基于功能场景分析的飞机需求捕获和确认方法研究

摘 要：民用飞机的研制过程是极其复杂的系统工程。其中以需求为驱动，以需求的捕获和确认为核心。由机需求的利益相关方众多，需求的捕获和确认是公认的难点，因此基于对飞机的场景的开发和分析，对需求进行捕获和确认，是提高需求的完整性和正确性的重要方法，基于模型的系统工程（MBSE）方法是当前热门的系统开发流程，实践了基于场景分析进行需求捕获和确认的过程。

关键词：系统工程 需求捕获 确认 场景分析

中图分类号：TH47 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0083-02

Research on Capture and Confirmation Method for Aircraft Requirements Based on Functional Scenario Analysis

Xie Ling Fang Junwei Xu Zhou Tang Chao Zhang Lei

（Shanghai Aircraft Design and Research Institute， COMAC， Pudong， Shanghai， 200000 China）

Abstract：Civil aircraft development process is extremely complex systems engineering.The requirements are it’s driver，while requirements’ capture and validation are the core.As there are many stakeholders for aircraft requirements，so its capture and validate are the generally recognized difficulty.Therefore based on aircraft functional scenario analysis，to make capture and confirmation for requirements is an important method to improve the integrity and correctness of the requirements.The model based system engineering （MBSE） is a hot system development process，carrying out the requirements capture and validation process based on scenario analysis.

Key words：System engineering； Requirements capture； Validation； Scenario analysis

对于系统高度复杂的产品，我们通常采用系统工程方法，把客户的要求转化为系统需求，同时系统和/或部件的规范满足这些需求[1]。飞机是一个极度复杂的产品，飞机的研发也是巨复杂的系统工程，作为飞机制造商，需要捕获飞机级顶层需求，以满足航空公司、政府、飞行员等干系人的要求，同时要制定系统或者产品规范，并进行试验验证，以保证供应商提供符合需求的产品。在实践系统工程的过程中，场景分析是一种常用的手段[2]，常被称为故事板[3]，飞机产品本身非常复杂，其运营和维护场景也非常的复杂，飞机或者不同层次的系统也有其自身的场景，该文阐述了场景分析的理论，并点出基于模型的系统工程（MBSE）通过场景分析进行需求捕获和确认的过程。

1 功能与需求

所谓功能，是指产品的预期行为，该行为是由一系列的需求定义的，并且与具体的实现过程无关[2]。功能即客户期望的产品具备的能力，功能是进行场景分析的主体。需求是产品必须满足的性能或者设计约束的描述，必须是可验证的[4]。可以看出，需求是产品的用户与供应商沟通的纽带，是供应商对用户承诺，也是用户对供应商的约束。其重要性可想而知。因此在飞机研制过程中，需求分为不同的层次，不同层次之间的需求建立追溯关系。一般来说，分为飞机级需求-系统级需求-部件级需求。同时，需求还需要经过确认，以保证捕获的需求是正确的和完整的[2]，功能场景分析的过程，即分析功能在场景中的预期行为，从而进行需求的捕获和确认。

2 场景和飞行场景的定义

场景（Scenario），本意来源于戏剧，是指剧情梗概，通用的解释理解为：具有一定关系的事件的组合。场景分析是一种常用的需求捕获的技术，是指把要开发的产品，置于其运营的场景中，通过分析其在场景中的预期行为，从而获得需求的方法。

场景分析方法最早可以追溯到早期哲学家如柏拉图和塞内卡的著作。作为一种战略规划工具，场景分析技术一直被历史上的军事战略家作为战略规划工具使用。场景分析是一种创造性思维，通过这种方法，可以降低系统中重要的需求被忽视的可能性，同时开发场景的活动能够促进组织机构内部之间的沟通[5]。

飞行场景是指飞机在机组（飞行员和乘务组）、外部环境（大气、无线电、地形、电磁等）以及内部状态（故障）的组合中的预期行为（即功能）。那如何开发和确定这些场景，则是功能场景分析方法的重要基础。

3 飞行场景的开发

3.1 飞行场景的层次

飞机的运营环境、操作、飞机产品本身都异常复杂。与需求的层次对应，飞行场景可以分为飞机级场景-系统级场景-设备级场景，飞机级场景则以飞机为对象，考虑飞机运营、维护，包括飞行员、乘务员以及机务维修人员，乃至空管、乘客等所有的干系人对产品的使用，以及飞机的运营环境情况。系统级场景则以系统为研究对象，考虑系统的运营、维护环境，与飞机级场景不同，系统级场景还需要考虑的点就是交联系统的状态的影响，即与对象系统有电气接口、机械接口等其他的系统的状态，设备级场景类似。

