基于军事需求工程的军用飞机EWIS设计需求分析

肖楚琬，韩 维，孙 阳，王希彬

（海军航空大学，山东烟台264001）

线路是飞机的“血管”和“神经”，承担着信息传递、供电等重要功能，直接关系到飞机任务执行和飞行安全。2007年，美国联邦航空安全局（Federal Aviaion Administration，FAA）在适航规章中增加了H分部，即电气线路互联系统（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）[1]，将原属于各功能系统的电缆、连接器、继电器、开关等连接和控制、保护等部件，作为一个综合系统进行整体设计。2011年，我国民航在CCAR-25-R4修订版中，引入了相关要求和标准，在C919等机型中贯彻落实[2]。

由于军机EWIS部件数量多、种类杂，涉及全机各功能系统，贯穿机身各个位置，安装环境差异较大，需求变化频繁，导致系统集成设计难度很大。为了解决类似问题，美军提出了基于需求的系统工程（Requirements Based Engineering，RBE）。它属于系统工程（System Enineering，SE）学科，是对需求工程（Requirements Engineering，RE）的延伸。军事需求工程（Military Requirement Engineering，MRE）就是在RBE基础上进行拓展，应用科学方法和技术，对目标军事系统进行需求分析，确定用户需求，帮助设计人员理解问题，并定义军事系统所有外部特征的工程技术，已在美军F-22、F-35等多型航空装备上得到重大应用。[3-4]

1 军用飞机EWIS需求设计现状分析

我国民用航空根据CCAR-25-R4要求，结合ARJ-21、C919等型号设计，已经开展了大量的EWIS设计研究工作[5]。但是，EWIS在军机设计领域还属于探索阶段。目前，主要存在如下5个问题。

1）EWIS系统定位尚不明确。EWIS与飞控、航电等功能系统不同，系统特点鲜明。在功能属性上，它本身并不具备任何功能，主要承担连接功能，作为飞控等功能系统的一部分发挥作用。在物理属性上，它与环境、结构、系统安装等密切相关，每一处的更改都会影响EWIS设计。所以，将EWIS定位为特殊的功能支持系统比较合理。

2）传统需求设计不能适应EWIS要求。传统军用飞机需求分析只分解至部件级，并没有细化到EWIS部件级[6]。在设计时，根据需求先确定结构、设备、管路等位置，再根据剩余空间调整线路走向。但是，新型军机线路系统部件数量过多，电缆成束后属于半刚性部件，基本无法调整。在安装时，经常出现线路部件安装位置、间距等条件不能和总体协调，造成维护性、维修性、测试性差等后果。

3）EWIS需求设计信息交互不顺畅。大多数主机厂所在进行EWIS设计时，尽管采用了数字化设计工具，但是依旧以文档作为各阶段信息交互的核心。各功能系统、成品厂商独自设计自己管理的EWIS部件，形成海量文档，发现问题比较困难，很难严格控制技术状态。随着设计推进，EWIS设计需求散落在各个系统中，并未在整机进行统一。比如，同一功能在不同系统中使用不同型号电缆，造成维护性差等问题[7]。

4）EWIS设计需求变更频繁。全机各系统功能和位置的更改都会产生大量的EWIS需求变更[8]。但是，目前涉及EWIS的需求管理不完善，导致设计变更与需求更改不一致。分系统修改图纸后，总图反应时间较长，对需求端影响更是难以控制，对飞机正常研制工作造成影响。

5）缺乏明确的EWIS需求验证要求。目前，军机EWIS没有单独提出验证试验要求，仅是跟随飞机各系统进行相应的试验测试工作[9]。在整机层面，主要进行导通测试，难以验证EWIS设计是否能够满足飞机设计和用户需求[10]。

2 军事需求工程

2.1 军事需求开发和管理

军事需求工程的基本活动是围绕需求展开的，主要包括需求开发和需求管理2个部分，组成见图1。

图1 军事需求工程框架Fig.1 Military requirements engineering framework

2.1.1 军事需求开发

军事需求开发包括需求获取、分析、描述与建模、评价、验证。军事需求获取是军事需求工程的基础，是指应用一系列需求获取方法，使原始、模糊的需求概念，细化为清晰、准确需求规范的过程。需求分析针对已获取需求进行论证和分析，主要内容包括作战、系统、技术等方面，完成需求的分解和描述，最终建立一套各方认可的规范需求框架。军事需求描述是指用需求规格说明书等规范的文档形式，描述已获取需求，使之能够作为设计输入。军事需求验证是综合运用各种手段，在设定条件下，对需求有效性进行系统分析、评估和确认，是需求落实的验收标准[11-13]。

