基于DoDAF建模的民用飛機 運行需求捕獲方法研究

楊 銘，錢 馨，王久元

(1.中航西飛民用飛機有限責任公司， 西安 710089； 2.中國航空綜合技術研究所， 北京 100028)

民用飛機的研制是一項極其復雜的系統工程，具有學科交叉性強、系統綜合集成度高、高新技術密集程度高、項目研制周期長、投入巨大且管理復雜等特點[1]。因此，需要將飛機各類要素進行有機結合，以滿足客戶需要(Need)和適航要求。而所設計的飛機在滿足適航規章要求的前提下，能否滿足客戶需要決定了研制項目的成功與否，因此，客戶需要是否被完整、正確地捕獲作為設計輸入，對于項目后期的研制具有關鍵影響。

飛機是系統高度復雜的產品，需采用系統工程方法，把客戶需要轉化為飛機頂層運行需求(Operational Requirement，OR)，建立客戶與飛機產品設計單位之間的橋梁，客戶需要、運行需求與功能需求的關系如圖1所示，運行需求只關注如何使用，而與具體的產品實現無關。通過運行需求的分析，回答如何滿足用戶需要的問題，并后續以運行概念文件的方式確定和定義。通常在飛機設計的概念階段，研制單位需要從多個方面獲得需求，重要的類型包括“市場調研”、“行業標準”、“遵循的適航規章”3個方面。從市場部門將會獲得同類型飛機運行市場、特定航空公司用戶和乘客對未來飛機產品的期望和需求；行業標準的選擇通常為了從研發與制造周期的考慮，盡量適應大規模工業生產的要求。適航規章的遵循是從飛機安全的角度出發，滿足適航審定機構、飛機航空公司、乘客的安全需求，所以這也是很有必要的。但這些并不能被飛機產品研發工程師直接去使用，因為這些需求通常是較為生活化、口語化，并以一種期望的形式進行表述，其中有部分期望甚至是沖突的。所以通常將它們歸類為“需要”更為貼切。基于上述討論，因此需要通過相關技術手段將各方面“需要”轉換為飛機的運行需求，從而銜接市場到設計的準確過渡。

傳統的需求捕獲方式主要包括采訪、交流、調查問卷等方式，通過這些方式獲取利益攸關方的需要與期望。因此需要建立需求捕獲團隊，與利益攸關方代表進行面對面的溝通。另外，對于飛機主制造商而言，可能還需要設置專門的專業人員定期或不定期拜訪客戶，以了解客戶的實時需要。在此基礎上結合飛機的生命周期特點運用質量功能展開(QFD)改善捕獲、評估客戶需求、排列這些需求的優先次序，并轉化為概念，最終將利益攸關方需要轉換為飛機的頂層運行需求[2]。但是上述方法可能帶來的問題是，所捕獲的需求完整性有待考量、需求的合理性缺乏強有力的依據。需求的不完整性表現為客戶的合理需要捕獲不夠完整，從而沒能轉換為設計需求，如圖2所示中的Need0002，另一方面由于缺乏與市場需求的可追溯性，導致所捕獲的運行需求缺乏支撐依據，如Requ0003和Requ0005。基于上述問題，本文通過場景分析手段開展飛機運行需求捕獲，此方法能夠建立市場需要與運行需求的可追溯關系，同時將場景與適航規章相關聯，同時將適航要求轉換為設計需求。

在系統工程實踐中，場景分析逐漸被公認是開展需求捕獲的有效方法。運行場景描述了飛機與外部環境之間的交互關系，在SAEARP4754A[3]中需求確認中指出“There are a number of methods for developing and documenting scenarios (e.g. state diagram, timeline diagrams).”“The early capture of operation and maintenance scenarios as well as prototyping are example means of eliciting requirements.”可以看出，目前場景分析在民機需求捕獲和確認中是已被認可的技術方法。目前，美國國防部DoDAF技術框架是構建飛機場景模型的有效手段[4]，DoDAF采用視圖的形式，應用于航空裝備頂層作戰需求、裝備功能需求以及功能分解等工作。在民用航空領域，FAA也借鑒了DoDAF多視圖分析技術，在美國國家空域系統(National Airspace System NAS)[5]的體系規劃和設計中也采用了DoDAF的OV、SV、TV視圖等架構工具描述了國家航空空域各個系統之間的運行場景。

本文以基于模型的系統工程為指導，在DoDAF框架下應用建模技術[6]對民用飛機不同階段的運行場景進行完整描述，包括飛機靜立、推出、滑行、起飛、爬升、巡航、下降、進近、著陸、滑入等10個階段。通過不同運行場景下飛機與各個利益攸關方的交互來捕獲飛機的運行需求，從而保證所捕獲需求的完整性與正確性，使其作為下一步飛機設計工作的有效輸入。所捕獲需求的正確性可通過運行場景模型的確認進行保證，需求的完整性則可通過運行場景的不斷迭代與優化以及與交互動作的不可細分確保所捕獲需求的完整性。因此，基于本文場景的運行需求捕獲能夠確保所捕獲需求的有效性。

