直升机需求工程方法与应用研究

曾卫平，孙 强，占日新，肖向荣

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

美国联邦航空管理局在2011年明确要求飞机的研发必须开展需求工程，实施项目顶层管控。国内直升机工业部门自2013年开始逐步引入基于模型的系统工程方法论，在多个直升机型号研制过程中开展了基于需求的系统工程工作。其中在民用直升机研制方面，开展的直升机需求工程工作主要包括梳理市场要求、研制总要求、总体技术要求、各系统技术要求、接口控制要求及适航规章要求等方面内容。而对于军用直升机来说，需求工程要求型号论证及研制模式不局限于基于指标要求而进行的设计，更重要的是要满足新形势下军事斗争对武器装备提出的作战需求。因此，直升机工业部门迫切需要引入正向设计的思想，加大对直升机作战需求与使用的设计，实现直升机装备需求论证与工程研制相衔接。

1 直升机需求工程定义与内容

需求工程是用已证明有效的技术和方法进行需求分析，确定客户需求，帮助分析人员理解问题，并定义目标系统的所有外部特征的一门学科[1]。需求工程脱胎于基于模型的系统工程(Model Based on System Engineering，MBSE)，而基于模型的系统工程方法学有很多，例如：INCOSE OOSEM、IBM Rational Harmony-SE、Vitech MBSE Methodology等，涉及到的建模语言也有很多，例如：SysML语言、UML语言、IDEF0语言、AADL语言、VHDL语言等，涉及到的体系框架也很多，例如：TOGAF、DoDAF、MoGAF、ITSA、FACE等。MBSE方法论尚在发展中，不同单位和组织需对标准的建模语言语义和规则进行裁剪和修改，以适配实际产品研发活动的需要。

直升机研发设计流程活动不同于软件研发流程活动。有效将软件研发流程方法及工具应用于直升机需求工程的工作过程中，是未来MBSE方法在直升机研制过程中亟需实践探索的。就目前需求工程方法的发展程度而言，直升机需求工程是由一系列与直升机需求相关的开发活动和管理活动组成的，具体内容如图1所示。

图1 直升机需求工程主要内容

基于需求管理信息系统或工具的应用，直升机需求工程是直升机需求开发和需求管理的结合体，其最首要的任务即是开发分别来自军方用户和民机客户的需求，因此直升机的需求开发显得尤为重要。

2 多软件平台与工具应用

如前所述，直升机需求工程主要基于需求管理信息系统或工具应用，在总体方案论证、总体需求分析、总体初步设计、分系统需求分析、分系统初步设计等直升机立项论证各阶段，需要有直升机装备描述数据库、需求管理工具、作战想定编辑工具、想定验证工具、体系结构建模仿真工具、效能仿真工具等支持平台和软件，并且要求其中的主要工具软件能做到规范化、模型化、工具化和资源化的深度集成。国内支持整个开发生命周期的相关论证工程化软件较少[2]。

相关的软件平台与工具集成架构主要分为专业仿真层、专业设计层、虚拟仿真层、需求分析层和需求管理层。虚拟仿真层的任务与体系架构工具与需求分析层的建模工具进行数据关联；需求分析层的建模工具与专业仿真层的仿真工具、专业设计层的设计工具进行数据交联；需求分析层的建模工具与需求管理层的管理信息系统集成，需求管理系统将输入的分散数据结构化互关联；然后再与产品全生命周期管理系统做集成管理，关联型号研制各阶段的设计、仿真等过程。通过多个软件、工具、平台之间的集成，使直升机装备从立项论证、需求分析、系统初步设计的生命周期前期各阶段中的不同类型数据得到有效管理，即使到了产品全生命周期研制的后期，这些模型数据甚至仍具有单一数据源性和可追溯性。

3 面向直升机设计的需求工程方法

3.1 型号典型研制流程

以往航空器型号研制通常都是使用部门提出的指标，工业部门按照指标要求，结合技术发展最新现状进行设计制造，所得到的产品或装备基本满足使用要求，但外部使用场景一般未充分考虑，导致后续改进和试验试飞持续进行。如图2所示，整个航空器产品研制流程中工程设计研制后期的工作流程占了研制流程的大部分工作，而后续研制流程中的更改迭代往往带来时间和成本的倍增，系统故障与问题也越发难以发现和解决。

图2 典型航空器产品研制流程

3.2 系统需求开发方法

除上述典型航空器产品研制流程面临的问题之外，随着航空器产品相关技术和交叉学科不断发展，系统交联程度越发高，系统也愈发复杂庞杂。以直升机为例，其内部系统之间的和外部的交联关系以及直升机系统、分(子)系统组成元素的复杂导致了一个庞大的复杂系统工程。传统的基于文件的系统工程方式，已无法支撑作为系统的直升机装备全生命周期开发。基于此，应用RFLP(“需求、功能、逻辑、物理”)方法，完成系统需求、设计、分析、验证和确认活动的正规化建模应用，如图3所示，起始于直升机需求论证阶段，贯穿整个直升机产品全生命周期研制阶段，避免了目前直升机需求论证与后续直升机工程设计严重脱节的问题，发展了需求论证的相关理论方法。

