基于系統工程方法的直升機燃油系統需求分析

劉 歡

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮333000）

0 引言

系統工程是一門專注于整體（系統）的學科，是一種自上而下的綜合、開發和運行真實系統的迭代過程，以接近最優的方式滿足系統的全部需求。在開發周期的早期階段，就定義客戶需求與所要求的功能，在考慮運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、制造和退役問題時，進行設計綜合和系統確認。系統工程以提供滿足用戶需求的高質量產品為目的，同時考慮了所有用戶的業務和技術需求［1］。目前，國內外各領域特別是以德國“工業4.0”、美國“工業互聯網”和“中國制造2025”為代表，大力推行智能制造政策。通過利益攸關者識別、需求捕獲與運行概念設計、系統需求分析、功能架構設計、邏輯分析和系統物理綜合集成、分系統集成試驗、系統交聯試驗、全系統模擬與驗證等研發途徑［2］，實現產品研制。特別是以基于模型的系統工程（Model-Based System Engineering，MBSE）為代表的新技術和新方法為航天航空領域系統工程帶來了巨大的變革，促使航天航空領域系統工程快速且持續演進［3］。燃油系統主要是存儲直升機所規定的燃油量，保證直升機在地面和飛行條件下向動力裝置可靠有效的供油。在以直升機燃油系統研制為代表的復雜產品研制中，系統工程可有效解決系統的論證、設計、生產和使用的決策和優化問題，是用于系統設計、實現、技術管理、運行使用和退役的專業學科方法論，可以引導系統架構的開發、需求的定義和分配、設計方案的評價和權衡，系統間技術風險權衡、系統接口的定義和評估、驗證和確認。

1 燃油系統需求和功能分析

1.1 系統的生命周期

直升機研制是典型的巨型復雜系統，周期較長，每個直升機產品的生命周期都包含很多元素，主要分為開發、生產、使用、退役四個階段。每個階段都有不同的目的和相關活動，都存在著關鍵事件的決策點、里程碑，通過決策評估，控制風險。一般生命周期包含概念階段、開發階段、生產階段、使用保障階段、退役階段。系統工程的可視化表達有多種經典模型［4］：橢圓模型、瀑布模型、V模型、螺旋模型。V模型主要側重需求分析與用戶需求反復迭代和演化的過程，直升機燃油系統的研制采用V模型進行研發，可以保證成附件、子系統、整個燃油系統始終滿足整機要求，在論證和設計階段具有指導意義。V模型如圖1所示表示了從全機需求分解為燃油系統需求，確定燃油系統架構及設計，對燃油系統進行功能分解，提出燃油系統設計方案，通過生產及制造，進行燃油系統集成驗證和確認，明確燃油系統邏輯關系，確保系統自洽性，再進行整機集成驗證及確認，通過驗證解決問題，交付客戶使用，清晰表達了燃油系統研制的演進過程，如圖1所示。

1.2 系統需求分析

圖1 系統研制演進過程

需求分析包含了多個復雜內容，它需要系統工程師對系統需求進行反復的定義、存檔以及更替，直到對需求確認。研究認為，需求工程僅僅包括兩個部分：需求開發和需求管理。而需求開發則包含：需求獲取、需求分析、編寫軟件規格說明書SRS和需求驗證四個階段。需求管理包含：需求確認、需求變更、需求評審和需求跟蹤［5］。直升機研制需求主要是把利益相關者的期望全部轉換成對經認定的技術需求，以來自用戶和利益相關者的關于直升機意見一致的頂層需求和期望為依據，先進行頂層需求捕獲，明確獨立的能力及外部交互關系，依據場景進行功能邏輯的分解，通過需求分析確定全機物理架構設計及需求分配，將全機級需求進行性能指標研討及確認，性能需求需滿足效能需求，技術指標需滿足性能需求，需求分配與架構設計，反復迭代權衡，當全機級需求基線確認后，將分配至燃油系統的系統需求進行需求分析及建模，將驗證過的需求結果錄入數據庫以便于需求管理。如圖2、圖3基于模型的直升機燃油系統需求分解流程所示，將燃油系統需求分析以全機需求基線分配結果為基礎，進一步優化迭代，再進行燃油系統子系統、子系統成附件需求分析與分配。

圖2 燃油系統層次分解流程（僅以供油系統為例）

圖3 燃油系統需求分解流程

燃油系統需求的完備集，包括功能需求、性能需求和接口需求，這些需求依照產品分解結構分配到設計單元中，此外可靠性需求、安全性需求等，同樣影響設計選擇。燃油系統功能需求主要針對燃油系統全壽命周期所有預期的應用需要指定的功能需求。主要包含供油能力需求和儲存燃油能力需求，并且要具備燃油系統各項參數指示管理能力需求。燃油系統性能需求主要通過量化定義燃油系統需要在直升機飛行期間執行功能的程度。燃油系統的接口需求主要包括機械接口需求和電氣接口需求，機械接口需求是指燃油系統與機體結構的連接關系，電氣接口需求主要包括燃油開關需求、燃油量、燃油壓力等參數顯示需求、告警需求、供電需求等。燃油系統的功能需求和性能需求分配到各個子系統，采用輸入、輸出和接口需求形式，自頂向下辨識和描述每項功能，系統任何指定的運用能夠通過全系統路徑追蹤，反映系統必須實現的所有功能的順序關系。

燃油系統的主要功能需求是存儲直升機所規定的燃油量，保證直升機在地面和飛行條件下向動力裝置可靠有效的供油。燃油系統主要由供油子系統、油箱子系統、通氣系統、燃油測量管理子系統等組成，實現燃油系統功能。圖4分析了典型燃油系統的主要系統需求，依據利益相關者的要求，進行需求分析。

1.3 系統功能分析

功能分析是用于系統架構開發和功能需求分解的主要方法，燃油系統架構定義了層級結構及關聯關系，燃油系統一旦建立了頂層的功能需求和約束，就可以規劃概念上的燃油系統架構。燃油系統架構注重整個結構和各子系統之間的配合，確保有效的工作，以滿足整機需求。通過迭代和遞歸的過程，將燃油系統必要的層級完成分析、定義和設定控制基線，隨著持續的遞歸過程直到燃油系統被完整地定義，所有的需求都被理解，且認為是可行的，可驗證的和內在一致的。如圖5所示，系統工程具備遞歸特性，燃油系統遞歸過程對各層級每個產品持續進行，直到架構最底層，經系統壽命周期后完成細化，形成燃油系統概念設計。通過個層級明確計劃及實現產品的方法，確保階段產品和目標產品的概念設計滿足利益相關者期望。

圖4 全機分配燃油系統需求分析

圖5 燃油系統層次劃分

2 結語

本文通過系統工程研究方法，結合直升機研制流程，分析燃油系統研制演進流程，提出了直升機燃油系統需求分解方法。研究直升機燃油系統功能需求、性能需求及接口需求的關系，依據功能分析方法，分析了燃油系統層級架構，有利于積累國內直升機設計人員大型項目設計經驗，提高工程技術管理能力。應進一步開展燃油系統需求建模和仿真工作，建立燃油系統典型場景的功能邏輯模型，進行燃油系統功能邏輯自洽性仿真，更好地指導燃油系統設計工作。