1 民機運行場景DoDAF描述方法

1.1 飛機運行場景模型構建方法

場景(Scenario)最初應用于軟件工程領域，廣泛應用于前期的需求分析，用于描述與軟件之間的交互關系[7]。目前場景技術已被引入到系統工程領域，用于描述飛機與運行環境之間的相互作用關系，可用于飛機功能識別和需求捕獲，即在飛機產品研制的早期概念設計和需求分析階段，將研制的飛機置于未來的運行場景中，通過分析飛機在場景中的預期行為，從而識別飛機的功能以及捕獲飛機功能性需求。飛行場景考慮多個利益攸關方參與，包括航空公司、機場、空中交通管理等，并以時間尺度為基礎，考慮飛機狀態，以此描述飛機與外部環境的交互行為。

為了盡可能完整的捕獲飛機運行需求，在構建本文中場模型景時，主要需要考慮3個因素，即時間維度、環境維度、狀態維度[8]。

1) 時間維度。將飛機投入整個民用航空運營系統，定義飛機運行完整過程，包括飛機靜立、推出、滑行、起飛等十個階段；

2) 環境維度。考慮飛機運行的外部環境，并將航路氣象系統作為飛機利益攸關方，描述飛機在特定環境下的運行場景；

3) 狀態維度。具體指飛機的狀態，在以時間維度為基礎上考慮飛機的狀態對運行過程進行描述，如靜立階段包括初始登機、飛行準備，也包括飛行任務結束后的機組離機等場景。

圖3給出了飛行場景3個維度的示例[8]：

1.2 DoDAF運行場景描述

DoDAF主要用于指導美軍開展武器狀態需求生成的標準規范，由美國國防部于2004年正式頒布。DoDAF框架內具有一系列視圖產品，通過這些視圖能夠從不同角度描述系統體系架構的構建和研制，從而實現以一種統一的模型描述武器裝備需求，確保從作戰需求到系統實現的順利過渡[9-10]。目前，DoDAF作為武器裝備需求描述的標準已經得到廣泛認可。

本文采用基于DoDAF框架對飛機運行場景進行建模，主要劃分為3個層次：運行階段、任務單元、行為單元。運行階段是根據飛機時間、狀態維度進行劃分，分為以下階段：靜立、推出、滑出、起飛、爬升、巡航、下降、進近、著陸、滑入。在每個階段又劃分了若干任務單元，如在起飛階段包括的任務單元有：監控飛機狀態、獲取起飛許可、開始飛機計時、松剎車、加速滑跑、檢查空速、抬前輪及飛機狀態跟蹤。在每個任務單元中，飛機系統與其利益攸關方則存在資源、信息及數據的傳遞，這些信息的傳遞可通過兩者之間的交互動作實現，當每個動作細化到不可分解，即可對飛機的相關運行需求通過簡潔、一致、無歧義的語句進行定義。整個模型架構如圖4所示。

基于DoDAF框架對飛機整個運行階段的場景進行完整定義，通過飛機與利益攸關方每個行為單元的交互，可捕獲飛機完整的運行需求。經過對模型的多次迭代與優化，可對利益攸關方如航空公司、飛行員、旅客、空管、機場、維修人員、乘務人員等進行正確、完整的捕獲。只有飛機利益攸關方是正確且完整的，才能保證所捕獲的運行需求的完整性與正確性。通過模型捕獲的需求可經過功能分析獲得飛機的功能層次結構，最終形成飛機研制的功能清單，作為飛機研制的設計輸入。基于DoDAF場景的運行需求捕獲與系統工程實施的關系如圖5所示。

2 基于場景的民機需求捕獲流程

飛機需求捕獲主要目的是記錄、產生利益相關方需求，并確保準確理解并與其形成一致需求，最終建立民用運輸類飛機市場需要至飛機研制流程的對接，實現市場需要與飛機研制需求間的追溯性。

