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摘 要：该文首先介绍电传飞控系统的重要性和发展趋势，并基于美国国防部体系结构框阐明飞控场景建模的步骤和方法。其次介绍飞机场景捕获的由来，分析了场景对当今民机电传飞控系统捕获的重要意义。最后基于飞控电传系统需求确认目的，对电传飞控系统需求确认的方法和过程展开讨论，形成了对电传飞控系统需求捕获和确认技术的闭环论述。
关键词：电传飞控系统 场景建模 需求捕获 需求确认
中图分类号：V249 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（c）-0031-03
Research on Requirements Acquisition and Validation Technology for Fly-by-wire Flight Control System
ZHANG Song FANG Feng LI Xiaoguang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016 China）
Abstract： Firstly， this paper first introduces the importance and development trend of fly-by-wire flight control system（FTCS）， and then illustrates the steps and methods of flight control scenario modeling based on the architecture frame of the U.S. Department of Defense. Then it introduces the origin of aircraft scene capture and analyzes the significance of scene capture for civil aircraft fly-by-wire flight control system. Finally， based on the purpose of FTCS requirement confirmation， the method and process of FTCS requirement confirmation are discussed， forming a closed-loop discussion on FTCS requirement capture and confirmation technology.
Key Words： Fly-by-wire flight control system; Scene modeling; Demand capture; Demand confirmation
商用飞机产品具有利益攸关方众多、全生命周期场景多、功能集成度高等特点，商用飞机产品研制模式不断转变，而且科学技术不断发展演进，加之信息化技术的不断发展，国外商用飞机主制造商纷纷基于需求工程、满足系统工程要求的工作方式，开展商用飞机的研制，需求逐渐变成了飞机系统研制的基础，商用飞机的研制要综合权衡所有利益攸关方的需求实现产品最优。
传统上用于确定性风险或常规的、非复杂系统的设计和分析方法，已无法向FBW系统提供充分的安全性保证。因此，过程保证和V&V（Validation and Verification，即确认与验证）体系组合的研制保证技术已大量应用于FBW系统的研制，以确保安全性需求得到满足和引起失效状态的研制差错降低至可以接受的安全性范围内。
1 基于场景分析的电传飞行控制系统需求捕获方法
“需求捕获完整”是需求和产品设计的前提，应充分识别利益攸关方，全面挖掘客户内在需求，综合权衡各方诉求，形成产品的正确定位。对于一个商用飞机项目来说，客户的声音、民航运输系统的要求、行业标准、适航规章、运营维护要求，这些都是需要的输入。
需求捕获是确保项目需求能充分反映利益相关方的各项要求和项目自身特点。鉴于产品的复杂性，需求捕获即产品设计的顶层考虑得全面完整，是很难做好的。因此，为了做到需求捕获完整，应从多个维度不同场景去考虑产品，确保全面性和完整性。
什么是场景？场景是系统在产品的制造、使用、维修等过程中，产品与其操作者、外部环境对象之间相互交互、相互作用过程中的事件和关系的结合。
對于商用飞机产品而言， 飞机的场景是指驾驶员、乘客、维修等人员，在某个飞机运行的阶段（比如爬升的飞行阶段）、内外部环境以及飞机内部不同状态下的人机交互以及系统间交互的事件与关系的组合。
