智能化航电系统功能需求捕获与功能分配方法

仲照华

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.007

摘 要：传统的以设备为出发的航电系统功能捕获方法忽视系统之间功能的权衡与协作关系的捕获，导致设计后期存在大量的设计更改，且不能有效地解决未来智能化航电系统的需求捕获问题。面对该问题，该文首先提出了将航电系统的需求的来源划分为任务来源和飞机平台来源，并针对这两类来源的需求提出不同的需求捕获与功能分配方法；而后，该文重点叙述了由任务所衍生的航电系统需求捕获与功能分配方法：该方法由任务出发，首先将飞机的指挥功能与任务环境、飞机的载体功能进行分离，捕获驾驶舱系统功能；而后以机器的智能作为权衡机组与机器系统功能的方法，根据飞机的指挥功能捕获机器系统功能；最后根据该机器系统和定义的系统功能边界，捕获航电系统功能。

关键词：航电系统 功能分配 人机系统 功能权衡 智能系统

中图法分类号：V241.01 文献標识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0007-05

A Method for Requirements Captured and Function Allocated for Intelligent Avionics

Zhong Zhaohua

（China Aeronautical Radio Electronics Research Institute， Shanghai， 200241， China）

Abstract：The existing methods of avionics systems requirements capture based on equipments ignore the function tradeoff and the co-operation among different systems， and the methods are unsuitable to the development of intelligent avionics. Using these methods results in significant design changes in latter phase of design in a specific project. Therefore， we introduce a method for an avionics requirements capture and functions allocation method in this paper to reduce the gap of different system co-operation in a specific A/C. First of all， we suggest dividing the sources of avionics requirements into the task source and the specific A/C platform source， and then using different methods to capture avionics requirements. Then， we explain more details about the method for the task sources requirements. Firstly， divide the tasks into three parts： the environment events， the carrier events， and command events， and then capture the requirements of cockpit system from command events. Secondly， allocate the cockpit system function to crew and/or machine by tradeoff the certain function performer， based on the intelligence level classification. Thirdly， capture avionics requirements from equipment functions， based on system definition of avionics.

Key Words：Requirements Capture； Function Allocation； Man-Machine Collaboration； Function Tradeoff； Intelligent System

航空电子系统（下文简称“航电系统”）是现代飞机核心的系统之一，是保障现代飞机运行安全、任务执行的重要系统。其需求可以分为功能性需求、非功能性需求和约束需求三类。

其中，对于航电系统的功能性需求，在传统的飞机研制的过程中，采用以设备为主导的需求捕获方法，以设备为出发点，类比相似机型的航电系统的功能，而提出所研制机型的功能性要求。但是，航电系统是一个具有人机交互功能的系统，包括航电系统设备基本功能、与其他设备的协作功能、与机组的协作功能。另一方面，随着人工智能在各领域的应用，航电系统的智能化也是必然趋势，通过人工智能系统的引入，使得飞机的运行操作更准确、更及时、更便捷。智能化航电系统的本质就是具有一定智能的机器系统替代部分机组工作，与机组协同实现对飞机的运行控制。由SHAL模型可知，具有人机交互功能的系统中的人机协作功能是该系统的薄弱环节；然而，传统的类比法存在局限性，不能有效地捕获航电系统与其他系统，特别是与机组的协作功能，影响子系统所捕获需求的完整性，使得子系统的需求、功能、构架、机组操作程序的脱节，最终导致在产品研制后期，甚至AEG评审时才发现较多的需更改项，增加设计更改成本，拖累型号研制工作。另一方面，经过多年研究，前人已就具有人机交互功能的系统，建立了一些功能性需求捕获方法，如基于场景的需求捕获方法，又如基于人机能力比较分配法、Price决策图法、Sheffield法、York法等方法的功能权衡分配方法，汤志荔等人也提出相应的人机功能分配方法[1]，但这些功能分配方法与需求捕获相互孤立，且仅适用于已确定内容的功能，无法有效指导实际工作。

由此，该文基于前人研究，提出一种面向航电系统的需求捕获与功能分配方法，旨在解决民用飞机航电系统等复杂人机系统的需求捕获与分配无有效正向方法的问题。

1 航电系统需求的来源

飞机是满足任务活动所设计的，其需求可根据性质分为以下两类功能。

（1）指挥类功能。为满足任务的需求，对飞机平台运行指挥，使其按照预期实现预定的任务目标；包括态势和任务的监视、运行状态和任务执行情况的分析与决策、运行状态的控制等三类子功能。该类功能与任务活动有关。

