基于運行場景的結構化民機系統功能需求捕獲方法

王 鵬，王睿璇，張 帆，肖國松

（中國民航大學a.民航航空器適航審定技術重點實驗室，天津 300300；b.安全科學與工程學院，天津 300300）

民機系統研發以需求為驅動，在項目初期能有效捕獲功能需求作為設計輸入是后續架構設計和驗證的重要基礎。民機系統外界運行環境具有多樣性和綜合化的趨勢，導致系統出現交聯和功能交叉，頂層設計復雜程度逐漸提高。需求捕獲在實際的系統研發過程中面臨需求偏差和缺失、可追溯性和一致性不足等問題。

近年來，已有多位學者在基于場景或基于模型的需求捕獲和系統分析等方面開展了諸多研究。針對需求捕獲的完整性問題，文獻[1-2]提出了基于運行場景的需求捕獲方法，并基于多維度構建了飛機級場景，但尚未涉及系統級運行場景的構建；針對傳統方法追溯性和一致性不足問題，文獻[3-4]提出了基于模型的需求捕獲方法，但側重介紹基于模型的系統工程（MBSE，model-based system engineering）方法，對該方法的有效性分析不足；文獻[5-6]引入美國國防部體系結構框架（DoDAF，department of defense architecture framework）優化對武器裝備或作戰體系的設計與開發，表明DoDAF 對系統或體系開發具有積極意義，但面向民機領域的相關研究僅片面借鑒其思想，視圖模型選擇無統一準則，缺乏對所選視圖內在聯系的分析，其應用過程未形成步驟性的方法論。

基于上述問題，本文提出基于運行場景的結構化民機系統功能需求捕獲方法。在已有研究的基礎上優化形成多維度、多層次的系統運行場景構建思路，以模型支持系統交互操作、功能需求和接口的捕獲；并針對民機系統開發實際需要，引入結構化框架，以邏輯連貫一致的多視角系統模型為橋梁，規范基于模型的多視角系統功能需求捕獲與分析過程；建立運行場景到功能需求的映射以識別可能被忽視的功能需求，為后續系統功能設計提供合理指導，實現系統研發生命周期需求的動態關聯。

1 基于運行場景的MBSE 需求捕獲概述

根據適航要求和型號研制經驗，民機系統研發需遵循系統工程方法，強調“需求—功能—設計—實現—確認與驗證”的正向過程。其中“需求—功能”分析是遵循SAE ARP4754A[7]全生命周期系統工程分析的重要輸入與基礎?；谀Ｐ偷南到y工程作為一種形式化建模方法正成為復雜系統設計的有效途徑[8-11]，以邏輯連貫一致的多視角系統模型為橋梁，支持系統需求捕獲、設計、分析和驗證的研發活動，通過模型的不斷演化和迭代遞增實現產品的系統設計生命周期內的動態關聯，可有效應對傳統研發方式的弊端。

因系統運行外界因素的多樣性和多變性，為避免因運行場景識別不全或需求分析能力不足導致系統設計階段關鍵需求的偏差和缺失，需面向系統全生命周期運行場景，分析場景下用戶與系統的預期行為，并捕獲行為發生過程中的操作交互與接口，進而得到可靠的頂層功能需求。本文以基于模型的系統工程思想為指導，基于體系結構框架多視角策略建立面向民機系統功能需求捕獲的統一原則，優化運行場景任務分析和需求捕獲過程，盡可能完備地識別系統在預期運行場景下的所需能力，提高需求捕獲的正確性和完整性，以支持后續合理的功能設計?；谶\行場景的MBSE 需求捕獲過程如圖1 所示。

2 基于體系框架的結構化建模

DoDAF[12]是美國結合自身結構設計開發需求提出的系統工程方法論，其為解決復雜系統頂層設計制定了統一的原則和規范，具有一定代表性?？蚣苣Ｐ投x8 類視點，共52 種視圖，通過多視角視圖及其組合實現系統描述，支撐系統開發，提供復雜系統結構化分析途徑。8 類視點側重不同，每個視點提供系統某個側面的描述，使用該模型進行系統描述時不需要建立所有視圖，而是根據最終目的選擇合適的視點和視圖進行開發。