图3 直升机装备全生命周期研制下的需求开发流程

3.2.1 体系需求开发

基于军事作战的体系需求开发过程是直升机装备需求论证的一个重要组成部分。任务场景分析是军用直升机需求分析过程中的重要一环，是装备需求的重要来源[3]。体系需求论证还在不断发展中，因此，体系需求开发方法随着各类装备型号的实践应用也在一直更新完善中。以直升机型号为例，直升机体系需求开发基本遵循MBSE方法，需要强调的是基于模型中的模型，它不仅仅是虚拟战场任务场景中的直升机三维模型、其它武器装备模型、地形模型、烟雾模型、爆炸效果模型等，而且还有基于DoDAF2.0的OV-1、OV-2、OV-6c、OV-6b等多类视角构建形成的SysML模型(包括用例图、时序图、状态机图等)。

直升机需求论证阶段注重基于作战场景的需求开发方法。体系需求论证与系统需求分析设计建模过程如图4所示，根据军方使用要求，重点论述基于能力的视角。基于DoDAF方法对作战任务进行分析，这一阶段主要对作战使用性能需求条目化，形成作战想定报告和任务场景建模分析，最终完成运行概念文档的编制。下一步对直升机整机系统进行需求分析和架构设计，目的在于形成直升机系统需求规格说明书，再对各类分(子)系统的使用进行需求分析，完成分(子)系统架构描述，形成分(子)系统需求规格说明书。

图4 体系需求论证与系统需求分析设计

3.2.2 机械设计系统需求开发

传统直升机设计员往往在设计完三维模型之后在模型上手工标注各类设计参数，以便后续工艺加工人员编排或加工。通过MBD技术详细标注模型的三维尺寸，并简要标准模型的加工信息，这样可以减少将三维模型图纸化的过程，直接将参数信息表达在三维模型上。应用MBSE方法之后，基于直升机机械物理设计过程，逻辑设计表达最终能够和基于模型的三维设计(MBD)进行关联，通过SysML模型向CAD模型传递参数的方法，实现直升机机械设计过程与需求分析过程的有效融合贯通。需求分解的指标信息可以与后续初步设计阶段，甚至详细设计阶段的三维CAD模型进行关联。MBD技术所标注的三维信息很多在直升机需求论证阶段就已经可清晰表达了。

3.2.3 机电液系统多学科需求开发与仿真验证

以往直升机(机、电、液)系统设计过程中，需求开发与仿真验证过程是人为在文档传递之间割裂的。因此，涉及(机、电、液)系统多学科之间的设计开发问题，首先对基于某(机、电、液)系统的需求进行分析，形成系统需求文档。(机、电、液)系统多学科需求开发可将系统的需求抽象成若干关键系统功能，每一个关键系统功能就是一个系统用例，所有系统用例的集合就构成了完整的系统功能。如图5所示，针对该系统开展基于SysML语言的功能逻辑建模仿真，验证功能需求与接口需求。同时，针对(机、电、液)系统专业要求，以专业仿真软件进行建模仿真，基于Modelica语言对系统的性能指标进行仿真验证。

图5 机电液系统多学科需求开发与仿真验证

1)基于模型的需求开发过程

在(机、电、液)系统多学科需求开发与仿真验证过程中，(机、电、液)多学科需求开发的需求分析过程明确基于模型，而非基于文档，(机、电、液)系统需求分析的输入为上层的直升机产品需求。对于需求工程师或设计员而言，针对直升机不同类型的需求，选择最合适的分析技巧，目的是便于需求的沟通交流、捕获和确认；对于系统设计员而言，很多需求类型与设计过程中的问题相关。多数情况下，外部接口需求和其他一些性能需求与特定的设计管理问题关系紧密。基于模型的(机、电、液)系统需求分析过程实现利益攸关者需求转换为系统需求描述，系统需求和上一层产品需求在需求管理系统中实现追溯，系统需求与描述使用场景或功能的用例关联。

功能分析根据用例图所表示的系统功能，分别依次创建表示功能逻辑过程的黑盒活动图、表示系统交联关系的黑盒顺序图、表示系统接口信息的黑盒接口图以及表示系统状态行为变化的黑盒状态图等模型，并对模型进行执行，以确认系统需求。根据相关规范和以往经验，对系统架构进行权衡分析，根据黑盒活动图将系统的各功能分配至子系统，分别依次创建白盒活动图、白盒顺序图、白盒内部块图和白盒状态图，最终实现评估优化。

2)基于模型的逻辑建模仿真验证过程

基于上述需求开发之后的系统逻辑架构，在CAD设计工具中开展系统机械机构的线框图设计，得到物理架构；通过逻辑架构到物理架构的映射，得到(机、电、液)系统的一个或多个物理架构，利用多物理域系统仿真工具，并通过各专业仿真方法和流程规范，对系统的物理架构进行权衡分析，确定最佳系统设计方案。

