基于DoDAF建模的民用飞机 运行需求捕获方法研究

杨 铭，钱 馨，王久元

(1.中航西飞民用飞机有限责任公司， 西安 710089； 2.中国航空综合技术研究所， 北京 100028)

民用飞机的研制是一项极其复杂的系统工程，具有学科交叉性强、系统综合集成度高、高新技术密集程度高、项目研制周期长、投入巨大且管理复杂等特点[1]。因此，需要将飞机各类要素进行有机结合，以满足客户需要(Need)和适航要求。而所设计的飞机在满足适航规章要求的前提下，能否满足客户需要决定了研制项目的成功与否，因此，客户需要是否被完整、正确地捕获作为设计输入，对于项目后期的研制具有关键影响。

飞机是系统高度复杂的产品，需采用系统工程方法，把客户需要转化为飞机顶层运行需求(Operational Requirement，OR)，建立客户与飞机产品设计单位之间的桥梁，客户需要、运行需求与功能需求的关系如图1所示，运行需求只关注如何使用，而与具体的产品实现无关。通过运行需求的分析，回答如何满足用户需要的问题，并后续以运行概念文件的方式确定和定义。通常在飞机设计的概念阶段，研制单位需要从多个方面获得需求，重要的类型包括“市场调研”、“行业标准”、“遵循的适航规章”3个方面。从市场部门将会获得同类型飞机运行市场、特定航空公司用户和乘客对未来飞机产品的期望和需求；行业标准的选择通常为了从研发与制造周期的考虑，尽量适应大规模工业生产的要求。适航规章的遵循是从飞机安全的角度出发，满足适航审定机构、飞机航空公司、乘客的安全需求，所以这也是很有必要的。但这些并不能被飞机产品研发工程师直接去使用，因为这些需求通常是较为生活化、口语化，并以一种期望的形式进行表述，其中有部分期望甚至是冲突的。所以通常将它们归类为“需要”更为贴切。基于上述讨论，因此需要通过相关技术手段将各方面“需要”转换为飞机的运行需求，从而衔接市场到设计的准确过渡。

传统的需求捕获方式主要包括采访、交流、调查问卷等方式，通过这些方式获取利益攸关方的需要与期望。因此需要建立需求捕获团队，与利益攸关方代表进行面对面的沟通。另外，对于飞机主制造商而言，可能还需要设置专门的专业人员定期或不定期拜访客户，以了解客户的实时需要。在此基础上结合飞机的生命周期特点运用质量功能展开(QFD)改善捕获、评估客户需求、排列这些需求的优先次序，并转化为概念，最终将利益攸关方需要转换为飞机的顶层运行需求[2]。但是上述方法可能带来的问题是，所捕获的需求完整性有待考量、需求的合理性缺乏强有力的依据。需求的不完整性表现为客户的合理需要捕获不够完整，从而没能转换为设计需求，如图2所示中的Need0002，另一方面由于缺乏与市场需求的可追溯性，导致所捕获的运行需求缺乏支撑依据，如Requ0003和Requ0005。基于上述问题，本文通过场景分析手段开展飞机运行需求捕获，此方法能够建立市场需要与运行需求的可追溯关系，同时将场景与适航规章相关联，同时将适航要求转换为设计需求。

在系统工程实践中，场景分析逐渐被公认是开展需求捕获的有效方法。运行场景描述了飞机与外部环境之间的交互关系，在SAEARP4754A[3]中需求确认中指出“There are a number of methods for developing and documenting scenarios (e.g. state diagram, timeline diagrams).”“The early capture of operation and maintenance scenarios as well as prototyping are example means of eliciting requirements.”可以看出，目前场景分析在民机需求捕获和确认中是已被认可的技术方法。目前，美国国防部DoDAF技术框架是构建飞机场景模型的有效手段[4]，DoDAF采用视图的形式，应用于航空装备顶层作战需求、装备功能需求以及功能分解等工作。在民用航空领域，FAA也借鉴了DoDAF多视图分析技术，在美国国家空域系统(National Airspace System NAS)[5]的体系规划和设计中也采用了DoDAF的OV、SV、TV视图等架构工具描述了国家航空空域各个系统之间的运行场景。

本文以基于模型的系统工程为指导，在DoDAF框架下应用建模技术[6]对民用飞机不同阶段的运行场景进行完整描述，包括飞机静立、推出、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、滑入等10个阶段。通过不同运行场景下飞机与各个利益攸关方的交互来捕获飞机的运行需求，从而保证所捕获需求的完整性与正确性，使其作为下一步飞机设计工作的有效输入。所捕获需求的正确性可通过运行场景模型的确认进行保证，需求的完整性则可通过运行场景的不断迭代与优化以及与交互动作的不可细分确保所捕获需求的完整性。因此，基于本文场景的运行需求捕获能够确保所捕获需求的有效性。

