周 志,劉 至,林 舒,孫 凱
(1.航空工業(yè)洪都,江西 南昌,330024;2.中國航空無線電電子研究所,上海,200241)
民用飛機(jī)的研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,在這項(xiàng)系統(tǒng)工程中,需求是從飛機(jī)級(jí)、航電級(jí)、航電分系統(tǒng)級(jí)再往下到設(shè)備級(jí)每一層級(jí)的開發(fā)輸入。需求的捕獲和確認(rèn)是民機(jī)研制過程中的公認(rèn)難點(diǎn)。初教6飛機(jī)的場(chǎng)景建模是采用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)方法進(jìn)行綜合航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需求捕獲的實(shí)踐。
基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)設(shè)計(jì)里的需求、架構(gòu)、功能等采用數(shù)字化模型的方式表達(dá),自頂向下進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì),支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、確認(rèn)和驗(yàn)證活動(dòng)。針對(duì)自然語言描述中的文檔一致性和完整性等問題,通過模型開展需求捕獲、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)等工作,具有設(shè)計(jì)流程明確直觀、提升效率和減少設(shè)計(jì)過程中的溝通問題等優(yōu)勢(shì)。本文在民機(jī)初教6項(xiàng)目中,通過建立初教6飛機(jī)的目視飛行場(chǎng)景模型,并對(duì)該機(jī)型的飛行員操作各階段進(jìn)行梳理,捕獲了每一階段的運(yùn)行需求,從而全方面定義了民機(jī)初教6綜合航電系統(tǒng)的功能。
基于場(chǎng)景實(shí)例的方法是從用戶的角度設(shè)想和期望目標(biāo)系統(tǒng)的行為和功能邏輯,以此對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行描述和理解。相對(duì)于單純通過溝通、調(diào)查等途徑獲取利益相關(guān)方需求,并對(duì)原始信息進(jìn)行分析的需求捕獲方法,基于場(chǎng)景分析的方法更具有完整性和邏輯性。首先明確系統(tǒng)的邊界,在系統(tǒng)邊界外確定系統(tǒng)的利益相關(guān)方,從而構(gòu)建系統(tǒng)實(shí)施功能的場(chǎng)景,并描述系統(tǒng)和外部利益相關(guān)方之間的交互。場(chǎng)景的建模主要采用SysML建模語言,通過模型的用例圖(Use Case Diagram)構(gòu)建所有的場(chǎng)景,確定系統(tǒng)的所有利益相關(guān)方,再通過活動(dòng)圖(Activity Diagram)的建模對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行描述,表達(dá)實(shí)現(xiàn)該場(chǎng)景用例時(shí)所執(zhí)行的一系列活動(dòng)。在不同場(chǎng)景下構(gòu)建對(duì)邊界內(nèi)的系統(tǒng)活動(dòng)的期望,呈現(xiàn)預(yù)期系統(tǒng)的功能。
在民機(jī)初教6項(xiàng)目的場(chǎng)景模型中,利益相關(guān)方是飛行員和地面維護(hù)人員,而整個(gè)系統(tǒng)的邊界是初教6飛機(jī),代表初教6飛機(jī)能夠?yàn)轱w行員和地面維護(hù)人員執(zhí)行的功能,如圖1所示。
圖1 民機(jī)初教6場(chǎng)景用例圖
場(chǎng)景模型包含5個(gè)用例:地面準(zhǔn)備、導(dǎo)航、著陸、通用和維護(hù)場(chǎng)景,其中通用場(chǎng)景為地面準(zhǔn)備、導(dǎo)航和著陸的擴(kuò)展用例。該擴(kuò)展用例為地面準(zhǔn)備、導(dǎo)航和著陸這三個(gè)用例添加新的基礎(chǔ)行為,能根據(jù)這三個(gè)用例中的系統(tǒng)狀態(tài)來決定是否執(zhí)行該通用場(chǎng)景中的活動(dòng):場(chǎng)壓裝訂、通話控制、應(yīng)答機(jī)控制、獲取系統(tǒng)告警信息和計(jì)時(shí),如圖2所示。