3.2.4 软件工程系统需求开发

软件工程系统的需求开发相比机械系统、电气系统等其它系统较成熟。其开发过程类同于(机、电、液)系统多学科基于模型的需求开发，即基于SysML语言进行建模分析与设计，用全局视角分析软件工程系统功能边界及系统与外部Actor的交互关系，分析软件工程系统在特定用例场景下具有的功能流和逻辑关系以及与外部发生的交互信息和响应，进一步分析软件工程系统的状态行为以及状态之间的转移，最后通过状态机模型仿真运行，对软件工程系统功能逻辑进行预先验证。但是软件工程系统需求开发过程也有其特殊性，即软件需求开发是自顶向下逐层分解的过程，高层需求分解到分系统。这种分解和分配过程一直持续到达到可设计的需求[4]，最终目的在于融合模型、文档驱动系统设计，结合软件建模软件工具，实现模型代码的自动生成。

3.3 系统需求管理

需求管理是关系到需求开发结果的实现方式之一，作为一项技术，类同于直升机型号研制管理过程中的构型管理技术。构型管理是研究产品开发规律性的一门学科[5]。以直升机构型管理为基础，保障直升机工程设计活动高效且有效，需求管理也需要建立需求捕捉和协同、文档化和搜索，然后通过决策点将需求交付到直升机产品全生命周期下游的设计者；对需求池中收集捕获到的关于直升机装备的经验、问题报告、标准、客户要求、技术等需求文件进行组织管理，按需求层级划分。需求管理业务层级可分为L1-L4，即L1为客户需求，L2为产品需求，L3为分(子)系统需求，L4为设备零件需求，每一业务层级的需求管理业务流程如图6所示。根据各系统、分(子)系统之间的层级关系，定义好需求模型之间的父子链接和衍生链接，形成直升机需求结构树。这个过程中的关键在于定制直升机需求对象的属性，包括：需求类型、优先级、需求来源、相关方、设计意图、验证意图等。

图6 各层级系统需求管理业务流程

同时，根据上述需求对象属性中的优先级进行排序，定义需求基线。需求基线又称为客户基线[6]。需求基线必须经过评审，需求管理系统管理员定义基线并发布流程，构型管理人员根据优先级创建状态基线和快照，设计员(或系统工程师)查看快照并对基线进行过滤，方便其使用。整个过程为：需求基线流程定义—需求基线创建—需求基线使用。

需求变更管理的目的在于对需求管理过程中出现变更流程的工作进行记录，主要针对问题报告和需求变更单，以需求变更流程的方式，详细说明问题报告管理流程和需求变更管理流程的状态、迁移过程以及定制表单等。系统工程师与设计员首先在需求管理系统中发起变更申请，然后需求变更流程系统提供流程，创建完成需求变更流程，在需求变更流程系统中完成变更审批，最终在需求管理系统中完成需求更新。需求分析、需求分配和需求确认这几个业务流程阶段都有可能会进行需求变更工作。

4 直升机型号应用实践

按系统工程方法定义下的直升机产品全生命周期的主要工作内容已发生包含平台、架构、体系及过程等在内的质的变换[7]。已有多个民用直升机型号贯彻ARP4754A标准实现了需求条目化、结构化、可追溯管理，一个直升机型号的需求条目数量能达到数十万条。在总体、航电等试点专业，利用需求管理系统、文档生成工具以及需求变更管理工具初步建立了基于文档的需求管理。通过需求分析流程生成的系统规范更加完整、正确、可追溯，已形成初步直升机级规范及主要系统初步需求文档，并可自动生成文件；同时，系统逐层展开，上一层系统定义下一层系统的需求及相互间接口，完成了直升机各主要分(子)系统初步架构设计，这个过程中不仅定义了直升机，还定义其它交联的外部系统。

在民用直升机先行先试的基础上，某型军用直升机型号还按照图3流程，基于MBSE正向设计思想，构建了虚拟仿真作战场景，完成了直升机级和任务系统级的需求分析与架构设计，并在典型专业上完成了分(子)系统级基于Harmony的建模仿真，形成了需求数据库，基本实现了该型机基于MBSE正向设计的装备需求论证。

5 结语

系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法[8]。直升机需求工程方法是为了让直升机产品研发更好地定义，而不是像以前一样的逆向研发模式；它是提升集成整个系统研发能力的技术，是真正意义上的关注整个直升机产品全生命周期；其本质是解决设计员研发设计流程的问题，而不仅是信息化工具和平台。直升机需求工程方法是一种新的设计方法，是不同于MBD的设计方法。直升机需求工程方法中的系统建模要求培育的内容太多(包含方法、工具、平台，尤其是设计员的设计习惯)，不仅要有会建模的设计员，也要有看得懂模型的设计员。

直升机需求工程中的模型是对设计的补充，不同的专业对模型的使用层次不一样，应建立相应的规范和传递流程，在试点项目上多专业联合推进需求开发与需求管理。将系统建模融入到当前直升机产品设计的产出(主要是需求论证报告、系统设计方案、需求规格等方面)基本可行，并能提高设计产出的质量，提升直升机产品设计能力。