1 民机运行场景DoDAF描述方法

1.1 飞机运行场景模型构建方法

场景(Scenario)最初应用于软件工程领域，广泛应用于前期的需求分析，用于描述与软件之间的交互关系[7]。目前场景技术已被引入到系统工程领域，用于描述飞机与运行环境之间的相互作用关系，可用于飞机功能识别和需求捕获，即在飞机产品研制的早期概念设计和需求分析阶段，将研制的飞机置于未来的运行场景中，通过分析飞机在场景中的预期行为，从而识别飞机的功能以及捕获飞机功能性需求。飞行场景考虑多个利益攸关方参与，包括航空公司、机场、空中交通管理等，并以时间尺度为基础，考虑飞机状态，以此描述飞机与外部环境的交互行为。

为了尽可能完整的捕获飞机运行需求，在构建本文中场模型景时，主要需要考虑3个因素，即时间维度、环境维度、状态维度[8]。

1) 时间维度。将飞机投入整个民用航空运营系统，定义飞机运行完整过程，包括飞机静立、推出、滑行、起飞等十个阶段；

2) 环境维度。考虑飞机运行的外部环境，并将航路气象系统作为飞机利益攸关方，描述飞机在特定环境下的运行场景；

3) 状态维度。具体指飞机的状态，在以时间维度为基础上考虑飞机的状态对运行过程进行描述，如静立阶段包括初始登机、飞行准备，也包括飞行任务结束后的机组离机等场景。

图3给出了飞行场景3个维度的示例[8]：

1.2 DoDAF运行场景描述

DoDAF主要用于指导美军开展武器状态需求生成的标准规范，由美国国防部于2004年正式颁布。DoDAF框架内具有一系列视图产品，通过这些视图能够从不同角度描述系统体系架构的构建和研制，从而实现以一种统一的模型描述武器装备需求，确保从作战需求到系统实现的顺利过渡[9-10]。目前，DoDAF作为武器装备需求描述的标准已经得到广泛认可。

本文采用基于DoDAF框架对飞机运行场景进行建模，主要划分为3个层次：运行阶段、任务单元、行为单元。运行阶段是根据飞机时间、状态维度进行划分，分为以下阶段：静立、推出、滑出、起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆、滑入。在每个阶段又划分了若干任务单元，如在起飞阶段包括的任务单元有：监控飞机状态、获取起飞许可、开始飞机计时、松刹车、加速滑跑、检查空速、抬前轮及飞机状态跟踪。在每个任务单元中，飞机系统与其利益攸关方则存在资源、信息及数据的传递，这些信息的传递可通过两者之间的交互动作实现，当每个动作细化到不可分解，即可对飞机的相关运行需求通过简洁、一致、无歧义的语句进行定义。整个模型架构如图4所示。

基于DoDAF框架对飞机整个运行阶段的场景进行完整定义，通过飞机与利益攸关方每个行为单元的交互，可捕获飞机完整的运行需求。经过对模型的多次迭代与优化，可对利益攸关方如航空公司、飞行员、旅客、空管、机场、维修人员、乘务人员等进行正确、完整的捕获。只有飞机利益攸关方是正确且完整的，才能保证所捕获的运行需求的完整性与正确性。通过模型捕获的需求可经过功能分析获得飞机的功能层次结构，最终形成飞机研制的功能清单，作为飞机研制的设计输入。基于DoDAF场景的运行需求捕获与系统工程实施的关系如图5所示。

2 基于场景的民机需求捕获流程

飞机需求捕获主要目的是记录、产生利益相关方需求，并确保准确理解并与其形成一致需求，最终建立民用运输类飞机市场需要至飞机研制流程的对接，实现市场需要与飞机研制需求间的追溯性。

基于DoDAF场景的运行需求捕获流程如图6所示。

具体捕获步骤如下：

1) 定义飞机顶层任务。首先对飞机运行的顶层飞行任务进行定义，此时需考虑本身机型的市场定位及载客数等因素。

2) 定义飞机运行阶段。对顶层任务进行阶段划分，包括静立、推出、滑出等十个阶段，共同组成完整的飞行任务过程。

3) 定义任务单元。在某个特定运行阶段，划分为若干任务单元，该部分通过OV-5b视图进行定义。

4) 定义行为单元。行为单元是对任务单元的详细描述，当行为单元过多时可采用嵌套的方式，当有场景重复出现的情况可采用引用方式定义，此场景使用OV-6c视图描述。

5) 运行需求捕获。对每个任务单元详细描述后，可进行运行需求的捕获，需求来源于飞机与各个利益攸关方的交互动作。

3 案例分析

根据本文前面介绍的场景建模方法和需求捕获流程，本章节以某型民用飞机典型场景为例，具体阐述在DoDAF框架下机组登机场景模型，并在此场景下的运行需求捕获示例。

根据图6所示的需求捕获过程，下面结合案例，给出飞机运行需求捕获的具体实施过程。

1) 飞机顶层任务定义。通过DoDAF中的OV-1视图描述的飞机总体运行场景，如图7所示[11]，该场景中描述了飞机作为航空运输系统(SOS)中的组成部分，与外部环境(如塔台、ATC、卫星、临近飞机、雷达等)之间的交互关系，根据顶层任务的定义能够对自身飞机的利益攸关方进行识别。

