基于模型的飞机系统功能分析技术研究及应用

戴晶黎，刘俊堂，黎娜

航空工业第一飞机设计研究院，陕西 西安 710089

飞机系统功能分析是在系统功能设计过程中，通过不断迭代、细化飞机不同层级功能需求，从而确定飞机功能及系统设计方案的过程。飞机系统功能分析的目的是帮助设计人员定义满足用户需求的飞机系统，确保飞机系统功能完整性和正确性[1]。

飞机系统功能分析包括三个阶段：系统需求分析、系统功能设计及系统架构分析与设计[2]。飞机系统需求分析方法有头脑风暴法、讨论会、访谈等。捕获利益相关方的需求后，经转化获得系统初步功能需求，生成初步功能需求规格说明书等标准化设计文档，作为后续系统功能分析的输入。对于飞机系统功能设计及系统架构分析与设计阶段分析的方法有原型法、结构化分析方法以及面向对象的分析方法等。传统的飞机系统功能分析采用基于文档的方法，是一种结构化的分析设计方法。结构化方法是通过静态的二维视图（如功能流图）描述开发系统的功能及行为，通过结构化分析和设计可以确定系统需求。基于文档的功能分析方法存在设计文档难维护、难重用、难追溯，对于后期设计质量（如正确性、完整性）难评估等缺点。此外，该方法对于系统前期验证不足，造成了后期验证压力大、更改成本大等严重问题。

基于模型的方法是一种面向对象的分析方法，面向对象的分析方法采用程序语言，精确描述系统功能，通过功能模型（用例、各类视图）模拟真实系统，迭代开发验证系统的需求。该方法用于解决逻辑复杂的系统设计，而飞机系统就是一个系统交联耦合、专业集成度高的复杂系统[3]。本文以飞机副翼系统正常控制状态为例，探索基于模型的飞机系统功能分析方法。

1 基于模型的飞机系统功能分析方法

基于模型的飞机系统功能分析过程包含三部分：基于模型的系统需求分析、基于模型的系统功能设计以及基于模型的系统架构分析与设计。基于模型的系统需求分析通过创建用例模型明确系统的边界、系统功能类型以及系统利益相关方；基于模型的系统功能设计，针对各系统用例展开设计，明确用例所涉及的系统功能、接口数据、系统行为，通过系统黑盒分析的手段保证系统功能的完整性和正确性；基于模型的系统架构设计，综合考虑系统功能需求分析结果以及系统其余约束条件，通过系统白盒分析的方法形成系统功能架构。

飞机系统功能开发设计过程，从系统需求出发，通过系统应用场景划分，将系统化整为零，以降低系统的复杂度，并对小系统逐步进行迭代设计，不断验证系统用例的正确性。在完成一整套各个用例设计后，即完成了系统的整体设计，可以根据需要进行用例合并，合零为整。这种设计方法将复杂的设计过程先分解成多个用例，再通过各系统用例中黑盒/白盒的设计完成系统的详细设计。该白盒/黑盒设计方法依托功能模型的创建及运行进行系统分析，主要功能模型包括：活动图、时序图以及状态图。（1）活动图阐明了用例实现的工作流程，核心元素是动作，其本质上是一种流程图。通过系统功能流的展示，确定系统工作逻辑以及功能接口。在创建活动图的过程中，逐步完善系统的功能设计。活动图可清晰表达系统的复杂功能逻辑，因此，对于功能逻辑不复杂或者成熟的系统，可以选择性创建。（2）时序图按时间顺序描述了对象间的交互关系，其对象是各个实现功能的系统部件。通过对象之间的消息传递，详细验证系统的工作逻辑以及确定系统内外部接口。在创建时序图的过程中，逐步验证系统的各项指标和功能，完善系统功能设计。（3）状态图描述了系统的工作状态变迁过程，从状态的视角验证系统功能的全面性以及正确性，是对时序图的一种有效的补充验证。

基于模型的飞机系统功能分析方法，借助于以上三种模型，运用系统工程的思想，完成功能分析过程。这些模型集成了一些系统的属性和状态，是文档无法描述的。模型能够准确反映设计者的意图，同时可读性也很强。通过模型中图形化的对象描述系统功能，消除了同一个系统的不同描述的二义性。

2 基于模型的飞机副翼系统功能分析

本案例结合通用飞机副翼系统正常控制状态开发过程，详细介绍基于模型的飞机系统功能分析方法。运用基于模型的飞机系统功能分析方法，飞机副翼系统正常控制功能分析过程可以分为副翼系统需求分析、副翼系统正常控制黑盒分析及副翼系统正常控制白盒分析。

2.1 需求分析

副翼系统需求分析，首先需要将利益相关方的需求转化为系统功能需求。本文中只列举系统部分功能需求以简化该系统功能的分析过程。其次，依据工作场景分析进行用例的划分。本文中的用例划分只是其中一种示例，仅供参考。

用例的划分通常应结合项目开发的实际需要以及分析结果进行。副翼系统主要功能需求包括：副翼偏转控制、左右副翼系统同步自检测、副翼配平、故障告警功能、故障锁定功能等。参照副翼系统主要功能需求，其用例可划分为：副翼自检测、副翼正常控制、副翼降级控制、副翼备份控制、副翼失效保护。

