方式。因此在研究設(shè)計(jì)過程中存在以下問題[2]。

(1) 無法完整捕獲需求

在傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中,研究人員通常通過自身的研制經(jīng)驗(yàn)確定飛機(jī)設(shè)計(jì)需求,在項(xiàng)目伊始難于全面提出完整正確的飛機(jī)需求,易造成各系統(tǒng)定義的系統(tǒng)需求不能完全滿足飛機(jī)需求[3]。缺乏明確的需求捕獲與分析過程,這極易造成需求捕獲不全面的問題,并且使得設(shè)計(jì)人員難以正確估計(jì)設(shè)計(jì)過程中可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn),增加設(shè)計(jì)研發(fā)過程中的不確定性,提高研發(fā)的難度,甚至?xí)?dǎo)致民機(jī)研發(fā)工作的失敗。

(2) 需求與設(shè)計(jì)的一致性難以保證

在傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中,利益相關(guān)方及設(shè)計(jì)人員多采用自然語言對(duì)需求進(jìn)行描述。由于自然語言的模糊性,難以全面準(zhǔn)確地描述需求的各項(xiàng)屬性,在傳遞過程中容易出現(xiàn)屬性缺失、屬性表述錯(cuò)誤等情況。同時(shí),不同人員由于文化背景不同,對(duì)需求的理解也會(huì)產(chǎn)生分歧,出現(xiàn)對(duì)于研制要求及設(shè)計(jì)方案的描述偏差的情況,難以保證設(shè)計(jì)與初始需求的一致性,導(dǎo)致各個(gè)系統(tǒng)無法共同協(xié)作實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的整體功能要求。

(3) 設(shè)計(jì)方案難以更改,市場(chǎng)響應(yīng)速度慢

傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)流程是在利益相關(guān)方提出需求后,經(jīng)過初步分析后對(duì)飛機(jī)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)并在之后的階段對(duì)該方案進(jìn)行調(diào)整與細(xì)化,最終得到詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。隨著現(xiàn)代民機(jī)的性能指標(biāo)不斷提升以及電子綜合化的趨勢(shì),民機(jī)頂層設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度逐漸提高,其各個(gè)子系統(tǒng)相互交聯(lián)、相互作用,功能之間交叉、重復(fù),民機(jī)研制過程中的很多能力和系統(tǒng)邊界變得模糊[4],這種方法使得設(shè)計(jì)方案一旦確定便難以修改,不利于飛機(jī)構(gòu)型管理。當(dāng)需求出現(xiàn)變更時(shí),必須針對(duì)飛機(jī)整體進(jìn)行重新設(shè)計(jì),從而造成大量時(shí)間、精力和金錢的浪費(fèi)。

基于以上提出的3個(gè)問題,本文提出了基于美國國防部架構(gòu)框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)的民機(jī)基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)研制方法。該方法引入了DoDAF的多視圖模型描述方法,通過場(chǎng)景捕獲需求,從多角度構(gòu)建民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)模型并根據(jù)DODAF各視圖規(guī)范了模型描述方法,對(duì)飛機(jī)需求進(jìn)行全面地分解與細(xì)化,采用模型傳遞工程數(shù)據(jù),結(jié)合多種視圖開發(fā)信息更加立體的飛機(jī)模型,通過系統(tǒng)的分析歸納,層層遞進(jìn),最終得出詳細(xì)的設(shè)計(jì)要求,使得飛機(jī)研制流程完整、準(zhǔn)確,從而更好地指導(dǎo)民機(jī)研制,提高民機(jī)研制效率。

1 MBSE方法研究進(jìn)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,民用飛機(jī)的功能與復(fù)雜性正在成倍增加,而產(chǎn)品開發(fā)周期在市場(chǎng)的要求下不斷縮短,因此變革是必要的。以更少的時(shí)間制造出更有能力且缺陷更少的系統(tǒng)是民用飛機(jī)研制方法發(fā)展的方向。在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)下,MBSE方法成為提高民機(jī)研制效率的一個(gè)重要方法。2007年,國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中,正式提出了MBSE的定義： MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用,使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng),這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開始,持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及之后的所有壽命周期階段[5]。該方法以模型作為分析與交流的工具,避免文本作為捕獲工程數(shù)據(jù)的主要手段?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程相對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程有諸多不可替代的優(yōu)勢(shì),在建模語言、建模思路、建模工具上有重大轉(zhuǎn)變[6-7]。

