民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)方法研究

譚茹+姚志超

摘要：為獲得性能、控制、重量和維修性等方面的收益，民機(jī)多采用電傳飛控系統(tǒng)作為其實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。電傳技術(shù)提升了飛控系統(tǒng)的綜合性能，卻增加了研發(fā)過(guò)程的復(fù)雜度和風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)之初做好系統(tǒng)需求的確認(rèn)工作，保證需求的正確性和完備性，進(jìn)而保證設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的正確性，能有效降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本。在實(shí)際型號(hào)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)的過(guò)程及方法，為電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制提供支持。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；電傳飛控；系統(tǒng)需求；飛行控制系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171417

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0145-03

0 引言

飛行控制系統(tǒng)在現(xiàn)代民用飛機(jī)的飛行操縱中起著越來(lái)越重要的作用，已成為與飛機(jī)氣動(dòng)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)同等重要的設(shè)計(jì)元素[1]。電傳飛控系統(tǒng)（Fly-By-Wire，簡(jiǎn)稱FBW）從重量、可靠性、維護(hù)性、安全性上全面提升飛機(jī)性能，改善飛行品質(zhì)，減輕駕駛員工作負(fù)荷，成為現(xiàn)代民機(jī)先進(jìn)性的標(biāo)志。但是FBW在獲得益處的同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，這將導(dǎo)致出現(xiàn)研制錯(cuò)誤（需求的確定和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤）和不良或非預(yù)期影響的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

飛控系統(tǒng)的確認(rèn)是確定飛行控制系統(tǒng)產(chǎn)品是否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求，確保設(shè)計(jì)需求正確完整，并在實(shí)際環(huán)境中滿足使用要求的過(guò)程。確認(rèn)活動(dòng)起始于系統(tǒng)需求分析階段，貫穿于整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程，最后確認(rèn)系統(tǒng)是否滿足項(xiàng)目開發(fā)之初的各項(xiàng)要求，最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的正確性和有效性都要依賴于有效的確認(rèn)，同時(shí)系統(tǒng)確認(rèn)又是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合所有可以利用的相關(guān)工具和技術(shù)，以將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤減到最小[3]。以往這方面的研究并未得到足夠重視，但是隨著飛行控制系統(tǒng)向著高度綜合化、集成化、復(fù)雜化和智能化方向發(fā)展，縝密嚴(yán)格有序的飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)工作越來(lái)越重要。本文針對(duì)民機(jī)飛控系統(tǒng)研制過(guò)程中需求的確認(rèn)活動(dòng)進(jìn)行了研究，并在實(shí)際型號(hào)基礎(chǔ)上提出了飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)的過(guò)程及方法，為電傳飛控系統(tǒng)研制提供支持。

1 民機(jī)飛控系統(tǒng)需求定義及架構(gòu)

需求定義的主要任務(wù)是根據(jù)客戶需求和工程限制條件，深入描述系統(tǒng)功能、性能等要求，以確保據(jù)此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)滿足客戶要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)。飛控系統(tǒng)的需求主要包括安全性需求、功能需求、性能需求、接口需求、維護(hù)需求、物理安裝需求、適航需求以及設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的衍生需求等。

飛控系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)，應(yīng)將主機(jī)廠的要求、FAA的要求、EASA的要求、航空公司客戶要求及其它項(xiàng)目上的經(jīng)驗(yàn)等作為設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)，如圖1所示。系統(tǒng)的候選架構(gòu)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)，將可靠性、成本、重量、氣動(dòng)外形等作為架構(gòu)選擇的權(quán)衡要素進(jìn)行研究，權(quán)衡研究的最終結(jié)果是一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)，并在成本、重量、可靠性和安全性等方面最合適的初步架構(gòu)。系統(tǒng)架構(gòu)研制過(guò)程如圖1所示。

2 民機(jī)飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)過(guò)程

需求的確認(rèn)過(guò)程是為了確保所提出的需求足夠正確和完整，并且產(chǎn)品能夠滿足客戶、用戶、供應(yīng)商、維護(hù)人員、審定局方以及飛機(jī)、系統(tǒng)和項(xiàng)目研制人員的要求。民機(jī)飛控系統(tǒng)確認(rèn)過(guò)程主要由需求定義、系統(tǒng)確認(rèn)和問(wèn)題追溯共3部分組成[4]，如圖2所示。