2) 飞机运行阶段定义。在此对上述顶层任务进行阶段划分，使用OV-5a视图来展现阶段之间的前后逻辑关系。该步骤的任务是完成顶层任务的分解。部分运行阶段如图8所示。

3) 任务单元定义。该步骤的任务是完成运行阶段活动分解。此活动的输入为上一步骤中的阶段模型，输出为任务单元模型。如图9所示，以“静立阶段”中的“飞行任务准备”为例，使用OV-5b视图展现内部的任务关系。其中，“task1-task4”是串行的关系。“task5～task7”是并行的关系。

4) 行为单元定义。该部分是对上述任务的详细定义，通过飞机与利益攸关方的交互动作对任务单元内容进行描述，此部分内容在OV-6c视图中完成。

在此，以“〈task1〉机组登机”为例，开展行为单元定义。由于篇幅有限，在此展示部分模型内容，如图10所示。其中，与飞机有关的行为单元是5个，它们是“提供机身内部人员通道”、“提供驾驶舱接近通道”、“提供驾驶舱开口”、“提供驾驶舱门”、“提供驾驶舱”。另外，还包括飞机与飞行机组的交互动作，即飞行机组“接收机身内部人员通道”。

5) 飞机运行需求捕获。至此，飞机静立阶段飞行任务准备下的建模已经完成，本案例中以“提供驾驶舱接近通道”行为单元为例，对相关运行需求进行捕获。此部分工作仍在OV-6c视图中完成，捕获示例如图11所示。

首先捕获与“提供驾驶舱接近通道”任务有关的适航需求，如在适航规章中，与“提供驾驶舱接近通道”的相关适航要求CCAR25.815以及CCAR121T.591，该要求作为该场景行为单元的约束性需求，即适航需求；同时，根据该场景中行为单元的描述和该行为单元与其他活动之间的关系，系统工程师提炼飞机运行需求，即对于“提供驾驶舱接近通道”这一行为单元，捕获的需求是“该飞机应提供人员在机上自由活动，从其座位到达驾驶舱或正常或应急出口的内部通道，位于驾驶舱座椅之间的旅客过道宽度应满足” CCAR25.815条款要求”。

通过本步骤分析，一方面通过场景行为单元捕获的飞机运行需求；另一方面，该行为单元与适航规章建立了追溯关系，适航成为行为单元约束性需求。

通过上述案例分析工作，建立了飞机阶段层、任务层和行为单元层场景，通过场景捕获了飞机运行需求，保证了飞机需求的完整性，同时保证了需求的可追溯性。

4 结论

本文以模型的系统工程(MBSE)为指导，在DoDAF框架下对民用飞机不同阶段的运行场景进行建模和需求捕获方法以及流程进行了分析，并通过具体案例对上述流程进行阐述，得出如下结论：

1) 在场景建模方法上，DoDAF的多视图分析技术能够描述飞机各个阶段的运行场景，研究了DoDAF在SOS级和飞机级的场景建模方法，通过场景模型构建，更加清晰的描述飞机整个运行活动以及各个活动相关的利益相关方，明确利益相关方与飞机之间的信息交互关系；

2) 在需求捕获流程上，场景模型是需求捕获的基础，场景模型构建完善与否决定了捕获的需求完整性和正确性，本文通过场景行为单元捕获飞机运行需求，为需求捕获提供了技术手段；另外随着场景层次的不断深入，需求也要随着场景具有层次性，通过场景模型可以构建飞机不同层次需求之间的追溯性。

[1] 郭博智,李浩敏.大型客机设计中的需求管理[J].民用飞机设计与研究,2013(4):1-5.

[2] 李慧颖,Susan Ying.飞机顶层需求捕获经验介绍[J].民用飞机设计与研究,2016(1):89-92.

[3] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems [M].USA:SAE,2010.

[4] DoD Architecture Framework Working Group.DoD Architecture Framework Version 2.02.The United States: Department of Defense,2011.

[5] Access 5 Project.HALE UAS Concept of Operations[R].NASA UAV National Industry Team:10-21.

[6] 熊奇,张翀,韩润繁,等.基于DoDAF与QFD的武器作战能力评估[J].兵器装备工程学报,2017(10):91-96.

[7] 凌晨.基于场景描述的MIS需求工程研究[D].上海：同济大学,2007.

[8] 谢陵,方俊伟,徐州,等.基于功能场景分析的飞机需求捕获和确认方法研究[J].科技资讯,2015,13(18):83-84.

[9] 梁涛,付勉.基于DoDAF的武器装备需求描述[J].舰船电子工程,2012,32(3):8-10.

[10] GOIKOETXEA A.The Department of Defense Architecture Framework (DODAF)[C]//Enterprise Architectures And Digital Administration: Planning,Design and Assessment: 285-314.

[11] FAA.National Airspace System Enterprise Architecture Framewordk[R].Air Traffic Organization,2010.