2.1.2 军事需求管理

军事需求管理涉及装备全寿命周期，是军事需求工程能顺利展开的重要保障，主要包括变更分析、需求跟踪、变更控制、版本控制4项内容。需求变更分析主要是针对项目推进中必然会出现的需求变化，综合利用相关工具，分析待变更需求与其它需求之间的联系，多维度验证需求变化时对系统设计、计划安排和他需求的影响，形成需求变更影响结论（如费用、进度、风险等）。需求跟踪是通过需求跟踪能力矩阵或需求链接图，建立不同需求之间的关联关系，保证需求变化可以“溯源”。需求变更控制是在分析和跟踪的基础上，综合考虑各方面因素，对需求变更申请、分析、执行、验证等过程的管控，是保证需求和项目推进一致性的重要手段。需求版本管理是在项目执行过程中，建立需求条目、属性等要素之间的关联关系，并对需求文档与可交付产品之间的相互关系等按照一定的版本命名规则进行管理[14]。

2.2 军事需求开发过程

美军针对系统开发，如联合能力集成开发体系（JCIDS），采用了以ISO/IEC 15288系统工程要求的RBE标准工作流程[15]。FAA在咨询通告AC20-174中，将ARP4754A作为系统研制中的可接受方法[16]。综合以上方法，借鉴MRE基本流程进行管理和控制。

MRE在系统研制过程中的基本流程如图2所示。整体上是一个V型结构，在获取客户需求的基础上，通过需求分析活动定义系统需求，形成设计输入，进行产品研制。在产品的制造过程中，通过逐层进行产品验证和确认，验证产品是否满足系统需求和客户要求，从而有效保证设计与需求的一致性。

图2 MRE一般过程Fig.2 General process of MRE

2.3 军事需求分解和描述模型

军事需求分解是需求与设计对接的核心环节。在飞机研制过程中，需求是由顶端作战需求逐级分解的[17]。因此，可以采用树结构对任务进行分解描述，如图3所示。其中，根节点是顶层军事需求，中间节点是功能系统需求，叶子节点是具体的系统设计要求。

图3 军事需求分解示意图Fig.3 Decomposition schematic diagram of military requirement

为了更准确地描述需求之间的关系，便于需求管理，建立需求之间的关系模型，如图4所示。需求关系模型主要有2种：有序和无序。假设分别有2个需求：R1和R2。有序关系是指R1和R2相互关联，存在某种关系；无序是指R1和R2之间相互独立。在实际工作中，可能存在多种关系的混杂。

图4 有序和无序关系模型Fig.4 Relational model of ordered and disordered

为了更科学地描述关系模型，引入集合论的数学表述。用S表示所有军事需求所组成的需求空间，空间中的每个元素是EWIS需求，不可再分。从系统工程的角度看，某军事需求Tn就是S的一个子集。S的规模和元素随时间t而变化，可以看成是时间t的函数S(t)。

对于某一独立军事需求Tn，要求同一层次的节点之间不存在交集。在军事需求T1和T2之间，如果存在T1⋂T2，则表示需求之间有相互关系。否则，相互独立。以此区分需求最小要素，构建描述模型。最终，由军事人员和系统分析人员联合工作，通过形式化的表述方式，如面向过程的建模方法IDEFO[18]等进行表达，形成可理解的规范需求。

3 海军飞机EWIS需求开发设计

3.1 基于MRE的EWIS需求开发总体设计

军用飞机EWIS设计比较困难，既要满足作为独立功能支持系统的总体要求，与总体结构、安装位置等相协调，又要满足功能系统对于供电能力、电磁防护、信号完整性等方面要求[15]。为了更好地开展飞机EWIS设计，满足各方面要求，根据飞机设计的主要阶段，设计基于MRE的EWIS需求开发过程如图5所示。