圖2 民機(jī)初教6通用場(chǎng)景活動(dòng)圖
以“通話控制”這一飛行員和航電系統(tǒng)同時(shí)參與的活動(dòng)為例,如圖3所示。這一場(chǎng)景的初始情況為飛機(jī)在地面或空中,初教6的機(jī)內(nèi)通話器和電臺(tái)此時(shí)工作正常,飛行員在“通話控制”這一活動(dòng)中可能會(huì)做出以下四種行動(dòng):
圖3 通話控制功能活動(dòng)圖
1)調(diào)節(jié)機(jī)內(nèi)通話音量
2)調(diào)節(jié)電臺(tái)音量
3)調(diào)節(jié)靜噪
4)選擇應(yīng)急頻率通信
這就對(duì)航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了如下人機(jī)交互的接口需求:
1)航電系統(tǒng)應(yīng)提供機(jī)內(nèi)通話音量調(diào)節(jié)接口
2)航電系統(tǒng)應(yīng)提供電臺(tái)音量調(diào)節(jié)接口
3)航電系統(tǒng)應(yīng)提供靜噪調(diào)節(jié)接口
4)航電系統(tǒng)應(yīng)提供應(yīng)急通話模式接口
而圖3中的飛行員操作程序界面截圖也對(duì)這些需求進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括在機(jī)內(nèi)通話器的面板上能夠調(diào)節(jié)機(jī)內(nèi)通話音量,在綜合顯示單元的電臺(tái)設(shè)置頁面能夠設(shè)置電臺(tái)音量,在綜合顯示單元的菜單中的設(shè)置菜單下能通過對(duì)應(yīng)的按鍵快速調(diào)至應(yīng)急通信頻率121.5MHz,也能通過菜單所對(duì)應(yīng)的“靜噪”周邊鍵定位到“靜噪”這一參數(shù)并通過旋鈕在頁面上進(jìn)行靜噪值的設(shè)定。
在民機(jī)初教6的場(chǎng)景模型所包含的場(chǎng)景內(nèi)活動(dòng)如表1所示。
表1 場(chǎng)景活動(dòng)表
通過對(duì)場(chǎng)景構(gòu)建,能夠完整地捕獲飛行員與航電系統(tǒng)、航電系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的交互參數(shù),從而對(duì)航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出交互接口、交互參數(shù)的處理需求,也能夠捕獲民機(jī)初教6航電系統(tǒng)內(nèi)的各顯示參數(shù)和控制參數(shù),減少由于航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前期考慮欠周所引起的后期需求變更。以“直飛導(dǎo)航”為例,如圖4所示,相對(duì)于原有機(jī)械分立式儀表的初教6僅采用無線電羅盤和應(yīng)急磁羅盤導(dǎo)航,此功能是采用新型綜合航電系統(tǒng)的民機(jī)初教6所獨(dú)具的。在該功能的設(shè)計(jì)中,考慮到了正常與異常情況,并通過對(duì)此功能的活動(dòng)過程分解,產(chǎn)生了飛行管理軟件和顯示控制軟件的設(shè)計(jì)需求。
圖4 直飛導(dǎo)航活動(dòng)圖
對(duì)于該功能航電層級(jí)的需求包括:
1)航電系統(tǒng)應(yīng)具備至少2個(gè)航路點(diǎn)的存儲(chǔ)功能
2)航電系統(tǒng)應(yīng)提供直飛點(diǎn)的選擇接口
3)航電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)直飛點(diǎn)按照與本機(jī)距離進(jìn)行排序
4)航電系統(tǒng)應(yīng)能按照選擇的直飛點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航解算
5)航電系統(tǒng)應(yīng)能提供選擇直飛點(diǎn)的顯示畫面
