基于需求的无人直升机标准视图建模研究

何瑞恒，郑朔昉，吕保良，伍心皓

(1.中国航空综合技术研究所，北京 100028；2.中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

无人直升机具有起降简单，操作灵活，造价低廉，可靠性高，隐蔽性好，机动性好，生命力强等特点[1]，因此在军民用领域得到广泛应用。无人直升机系统由机体平台、地面站、测控与信息传输等多个系统组成，是一项复杂系统。为了更好地支撑无人直升机系统的研制，增强数字化研发模式下标准化工作对产品研制的促进作用，有必要创新产品研制过程中的标准化工作模式，使得现有标准能够有效约束各类研制活动，并使得新编的产品专用标准能够切实体现用户使用需求。

美国国防部体系结构框架(DoDAF)是应用系统工程的方法，从总体上描述武器装备的构成要素、各要素的地位与相互联系，以及制约它们的原则和指南[2]，是大型集成系统设计、分析、投资决策、工程研制和系统评价的依据，是系统集成和组件间信息交换、知识交互和系统互通互操作的基础[3]。目前最新的DoDAF 2.0版共规定了八类视图：全景视图、能力视图、使用视图、服务视图、系统视图、数据视图、项目视图和标准视图，从而建立了一种将大型复杂系统进行结构化描述的建模方法。基于DoDAF的标准视图方法，致力于从DoDAF中规定的标准视图出发描述装备的体系结构，实现与用户方的使用视图和研制方的系统视图等的紧密关联[4]，使得产品研制过程中的标准化工作更有效地保证用户使用需求的实现。本文着重开展无人直升机的标准视图建模研究，借助DoDAF方法研究使用需求与约束产品研制的各类标准要求的关联路径，明确标准视图建模流程，并结合通用型无人直升机的研制，构建完整的标准视图模型。

1 需求牵引的标准视图建模原理

DoDAF的核心思想就是建立使用活动、系统功能、系统组成和标准等体系结构对象之间的关联关系，其中使用活动描述了产品的使用场景，可以由此得出产品的使用需求。通过使用视图和系统视图的关联关系，可以实现需求架构向功能架构和物理架构的映射，进而借助系统视图和标准视图的关联，建立需求-功能-系统-标准的关联。图1清晰地显示了研制需求到具体的标准要求的映射。需求牵引的标准视图建模过程是对正向设计思想的全面贯彻，与传统的产品仿制模式下仅体现标准与系统组成的关联关系的标准体系表具有显著的区别。

图1 需求指标与标准要求的关联路径

2 标准视图建模通用流程

基于需求的标准视图建模过程强调以数据为中心，重视标准视图建模所需的各类数据以及数据内部和数据之间的关系。标准视图建模应开展以下六个步骤的工作：

步骤1：明确标准视图的目的及其预期用途。DoDAF中标准视图包括两类模型：标准配置模型(StdV-1)和标准预测模型(StdV-2)。StdV-1主要描述体系结构与相关系统实现适用的标准和协议；StdV-2主要是确定预期的关键技术、标准的可实现性以及这些标准对体系结构各组成单元开发和维护的影响。标准视图的构建应涵盖产品全寿命周期，包括设计、制造、使用保障等环节所有适用的标准和需要新编的标准。

步骤2：确定标准视图的适用范围。根据DoDAF中对于标准视图的要求，在标准视图的两个模型中需要说明其适用的时间，并且在开发前期明确在标准视图开发过程中可能存在的技术难点，以及相关资源对标准视图的限制，根据现有的资源条件，确定标准视图的工作范围。

步骤3：确定标准视图的产品模型及所需数据。标准视图的两类模型的最终表现形式是两类表格，但表格中的数据源自和系统功能、系统组成等体系结构对象关联的标准数据。其中StdV-1应包含标准所属的技术领域、现有标准的相关信息(标准编号、标准名称、标准内容、发布日期、标准状态)、产品的系统组成和标准适用的研制阶段等信息；StdV-2应包含标准所属的技术领域、预测标准的相关信息(预测标准名称、标准内容、标准状态)、产品的系统组成和标准将应用的研制阶段等信息。

步骤4：开发标准视图产品。GJB/Z 156-2011《军用电子信息系统体系结构设计指南》是对DoDAF的转化，规定了体系结构产品的逻辑开发顺序，据此分析构建标准视图所需的最小模型集。其中使用视图至少应包含高级使用概念图(OV-1)和使用活动模型(OV-5)，系统视图至少应包含系统组成模型(SV-1)、系统功能描述模型(SV-4)和系统关键技术预测(SV-9)，基于SV-1和SV-4开展标准配置模型(StdV-1)的构建，基于SV-9开展标准预测模型(StdV-2)的构建。