通過對體系框架思想和民機系統研制過程的研究[13]，基于運行場景捕獲民機系統功能需求的核心是進一步明確當前場景下系統應執行的任務活動和信息交換需求，進而分析對象系統與外部的關系及內部活動交互關系，由系統行為分析任務執行時需要的功能及承載功能的實體組織。根據上述目的和民機系統特性，本文選擇任務視點（OV，operational viewpoint）和系統視點（SV，systems viewpoint）實現民機系統描述，在此基礎上，輔以全景視點（AV，all viewpoint）和標準視點（StdV，standards viewpoint）宏觀呈現系統概要信息與頂層規章標準約束，如圖2 所示。

圖2 體系結構視點關系Fig.2 Relationship of architecture viewpoint

不同于已有研究給出的體系結構建模流程，本文基于體系結構框架進行系統建模的方法強調：①視點描述盡量簡潔但應反映開發目標的復雜程度；②視圖描述可關聯、可復用、可向下一層級分解。圖3 為所選取視圖建立的邏輯與內在聯系，以全景視點和標準視點為輸入。通過任務視點形成某一運行場景下的任務需求，通過系統視點為該場景下的任務提供功能解決方案，形成系統功能需求。

圖3 視圖建立的邏輯與內在聯系Fig.3 Logical and internal relationship of view establishment

AV-1 宏觀呈現系統的運行使用構想，是系統中與用戶相關聯的需求開發出發點。StdV-1 提出系統要遵循的規章和標準，文獻[14]中對此展開了詳細研究。OV-1 描述頂層任務概念場景；OV-2 根據頂層任務概念，分析任務完成過程所交換的資源流；OV-4 用于確定架構利益相關者和流程所有者，顯示了組織結構和交互作用；OV-5b 描述任務過程中的執行者、執行程序和輸入輸出關系；OV-6b 和OV-6c 均可描述任務活動，選擇其一即可，OV-6b 描述任務事件流程，OV-6c描述任務進行過程中活動的先后順序，可直觀呈現任務參與者的外部交互接口。任務視點映射至系統視點，通過任務分析過程可得系統功能集大類，以SV-4 呈現；SV-10b 和SV-10c 均可用于描述系統實現某一功能時的活動，選擇其一即可；經系統活動分析，可得實現某一功能時系統內外的交互接口和資源流，以SV-1和SV-2 描述；SV-5a 描述系統功能與任務之間的支持關系，即一個任務由哪些系統功能來支持，一個系統功能可支持哪些任務活動。

上述過程是分析系統如何滿足場景任務的系統化過程，經多次迭代，將任務活動及其信息交互關系映射到系統交互關系上，得到民機系統功能需求。

3 結構化民機系統功能需求捕獲方法

3.1 多維度、多層次運行場景構建體系

運行場景構建的完整性和合理性是需求捕獲完整性和正確性的基礎。運行場景與需求層次對應可分為飛機級和系統級場景，系統級運行場景以民機系統為對象。

系統級運行場景應能涵蓋所有的運行階段，如滑跑、起飛、進近、著陸等，包括系統控制的不同模式；應能涵蓋重要的運行環境，如所處環境的天氣氣候、電磁環境、機場條件等；應能涵蓋系統各類狀態，如正常/備用模式、其下設組件或模塊失效等。與飛機級運行場景不同，面向系統的運行場景構建應考慮與對象系統有關聯的系統狀態，如提供信號輸入、能源的系統是否正常。

運行階段、運行環境、系統狀態和交聯系統狀態分別定義為時間維度、環境維度、狀態維度和交聯系統維度，每個維度為運行場景空間的子空間，子空間維數的含義與數量不一，對這些子空間各維度進行選取和配置組合，即可明確定義運行場景。

上述維度具有開發過程上的層次遞進關系，基于已有的通過建立飛行場景多維矩陣構建場景的方法[2]，本文提出多維度、多層次的系統級運行場景構建方法實現對AV-1 的描述。

如圖4 所示，由時間維度和環境維度可以確定系統的運行任務，定義為運行任務層；在此基礎上，疊加對交聯系統維度和系統本身狀態維度的考慮，可得完成場景任務進行的任務程序與系統行為交互，定義為行為交互層。

圖4 多維度、多層次的系統級運行場景構建Fig.4 Operation scenario construction of multi-dimensional and multi-level system