需求定義是對(duì)飛機(jī)功能及其相關(guān)功能的確定，包括功能接口和相應(yīng)的安全性需求，是建立系統(tǒng)架構(gòu)和開展設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)。

需求確認(rèn)是對(duì)各種設(shè)備、子系統(tǒng)和系統(tǒng)需求的確認(rèn)活動(dòng)，確保它們滿足定義的需求。

問(wèn)題追溯為需求定義和系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)提供閉環(huán)反饋，為系統(tǒng)需求、確認(rèn)活動(dòng)和確認(rèn)狀態(tài)之間的關(guān)系提供追溯。

確認(rèn)所構(gòu)建的系統(tǒng)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求與目標(biāo)，確認(rèn)過(guò)程就是將需求嚴(yán)格地分解到確認(rèn)方法（主要的試驗(yàn)和分析方法）和正式文檔中，且應(yīng)被批準(zhǔn)，所有的確認(rèn)活動(dòng)均應(yīng)存檔。

3 民機(jī)飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)方法

需求確認(rèn)通常是貫穿研制周期的一個(gè)持續(xù)的階段性過(guò)程，在確認(rèn)工作的各個(gè)階段，會(huì)不斷增強(qiáng)對(duì)于需求正確性和完整性的置信度。

有多種適航認(rèn)可的方法可支持確認(rèn)工作，這些方法包括：追溯、分析、建模、試驗(yàn)、相似和工程評(píng)審[3]，如圖3所示。對(duì)于確認(rèn)的準(zhǔn)則等級(jí)，則由功能研制保障等級(jí)（FDAL）確定，不同的系統(tǒng)研制保障等級(jí)的需求確認(rèn)活動(dòng)要求也是不一樣的。根據(jù)SAE ARP 4754A的推薦方法[4]，對(duì)于研制保障等級(jí)為A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)的需求，追溯性方法是必須的，但是對(duì)于C級(jí)的需求，分析、建模、試驗(yàn)、相似性或工程評(píng)審等方法，只要采取其中一種即可滿足適航需求，而對(duì)于A級(jí)或B級(jí)需求則更為嚴(yán)格，有時(shí)需要采用上述所有方法進(jìn)行確認(rèn)工作。電傳飛控系統(tǒng)需求管理工作完成流程如圖3所示。

3.1 追溯

追溯是通過(guò)檢查較低層級(jí)需求能否滿足已經(jīng)確認(rèn)的較高層級(jí)需求，保證系統(tǒng)需求的完整性。追溯性確認(rèn)工作應(yīng)對(duì)需求的來(lái)源進(jìn)行追溯，對(duì)非衍生需求，應(yīng)追溯到其上級(jí)需求；對(duì)衍生需求，應(yīng)追溯到具體的設(shè)計(jì)決策或設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在工程實(shí)踐中，DOORS是一個(gè)有效的工具，可用于創(chuàng)建下級(jí)需求到上級(jí)需求的鏈接，以檢查需求的追溯性。通過(guò)與上級(jí)需求的鏈接發(fā)現(xiàn)下級(jí)需求是否有漏項(xiàng)，同時(shí)根據(jù)下級(jí)需求的開發(fā)也能對(duì)上級(jí)需求進(jìn)行檢查。對(duì)整個(gè)過(guò)程可以采用DOORS工具進(jìn)行記錄，鏈接檢查的最終輸出是一個(gè)DOORS中的具有追蹤性的文件[5]。

3.2 工程評(píng)審

工程評(píng)審主要是基于個(gè)人研發(fā)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)專家評(píng)審來(lái)檢查系統(tǒng)需求的正確性和完整性。評(píng)審專家包括航空公司、適航當(dāng)局、制造商、供應(yīng)商、其它項(xiàng)目的同行、與飛控系統(tǒng)相關(guān)的飛機(jī)/系統(tǒng)接口等經(jīng)驗(yàn)豐富的人員。評(píng)審工作主要從工程、運(yùn)行、設(shè)備及客戶等方面對(duì)定義需求的正確性和完整性做進(jìn)一步的詳細(xì)評(píng)估，并對(duì)其中的問(wèn)題給出反饋建議，同時(shí)，后期的任何更改也應(yīng)進(jìn)行此類評(píng)審。