步骤5：分析评估标准视图。需要结合标准视图构建的既定目标和用途，采用对比分析的方法，分析构建的标准视图与预期结果的一致性，发现存在的不足，分析StdV-1是否能够对各个系统的研制提供相关的约束，StdV-2是否与系统关键技术预测的情况相符合，并能够对系统未来发展提供相应的约束。对于不满足的，需要逐步返回，查找不足，对其进行修改完善。

步骤6：生成技术标准视图开发文档。当确定标准视图内容后，需要生成标准视图开发文档，作为标准视图开发过程的总结文件。

3 无人直升机标准视图建模方法

依据标准视图建模通用流程，结合无人直升机研制特点，围绕标准视图构建，形成能够有效支撑无人直升机研制的体系结构模型集。遵循基于活动的建模方法(Activity-Based Methodology，ABM)[5]，这是一种基于DoDAF的快速建立体系结构模型的方法，将体系结构对象分成三类：实体、关系和属性。实体是体系结构数据采集的对象；关系是实体对象之间的联系；属性确定了实体和关系对象的特征。该方法还归纳出了使用视图和系统视图的核心实体以及核心实体间的关系，以此为基础可以进行相关体系结构产品的构建，并支持建立跨产品关系。

首先开展无人直升机使用视图的构建，包括高级使用概念图(OV-1)和使用活动模型(OV-5)。其中，OV-1概括地给出待开发体系结构的宏观信息，概要描述项目所覆盖的使命/领域，帮助各类人员进行沟通，为高层决策人员提供重点关注的信息；综合分析使用需求、威胁环境和使用想定等，进行整体上的高级概念设计，明确无人直升机的任务需求以及使用特点和使用方式，如图2所示。

图2 高级使用概念图(OV-1)

使用活动模型(OV-5)用于描述在实现任务的过程中需要完成的使用活动、各种活动之间的输入输出信息流，对使用活动进行逐级分解，直到满足使用需求所要求的层次为止[6]。无人直升机的使用活动模型如图3所示。

图3 使用活动模型(OV-5)

从收到使用任务开始，到完成信息分析为止，第一层级的使用活动包括五大类：任务分配、管理无人直升机任务列表、监控目标、目标数据处理、信息分析。其中监控目标活动可分解至第二层级，包括跟踪目标和拍照两项子活动。使用视图的构建明确了无人直升机的使用场景，基于使用场景开展需求捕获，可以分析得出支撑各项使用活动所需的系统功能和系统组成。以监控目标这一使用活动为例，为了持续对目标进行跟踪和监视，要求无人直升机具备较好的飞行操控功能，进而得出对飞控系统的研制需求，包括：响应延迟需求、控制精度需求、稳定裕度需求等性能需求，功能失效发生的概率、对系统功能失效后的响应动作进行限制等安全性需求，以及对飞控系统的可靠性和维修性需求等。

在完成使用视图构建的基础上，开展系统视图的构建。系统视图是使用活动的实现视图，主要描述各个系统实体的功能作用、系统间的数据流及系统的互联互通互操作，对后续系统的研制和优化具有重要的作用[7]。同时，系统视图也是联系使用视图和标准视图的重要载体，基于使用视图捕获的各类需求确定所需研制的无人直升机的功能架构，继而将各项功能依次分配至各个系统，而现行标准的适用性分析、关键技术标准研究和缺项标准预测等各项标准化工作都要基于系统视图来开展。

其中，系统功能描述(SV-4)用于展示系统功能间的层次结构关系以及输入/输出数据流，确保功能间数据关系的完整性，确保系统功能分解到合适的粒度。功能分析是面向使用场景展开的，对应OV-5定义的无人直升机使用范围内的各种运行场景，生成与之匹配的功能需求和功能接口，从而描述了系统做什么活动，以及如何进行这些活动，并能够在此基础上分析各项功能间的优先等级和冲突等级。分析得出的无人直升机系统功能描述如图4所示，第一层级的功能包括四大类：地面控制、放飞与回收、飞行监控和数据传输，各项系统功能均由SV-1中的相应系统来实现。

图4 无人直升机系统功能描述(SV-4)

系统组成模型(SV-1)用于展示为使用活动提供支撑的无人直升机各个组成系统以及系统之间的接口关系。无人直升机的系统组成如图5所示，包括无人直升机平台、任务系统、地面站系统和综合保障系统，各组成系统可以进一步细分。以系统组成为核心，可以定义各个系统实体的属性，实现与使用活动和标准等体系结构对象的关联，使得设计人员能够直观了解各个系统组件研制所需遵循的各类现行有效标准，并及时反馈在关键技术攻关过程中需要新编或修订的标准。

图5 无人直升机系统组成(SV-1)

