基于MBSE的直升机航电系统功能需求捕获与分析

项目立项后，需求收集是研发工作开展的第一步，基于收集捕获的需求，方能开展后续的研发、集成、验证、交付等一系列工程活动。

对于直升机航电系统研发来说，必须考虑的典型的利益相关方包括：

（a）直升机系统：直升机系统以分配给航电系统的直接需求；

（b）适航当局：适航当局以适航条款的方式向涉及的航电系统提出要求。

（c）行业 / 企业标准：航电系统需符合适用的行业 / 企业相关规范 / 标准要求。

通过需求收集工作，航电系统需要与各利益相关方达成一致。

需求收集的主要工作流程如图1 所示。

需求收集工作分为以下步骤：

（1）获取直升机分配给航电的顶层需求

直升机分配给航电的需求除了综合考虑了源自外部利益

相关方的需求外，通常还会综合考虑企业内部的情况，包括：

（2）分析适用的适航条款

适航条款在吸取过往经验的基础上，形成了对于直升机

系统各个层级和方面的法律条款，这些条款必须被充分的满足。基于直升机分配给航电系统的需求，需要航电系统级研发人员，从其中识别出适用的条款，进行分析和满足。

（3）分析适用的行业/ 企业规范

对于航电系统研发来说，对照直升机分配的需求，还需检查是否存在适用的行业/ 企业级规范需要遵照实施。这些规范将对后续的研发工作提供实质性的限制和指导。对于航电系统研发来说，常见的通用行业规范包括：ARP4754A、ARP4761、DO-297、DO-178、DO-254 等，以及企业内部规范等。

（4）需求评审/ 批准

针对收集来的需求，包括直升机级分配的、适用的适航条款、适用的行业/ 企业规范要进行相关方评审，以确保没有遗漏和冲突。需求评审需要召集相关方人员参与，包括直升机级代表、适航代表、项目管理代表、航电系统专家等。通过评审的需求，要经过正式的批准程序作为航电系统开发的输入。

需求收集阶段的主要任务是记录和汇总各方需求，这些输入需求是后续建模分析设计的基础。若使用模型的方式完成需求收集工作，可使用SysML 语言的“需求”元素来记录这些收集汇总的需求。收集的需求及其相应的展现形式（需求图，需求表）均应集中在相应的SysML 需求包中，以便管理。

当收集到需求后，应立即针对需求展开分析。需求分析工作的主要流程图 2 所示。

在系统分析阶段，会用到各种建模分析手段，包括：

（a）用例分析，通过用例将来自各利益相关方的需求进行整合。

（b）环境定义，通过块定义图描述系统交互环境，以及外部限制。

（c）场景分析，通过活动、时序、状态机等手段分析定义系统工作流程和逻辑。

（d）外部交互分析，通过块定义图整合场景分析得到的功能和接口，定义系统外部交联关系及其所需的功能特征。

所有这些建模活动，都会潜在的补充、完善和细化接受的需求，从而形成系统需求。

（1）用例分析

用例分析通过绘制用例图进行。典型的用例图包含如下要素：

用例：从用户视角概述系统提供的能力

参与人：描述用例涉及的相关外部系统 / 人员

系统边界：描述待设计系统的范围。它描述了系统涵盖的用例，体现在用例图上为包含系统用例的矩形框。

通过用例图，系统研制人员，系统的审视系统为外部所提供的功用，以此协调各方关注点。

（2）环境定义

环境定义主要通过绘制块定义图来进行。块定义图包括如下要素：

通过块定义图定义系统工作环境，并明确其在工作环境中的相关限制（指标）。

（3）场景分析

场景分析是需求分析的核心工作，它可通过如下建模手段来完成：

场景分析应确保覆盖了“接受的需求”中所有的“功能需求”。在实际工程项目中，可按需组合挑选上述的方法进行场景分析，最终的目标是系统功能已被完整和有效的分析，系统外部接口已被有效的分析和识别。

（4）外部交互分析

外部交互分析通过内部块图建模来进行。外部交互分析实际上是将场景分析识别和定义的功能和接口进行了整理和汇总，并体现在内部块图的设计上。

内部块图包括如下要素：

待设计系统实例：待设计系统实例是待设计系统模块的实体，包括系统属性和系统外部接口。在系统操作环境下，可能存在多个待设计系统实例。每个待设计系统实例都是独立的个体。他们一起为外部交互对象提供服务，以满足输入需求。

交互对象实例：交互对象实例是外部交互对象的实体，类似于待设计系统实例，这些交互对象实例也包括功能、接口信息。同样，在系统操作环境下，对于每种交互对象，也可能存在多个实例。每个实例都是独立的个体。所有这些实例都会与待设计系统发生交互。