图5 基于MRE的需求开发过程Fig.5 Requirement development process based on MRE

在需求分析阶段，根据飞机技术总要求、相关标准、适航法规等顶层文件，经适应性裁剪重点生成EWIS的系统级要求；在初步设计阶段，根据EWIS系统级设计规范、总体的结构安装要求、功能系统设计要求等输入，提出各功能系统EWIS的详细设计规范；在详细设计阶段，重点是根据详细设计规范，开展具体设计，并进行设计验证，完成需求闭环。通过协调EWIS与功能系统的设计要求，贯彻MRE的“需求牵引”理念，将EWIS需求开发贯穿飞机设计全过程。

3.2 海军飞机EWIS需求获取

3.2.1 建立需求问题域

需求获取是需求分析的第一步。一般讲，前期需求是模糊和不确定的。为了获得准确、规范的需求，需要各方共同探讨，通过多次分析、验证和迭代形成最终的需求。因此，建立面向问题的工作域，划定需求探讨范畴，有助于各方进行需求沟通，如图6所示。

图6 问题域与需求获取关系Fig.6 Problem domain and requirements acquisition relation ship

军用飞机与民机需求开发的最大不同，在于作战需求，海军飞机的特点是考虑海战场环境下影响。在进行海军飞机EWIS设计时，主要需建立以下4个方面问题域。

1）海军飞机作战背景和战术指标，包括作战环境、作战样式、持续工作时间、过载负荷等。

2）作为单一功能支持系统，EWIS需要考虑的问题，如系统布线设计（物理安装）、系统安全（隔离保护）、重量要求（轻量化）、可靠性（使用环境）、维修性（可达性）、标识等。

3）作为功能系统一部分，EWIS需要考虑的问题，如电磁兼容、承载电流量、断路器工作效率，外部接口关系等。

4）需求工程管理过程中的可能损失，如系统功能失效、部分功能缺失，以及纠错可能需要付出的巨大代价等。

3.2.2 基于作战背景的问题域需求获取

由于EWIS需求问题域范围较广，本文主要以海军飞机作战背景和战术指标问题域举例进行研究。未来，海军飞机的作战主要有2种样式：一种是从航母起飞，对于敌人进行打击；另一种是从陆上起飞，对近岸敌人进行打击。

从作战环境看，以海上作战为主，必然是高电磁、高盐雾、高振动环境；从出动效率看，要求高可靠性、维护性、测试性；从保障条件看，按照舰上两级维护体制进行保障，要求便于修理和保障；从生命周期看，需要改变传统与机体同寿思路，明确在海洋环境下的寿命指标；从使用条件看，航母载重有限，要求轻量化设计。将这些模糊、不确定的定性描述制成表格，作为进行需求分解的顶层输入。需求基本格式见表1。

表1 EWIS需求获取例表Tab.1 EWIS requirement acquisition table

3.3 海军飞机EWIS需求分析和描述

3.3.1 需求分析

在获取初步需求之后，需要对需求进行规范性描述。军事需求获取的结果只说明了要做什么事情，要考虑哪些问题等，对于设计人员来说过于笼统，还需要进一步细化。因此，按照MRE的需求分解模型建立EWIS需求树形模型，如图7所示。

图7 海军飞机EWIS能力需求分解模型Fig.7 Decomposition model of navy aircraft EWIS capability requirements

可以看出，除了顶层标准和适航法规规定的相关要求之外，海军飞机的EWIS主要考虑海洋环境适应性，包括部件防腐蚀，高潮湿环境下电弧损伤等要求。这些要求应该与适航等标准一并纳入EWIS的系统总体需求。

同时应该看到，对于不同功能系统中的EWIS个性需求，需要由具体专业给出需求说明。比如，同样是耐盐雾要求，由于雷达系统的部分EWIS部件暴露在机身外，振动和拆装多，要求高防腐性，而电源系统要求相对低些。

3.3.2 EWIS统一需求描述模型构建

为了在全机层面统一各功能系统的EWIS具体需求，实现各系统之间的接口标准，建立统一的需求描述模型，设计构建步骤如下。

步骤1：需求定义和赋值。定义海军飞机EWIS整体需求集为S，作战问题域需求集设为T，各功能系统整体需求集定义为Rn，功能系统对于EWIS的分解需求定义为。由此，建立原始需求空间T1。

