民用飞机研发过程中需求闭环验证技术研究与应用

2020-02-08任金虎许鸿杰王英儒陈双余涵

智能制造 2020年11期

关键词：需求

任金虎许鸿杰王英儒陈双余涵

摘要：为了实现飞机的正向研发设计，提高设计的创新能力，缩短飞机的研制周期，航空行业开展了基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，简称MBSE）方法的探索与应用。研究的需求闭环验证属于系统工程范畴，提出在飞机的某一研制阶段下，同一研发层级内的需求闭环验证方法和不同研发层级间的需求闭环验证方法；给出需求闭环验证的实现流程，并通过案例，基于达索3D EXPERIENCE平台验证需求闭环验证流程的实现方法。研究表明：提出的需求闭环验证的方法、实现流程和应用平台，能够支持飞机研制过程中需求的验证，从而确认设计的合理性，验证设计的正确性，对推进MBSE方法在飞机研制过程中全面而深入的应用具有重要意义。

关键词：基于模型的系统工程；研制阶段；需求；闭环验证

1 引言

在工业4.0时代的背景下，国际航空市场对飞机型号的研制要求愈来愈高，研制周期越来越短。为此航空行业的诸多单位和相关专家进行MBSE[1]～[4]正向设计探究。通过理论方法的不断创新应用，将MBSE设计路线从市场调研、模型设计、仿真验证到生产制造等环节不断延伸应用。在系统工程的实现解决方案中，基于SysML语言的HarmonySE[5] 、基于Modelica语言的MMS（Modeling Methodology for Systems）[6] ～[7]等方法论在航空航天行业的应用最为广泛。但是，现阶段基于模型的系统工程的工程应用还处于架构设计或者初步的物理模型设计阶段，鲜有学者针对基于模型的系统工程的需求闭环验证进行相关报告。

如今在飞机研发过程中，需求闭环验证方面，大多还是采用单机的分析工具进行系统仿真和机体部件有限元仿真，或者物理试验等手段，如于惠舟等基于Modelica语言进行飞机飞控系统虚拟样机构建，验证虚拟样机性能验证及工程应用[8] ；陈彦达等采用数值仿真分析方法研究民用飞机机身段适坠性[9]；赵峻峰等通过物理试验方法分析并研究民用飞机机体结构静强度[10]。

本文采用基于Modelica语言的MMS方法论，将顶层需求进行细化，论述使命（Mission）、服务（Service）、功能（Function）及组件（Component）层的需求闭环验证方法；从飞机研发业务角度，阐述相关研发部门的需求闭环验证实现方法。在飞机设计阶段实现需求的闭环验证，能够提前发现研发的问题使其及早解决，大大减少物理试验次数，能够节约研制成本和缩短研发周期，所以需求闭环验证的技术研究具有重大意义。

2 需求闭环验证方法

结合国内飞机研制的实际情况，将民用飞机研制划分为五个阶段：立项论证阶段、可行性论证阶段、预发展阶段（包括总体方案定义/联合概念定义阶段JCDP、初步设计/联合定义阶段JDP）、工程发展阶段（包括详细设计阶段、全面试制阶段、试飞取证阶段）、产业化阶段[11] ，前四个阶段一般属于飞机设计研发阶段，飞机研发部门为主，试制部门为辅。在飞机设计研发阶段，将飞机研发分为全机级、系统级、子系统级、部件级、组件级、零件或元器件级和材料级进行飞机的研发设计[12]～[13]。在飞机设计研发的每一个阶段，都会按照飞机研发的各个层级进行设计，只是不同阶段重点设计的层级不同，即顶层设计需求不同。

2.1 同一研发层级内的需求闭环验证

基于达索MMS系统工程方法论，主要通过使命、服务、功能及组件层的分析以及用例图、功能图、场景图、顺序图等来展开飞机设计研发某阶段的研发某层级顶层需求的分解、细化，建立基于需求-功能-逻辑-物理（R-FL-P）的统一架构的相关模型[6]，获得使命层需求、服务层需求、功能层需求及组件层需求；按照组件层需求，进行组件模型、接口等的设计，至此完成了基于MBSE的物理设计，如图1所示。各层需求的验证方法如下。