由于MBSE方法在產(chǎn)品研制過程中的優(yōu)勢(shì),國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)其做了深入的研究[8-11]。Kaslow等人通過建立一個(gè)可執(zhí)行的MBSE模型,驗(yàn)證了如何實(shí)現(xiàn)RAX CubeSat(radio aurora explorer cube satellite)在太空中的任務(wù)要求[12]。Ferreira等人應(yīng)用MBSE將CMs(control maintenance system)與Fs(fuel system)集成設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了仿真[13]。Pessa用系統(tǒng)建模言(systems modeling language,SysML)在Visual Paradigm software中基于MBSE開發(fā)了AGVs(automated guided vehicles)的控制器,并在Microsoft Visual Studio環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了該控制,利用設(shè)計(jì)的AGV按照既定路徑完成對(duì)運(yùn)輸材料的拖車的牽引[14]。

目前較為常用的8種MBSE方法分別是:Harmony-SE方法、面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法(object-oriented system engineering method, OOSEM)、Vitech MBSE方法、狀態(tài)分析(state analysis，SA)法、對(duì)象過程方法(object-process methodology，OPM)、Magic Grid方法、理性統(tǒng)一過程系統(tǒng)工程(rational unified process for system engineering, RUP-SE)以及Arcadia方法。這8種方法均已應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中[15-16],但由于自身特點(diǎn)的不同,其所應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域也存在著許多不同[17-19]。在8種MBSE方法中,目前應(yīng)用較廣的MBSE方法有Harmony-SE方法, OOSEM方法,RUP-SE方法等。其中OOSEM方法主要面向IT行業(yè),Harmony-SE方法主要面向制造業(yè)并已經(jīng)在航空業(yè)內(nèi)[20-21]廣泛使用。但由于Harmony-SE方法更注重于設(shè)計(jì)的流程,其對(duì)于模型的表述方法過于單一,無法全面地描述模型并建立相應(yīng)的描述規(guī)則,雖然在比較小的系統(tǒng)或子系統(tǒng)建模方面有很好地實(shí)踐性,但是對(duì)于民用客機(jī)這種復(fù)雜大型系統(tǒng)無法從能力、功能、系統(tǒng)多個(gè)角度對(duì)飛機(jī)能力進(jìn)行完整與精確地分析,難以完整支撐整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

2 基于DoDAF的民機(jī)MBSE研制流程

DoDAF是美國國防部對(duì)C4ISR(command, control, communication, computer, intelligence, surveillance, reconnaissance)體系結(jié)構(gòu)框架的繼承和完善,能夠幫助決策者從多個(gè)部門、聯(lián)合能力領(lǐng)域、任務(wù)、組件和程序邊界中獲取并有效的組織融合信息,從而提高制定關(guān)鍵決策的能力。DoDAF不僅可用于指導(dǎo)國防指揮控制系統(tǒng)和武器裝備研制,還能廣泛運(yùn)用到各種商業(yè)運(yùn)作過程中的管理和研發(fā)活動(dòng)[22-24]。

在民用航空領(lǐng)域,美國聯(lián)邦航空管理局也借鑒了DoDAF多視圖分析技術(shù),在美國國家空域系統(tǒng)(National Airspace System, NAS)[25]的體系規(guī)劃和設(shè)計(jì)中也采用了DoDAF的OV、SV、TV視圖等架構(gòu)工具對(duì)國家航空空域的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行描述。該體系框架具有多個(gè)不同視點(diǎn),能夠從能力、功能、系統(tǒng)多個(gè)角度出發(fā)清晰描述各子系統(tǒng)之間交聯(lián)關(guān)系,從而充分考慮到每一個(gè)需求,保證設(shè)計(jì)與需求的一致性。

通過對(duì)DoDAF和民機(jī)研制過程的深入研究[26-27],根據(jù)民用飛機(jī)能力要求,本文提出了基于DoDAF的民機(jī)MBSE研制方法:在捕獲正常飛行場(chǎng)景下的部分飛機(jī)級(jí)需求后對(duì)其進(jìn)行分析與細(xì)化,完成需求分析、功能分析及功能建模3個(gè)階段,最終得到飛機(jī)各個(gè)子系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系,并生成資源流動(dòng)模型、活動(dòng)模型以及系統(tǒng)接口模型等,開發(fā)出信息更加立體的民用飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)能力模型以進(jìn)入下一級(jí)循環(huán)分析。