3.2 基于SysML 建模的系統功能需求捕獲

SysML 語言作為系統工程主流建模語言可支持體系視圖的標準化建模，用圖形化方式映射底層的概念、數據和邏輯。本文基于SysML 進行體系結構化視圖的構建、描述和分析系統在不同運行場景下的行為活動，捕獲交互操作和接口，進而得到與之對應的功能需求。使用SysML 較于其他視圖描述方式具有以下優勢：前期功能需求分析和后續架構設計過程基于同種語言，符合民機系統研制過程需要遵循的系統工程特性[15]。

由SysML 各類模型不同的建模機制和體系結構視圖的不同側重，構建在體系結構框架下適用于民機系統研發的SysML 模型產品集，形成“體系框架視圖—SysML 模型”可視化描述的映射關系，如圖5 所示。選取OV-1、OV-2、OV-5b、OV-6b 和OV-6c 對場景下的任務進行分析，選取SV-1、SV-2、SV-4、SV-10b 和SV-10c 描述系統功能及執行過程，將任務活動中提取的能力集與系統功能需求建立對應關系。以任務場景牽引功能設計，基于能力自頂向下將任務目標系統化。

圖5 體系框架視圖與SysML 模型映射關系Fig.5 Mapping relationship between architecture framework view and SysML model

4 案例

在所有民航起飛和著陸事故中，68%的事故可以通過使用平視顯示器（HUD，head-up display）系統避免或降低事故危害程度[16]，是目前中國民用航空局大力推廣的新航行技術。本節以某型HUD 系統為例，對上述提出的功能需求捕獲方法進行應用說明。

首先，基于4 個維度構建系統運行場景；其次由場景驅動任務需求分析，對所有由運行場景得到的系統功能集進行建模，通過對系統完成任務時動態行為的分析從而得到該系統實現功能的必要元素與接口。

4.1 目標系統頂層概述（AV-1）

HUD 系統為飛機航電系統的子系統，作為重要的機載顯示系統與多個機載系統有交聯關系。民機運行過程中需要該系統通過機載傳感器接收其他各系統數據，經過處理計算，生成包含有飛機航向、姿態、高度、速度等信息的符號畫面，投射并反饋給飛行員，使飛行員在平視條件下具備態勢感知能力，此外HUD系統需對自身的維護信息進行顯示并提供交互式維護相關操作。

《平視顯示器應用發展線路圖》[16]和HUD 頂層運行概念及規章標準構建系統運行場景，如表1 所示。

表1 HUD 系統頂層運行場景概念構建Tab.1 Conceptual construction of HUD system based on top-level operation scenario

此處將HUD 系統作為整體置于運行場景維度空間，多個維度組成了運行場景定義矩陣，矩陣的所有維度排列組合未必都真實存在，排列組合出的某一運行場景需分析其對后續任務、功能支持的可行性。該方法用于不同案例場景時構建的顆粒度和層級可根據實際需要調整。

4.2 任務視點建模

4.2.1 頂層任務概念（OV-1）

本文選取HUD 系統的典型運行場景之一進行示例說明，如表2 所示。

表2 HUD 系統運行場景1Tab.2 Operation scenario 1 of HUD system

根據HUD 系統頂層運行概念和選取的運行場景，構建OV-1 直觀定義頂層任務概念，即低能見度天氣條件下，在進近著陸階段通過HUD 系統完成進近著陸，系統狀態正常，關聯系統狀態正常，如圖6所示。

圖6 頂層任務概念OV-1Fig.6 Conceptual OV-1 of top level task

4.2.2 任務資源流分析（OV-2）

根據頂層任務概念OV-1，分析該任務下HUD 系統資源交互，構建OV-2，如圖7 所示。HUD 系統接收機載傳感器傳遞的數據，將數據處理后顯示給飛行員，在低能見度進近任務過程中，飛行員通過MCDU對HUD 系統進行控制。

圖7 任務資源流分析OV-2Fig.7 Task resource flow analysis of OV-2

4.2.3 任務活動分析（OV-5b）

由低能見度進近任務飛行程序，以飛行員操作視角分析該任務場景下的一系列活動，構建OV-5b 呈現各子任務的輸入、輸出流關系，如圖8 所示，其中1 ft=0.304 8 m。

圖8 任務活動分析OV-5bFig.8 Task activity analysis of OV-5b

4.2.4 任務事件跟蹤分析（OV-6c）

對低能見度下進近著陸的任務程序，輔以時序信息和信息交互關系，構建各子任務事件跟蹤模型OV-6c，以支撐OV-5b 具體事件的場景化描述，如圖9 所示。系統生命線上任務參與的節點，可直觀反映與系統產生交互的任務。