系统互联关系：所有实例（包括待设计系统实例和交互对象实例）均通过其外部接口进行互联。如有必要，可以在端口连线上标注互联信息及其流向，以明确信息流状况。

通过内部块图，可以完整的描述系统功能及其外部交互关系。它是需求分析工作的汇总，完整体现了系统的功能及其外部信息交互。

通过分析得到系统需求后，应针对需求展开系统内部架构设计。系统架构设计的主要流程如图 3 所示。

架构设计的主要步骤包括：

（1）候选架构设计

根据系统需求进行候选架构设计。候选架构设计应综合考虑如下要素：

（a）已有资产的复用。

（b）技术成熟度和风险。

（c）资源投入及其可得性。

（2）权衡分析

当具有多个候选架构时，需要从中挑出最优的解决方案。这就需要进行多个架构的权衡分析。

当需要进行定量的权衡分析时，需要综合考虑如下要素：

技术度量：应满足需求分析环境定义阶段中识别的系统限制；应满足需求分析场景分析阶段中识别的设计限制；应满足其它源自系统需求的技术限制。

业务考量：商务要素和企业战略的考虑，例如：成本，时间，风险等。

（3）架构选择

架构选择时权衡分析后的决策。建议记录归档所有候选架构，及其权衡分析数据，并给出架构决策的结论和理由。

（4）架构整合完善

一方面，当系统比较复杂时，权衡分析和架构决策可能会针对某些架构元素独立开展，逐步迭代。这时应对决策了的架构进行整合，以便支持后续决策分析，直至产生最后完整的架构。

另一方面，权衡分析和架构选择通常决定了架构的主要方面，一些细节需要在架构定型后进一步细化和完善。

在架构设计阶段，主要使用块定义图来描述系统构成。在该阶段，将系统表示为其构成元素（子系统 / 部件）的组合。取决于我们进行的是何种类型的架构设计，这一组合可能是功能架构，也可能是物理架构。

在完成架构设计后，需要进一步将系统需求分配到架构元素上，从而完成需求的分解和分配工作。需求分配工作流程如图 4 所示。

需求分配主要包括如下工作：

（a）功能分配：将系统功能分配到系统架构元素上，从而完成功能向架构元素的传递。泳道图是建议的功能分配手段，它基于需求分析阶段场景分析得到活动图。时序图是可选的功能分配手段，它将需求分析阶段场景分析得到的时序图进行进一步的拆解，从而得到新的子系统间的功能及其交互。

（b）内部交互分析：整合场景分析得到的功能和接口，定义系统元素间交联关系及其所需的功能特征。内部交互分析主要通过内部块图建模来进行。内部交互分析实际上是将功能分配阶段识别和定义的功能和接口进行了整理和汇总，并体现在内部块图的设计上。

（c）参数分解：完成系统元素的限制识别和分解。功能分配和交互分析主要处理系统功 能及其交互的分解和传递。除了功能本身，系统需求中还有性能、限制等一些非功能的约束存在。这些约束可以通过块定义图进行描述和分解。

通过如上所述的建模工作流程，我们从直升机分配给航电系统的需求出发，通过一系列建模活动，可得到如下工作成果：

（a）涉众需求：涉众需求是从各相关方捕获到的需求列表。为了有效地与各相关方达成一致，应在输入需求中记录需求提出人，以便各接口人能够方便地与各相关方就相应 的需求展开讨论。涉众需求是系统研制工作的重要输入。

（b）系统需求：系统需求是需求分析的产物，它是各方诉求整合、梳理、折中的产物。系统需求的正确和完整性是后续工作有效开展的重要基础。通常系统需求会在模型元素中得到体现，特别是体现为 SysML 的“需求”元素。对于直升机设计这种高安全性复杂系统的设计来说，为了确保系统需求的正确和完整性，系统研制方会有策略地向各相关方展示系统需求，并获取反馈。

（c）系统模型：系统模型是系统设计的产物，它涵盖了本文所述的所有建模活动。在研发早期，模型一方面可以用来确认需求，另一方面也会衍生新的需求。系统模型作为系统需求合理性的必要说明，应该与系统需求建立相应的追溯关系。

（d）设计描述：设计描述是系统架构及其架构元素需求的集中体现。事实上所有的设计信息均已包含在系统模型中，但为了与基于文档的工作模式相兼容，有可能需要有选择地将设计模型信息提取为独立的设计描述文档。当需要向相关方纰漏必要的设计信息时，设计描述是最常采用的形式。当工具支持时，最便捷的方式是通过工具直接生成所需的设计描述文档。

（e）下级需求：当向下传递需求时，下级需求是上级给出的最为主要的技术交付物。下级需求包含了系统对于其构成元素的所有要求，尽管大量需求来源于模型，而且模型（设计信息）对于需求的理解是有 帮助的。但是这些下级需求应被独立描述，使得下级不必要了解系统设计全貌即可独立开展其研制工作，这将有效地保障系统级智力资产和知识产权。

这些工作成果中，涉众需求作为流程输入需要向涉众进行确认；系统需求、系统模型、设计描述主要用于本级工作参考；下级需求是下级工作开展所必需的输入，且需要与下级就需求达成一致。对于工作的向下传递来说，需求是必须的，模型 / 设计信息是辅助性的。

（以上文章来源于《中国科技信息》，作者常会勇，中国直升机设计研究所）