該方法規(guī)定設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的工程數(shù)據(jù)應(yīng)以模型的形式進(jìn)行存儲(chǔ)與傳遞,保證了信息傳遞的一致性與完整性;通過DoDAF的多視圖對(duì)模型進(jìn)行精準(zhǔn)全面的描述,在設(shè)計(jì)過程中不斷分析細(xì)化,深度剖析各系統(tǒng)功能及系統(tǒng)間的交聯(lián)關(guān)系;在不同層級(jí)的需求之間建立可追溯性鏈接,當(dāng)某個(gè)需求發(fā)生變化時(shí)能夠迅速鏈接到相關(guān)需求并對(duì)其進(jìn)行更新。相較于傳統(tǒng)民機(jī)研發(fā)方法,研究過程更加直觀與精確,更有利于研發(fā)工作的開展,如圖1所示。

圖1 基于DoDAF的MBSE研制體系流程Fig.1 Development process of MBSE system based on DoDAF

該方法的設(shè)計(jì)過程分為需求捕獲、需求分析、功能分析與功能建模4個(gè)階段,其具體的構(gòu)建流程如下。

(1) 需求捕獲階段:在總體概要信息視圖(AV-1視圖)中對(duì)飛機(jī)基礎(chǔ)能力愿景進(jìn)行定義。飛機(jī)基礎(chǔ)能力愿景由利益相關(guān)方所提出的初始需求經(jīng)過研究人員的初步分析得來,規(guī)定了飛機(jī)的任務(wù)與范圍。AV-1視圖為用例圖,通過描述飛機(jī)與利益相關(guān)方的相互作用來捕捉對(duì)民用飛機(jī)的基礎(chǔ)能力愿景,并在后續(xù)的階段中對(duì)該基礎(chǔ)能力愿景進(jìn)行分析與細(xì)化。以民機(jī)的正常飛行場(chǎng)景為例，民機(jī)的任務(wù)就是采用飛行的方式將乘客安全地從起點(diǎn)載運(yùn)到終點(diǎn),其飛行過程可分為起飛、爬升、巡航、下降、進(jìn)近和著陸6個(gè)階段[28],如圖2所示。

圖2 飛機(jī)任務(wù)圖Fig.2 Aircraft mission map

(2) 需求分析階段:該階段對(duì)飛機(jī)基礎(chǔ)能力愿景進(jìn)行分析與細(xì)化,產(chǎn)生達(dá)到該能力愿景所應(yīng)具備的能力,生成具體的能力需求,并建立需求間依賴模型。

① 在AV-1視圖的基礎(chǔ)上對(duì)每一基礎(chǔ)能力愿景進(jìn)行深入分析,不斷對(duì)其屬性進(jìn)行添加與更改,使得能力愿景更加精準(zhǔn)全面,從而建立飛機(jī)級(jí)能力愿景,并在構(gòu)想模型(CV-1視圖)中通過需求條目的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。

以需求捕獲階段所確定的飛機(jī)任務(wù)為例,對(duì)需求進(jìn)行詳細(xì)分析,生成飛機(jī)級(jí)能力愿景,為下一步從中提煉飛機(jī)能力做準(zhǔn)備。分析后得到的飛機(jī)級(jí)能力愿景如表1所示。

表1 飛機(jī)級(jí)能力愿景

② 通過建立運(yùn)行場(chǎng)景用例,通過用例對(duì)民用飛機(jī)的飛機(jī)級(jí)能力愿景進(jìn)行分解,從而得到具體的能力要求,在能力分級(jí)描述模型(CV-2視圖)中存儲(chǔ)。

根據(jù)上文中CV-1視圖的6項(xiàng)飛機(jī)級(jí)能力愿景分析得出每一項(xiàng)的能力需求,共分解出18項(xiàng)能力,如圖3所示,其中某些能力會(huì)在多個(gè)飛行階段中作用,如高度控制、馬赫數(shù)控制等。