3.2 飞行场景的维度

飞行场景开发的目的是为了捕获并确认需求，为了保证所捕获得到的需求是完整性，那么需要飞行场景尽量的完整，能够覆盖到所有可能的场景，因此，该文提出飞行场景的维度，建立飞行场景多维矩阵，以尽可能的保证场景的完整性。

3.2.1 飞机级场景

以飞机为对象，以下面几个维度考虑场景：

（1）时间维度：即飞机所处的运营或者维护阶段，如飞行阶段，包括地面阶段、地面滑跑、起飞、爬升、巡航、进近、着陆等；维修阶段，包括车间维修、航前航后检查等。

（2）环境维度：环境维度主要考虑飞机运营所在地的宏观气候、微观的天气、重力场、电磁环境、跑道的长度、跑道所在位置的海拔高度、风沙、空气含盐量等等。

（3）状态维度：这个状态即飞机的状态，例如，单发失效，双发失效，舵面卡阻，单套液压系统失效等，主要考虑比较大、严重的整个系统的失效情况。

（4）任务维度：相对军用飞机，商用飞机的任务比较简单，但对于研制过程来讲，仍旧包括正常的航线运营，飞行试验，维修等。

（5）干系人维度：即从干系人的角度考虑场景，例如飞行员的正常航线飞行场景，乘务员与乘客的应急撤离场景，乘务员的厨房操作场景，乘客的盥洗室操作场景，航前维护场景等。

表1为一个地面减速的飞机级场景的示例。

3.2.2 系统级场景

是指以系统为对象，除了飞机级场景所具备的维度之外，系统级相比飞机场景不同之处还需要考虑交联系统的状态情况，以飞行控制系统为例，系统级场景的维度包括：

（1）时间维度：与飞机级一样，考虑系统所处的运营或者维护阶段，主飞行控制的地面模式和空中模式；

（2）环境维度：也与飞机级一样，主要考虑闪电，电磁，高温，高湿，振动，沙尘，真菌，盐蚀，大侧风，结冰和风切变等。

（3）状态维度：对控，依据传感器的可用性，可以划分为正常模式场景，备用模式场景和直接模式场景，以及各种失效模式。

（4）任务维度：也可以划分为航线运营场景，试飞场景和维护场景等。

（5）干系人维度：飞行员，维护人员等。

（6）关联系统状态：与飞控系统关联的系统包括：航电系统，为飞控提供传感器输入、状态信息显示与告警，液压系统和电气系统提供能源，起落架系统提供轮载和轮速信号，机体结构提供设备安装位置等，这些系统的状态会给飞控系统造成不同的场景，是一个重要的考虑维度（图1）。

表2为飞控系统地面航前维护的场景示例。

三个维度的任意组合，再加上之前假设的两个维度，构成了一个飞行场景，“航线运营时，侧风大于20kt的正常着陆，前起触地后到速度减至20kt之前的飞行员操作的场景”[6]。在场景开发的过程中，可以依据实际需要，调整各维度的颗粒度，提高基于此场景下分析得到的需求的完整性。

4 MBSE中基于场景分析的需求捕获和确认过程

基于模型的系统工程（MBSE）是复杂系统开发领域企业和研究机构目前正在广泛应用和推广的现代系统开发流程。这一方法依靠大型软件平台，利用图形化建模方法，把功能和需求等抽象概念以模型的形式表达出来，便于系统设计者之间的无歧义的交流和构型管理等。关于MBSE，有专业的论著进行详细的描述，并且有大量的专业软件工具来实现，如IBM的Rhapsody，该文不再赘述。

5 结语

在飞机研制的系统工程过程中，飞行场景分析非常重要，在需求捕获、需求确认及验证、安全性分析以及局方的适航审定过程起着非常重要的作用。针对飞行场景开发，提出了飞行场景的定义，层次和维度，并且提出了飞行场景开发的过程，为飞机研制过程中的飞行场景开发给出了建议性指导。

参考文献

[1] Federal Aviation Administration. NASA System Engineering Manual （Version 3.1）[S].FAA，2006.

[2] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[M].USA：SAE，2010.

[3] Project Management Institute.项目管理知识体系指南（PMBOK指南）（第5版）[M].北京：电子工业出版社，2013.

[4] Scott Jackson.System Engineering for Commercial Aircraft[M].UK：Ashgate Publishing Limited，1997.

[5] INCOSE.System Engineering Handbook[M].USA：Wiley，2006.

[6] 徐敏敏，揭裕文.面向适航审定的飞行场景研究[J].民用飞机设计与研究.2014（2）：66～69.