组件层，将组件模型、接口进行单一组件的专业仿真，包括组件结构CAE仿真和系统仿真等，验证组件层需求，确认设计的组件，形成组件层需求闭环验证方法。

功能层，将组件模型、接口按照功能层需求进行组件模型装配、集成，将以功能单元（单条功能需求）集成的组件和接口，依据各自功能需求分别进行集成仿真，包括各集成组件的多体运动学仿真、结构CAE仿真、系统仿真等，验证集成组件和接口的功能需求，实现集成验证，形成功能层需求闭环验证方法。

服务层，将按功能单元形成的集成组件和接口，再次按照服务层需求进行集成组件的装配和集成，再将形成的集成组件和接口进行动态行为仿真，包括多体运动学仿真、系统仿真等，验证集成组件的服务需求，实现集成确认，形成服务层需求闭环验证方法。

使命层，将按服务层需求形成的集成组件和接口，按照使命层需求进行集成组件的装配和集成，形成飞机研发本层级的总装配模型，针对总装配模型进行仿真，包括多体运动学仿真、系统仿真、多学科联合仿真等，形成飞机研发本层级的数字化性能样机，验证集成组件的使命需求，测试本研发层级模型设计的合格性，形成使命层需求闭环验证方法。

最后，试制本层级研发的模型，通过物理试验检测物理产品性能，验证本层级研发的顶层任务。

2.2 不同研发层级间的需求闭环验證

组件层形成的组件模型是该飞机研发层级组件的白盒模型，同时也是下一研发层级总装配的黑盒模型。

组件层需求按不同组件分类并分发给下一研发层级相关研发部门，作为下一研发层级的顶层任务；组件层需求可分发给多个下一研发层级相关研发部门，作为其基于模型的系统工程的研发顶层任务，比如飞机级的组件需求通过分类可分发给机体、飞控系统、液压系统、航电系统等系统级研发层级的相关研发部门。下一研发层级相关研发部门同样按照MMS系统工程方法论，进行使命、服务、功能及组件层的分析，形成相关模型和相应层级需求，并进行需求闭环验证。不同研发层级间的需求闭环验证技术路线如图2所示。

下一研发层级相关研发部门最终交付的模型和产品有如下要求。

下一研发层级相关研发部门交付的总装配模型可供本研发层级相关研发部门进行相关仿真验证，包括组件仿真、组件集成及功能仿真、动态行为仿真等。

下一研发层级相关研发部门需搭建其所属研发层级的数字化性能样机。

下一研发层级相关研发部门交付的物理产品可供本研发层级进行物理试验，检测研发的产品是否实现顶层任务。

3 需求闭环验证实现方法

基于现阶段航空行业中系统工程方法的研究现状，结合相关研发部门实际的研发和管理方法，提出需求闭环验证的实现流程，并基于法国达索系统公司的3DEXPERIENCE平台（以下简称3DE平台），根据需求定义测试用例，可以将仿真结果与测试案例的需求参数对比，验证仿真结果是否满足需求，并可在测试案例管理界面查看测试验证状态。

3.1 需求闭环验证实现流程

3DE平台中对需求进行闭环验证，首先需求管理工程师在平台中对需求进行参数化，并对需求进行验证方法的定义，例如仿真、实验、演示等。系统工程师对相关需求建立测试用例TC及测试执行TE；仿真负责人参考相关业务的仿真标准（或仿真模板），对测试执行的需求建立测试计划TP，并建立相关的需求验证矩阵，对相关的仿真工程师进行测试验证请求（AR）。仿真工程师接收到测试请求后，可执行相关的仿真模板，进行仿真模板实例化和仿真，仿真负责人对仿真结果进行审核，确认验证结果是否通过，在业务流程中完成测试请求，从而实现端对端的需求闭环验证。图3为需求闭环验证流程图。