步骤2：分析系统需求R1,R2,…,Rn的相关性。如，令R′n={rab,ra1b1,…}，构建需求空间T′。

步骤3：对R′n进行归一化分级处理。根据工程经验和设计实际，为了描述清晰，一般建立5级标准划分。如EWIS的安全性要求，按照GJB 900A，将军用飞机EWIS风险严酷度定义为5级，如表2所示。

表2 危险严酷度等级划分Tab.2 Grade division of danger severe degree

步骤4：重复步骤1～3，对各问题域需求T1～Tn进行汇总处理，建立统一需求描述集S，S内部各个要素之间彼此独立。

步骤5：编程实现。利用IDEFO等形式化描述语言对需求集进行编程实现，形成规范化的需求描述。

通过以上步骤，将分散在全机各系统的需求在总体进行统一，构建完整的海军飞机EWIS需求集，既可以符合EWIS整体系统需求，又可以满足功能系统个性要求。比如，通过以上过程，分析电源和雷达系统的EWIS防腐设计需求特点后，在EWIS系统级要求中进行统一。其他功能系统如果有EWIS防腐方面要求，可以直接参考或引用EWIS系统要求。随着项目推进，更改EWIS需求时，必须更新需求集S，从而实现对需求的全过程管理。

4 需求能力体系构建和管理

4.1 需求能力体系构建

基于EWIS需求描述模型，可以建立包括功能、性能、安装、接口等各类要素的需求体系，指导各阶段的开发活动。以通用质量特性为例，将海军飞机EWIS系统要求划分为7个基本能力需求模块，如图8所示。

图8 海军飞机EWIS通用质量特性需求结构图Fig.8 General quality characteristic requirement structure chart for naval aircraft EWIS

下面选取4个能力模块进行简单说明。

1）环境适应性。海军飞机EWIS设计应能承受起飞、降落时的巨大震动，盐雾、温度变化、潮湿、霉菌和漏泻的气体或液体以及其他各种环境条件共同作用的影响，突出对海洋环境的适应性。

2）舰机适配性。由于飞机从航母起飞载荷有限，应努力减轻盘箱、支架和线束的重量，采用轻质材料支撑，合理优化合并数据传输线路，多采用总线类数据线等。

3）维修性。EWIS设计应充分考虑外场维护和修理，对于重点系统的重点部件，以及需要经常检查的线路部件，应该设计便于维修和更换，或开有适当的维修口盖。

4）保障性。进行零部件设计时，应考虑采用简单而合理的结构，选择合适的加工精度和光洁度，合理选用材料，注意工艺方法的继承性，提升产品可更换率。

4.2 指标体系构建和验证

基于海军飞机EWIS的能力体系，构建需求指标体系。需要考虑2个方面因素：一是由各功能系统根据总体指标分解确定本系统EWIS指标；二是由整机提出EWIS整体指标，与各功能系统指标相协调。

在进入详细设计阶段前，军方要组建相关专家团队，对指标要求、能力评价方法等部分进行评审，为后续开展设计评审等工作打下基础。在具体验证时，通过仿真、试验、实测等方式综合实施。

4.3 基于数据的EWIS需求管理

需求管理实际是管理需求变更的若干过程。飞机EWIS与各专业相关，传统由各专业分工负责的管理模式已经不适应当前需求。在组织管理上，为了适应频繁的需求变更实际，应设置EWIS室[19]，负责协调全机EWIS部件的设计与管理。各专业需求变更时，仅与总体EWIS专业交联。在技术管理方面，以需求集S为核心建立唯一数据源，构建基于数据的EWIS需求管理框架，重点关注管理需求间关系和优先级，不同文档间的从属性，管理需求一致性变更等问题，对审核、变更等重点环节进行过程把控，基本流程如图9所示。

图9 以数据为核心的EWIS需求管理流程图Fig.9 Flow chart of EWIS requirements management data-centered

5 结语

军用飞机EWIS是新兴专业，既有自身特点，又与各功能子系统交联，其内在规律需要进一步挖掘。国内外的实践经验表明，基于军事需求的系统工程是管理这一复杂特殊系统需求的有效方法，特别是通过需求管理，完成相关的设计需求更改工作管理意义重大。可以预见，随着我国航空装备设计水平不断提升，以军事需求工程为基础的EWIS专业设计，必将成为我军航空装备质量提升的基础支撑。