而進(jìn)行飛行管理和顯示控制軟件開發(fā)時(shí)則應(yīng)滿足下列需求:
1)當(dāng)飛行員按壓直飛周邊鍵,并選擇或輸入需要去的航點(diǎn)號(hào)后,系統(tǒng)應(yīng)停止按原定航線飛行,建立一條從即時(shí)位置到該航路點(diǎn)之間的航線,并提供相應(yīng)的操縱信息和飛行信息
2)當(dāng)顯示畫面的周邊鍵顯示導(dǎo)航菜單時(shí),按壓直飛周邊鍵,系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)入直飛改航
3)直飛列表中應(yīng)最多顯示20個(gè)航點(diǎn)
4)直飛點(diǎn)列表應(yīng)按照距飛機(jī)距離排列直飛點(diǎn)
5)系統(tǒng)應(yīng)默認(rèn)選中距飛機(jī)最近的直飛點(diǎn)
6)直飛應(yīng)包括直飛點(diǎn)圖形顯示、直飛點(diǎn)選擇區(qū)和直飛點(diǎn)輸入?yún)^(qū)
7)直飛點(diǎn)圖形顯示應(yīng)包括直飛點(diǎn)符號(hào)和直飛點(diǎn)名稱
8)直飛點(diǎn)選擇應(yīng)包括直飛點(diǎn)列表和直飛點(diǎn)詳細(xì)信息顯示
9)在進(jìn)行航點(diǎn)選擇操作時(shí),右撥右側(cè)旋鈕,應(yīng)能顯示選中航點(diǎn)的詳細(xì)信息,包括航點(diǎn)號(hào)、航點(diǎn)名稱、經(jīng)緯度、高度
最后能夠結(jié)合飛行員操作程序POP頁面和操作上的設(shè)計(jì)對(duì)上述需求加以確認(rèn)。
民機(jī)初教6綜合航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是符合CCAR23部設(shè)計(jì)要求的,是集飛行與顯示控制為一體的座艙綜合航電系統(tǒng)。該綜合航電系統(tǒng)以綜合顯示處理單元為核心,采用CAN總線為航電系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò),通過ARINC429、RS422總線和音頻輸出接口等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和周邊設(shè)備進(jìn)行適配與通信。該綜合航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠幫助飛行員和地勤人員實(shí)現(xiàn)民機(jī)初教6場(chǎng)景模型中所定義的活動(dòng),具備綜合顯示控制、導(dǎo)航、基本飛行管理、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)采集與顯示、無線電參數(shù)顯示控制、通信協(xié)調(diào)控制、前后艙協(xié)調(diào)控制、告警、數(shù)據(jù)加卸載等功能。綜合航電系統(tǒng)的設(shè)備組成如表2所示。
表2 民機(jī)初教6航電系統(tǒng)組成
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程在項(xiàng)目研制初期難以做到全面、正確和完整的分解航電系統(tǒng)需求,造成航電系統(tǒng)各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不能完全滿足飛機(jī)運(yùn)行需求,進(jìn)而導(dǎo)致研制出來的產(chǎn)品與預(yù)期目標(biāo)存在較大差異。采用民機(jī)初教6的場(chǎng)景模型對(duì)需求進(jìn)行捕獲,基于用例識(shí)別系統(tǒng)的范圍和為外部利益相關(guān)方所執(zhí)行的服務(wù),從而獲得該系統(tǒng)功能。場(chǎng)景中的功能分析可描述系統(tǒng)在場(chǎng)景下的操作過程,進(jìn)而識(shí)別出新的需求。最后,綜合航電系統(tǒng)的飛行員操作程序?qū)π枨筮M(jìn)行確認(rèn),有利于確保設(shè)計(jì)活動(dòng)及產(chǎn)品滿足初始設(shè)計(jì)需求,各子系統(tǒng)的產(chǎn)品滿足相應(yīng)的子系統(tǒng)需求,進(jìn)而各系統(tǒng)共同協(xié)作,實(shí)現(xiàn)航電級(jí)及飛機(jī)級(jí)的整體功能。