基于DoDAF場景的運行需求捕獲流程如圖6所示。

具體捕獲步驟如下：

1) 定義飛機頂層任務。首先對飛機運行的頂層飛行任務進行定義，此時需考慮本身機型的市場定位及載客數等因素。

2) 定義飛機運行階段。對頂層任務進行階段劃分，包括靜立、推出、滑出等十個階段，共同組成完整的飛行任務過程。

3) 定義任務單元。在某個特定運行階段，劃分為若干任務單元，該部分通過OV-5b視圖進行定義。

4) 定義行為單元。行為單元是對任務單元的詳細描述，當行為單元過多時可采用嵌套的方式，當有場景重復出現的情況可采用引用方式定義，此場景使用OV-6c視圖描述。

5) 運行需求捕獲。對每個任務單元詳細描述后，可進行運行需求的捕獲，需求來源于飛機與各個利益攸關方的交互動作。

3 案例分析

根據本文前面介紹的場景建模方法和需求捕獲流程，本章節以某型民用飛機典型場景為例，具體闡述在DoDAF框架下機組登機場景模型，并在此場景下的運行需求捕獲示例。

根據圖6所示的需求捕獲過程，下面結合案例，給出飛機運行需求捕獲的具體實施過程。

1) 飛機頂層任務定義。通過DoDAF中的OV-1視圖描述的飛機總體運行場景，如圖7所示[11]，該場景中描述了飛機作為航空運輸系統(SOS)中的組成部分，與外部環境(如塔臺、ATC、衛星、臨近飛機、雷達等)之間的交互關系，根據頂層任務的定義能夠對自身飛機的利益攸關方進行識別。

2) 飛機運行階段定義。在此對上述頂層任務進行階段劃分，使用OV-5a視圖來展現階段之間的前后邏輯關系。該步驟的任務是完成頂層任務的分解。部分運行階段如圖8所示。

3) 任務單元定義。該步驟的任務是完成運行階段活動分解。此活動的輸入為上一步驟中的階段模型，輸出為任務單元模型。如圖9所示，以“靜立階段”中的“飛行任務準備”為例，使用OV-5b視圖展現內部的任務關系。其中，“task1-task4”是串行的關系。“task5～task7”是并行的關系。

4) 行為單元定義。該部分是對上述任務的詳細定義，通過飛機與利益攸關方的交互動作對任務單元內容進行描述，此部分內容在OV-6c視圖中完成。

在此，以“〈task1〉機組登機”為例，開展行為單元定義。由于篇幅有限，在此展示部分模型內容，如圖10所示。其中，與飛機有關的行為單元是5個，它們是“提供機身內部人員通道”、“提供駕駛艙接近通道”、“提供駕駛艙開口”、“提供駕駛艙門”、“提供駕駛艙”。另外，還包括飛機與飛行機組的交互動作，即飛行機組“接收機身內部人員通道”。

5) 飛機運行需求捕獲。至此，飛機靜立階段飛行任務準備下的建模已經完成，本案例中以“提供駕駛艙接近通道”行為單元為例，對相關運行需求進行捕獲。此部分工作仍在OV-6c視圖中完成，捕獲示例如圖11所示。

首先捕獲與“提供駕駛艙接近通道”任務有關的適航需求，如在適航規章中，與“提供駕駛艙接近通道”的相關適航要求CCAR25.815以及CCAR121T.591，該要求作為該場景行為單元的約束性需求，即適航需求；同時，根據該場景中行為單元的描述和該行為單元與其他活動之間的關系，系統工程師提煉飛機運行需求，即對于“提供駕駛艙接近通道”這一行為單元，捕獲的需求是“該飛機應提供人員在機上自由活動，從其座位到達駕駛艙或正常或應急出口的內部通道，位于駕駛艙座椅之間的旅客過道寬度應滿足” CCAR25.815條款要求”。

通過本步驟分析，一方面通過場景行為單元捕獲的飛機運行需求；另一方面，該行為單元與適航規章建立了追溯關系，適航成為行為單元約束性需求。

通過上述案例分析工作，建立了飛機階段層、任務層和行為單元層場景，通過場景捕獲了飛機運行需求，保證了飛機需求的完整性，同時保證了需求的可追溯性。

4 結論

本文以模型的系統工程(MBSE)為指導，在DoDAF框架下對民用飛機不同階段的運行場景進行建模和需求捕獲方法以及流程進行了分析，并通過具體案例對上述流程進行闡述，得出如下結論：

1) 在場景建模方法上，DoDAF的多視圖分析技術能夠描述飛機各個階段的運行場景，研究了DoDAF在SOS級和飛機級的場景建模方法，通過場景模型構建，更加清晰的描述飛機整個運行活動以及各個活動相關的利益相關方，明確利益相關方與飛機之間的信息交互關系；

2) 在需求捕獲流程上，場景模型是需求捕獲的基礎，場景模型構建完善與否決定了捕獲的需求完整性和正確性，本文通過場景行為單元捕獲飛機運行需求，為需求捕獲提供了技術手段；另外隨著場景層次的不斷深入，需求也要隨著場景具有層次性，通過場景模型可以構建飛機不同層次需求之間的追溯性。

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