（2）平台功能。飞机平台作为任务执行的主体，接受其他系统的指挥和控制，并为其他系统提供工作环境。该类功能与飞机平台有关。

根据NASA定义，驾驶舱系统是一个包含：有权限和责任指挥飞机运行的实体；所有与这些实体相交联的子系统；实体与实体之间的接口系統。由此可知，驾驶舱系统是飞机进行任务管理的系统集合，实现飞机任务执行活动的指挥类功能。根据现代民用飞机的构型和功能划分方法，前述有权限和责任指挥飞机飞行的实体包括机组、航电系统和飞行控制系统等机器系统。由此基于传统的飞机系统分层关系，飞机的系统的层次可更改为如图1所示情况。

由此可知，飞机的航电系统需求源于驾驶舱系统和飞机平台。

2 航电系统的需求捕获过程

针对航电系统需求的不同来源，采用不同的航电系统需求捕获方法。

（1）由飞机平台所衍生的航电系统需求，采用传统的以设备为出发点的需求捕获方法，根据飞机各系统的具体构型和物理交联关系，结合所划定的该机型的航电系统功能具体边界所确定（由于该方法在型号研制过程中成熟应用，该文不在此进行赘述）。

（2）由飞机任务活动所衍生的航电系统需求，则通过下述方法所捕获。

2.1 飞机任务的分解

飞机的运行任务是由有限个事件所构成，这些事件又是由有限个需求所组成，通过对飞机有限事件的需求进行分析，可捕获所需完成任务的需求。

对这些事件的捕获，则需要通过飞机任务的分解。飞机任务的分解，采用HTA（Hierarchical Task Analysis）分析方法，并将飞机任务由上至下定义为以下三个层次：（1）飞行任务。是飞机运行所需完成的任务；（2）飞行阶段。根据飞行任务，是按一定规则，将飞行任务划分为有限的飞行阶段；（3）运行事件。是组成飞行任务最小的飞机级事件，运行事件通过一定的逻辑组织形成飞行阶段。

其中运行事件有可分为：运行指挥子事件、飞机平台子事件、运行环境子事件，以及组成这些子事件的逻辑关系。将运行事件按这三类子事件进行拆分，从而捕获相应的子事件。对于不可进行直接拆分的运行事件则通过这三类事件对该运行事件进行重新构建，并获得相应的子事件。由此，可获得运行事件中所包含的指挥类子事件与其他事件的逻辑关系以及驾驶舱系统事件与其他系统事件之间的逻辑关系（见图2）。

2.2 驾驶舱系统需求的分解与分配

由于现代技术的发展，智能设备系统已经大量应用于现代飞机，驾驶舱系统是这类智能化设备与机组组成的智能系统。智能系统中的智能设备和人都具有感知、分析、决策与执行能力。因此，驾驶舱系统功能分配的实质是人与智能设备之间的功能权衡，并通过以下步骤实现。

将前述步骤中所捕获的驾驶舱系统功能按照前述智能系统的4类功能，对驾驶舱系统事件进行转义，由此获得：（1）由驾驶舱事件转义后的驾驶舱系统功能；（2）各功能的逻辑关系：时序、活动、交互信息、功能转换条件等。

其中，转义得到的驾驶舱系统功能，又可根据事件类型分为驾驶舱系统正常功能和驾驶舱系统非正常功能：（1）驾驶舱系统正常功能：在理想条件下的驾驶舱系统的功能；（2）驾驶舱系统非正常功能：是在特定的条件下，驾驶舱系统正常功能不能满足既定的安全性等目标，而对已确定的驾驶舱系统正常功能的子功能与子功能载体进行调整并使其满足既定的安全性等目标的驾驶舱系统的功能。

2.2.1 驾驶舱系统正常功能的分解

由于民用飞机的设计必须遵守现行的民航规章等法规、规范以及标准；这些强制条件中已对部分飞机功能的实现进行明确定义。因此在对驾驶舱系统功能分配时，首先需根据这些强制的设计要求，将已分解的驾驶舱系统功能直接分配给机组或机器系统。

其次，基于人机特点、系统设计主导思想、设计原则、已有工程经验等制定人机特性比较分析判断表。表1所示为Paul Fitts基于人机特性所建立的人机特性比较分析判断表。