初期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)審（SDR）主要集中在系統(tǒng)的總體要求、系統(tǒng)架構(gòu)、基本設(shè)計(jì)及項(xiàng)目研制計(jì)劃上。初步設(shè)計(jì)評(píng)審（PDR）提出詳細(xì)的系統(tǒng)需求和設(shè)計(jì)思路，并表明在系統(tǒng)確認(rèn)初始階段如何證明設(shè)計(jì)是滿足需求的。關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審（CDR）涵蓋了從初步設(shè)計(jì)評(píng)審到最終系統(tǒng)評(píng)審所有的更改，包括組件的維修性和易達(dá)性等。在每個(gè)階段的評(píng)審中，都應(yīng)包含對(duì)各系統(tǒng)性能和安全性分析狀態(tài)的評(píng)審。

3.3 分析

通過(guò)安全性分析、性能分析、接口分析和容差分析等手段來(lái)保證需求的正確性。

電傳飛控系統(tǒng)的安全性分析工作按照ARP 4761開展功能危險(xiǎn)性評(píng)估（FHA）、系統(tǒng)安全性分析（SSA）、共模分析（CMA）、特定風(fēng)險(xiǎn)分析（PRA）等對(duì)安全性相關(guān)需求進(jìn)行確認(rèn)。性能分析通過(guò)分析計(jì)算的方法考慮正常和故障狀態(tài)對(duì)延遲、精度等性能需求進(jìn)行確認(rèn)。系統(tǒng)電氣接口分析評(píng)估系統(tǒng)電氣接口相關(guān)軟硬件對(duì)閃電和高能磁場(chǎng)的兼容性，以確保系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)與LRU危險(xiǎn)等級(jí)相一致。容差分析通過(guò)對(duì)系統(tǒng)級(jí)總?cè)莶钸M(jìn)行分析，以確認(rèn)組件公差需求的合理性和可行性。

3.4 建模

建模主要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的模型仿真進(jìn)行需求確認(rèn)。根據(jù)系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)，建立模型，確認(rèn)系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)需求。通過(guò)數(shù)字樣機(jī)，將系統(tǒng)中的部件按協(xié)調(diào)好的位置裝配在電子樣機(jī)中進(jìn)行仿真分析，包括維護(hù)性、易達(dá)性、與其它設(shè)備間可能的相互影響評(píng)估等。桌面仿真可用于確認(rèn)與控制律相關(guān)的需求，以及在不同的操作條件下，從駕駛艙輸入到舵面響應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的性能。通過(guò)工程模擬器上系統(tǒng)建模確認(rèn)系統(tǒng)的操縱品質(zhì)、人機(jī)接口及在正常和失效條件下的系統(tǒng)操作等需求。

3.5 試驗(yàn)

當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作為需求確認(rèn)過(guò)程的一部分時(shí)，試驗(yàn)可以同時(shí)達(dá)到驗(yàn)證和確認(rèn)的目的。這項(xiàng)工作的目的之一是檢查所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)是否滿足需求，目的之二是看是否適用于系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)通過(guò)協(xié)調(diào)驗(yàn)證和確認(rèn)計(jì)劃來(lái)體現(xiàn)這兩個(gè)目的。從純數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真到原型機(jī)，試驗(yàn)的逼真度逐步提升，試驗(yàn)環(huán)境逐步完善。

3.5.1 研發(fā)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

研發(fā)試驗(yàn)臺(tái)可以最小硬件構(gòu)型加仿真模型的形式，完成系統(tǒng)需求確認(rèn)。在早期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及需求確認(rèn)中，起著不可或缺的作用，飛控系統(tǒng)研發(fā)試驗(yàn)臺(tái)可以設(shè)置一個(gè)飛控控制模塊真件和油門臺(tái)、操縱桿等簡(jiǎn)單硬件，就可以完成設(shè)計(jì)權(quán)衡、架構(gòu)分析、需求確認(rèn)等很多需求確認(rèn)工作。