圖3 能力細(xì)化分解圖Fig.3 Capability breakdown diagram

③ 對(duì)CV-2中的所有能力之間的依賴交聯(lián)關(guān)系進(jìn)行梳理得到能力依賴模型(CV-4視圖)。需要注意的是,依賴并不是一對(duì)一的關(guān)系,多項(xiàng)能力需求根據(jù)其在場(chǎng)景中的交互關(guān)系組成了一個(gè)復(fù)雜的依賴關(guān)系網(wǎng)。

梳理CV-2視圖中的18項(xiàng)計(jì)劃能力,得到能力依賴關(guān)系模型CV-4視圖,如圖4所示。例如巡航軌跡依賴于整體的飛行計(jì)劃,巡航高度依賴巡航軌跡,高度控制依賴于預(yù)測(cè)巡航高度(圖4中紅色依賴關(guān)系)。

圖4 能力依賴關(guān)系Fig.4 Capability dependency relationship

(3) 功能分析階段:該階段同時(shí)對(duì)需求分析階段產(chǎn)生的每一個(gè)能力需求進(jìn)行功能分析。針對(duì)CV-2視圖中的每一個(gè)能力都需要單獨(dú)地進(jìn)行建模,采用并行開發(fā)、增量迭代的方式從而提高研制效率。

① 選取CV-2視圖中的一個(gè)能力需求,分析與該能力需求相關(guān)的各子系統(tǒng)之間如何協(xié)同工作及其交聯(lián)關(guān)系,建立其操作概念視圖(OV-1視圖)。

以上文需求分析階段生成的多項(xiàng)能力中的高度控制能力為例來建立操作視圖。

高度控制能力是指在飛機(jī)的遠(yuǎn)距離巡航階段使其保持在固定高度穩(wěn)定飛行的能力。對(duì)于民用飛機(jī)而言,大多采用自動(dòng)駕駛儀對(duì)飛行高度進(jìn)行設(shè)定與校準(zhǔn)，即當(dāng)飛機(jī)偏離原始狀態(tài),飛機(jī)外部傳感器感受到偏離方向與大小,并輸出相應(yīng)信號(hào),經(jīng)放大、計(jì)算處理,操縱相應(yīng)作動(dòng)器(舵機(jī)),使控制面(舵面)相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)飛機(jī)回到原始狀態(tài)時(shí),傳感器輸出信號(hào)為零,作動(dòng)器以及與其相連接的控制面也回到原位,飛機(jī)按原始狀態(tài)飛行。

該能力主要與飛控系統(tǒng)相關(guān),并通過控制面的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。該能力主要由飛控系統(tǒng)中的飛控計(jì)算機(jī)、傳感器、舵回路等子系統(tǒng)完成,因此本文主要對(duì)飛控系統(tǒng)的子系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行分析,在該層級(jí)建立操作視圖。高度控制的OV-1視圖如圖5所示。

圖5 高度控制的操作概念圖Fig.5 Highly controlled operation concept diagram

② 根據(jù)其交互關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)并對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行分類將其歸入不同節(jié)點(diǎn)中,以模塊定義圖的形式建立各子系統(tǒng)之間的資源流動(dòng)模型OV-2視圖,從而描述各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系及資源流動(dòng)過程。

根據(jù)高度控制的操作概念圖可建立操作“高度控制”的活動(dòng)資源流模型(OV-2視圖),如圖6所示。分為傳感器模塊、飛行控制模塊、執(zhí)行模塊3個(gè)節(jié)點(diǎn),其中傳感器模塊包括無線電、垂直陀螺和速率陀螺等機(jī)載探測(cè)設(shè)備,飛行控制模塊包括飛控計(jì)算機(jī)、舵回路、作動(dòng)器等設(shè)備,執(zhí)行模塊包括液壓器和升降舵。節(jié)點(diǎn)之間的資源流用Flow表示,每一條Flow傳遞一條信息。傳感器模塊在獲取到高度、俯仰角及俯仰角速率信息后,將其傳遞至飛控模塊,經(jīng)過飛控模塊分析計(jì)算后獲取舵機(jī)指令通過作動(dòng)器傳遞至執(zhí)行模塊,從而改變飛機(jī)飛行姿態(tài)。