依据所制定人机特性比较分析判断表，分析前述工作中未能直接分配给机组或机器系统的驾驶舱系统功能的人机特性。

再次，根据人机特性分析结果，结合驾驶舱系统功能的机器系统智能等级评判表如表2所示，确定该驾驶舱系统功能的机器系统的智能等级。其中，该文定义智能等级最高级别的功能为，机器系统具有完全自主，不需要机组参与的功能；随着智能等级的降低，机器系统的自主能力随之降低，机组的参与程度越高；智能等级最低级的功能为机组具有完全自主，不需要机器系统的参与功能。在确定机器系统等级之后，将驾驶舱系统功能的机器系统智能等级为最高的功能分配给机器系统，等级为最低的功能分配给机组。

对驾驶舱系统正常功能进行转义和再描述时，所获得不同功能之间的逻辑关系，结合功能的分配结果，进而可获得驾驶舱系统正常功能的机器系统与机组的协作程序。

最后，剩余不可直接进行分配的功能，是需要机器系统与机组协同工作的功能。对于这部分功能，则按照前述办法，将其按照智能系统的4类功能进行进一步的再描述、再分解和再分配，直至功能全部分配给机器系统和（或）机组。前述的驾驶舱系统正常功能的分配流程，如图3所示。

2.2.2 驾驶舱系统非正常功能的分解

驾驶舱系统非正常功能是驾驶舱系统基于基本事件所衍生的复杂事件功能。运行条件等因素变化时，基于驾驶舱系统正常功能，通过对功能和功能的载体调整，使其在不同条件下，满足既定的安全性等目标。

因此在对功能进行分解前，首先根据运行事件、运行阶段和任务，识别并确定驾驶舱系统非正常功能所影响飞机任务可靠性/签派可靠性、安全性等其他目标条件和对应的危害等级。

而后，参考驾驶舱系统正常功能分解的方法，将驾驶舱系统非正常功能进行分解。其中，较前述方法不同的是：（1）在进行功能分配之前，需判断已分解获得感知、分析、决策和执行4类功能，是否可有效的避免或有效降低已识别的影响因素对飞行任务的影响，并在确定满足既定的安全性等目标的条件后，再对其进行分配；（2）由于驾驶系统非正常功能的分解和分配，是就该功能的载体和和实现过程的权衡，由此在满足既定的安全性、任务可靠性/签派可靠性等目标条件下，驾驶舱系统非正常功能的分解与分配结果可包括多种情况；另一方面，由于此时不能确定最终的方法，因此需对所有可能情况进行分解与分配，后续再通过技术成熟度、成本等条件对其权衡，相关的权衡方法不在该文讨论范围内，此处不再赘述。

由于驾驶舱系统非正常功能是在特定条件下的功能，因此，驾驶舱系统非正常功能的触发包括如下两类事件。

（1）功能触发条件判断事件：驾驶舱系统判断是否从其他功能转换为该驾驶舱系统非正常功能，或激活该驾驶舱系统非正常功能。

该类事件是与事件的触发条件相关。功能触发的条件按类型可以分为：时间触发、事件触发、时间和事件组合触发等三种情况。另外，对于同一驾驶舱系统非正常功能的触发，可能存在不同的功能触发条件判断条件，由于飞机对安全性、任务可靠性/签派可靠性等特殊的要求，所以需对所有功能触发条件判断条件对应的事件进行分析，确定不同条件下的触发事件。

该类事件的分解和分配方法是：将已确定的触发事件，按照触发条件的感知、感知信息的分析、是否触发功能的决策、发出触发指令的执行，4类功能进行转义描述，并获组成该功能的各子功能之间的逻辑关系。而后，参照驾驶舱系统正常功能分解的方法，将驾驶舱系统非正常功能激活条件判断功能进行分解和分配。

（2）功能触发过程控制事件：当功能激活条件判断事件中判断驾驶舱的非正常功能需要转换/激活后，对这个驾驶舱系统非正常功能转换/激活过程进行控制，使其按照既定的方式进行转换/激活，且在必要时对这个轉换/激活过程进行监控。

特定驾驶舱系统非正常功能的功能触发过程控制事件，可能不可直接从运行事件中所获得，需对其进行构造：基于已确定的功能触发条件判断事件，构建与之连续的功能触发过程控制事件；对所构建的功能触发过程控制事件，按照过程监视、实际输出与目标比较、过程控制三类子功能，对其进行描述。

此外，所建立的特定驾驶舱系统非正常功能的功能触发过程控制事件，可能存在多种情况，则需根据经验、繁杂程度对其进行取舍，以获得较优的几种解决方案，后续基于其他条件确定最终的方案。