DoDAF方法的一个显著特点是支持以矩阵的形式描述各类体系结构元素间的关联。上述OV-5描述了无人直升机的各项使用活动，SV-1描述了无人直升机的系统组成，SV-4描述了无人直升机的系统功能，因此可以借助使用活动-系统跟踪矩阵(SV-5)建立无人直升机使用活动和系统组成之间的关联，如图6所示，实现使用活动向系统组成的映射。

使用活动系统飞行管理系统导航系统机载测控与信息传输系统飞控系统地面控制站信息处理系统地面测控与信息传输系统任务分配√管理任务列表√√跟踪目标√√√√拍照√√√√目标数据处理√√√√信息分析√√√

图6使用活动-系统跟踪矩阵(SV-5)

在上述使用视图和系统视图的基础上，开展无人直升机标准视图建模。开展各个系统的标准适应性分析，得出产品研制过程中需要遵循的现有标准的约束，通过与标准数据库的关联、检索和查看，建立系统组成与现有标准的条目化关联，生成标准配置模型StdV-1，如图7所示，使得各类标准资源对产品研制的支撑作用更加显性化。

技术领域标准机体地面控制站…标准编号标准名称标准内容发布日期发布单位标准状态适用时间适用时间总体综合技术…系统技术…

图7无人直升机标准配置(StdV-1)

针对无人直升机研制所采用的各项关键技术，开展关键技术标准研究，分析缺项标准，完成标准预测模型(StdV-2)的构建，如图8所示。以地面控制站的研制为例，地面控制站接口设计技术是该系统研制的关键技术，为规范产品研制过程，需编制《地面控制站接口要求》，规范其机械接口、电气接口和软件接口设计。在StdV-2的基础上，编制缺项标准的需求规格说明，列出缺项标准的结构框架、内容要点和可参考的国内外资料，规范缺项标准的编制过程。

技术领域标准名称标准范围标准状态适用系统适用阶段通用基础技术无人直升机电磁兼容要求规定无人直升机系统电磁兼容性的总要求待起草无人直升机方案设计阶段/工程研制阶段系统技术地面控制站接口要求规定无人直升机地面控制站机械接口、电气接口、软件接口的要求待起草地面控制站方案设计阶段/工程研制阶段…

图8无人直升机标准预测(StdV-2)

同时，通过与需求管理工具的集成，可以建立需求指标和产品专用标准的技术内容的双向追溯关系，即产品研制需求中执行某项活动时应满足的需求指标的改变能够映射到与之相关的标准的技术内容中，而相关标准要求的调整也能追溯到与之关联的需求指标上，使得标准化工作对产品研制需求落地的支撑作用更加清晰。以上述使用视图中分析的飞控系统研制需求为例，相关性能需求、安全性需求等均应在《飞控系统研制规范》等相应的标准化文件中有对应的要求加以规范，从而确保各项研制需求在产品研制过程中均得到了严格的贯彻。

4 标准视图建模工具

在明确了标准视图建模原理和方法的基础上，研究相应的建模工具以支持标准视图产品的可视化展现，以及体系结构数据的结构化关联与分析存储，标准视图建模工具的功能架构如图9所示。

为了与当前的航空产品数字化研发环境相匹配，首先构建离散化的标准数据库。分析国内外航空工业企业、协会团体在总体、机载、材料、制造、基础、管理等专业的标准分类；针对标准的内容属性，如流程、规则、参数、计算等，研究航空工业标准内容在数字化研制生产环境下的分类框架；将我国航空工业涉及的国家标准、国军标、航空行业标准和国外相关标准的内容离散化，分别形成流程要素库、产品参数库、规则库等各类标准数据库。

将离散化的标准数据库与标准视图建模工具相关联，支持在使用视图和系统视图下对离散化标准数据的检索和关联，便于高层管理人员和产品设计人员快速定位支撑任务实现和系统研制的准确的标准内容，有助于改善传统标准形式存在的纯文本、难检索、非关联等问题，能够显著提升标准化工作的数字化和信息化水平。

图9 标准视图建模工具的功能架构

标准视图建模工具还支持与需求管理管理工具的集成，能够建立需求-功能-系统-标准的关联网络，并开展变动影响分析。基础平台支持DoDAF各类产品的建模，各类模型数据能够以XML格式进行导入导出，针对不同的工程项目形成相应的体系结构存储库，便于改进型号或关联型号的数据重用。

5 结束语

本文就标准视图建模的原理、流程、方法和工具进行了探讨，围绕通用型无人直升机系统的研制开展了具体的标准视图的建模工作，分析了标准视图建模工具的功能架构。研究结果表明，基于需求的标准视图建模方法是标准化工作领域的有益探索，适用于无人直升机系统的建模，能够保证设计工作更加有效、规范地进行，也使得标准化工作更加具有针对性，标准需求的采集更加规范合理，有助于促进工程研制工作和标准化工作的深度融合，从而助推产品研制取得成功。

参考文献：

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