圖6 高度控制能力的活動(dòng)資源流Fig.6 Highly controlled activity resource flow

③ 在資源流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上,即可進(jìn)一步建立該操作的活動(dòng)模型(OV-5a/b視圖)以及狀態(tài)模型(OV-6b視圖)和事件順序模型(OV-6c視圖),用以梳理各節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞順序或控制流順序,同時(shí)針對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行泳道劃分,明確泳道中的活動(dòng)及活動(dòng)間聯(lián)系,以輔助后續(xù)的接口設(shè)計(jì)工作。

根據(jù)高度控制能力的操作概念圖及活動(dòng)資源流模型,梳理其控制流順序或信息傳遞順序建立了操作活動(dòng)視圖(OV-5b視圖),針對(duì)OV-2視圖中的3個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了泳道劃分,將整個(gè)高度控制過程分為傳感器模塊感應(yīng)階段,飛控模塊分析計(jì)算階段及執(zhí)行模塊執(zhí)行階段,明確了各個(gè)泳道內(nèi)的活動(dòng)以及活動(dòng)之間的聯(lián)系,便于之后的系統(tǒng)接口定義。如圖7所示。

圖7 高度控制的活動(dòng)圖Fig.7 Activity diagram for height control

(4) 功能建模階段:該階段同上一階段類似,也采用并行開發(fā)、增量迭代的方式進(jìn)行研制。為了實(shí)現(xiàn)操作視圖中的這些抽象活動(dòng),需要將這些活動(dòng)分配到具體的系統(tǒng)當(dāng)中,用系統(tǒng)功能活動(dòng)代替操作活動(dòng),明確各個(gè)活動(dòng)之間的數(shù)據(jù)流。

① 在活動(dòng)模型基礎(chǔ)上建立活動(dòng)與系統(tǒng)的關(guān)系,將活動(dòng)模型中的活動(dòng)對(duì)應(yīng)到系統(tǒng)并建立能力相關(guān)系統(tǒng)的功能描述(SV-4視圖),不同的泳道代表不同的系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)包含多個(gè)系統(tǒng)功能,同時(shí)活動(dòng)與系統(tǒng)的支持關(guān)系矩陣(SV-5視圖)也將被建立,用于描述每個(gè)活動(dòng)由哪些系統(tǒng)參與完成,每個(gè)系統(tǒng)可以支持哪些活動(dòng);

② 由SV-4視圖中系統(tǒng)之間的信息傳遞可對(duì)系統(tǒng)接口描述(SV-1視圖)和系統(tǒng)資源流描述(SV-2視圖)以內(nèi)部模塊圖的形式進(jìn)行建模,以顯示內(nèi)部各子系統(tǒng)組成部分之間的關(guān)系,以及各子系統(tǒng)之間的接口。

同樣以高度控制能力為例:在OV-5b視圖的基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)功能描述模型(SV-4視圖)如圖8所示。不同的泳道代表不同的系統(tǒng),與高度控制能力相關(guān)的系統(tǒng)有:傳感器系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、自動(dòng)飛行系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及控制面。將功能分析階段得出的各項(xiàng)活動(dòng)分配至SV-4視圖中與各系統(tǒng)對(duì)應(yīng),每個(gè)系統(tǒng)包含多個(gè)系統(tǒng)功能。通過對(duì)比SV-4視圖的系統(tǒng)功能描述以及上面的高度控制活動(dòng)圖OV-5b視圖,可以建立活動(dòng)-系統(tǒng)跟蹤矩陣SV-5視圖,用于描述每個(gè)活動(dòng)由哪些系統(tǒng)參與完成,每個(gè)系統(tǒng)可以支持哪些活動(dòng),具體的跟蹤矩陣這里不再贅述。

圖8 高度控制的系統(tǒng)功能描述Fig.8 Highly controlled system function description

通過上面的系統(tǒng)功能描述,系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口可以清晰顯現(xiàn)出來,將其進(jìn)行歸納可以得到系統(tǒng)接口描述模型(SV-1視圖),如圖9所示。

圖9 高度控制的系統(tǒng)接口描述Fig.9 Highly controlled system interface description

至此,關(guān)于飛機(jī)高度控制能力的分析建模已經(jīng)基本完成,得到了該功能的資源流動(dòng)模型、活動(dòng)模型以及系統(tǒng)接口模型等。