该类事件的分解和分配方法是：参考驾驶舱系统正常功能分解的方法，将驾驶舱系统非正常功能的功能触发控制功能进行分配。

驾驶舱系统非正常功能的功能触发条件判断事件、功能触发过程控制事件的需求捕获与功能分配，与较前述方法不同的是：为了满足既定的安全性等目标，这两类功能、功能分解与分配方案不是唯一的，需将所有可能情况进行分解与分配，后续根据技术成熟度、成本等条件对其权衡，以获得可接受的方案。

此外，与驾驶舱系统正常功能分解与分配相同，在对驾驶舱系统非正常功能进行再描述，对功能触发条件判断事件和功能触发过程控制事件进行转义时，可获得其子功能的逻辑关系，结合功能的分配结果，进而可获得驾驶舱系统非正常功能的机器系统与机组的协作程序。前述的驾驶舱系统非正常功能的分配流程，如图4所示。

2.3 航电系统的功能性需求捕获

基于前述，机器系统的子系统包括航电系统、飞行控制系统；基于任务的概念，这两个系统重新定义为：

（1）飞行控制系统。与有权指挥飞机飞行的机组协同，在飞行等任务执行过程中，对飞机在运行环境中的自身飞行状态进行控制的机器系统。

（2）航电系统。与有权指挥飞机飞行的机组协同，在飞行等任务执行过程中，利用飞机外部信息，对任务执行进行管理的机器系统。

根据此子系统边界定义，将前述步骤中捕获的驾驶舱系统的机器系统的功能，按照实现或辅助实现飞机本体的飞行姿态进行控制类功能，对飞行等任务执行过程进行管理类功能，将其分配给飞行控制系统和航电系统。其中，对于不可直接分配的机器系统功能，则按照前述的两类功能，对该机器系统功能进行再描述、再分解和再分配，直至所捕获的全部机器系统功能可以完全分配给这两个系统。若该功能涉及与机组的交互，则需根据分配结果，将对于的机组与机器系统的协作程序进行分解。

基于前述步骤中，所捕获的驾驶舱系统机器和机组之间的机器系统与机组的协作程序，以及将机器功能分配给航电系统和飞行控制系统步骤中所产生的逻辑关系，根据该机器功能的分配结果，进而可获得机组与航电系统的协作程序、机组与飞行控制系统的协作程序，以及航电系统与飞行控制系统的交互关系。前述的航电系统的功能性需求捕获流程如图5所示。

3 结语

针对航电系统智能化水平不断提高，而传统的需求捕获与分配方法不能有效满足其需求的问题，讨论了一种基于设备智能等级的航电系统需求捕获与功能分配方法，并对该方法的详细过程进行了论述。通过该方法，可有效地将系统需求、系统功能、系统操作程序、系统构架和系统安全性、任务可靠性/签派可靠性有效地结合，为新一代的航电系统的研制方法理论基础研究做了一些探索。

参考文献

[1] 汤志荔，张安，毕文豪.飞机驾驶舱人机协作设计理论与方法[M].西安：西北工业大学出版社，2015.

[2] 汤志荔，张安，曹璐，等.复杂人机智能系统功能分配方法综述[A].民机驾驶舱人机功效综合仿真理论与方法研究[C].中国：上海交通大学出版社，2013.

[3] 陈小红，尹斌，金芝.从交互情景出发的需求捕获方法及其支撑工具[J].计算机学报，2011，34（2）：329-341.

[4] SAE ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[Z].USA：SAE Aerospace，2010.

[5] 杰弗里.A.艾斯特凡，著.基于模型的系统工程（MBSE）方法论综述[M].张兴国，译.北京：机械工业出版社，2014.

[6] 王国庆，谷青范，王淼，等.新一代综合化航电系统构架技术研究[J].航空学报，2014，35（6）：1473-1486.

[7] 刘晨，完颜笑如，庄达民.基于大型客机机组操作程序的人机功能分配研究[J].民用飞机设计与研究，2013（3）：31-35.

[8] 黄俊，武哲，孙惠中，等.作战飞机总体设计评价准则和评估方法研究[J].航空学报，2000，21（1）：70-73.

[9] 徐伟哲，胡宇群.驾驶舱设计的人因工程学应用综述[J].飞机设计，2014（6）：76-80.

[10] 马智.飞机驾驶舱人机一体化设计方法研究[D].西北工业大学，2014.

[11] 白洁，吕伟，张磊，等.基于模型的系统工程在机载电子系统领域的应用[J].航空制造技术，2015，473（4）：96-99.

[12] 周前祥，周诗华.一种用于载人航天器人机功能分配的模型[J].人类工效学，2003，9（2）：3-6.