3.5.2 工程模擬器試驗(yàn)

工程模擬器通過(guò)建模與仿真技術(shù)，為工程師和飛行員提供了一臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)感覺和高逼真度模擬飛行環(huán)境的試驗(yàn)平臺(tái)。在飛機(jī)研制的不同階段，工程模擬器可以配合飛機(jī)研制實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的確認(rèn)試驗(yàn)，可以完成控制律需求確認(rèn)、飛行品質(zhì)評(píng)估、飛控系統(tǒng)失效狀態(tài)確認(rèn)試驗(yàn)等。

3.5.3 鐵鳥試驗(yàn)

鐵鳥試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證和確認(rèn)系統(tǒng)所有LRU真件之間接口的匹配性、作動(dòng)器與液壓系統(tǒng)的工作匹配性能、飛控計(jì)算機(jī)/電子設(shè)備與電源的工作匹配性能、LRU與結(jié)構(gòu)安裝定位的正確性、機(jī)械運(yùn)動(dòng)合理性、控制邏輯的正確性、計(jì)算機(jī)硬件和軟件運(yùn)行的正確性及匹配、人機(jī)接口的可接受性、各種工作模式下的控制律功能等。

3.5.4 機(jī)上地面試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)正規(guī)嚴(yán)格的鐵鳥綜合試驗(yàn)確認(rèn)并驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求后，要進(jìn)行機(jī)上地面功能和性能試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)和驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)硬件/軟件在真實(shí)飛機(jī)環(huán)境下的工作性能。包括各項(xiàng)功能、性能、設(shè)備的安裝、設(shè)備端到設(shè)備端的電氣連接、信號(hào)傳輸、電纜敷設(shè)走向、電源負(fù)載、電磁環(huán)境的影響等滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5.5 試飛試驗(yàn)

飛行試驗(yàn)的主要目的是在真實(shí)的飛行環(huán)境條件下，驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)的功能和性能，調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造上的故障和設(shè)計(jì)缺陷，校正使用維護(hù)手冊(cè)和收集飛行控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以報(bào)告的形式支持飛機(jī)型號(hào)取證。

4 結(jié)語(yǔ)

在民機(jī)研制過(guò)程中，系統(tǒng)需求的確認(rèn)工作是一項(xiàng)非常龐雜的系統(tǒng)工程，其貫穿整個(gè)系統(tǒng)的研制過(guò)程，該項(xiàng)工作對(duì)于系統(tǒng)的研制和型號(hào)匹配成功與否將有直接影響?；趯?shí)際型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)需求確認(rèn)經(jīng)驗(yàn)：①項(xiàng)目之初就考慮需求確認(rèn)相關(guān)工作，撰寫完整系統(tǒng)的確認(rèn)計(jì)劃并持續(xù)管理；②所有參與確認(rèn)過(guò)程的團(tuán)隊(duì)必須采用完全相同的確認(rèn)過(guò)程和工具；③確認(rèn)中綜合采用虛擬原型、數(shù)字仿真、自動(dòng)代碼生成等先進(jìn)方法，可降低成本，提高效率；④確認(rèn)活動(dòng)中建立完善合理的知識(shí) 、信息、文檔管理系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）

英文摘要Abstract：To increase the proceeds of performance，controllability，weight and maintenance etc，most of the civil aircraft are implemented by the technique of Fly-By-Wire （FBW）flight control system.The FBW technique increases the system integration level，it also augments the systems complexity and development risk.The requirement validation work shall be done to ensure the requirement completeness and correctness at the beginning of the design so as to enhance the design work success，and lower the risk and cost of development.This article proposes the validation process and method of FBW flight control system requirements based on the actual type aircraft experiences，it can provide references for civil aircraft FBW control system validation.

英文關(guān)鍵詞Key Words：Civil Aircraft；Flight Control System； Requirements Validation；Process and Method