由于本文只選取了高度控制這一項(xiàng)能力進(jìn)行分析建模,所得到的系統(tǒng)接口模型并不完整,需要采用同樣的方法對(duì)所有的能力進(jìn)行分析建模,得到每一項(xiàng)能力的系統(tǒng)模型,將其整合成一個(gè)完整的飛機(jī)子系統(tǒng)接口模型,這些系統(tǒng)接口模型接下來可用于飛機(jī)研制過程。

在整個(gè)流程中,需求捕獲階段將市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化為飛機(jī)級(jí)需求;需求分析、功能分析、功能建模3個(gè)階段將飛機(jī)級(jí)需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級(jí)需求。在完成以上4個(gè)階段后,設(shè)計(jì)人員應(yīng)將轉(zhuǎn)化后生成的系統(tǒng)級(jí)需求作為初始需求輸入并再次進(jìn)入需求分析階段進(jìn)行循環(huán),直到產(chǎn)生詳細(xì)而準(zhǔn)確的部件級(jí)需求為止。在此過程中,應(yīng)在不同層級(jí)需求(如飛機(jī)級(jí)需求與系統(tǒng)級(jí)需求)之間建立可追溯性鏈接,以保證當(dāng)需求需要進(jìn)行變更時(shí)能迅速追溯到與之相關(guān)的其他需求,從而減少返工工作、提高研制效率。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)民用飛機(jī)在研制過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)需求不完整、難以保證設(shè)計(jì)與需求的一致性、設(shè)計(jì)方案變更工作量大等一系列問題,提出了基于DoDAF的民機(jī)MBSE研制方法。該方法通過模型的方式傳遞工程數(shù)據(jù),并將DoDAF的多個(gè)視角應(yīng)用于模型的構(gòu)建過程中從各個(gè)角度對(duì)模型進(jìn)行描述,并在后續(xù)設(shè)計(jì)分析過程中對(duì)飛機(jī)能力要求進(jìn)行分析與細(xì)化,逐步遞推,最終得到各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)視圖,更加準(zhǔn)確細(xì)致地描述飛機(jī)研制要求。此外,在不同層級(jí)的能力需求模型間建立可追溯性鏈接直至研發(fā)工作結(jié)束,使得每一條需求的來源與后續(xù)流向都清晰可見,極大地保證了設(shè)計(jì)與需求的一致性。同時(shí),當(dāng)設(shè)計(jì)需求發(fā)生變化時(shí),設(shè)計(jì)研發(fā)人員能夠通過可追溯性鏈接迅速尋找到需要變更的所有需求,極大地減少工作量,提高研制效率。該研制方法由多種視圖組成,并在流程中詳細(xì)規(guī)范了每一視圖所用的工具與模型,將分析流程規(guī)范化,為研究人員提供了一條明確規(guī)范的研制流程,減少了研制過程中由于經(jīng)驗(yàn)不足而產(chǎn)生的重復(fù)工作。

本文采用該方法捕獲民用飛機(jī)的部分能力,對(duì)擬定的飛機(jī)能力要求進(jìn)行分解細(xì)化,建立能力之間的交聯(lián)關(guān)系。針對(duì)高度控制這一能力要求,建立高度控制這一子系統(tǒng)的系統(tǒng)模型,詳細(xì)給出該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口信息與資源流信息。在實(shí)踐過程中該方法體現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn):

(1) 將復(fù)雜大系統(tǒng)嚴(yán)格有序地分解為多個(gè)能力,通過對(duì)能力進(jìn)行并行分析,簡化了研制復(fù)雜度,提高研制效率;

(2) 從多個(gè)角度對(duì)飛機(jī)進(jìn)行建模,使模型信息更加立體,提高了模型的完整性與正確性,使得研究人員能夠更加清晰準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析;提高了模型的可理解性,便于開發(fā)者與項(xiàng)目利益相關(guān)者和實(shí)施者以及開發(fā)者之間的信息交流;

(3) 通過模型傳遞工程數(shù)據(jù),增加了工程數(shù)據(jù)的直觀性與完整性,保證了設(shè)計(jì)與需求的一致性。

因此,基于DoDAF的民機(jī)研制方法能夠詳細(xì)精確地描述飛機(jī)研制要求,相較于傳統(tǒng)民用飛機(jī)研制方法有很多優(yōu)點(diǎn),更加適合超大型系統(tǒng)工程的開發(fā),有利于指導(dǎo)民機(jī)研制工作。