民用飞机飞控系统需求确认方法研究

谭茹+姚志超

摘要：为获得性能、控制、重量和维修性等方面的收益，民机多采用电传飞控系统作为其实现平台。电传技术提升了飞控系统的综合性能，却增加了研发过程的复杂度和风险。在设计之初做好系统需求的确认工作，保证需求的正确性和完备性，进而保证设计实现的正确性，能有效降低研发风险和成本。在实际型号经验的基础上，提出飞控系统需求确认的过程及方法，为电传飞控系统设计研制提供支持。

关键词：民用飞机；电传飞控；系统需求；飞行控制系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.171417

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0145-03

0 引言

飞行控制系统在现代民用飞机的飞行操纵中起着越来越重要的作用，已成为与飞机气动布局、结构设计和发动机同等重要的设计元素[1]。电传飞控系统（Fly-By-Wire，简称FBW）从重量、可靠性、维护性、安全性上全面提升飞机性能，改善飞行品质，减轻驾驶员工作负荷，成为现代民机先进性的标志。但是FBW在获得益处的同时也增加了系统的复杂度，这将导致出现研制错误（需求的确定和设计错误）和不良或非预期影响的风险[2]。

飞控系统的确认是确定飞行控制系统产品是否准确实现设计需求，确保设计需求正确完整，并在实际环境中满足使用要求的过程。确认活动起始于系统需求分析阶段，贯穿于整个飞行控制系统的开发过程，最后确认系统是否满足项目开发之初的各项要求，最终系统设计和实现的正确性和有效性都要依赖于有效的确认，同时系统确认又是一个非常复杂的过程，需要综合所有可以利用的相关工具和技术，以将设计错误减到最小[3]。以往这方面的研究并未得到足够重视，但是随着飞行控制系统向着高度综合化、集成化、复杂化和智能化方向发展，缜密严格有序的飞控系统需求确认工作越来越重要。本文针对民机飞控系统研制过程中需求的确认活动进行了研究，并在实际型号基础上提出了飞控系统需求确认的过程及方法，为电传飞控系统研制提供支持。

1 民机飞控系统需求定义及架构

需求定义的主要任务是根据客户需求和工程限制条件，深入描述系统功能、性能等要求，以确保据此设计的系统架构满足客户要求和设计目标。飞控系统的需求主要包括安全性需求、功能需求、性能需求、接口需求、维护需求、物理安装需求、适航需求以及设计过程中产生的衍生需求等。

飞控系统架构开发，应将主机厂的要求、FAA的要求、EASA的要求、航空公司客户要求及其它项目上的经验等作为设计要求和目标，如图1所示。系统的候选架构应满足设计要求和目标，将可靠性、成本、重量、气动外形等作为架构选择的权衡要素进行研究，权衡研究的最终结果是一个满足设计要求和目标，并在成本、重量、可靠性和安全性等方面最合适的初步架构。系统架构研制过程如图1所示。

2 民机飞控系统需求确认过程

需求的确认过程是为了确保所提出的需求足够正确和完整，并且产品能够满足客户、用户、供应商、维护人员、审定局方以及飞机、系统和项目研制人员的要求。民机飞控系统确认过程主要由需求定义、系统确认和问题追溯共3部分组成[4]，如图2所示。

需求定义是对飞机功能及其相关功能的确定，包括功能接口和相应的安全性需求，是建立系统架构和开展设计工作的基础。

需求确认是对各种设备、子系统和系统需求的确认活动，确保它们满足定义的需求。

问题追溯为需求定义和系统设计及实现提供闭环反馈，为系统需求、确认活动和确认状态之间的关系提供追溯。

确认所构建的系统满足系统设计需求与目标，确认过程就是将需求严格地分解到确认方法（主要的试验和分析方法）和正式文档中，且应被批准，所有的确认活动均应存档。

3 民机飞控系统需求确认方法

需求确认通常是贯穿研制周期的一个持续的阶段性过程，在确认工作的各个阶段，会不断增强对于需求正确性和完整性的置信度。

有多種适航认可的方法可支持确认工作，这些方法包括：追溯、分析、建模、试验、相似和工程评审[3]，如图3所示。对于确认的准则等级，则由功能研制保障等级（FDAL）确定，不同的系统研制保障等级的需求确认活动要求也是不一样的。根据SAE ARP 4754A的推荐方法[4]，对于研制保障等级为A级、B级和C级的需求，追溯性方法是必须的，但是对于C级的需求，分析、建模、试验、相似性或工程评审等方法，只要采取其中一种即可满足适航需求，而对于A级或B级需求则更为严格，有时需要采用上述所有方法进行确认工作。电传飞控系统需求管理工作完成流程如图3所示。

3.1 追溯

追溯是通过检查较低层级需求能否满足已经确认的较高层级需求，保证系统需求的完整性。追溯性确认工作应对需求的来源进行追溯，对非衍生需求，应追溯到其上级需求；对衍生需求，应追溯到具体的设计决策或设计数据。在工程实践中，DOORS是一个有效的工具，可用于创建下级需求到上级需求的链接，以检查需求的追溯性。通过与上级需求的链接发现下级需求是否有漏项，同时根据下级需求的开发也能对上级需求进行检查。对整个过程可以采用DOORS工具进行记录，链接检查的最终输出是一个DOORS中的具有追踪性的文件[5]。

3.2 工程评审

工程评审主要是基于个人研发系统的经验，通过专家评审来检查系统需求的正确性和完整性。评审专家包括航空公司、适航当局、制造商、供应商、其它项目的同行、与飞控系统相关的飞机/系统接口等经验丰富的人员。评审工作主要从工程、运行、设备及客户等方面对定义需求的正确性和完整性做进一步的详细评估，并对其中的问题给出反馈建议，同时，后期的任何更改也应进行此类评审。