圖9 任務事件跟蹤分析OV-6cFig.9 Task event tracking analysis of OV-6c

4.2.5 系統功能集分析

對所構建場景進行上述分析，參考各運行場景任務事件跟蹤模型（OV-6c），依據工程經驗整合所有場景下的任務需求，選擇適宜的功能劃分顆粒度，定義系統層級的功能集，形成5 大功能集，實現了場景驅動的任務活動與系統能力的對應，如表3 所示。

表3 系統功能集Tab.3 Function set of system

4.3 系統視點建模

4.3.1 系統活動分析（SV-4）

通過活動圖表示事件或數據的流動，可捕獲系統內部組成部分的預期行為。以4.2.5 中的“Func_Sys_01飛行信息符號生成與顯示”功能集為例，進行實現該功能時系統活動的分析，構建SV-4，如圖10 所示。

圖10 飛行信息符號生成與顯示活動分析Fig.10 Activity analysis of generation and display of flight information symbol

4.3.2 系統事件跟蹤分析（SV-10c）

系統事件跟蹤分析在系統活動分析的基礎上加入了時間序列，說明隨著時間推移而發生的行為和時間序列，描述側重“交互”。作為對系統行為更精確的說明，通過序列圖可知行為執行的順序、行為執行者和行為觸發者。接4.3.1 節系統活動分析，同樣以4.2.5節中的“Func_Sys_01 飛行信息符號生成與顯示”為例，進行事件跟蹤分析過程，構建SV-10c，如圖11 所示。

圖11 飛行信息符號生成與顯示事件跟蹤分析Fig.11 System event tracking analysis of the generation and display of flight information symbol

4.3.3 系統資源流分析（SV-2）

對所有系統級的功能大類進行SV-4 和SV-10c的分析過程，整合上述動態行為視圖中系統之間的信息傳遞和所涉及參與者可得系統資源流模型，構建SV-2 以用例圖的形式進行呈現，如圖12 所示。

圖12 HUD 系統資源流模型Fig.12 Resource flow model of HUD system

4.3.4 系統接口模型（SV-1）

系統活動的實現同時依賴內外部參與者的交互，模塊定義圖一方面與用例參與者關聯，另一方面定義了系統行為實現所需執行單元。這個定義過程是利用泳道圖將活動分配至下一層級組件來實現的，即設定能夠實現系統行為的物理組件，以定義好的組件作為泳道表頭，將活動移動到各自對應的泳道。在為每個活動找到能夠將其實現的物理實體單元后，在本案例中分析可得HUD 系統實現系統功能所需的單元應包括：數據處理單元、符號生成單元和平視顯示單元，如圖13 所示。

圖13 HUD 系統接口模型-模塊定義圖Fig.13 Block definition diagram of HUD system

4.4 應用分析

SAE ARP4754A[11]需求捕獲過程的輸出目標為“定義功能、功能需求和單元接口”，以HUD 系統為案例，采用基于運行場景的結構化民機系統功能需求捕獲方法，共捕獲5 大類共23 小類系統級功能需求，如表4 所示。對系統功能參與者和組件單元的接口類型進行分析，捕獲功能接口關系如圖14 所示。

表4 HUD 系統級功能需求Tab.4 Functional requirements of HUD system level

圖14 HUD 系統功能接口關系Fig.14 Functional interface relationship of HUD system

本文案例呈現系統層級的功能需求捕獲過程，由民機系統研制流程進一步向下一層級細分時，系統級需求將作為頂層需求再次輸入需求分析階段進行循環，得到細化的組件級需求和模塊級需求。

5 結語

本文方法為自上而下由運行場景驅動的功能需求捕獲過程，將系統概念設計階段的設計目標等概念要素，構建運行場景并細化為任務能力要素，完成系統視角的接口、功能整體定義，實現了“場景—任務—需求—功能架構”的有機結合。多維度、多層次的系統運行場景構建方法提高了需求捕獲的完整性，基于SysML 建模使設計數據可追溯且易迭代，最終形成了有助于民機系統需求捕獲與分析過程的結構化框架，對民機系統需求分析能力提升及系統開發思路有工程實踐指導作用和重要參考意義。該方法在應對集成模塊化航空電子系統（IMA，integrated modular avionics）等復雜網絡系統設計時，仍存在一定局限性，因此未來可進一步針對更復雜的綜合化、模塊化航電系統需求捕獲方法展開研究。