2.2 正常控制黑盒分析

副翼系统正常控制黑盒分析过程，根据开发系统的复杂度可以选用黑盒活动图、黑盒时序图和黑盒状态图三类模型进行系统功能分析。此案例中仅选用黑盒时序图进行说明。黑盒时序图如图1所示。

图1 黑盒时序图Fig.1 Black-box sequence diaqram

副翼系统黑盒时序图，是将副翼系统作为整体考虑，主要分析副翼系统与外部相关系统之间的功能时序关系。外部系统包括：液压源系统、电源系统、起落架控制系统、正副驾驶员、航电系统、主飞控分系统以及副翼结构。明确与其相关的外部系统后，根据系统之间的功能时序关系，分析并验证系统所需实现功能的正确性和完整性。同时，该时序图还展现了副翼控制系统与外部系统进行的交互关系，外部系统可以发送消息给副翼系统，或者接受来自于副翼系统的消息。每个消息的接发都描述了系统与外部系统的接口关系。此外，黑盒时序图还可以依据外部的触发条件动态展示依据时间关系的功能流，设计人员以此去判断该系统设计是否符合副翼系统设计功能需求，保证需求的全覆盖。

2.3 正常控制白盒分析

副翼系统正常控制白盒分析过程涉及三类模型：白盒活动图、白盒时序图和白盒状态图。此案例中选用白盒时序图进行方法说明。白盒时序图如图2所示。

副翼系统白盒设计主要分析系统内部子系统以及子系统与外部系统之间的交互关系。副翼系统外部系统与黑盒设计所涉及的外部系统相同，内部子系统可分为副翼控制计算机、副翼控制手柄、副翼位置传感器以及副翼作动器。明确相关的内部子系统后，根据内部子系统、内部子系统之间以及内部子系统与外部系统之间的功能时序关系，将系统需求分解并分配到副翼控制子系统或设备，完成副翼系统功能架构设计。白盒时序图中除了外部系统与内部子系统之间可以接发消息外，还可以描述内部子系统之间接发消息。内部子系统之间消息的接发描述了副翼控制系统内部的接口关系。时序图的动态仿真可以辅助设计人员判断副翼系统设计是否满足设计需求，并可以进一步细化系统设计需求。

飞机系统正常控制功能分析的过程中，运用基于模型的功能分析方法，可以进行模型的移植和共享。例如，黑盒分析过程中时序图的创建参考了黑盒活动图；白盒分析过程中模型的创建借用了黑盒分析过程中已创建的模型。对于系统分析的正确结果以及公共部件，在系统开发时也可以进行借用，省去了重复分析的过程。此外，借助于数据管理平台可以针对同一飞机系统的不同用例进行并行设计，便于设计协调，提高工作的效率。

3 基于模型的系统功能分析流程

通过对副翼系统功能分析的研究，探索总结出一套基于模型的系统功能分析流程。该流程具有代表性，实际系统开发可参考该流程，结合相关开发需求，通过流程定制及调整应用于系统开发过程。基于模型的飞机系统功能分析流程如下：（1）识别系统利益相关方，并将利益相关的需求转化为系统需求；（2）依据系统需求进行用例划分及利益相关方分析；（3）建立需求与用例之间的链接关系，进行需求覆盖度分析；（4）针对系统用例，通过创建活动图进行系统功能流分析；（5）依据功能流分析结果创建时序图，进行用例场景分析；（6）依据用例场景分析的结果通过内部块图分析系统外部交互关系，确定外部接口；（7）通过创建系统状态图分析系统的状态变迁验证模型的正确性；（8）根据之前的模型执行结果修正模型并更新系统需求；（9）结合功能危险性分析、性能分析、参考架构分析等相关系统约束条件，通过权衡分析得到几类备选架构；（10）依据所选架构，进行功能分配，将功能分配到系统设备上，创建系统的白盒活动图；（11）通过白盒时序图进一步分析系统设备功能实现场景并确定设备间的接口关系；（12）依据白盒时序图编辑内部块图，确定系统内部接口关系；（13）创建系统白盒状态图分析系统的状态变迁过程，通过模型执行验证设计正确性；（14）依据系统白盒化分析，完成系统需求的分解与分配并更新需求与系统设备之间的追溯关系；（15）综合系统所有用例的完整分析结果，完成系统功能架构设计并更新系统需求。

4 结束语

运用基于模型的手段结合现行的飞机系统功能设计流程，建立一套符合工程应用的设计流程和方法，并在型号应用中进行试点验证。通过前期的设计迭代及功能虚拟验证，有效地减少了系统详细设计阶段的返工并提高了设计的正确性。同时通过统一的流程约束以及需求的追溯控制，提高了设计更改的效率，缩短系统设计周期的同时，降低了研制成本，提高了飞机整体性能及设计可控性。该技术的研究与应用，促进了相关行业标准规范的制定，推动了先进技术手段在飞机系统研制过程中的应用，并且为打通飞机系统设计生命周期中的功能分析与需求管理和系统集成仿真验证等环节奠定了基础。