初期的系统设计评审（SDR）主要集中在系统的总体要求、系统架构、基本设计及项目研制计划上。初步设计评审（PDR）提出详细的系统需求和设计思路，并表明在系统确认初始阶段如何证明设计是满足需求的。关键设计评审（CDR）涵盖了从初步设计评审到最终系统评审所有的更改，包括组件的维修性和易达性等。在每个阶段的评审中，都应包含对各系统性能和安全性分析状态的评审。

3.3 分析

通过安全性分析、性能分析、接口分析和容差分析等手段来保证需求的正确性。

电传飞控系统的安全性分析工作按照ARP 4761开展功能危险性评估（FHA）、系统安全性分析（SSA）、共模分析（CMA）、特定风险分析（PRA）等对安全性相关需求进行确认。性能分析通过分析计算的方法考虑正常和故障状态对延迟、精度等性能需求进行确认。系统电气接口分析评估系统电气接口相关软硬件对闪电和高能磁场的兼容性，以确保系统内的信号与LRU危险等级相一致。容差分析通过对系统级总容差进行分析，以确认组件公差需求的合理性和可行性。

3.4 建模

建模主要通过对系统和设备的模型仿真进行需求确认。根据系统和部件的设计，建立模型，确认系统架构相关需求。通过数字样机，将系统中的部件按协调好的位置装配在电子样机中进行仿真分析，包括维护性、易达性、与其它设备间可能的相互影响评估等。桌面仿真可用于确认与控制律相关的需求，以及在不同的操作条件下，从驾驶舱输入到舵面响应整个系统的性能。通过工程模拟器上系统建模确认系统的操纵品质、人机接口及在正常和失效条件下的系统操作等需求。

3.5 试验

当系统实现作为需求确认过程的一部分时，试验可以同时达到验证和确认的目的。这项工作的目的之一是检查所实现的系统是否满足需求，目的之二是看是否适用于系统的运行环境，应通过协调验证和确认计划来体现这两个目的。从纯数字仿真、半实物仿真到原型机，试验的逼真度逐步提升，试验环境逐步完善。

3.5.1 研发试验台试验

研发试验台可以最小硬件构型加仿真模型的形式，完成系统需求确认。在早期的系统设计及需求确认中，起着不可或缺的作用，飞控系统研发试验台可以设置一个飞控控制模块真件和油门台、操纵杆等简单硬件，就可以完成设计权衡、架构分析、需求确认等很多需求确认工作。

3.5.2 工程模拟器试验

工程模拟器通過建模与仿真技术，为工程师和飞行员提供了一台具有运动感觉和高逼真度模拟飞行环境的试验平台。在飞机研制的不同阶段，工程模拟器可以配合飞机研制实现相应的确认试验，可以完成控制律需求确认、飞行品质评估、飞控系统失效状态确认试验等。

3.5.3 铁鸟试验

铁鸟试验的目的是验证和确认系统所有LRU真件之间接口的匹配性、作动器与液压系统的工作匹配性能、飞控计算机/电子设备与电源的工作匹配性能、LRU与结构安装定位的正确性、机械运动合理性、控制逻辑的正确性、计算机硬件和软件运行的正确性及匹配、人机接口的可接受性、各种工作模式下的控制律功能等。

3.5.4 机上地面试验

经过正规严格的铁鸟综合试验确认并验证满足设计要求后，要进行机上地面功能和性能试验，进一步确认和验证飞行控制系统硬件/软件在真实飞机环境下的工作性能。包括各项功能、性能、设备的安装、设备端到设备端的电气连接、信号传输、电缆敷设走向、电源负载、电磁环境的影响等满足设计要求。

3.5.5 试飞试验

飞行试验的主要目的是在真实的飞行环境条件下，验证飞行控制系统的功能和性能，调整控制系统参数，发现和排除系统设计制造上的故障和设计缺陷，校正使用维护手册和收集飞行控制系统数据，以报告的形式支持飞机型号取证。

4 结语

在民机研制过程中，系统需求的确认工作是一项非常庞杂的系统工程，其贯穿整个系统的研制过程，该项工作对于系统的研制和型号匹配成功与否将有直接影响。基于实际型号经验，提出以下几点需求确认经验：①项目之初就考虑需求确认相关工作，撰写完整系统的确认计划并持续管理；②所有参与确认过程的团队必须采用完全相同的确认过程和工具；③确认中综合采用虚拟原型、数字仿真、自动代码生成等先进方法，可降低成本，提高效率；④确认活动中建立完善合理的知识 、信息、文档管理系统。

参考文献：

[1]高金源.飞机电传操纵系统与主动控制技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2]HENNING BUUS.B777 flight controls validation process[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1997，33（2）：1-4.

[3]刘林.现代飞行控制系统的评估与确认方法[M].北京：国防工业出版社，2010.

[4]Society of Automotive Engineers.Guidelines for development of civil aircraft and systems（SAE ARP 4754A）[Z].2010.

[5]魏博，赵春玲，徐见源，等.民用飞机系统需求确认研究[J].航空电子技术，2012，43（1）：6-9.

（责任编辑：孙 娟）

英文摘要Abstract：To increase the proceeds of performance，controllability，weight and maintenance etc，most of the civil aircraft are implemented by the technique of Fly-By-Wire （FBW）flight control system.The FBW technique increases the system integration level，it also augments the systems complexity and development risk.The requirement validation work shall be done to ensure the requirement completeness and correctness at the beginning of the design so as to enhance the design work success，and lower the risk and cost of development.This article proposes the validation process and method of FBW flight control system requirements based on the actual type aircraft experiences，it can provide references for civil aircraft FBW control system validation.

英文关键词Key Words：Civil Aircraft；Flight Control System； Requirements Validation；Process and Method