基于系統工程的航空運輸系統建模方法

陳剛

摘 要結合實際項目對航空運輸系統仿真模型的建立方法進行了研究。提出一套從利益相關者分析、需求定義至仿真模型網絡構建的完整建模方法。該方法基于國際系統工程委員會系統工程手冊設計，并增添了相應的追蹤關系矩陣，保證了需求的可追溯性、可驗證性及模型間的一致性。最后給出使用該方法建立的一個仿真模型的測試結果，對方法進行了可行性和有效性驗證。

【關鍵詞】系統工程 航空運輸系統 建模 仿真

隨著科技的發展，民用飛機設計向著降低成本和提高安全性兩大目標持續邁進。但是究竟對飛機的哪項參數或者哪些配置進行更改才能實現這個目標，始終難以進行系統的衡量。

本文旨在建立一套完整的仿真網絡，對飛機的更改后配置進行系統性仿真，使飛機的設計方能夠完整預測新配置對整個航空運輸系統帶來的關鍵性影響。

航空運輸系統是系統的系統，包含航空公司、機場、飛機、ATM、飛機設計制造公司等系統，而各大系統本身又有復雜的組織架構和業務邏輯。系統工程方法能夠為此類復雜系統的設計建模提供一個有效工作環境，從需求階段開始，通過模型的不斷演化、迭代實現最終的設計目標，同時通過系統工程理論中追蹤、驗證等方法確保設計結果的正確性和完整性。

本文作者以INCOSE（國際系統工程委員會）系統工程理論為基礎支撐，設計了一套從需求到最終仿真網絡搭建的完整方法。

1 建模方法設計

圖1所示為本項目的建模方法。模型分為兩大部分：基本模型和仿真模型。基本模型包括從利益相關者定義直至架構定義的一系列模型。基本模型是航空運輸系統的靜態模型和業務模型的集合，是航空運輸系統的模型化體現，也是繼續構建仿真模型的基礎依據。仿真模型是將基本模型中各模塊關系、算法使用建模方法進行固化，并依據輸入參數的變化對各模塊的影響進行量化和偵測的動態模型。仿真使用的模型類型可使用參數模型、網絡模型或其它適用于相關問題域的動態模型。

建模各環節描述如表1所示。

除了上述模型定義過程，在模型開發過程中還需記錄和維護幾種追蹤表，這些表確保了需求和模型、模型和模型之間的一致性，見表2。

航空運輸系統的復雜性使其無法一次性建模完成。本文設計的方法以螺旋式生命周期為基礎，在任一階段模型設計或仿真測試過程中，都可以根據需要回到需求定義階段重新開始，按順序向各個模型增添細節信息，并維護相應的關系表。由于每次增量開發并不需要對已有模型進行修改，因此并不會造成開發成本的浪費。

2 仿真模型測試

仿真模型是用于量化飛機配置更改所帶來的各種影響的最終手段。本文以一個利潤估算模型為例展示仿真模型的運行結果。該仿真模型以法蘭克福機場到紐約機場的航線為例，針對該航線上德國漢莎公司運行的全部四種機型（A380，A340，波音747-400和波音747-8）進行利潤計算，并假設將該航線所有機型替換為A380后，對其利潤變化進行仿真演示。

計算過程中所有航班數據均來自于德國漢莎公司2015年的真實飛行記錄。

仿真結果如圖2所示。

圖2紅色曲線代表年度總座位數，藍色曲線代表總利潤，X軸數字代表A380航班數。由結果可知，A380在完全替換其余兩種機型后利潤總值達到頂峰，而替換波音747-8時利潤開始下滑。因此A380在該航線的利潤低于波音747-8而低于其余兩種機型。

3 結論

應用該方法的模型開發目前已完成基本模型和部分仿真模型并通過評測。后續將對仿真模型進行代碼輸出，并使用編程的方式實現各仿真模型的輸入輸出鏈，最終實現整個仿真網絡。使得在一次仿真過程中觸發多個問題域不同仿真模型，并能夠同時輸出影響結果，為后續民機的發展和更改提供決策支持。

本文探討的建模方法經實踐證明，可以實現基本模型及仿真模型的建立。方法中對系統工程理論的應用以INCOSE系統工程手冊第四版為基礎，可以廣泛應用于多個行業。

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作者單位

中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院 陜西省西安市 710089