场景分析的目的是通过分析飞机及其功能在各种场景中的行为活动及外部交互关系，在产品构思过程中，通过对各类场景在人脑海中的预想和设想，开展基于场景分析的需求捕获，进一步保证产品尽可能考虑全面，降低重要需求被忽视的可能性，尤其是商用飞机产品作为高度重视安全与质量的产品，对于故障、异常等场景的考虑和其中所派生的需求是需求捕获工作的重点和关键之一，因此采用场景分析的办法，可以确保前期捕获的需求更加完整和准确[1]。
场景分析主要包括如下工作。
（1）识别明确商用飞机产品的场景，不同场景应涉及不同的运用阶段（When）、环境（Where）、参与方（Who）、目的用途（Why）等要素。 （2）正确分析了在各种场景中的行为活动及外部交互关系，理解在某个场景下，基于客户的需求和产品的目的，预期的参与方（不仅是人，还包括系统）的交互行为和解决方案（How），这里面应分析不同参与方的交互、时序和逻辑等关系，为进一步理清系统行为奠定基础。
（3）基于梳理的参与方的交互行为和功能要求，形成对飞机相关方系统的功能和需求以及相互之间接口关系、传递内容和逻辑。
场景分析应做到“全面”，场景分析的全面是保证功能和需求的完整的手段。如何确保全面，应该从如下几个方面入手。
首先，要保证场景识别的全面，全面准确地识别了与飞机及其功能相关的各个场景，场景应囊括方方面面，从产品的生命周期考虑，包括运行概念（Operational Concept，或称为Concept of Operations，CONOPS）、制造概念（Production Concept）、支持概念（Support Concept）、退役报废概念（Disposal Concept）。
其次，针对每一个概念的场景分析中还应该进一步展开，比如：针对运行概念，飞机的几十个子系统如何在不同的外部环境和内部状态下，和操作人员一起，发挥各自应有的作用，顺利安全地完成任务目标，这需要把场景一个一个地进行识别分析，最终确定飞机各功能和子系统的需求。
最后，场景分析应从任务阶段、内外部环境和系统状态等多维度进行综合考量，梳理出不同维度组合下的场景，确保场景应尽可能地全面。这里不仅仅考虑正常的任务剖面（推出、滑跑、起飞、爬升、巡航、降落、着陆等），还应考虑非正常的任务剖面（如中断起飞、降落复飞、备降等）;不仅仅考虑正常的外部环境，也应考虑恶劣极端的外部环境（冰雹、大侧风、雷电、风切变等），除了飞机自身工作的正常，还应该包括各故障模式（如单发失效、客舱失压、操控卡阻等）对飞机所带来的影响，并综合考虑解决这些问题所需要赋予飞机其他系统的功能需求，这样才能确保场景分析的全面性[2]。
2 电传飞行控制系统需求确认
需求确认工作在项目的前期，发生在每个层级的需求定义后，对需求和假设进行确认的工作，确认过程的输入包括系统描述（包含运行环境）、系统需求、系统架构定义以及研制保证等级等。需求的确认过程是为了确保所提出的需求足够正确和完整，并且产品能够满足客户、用户、供应商、维护人员、审定局方以及飞机、系统和项目研制人员的需求。需求是否正确、完整直接影响设计研发活动的有效性和研发产品的质量[3]。
需求确认结果用于证实：需求可以正确地贯彻上一层级确定的预期需求和功能，对于下一层级的设计活动而言，该层级定义的需求是充分正确和完整的。
2.1 系统需求的确认
确认所构建的系统满足系统设计需求与目标，确认活动就是将每一条需求严格地对应到合适的确认方法（如试验和分析方法），将所有的确认内容形成确认矩阵的正式文档，且该文档应被批准和存档。
2.1.1 转阶段设计评审
转阶段设计评审是需求确认过程和系统确认过程的一部分。电传飞控系统和组件的设计需求进行系统顶层设计评审（SDR）、初步设计评审（PDR）和关键设计评审（CDR），在系统开发的主要转阶段节点上表明系统如何满足相应的需求，并开展相应的构型管控[4]。同时，作为供应商验证过程部分的部件级评审也相应进行。
2.1.2 支持飞机级需求确认的系统需求确认
飞机级的需求确认包括飞机级需求的评审和分析、综合试验室试验和飞行试验。FBW系统直接参与飞机级的需求确认，为系统提供了精确的和即时的确认[5]。
2.1.3 供应商验证活动的管理
供应商完成系统部件或子系统的设计评审、分析和试验，以验证部件或子系统的设计满足详细设计要求，同时，对FBW系统的需求确认提供支持。
2.2 覆盖率和追溯性
通过将设计需求和目标中的每条需求都分配到一个或多个确认活动中，以确保确认覆盖率是完整的。完整的系统覆盖率是通过每条开发需求都具有一定的严酷度等级。需求管理工具用于追溯需求分配确认活动、校核确认过程的完整性等。提供了严格的确认覆盖率和追溯性、构型控制、确认文件和问题报告等。
2.3 需求确认方法
需求确认的正确性：保证需求陈述的正确性，其中需求的陈述需符合“SMART”原则，是指需求符合需求编写要求相关的规定，需求不存在技术错误并且满足父辈需求。需求确认的完整性：在保证一系列需求正确的前提下，检查这一系列需求是否在所有运行模式和全寿命周期阶段的运行环境下满足客户、局方等相关人员的利益。需求确认的方法包括追溯性和依据说明、分析、相似性、建模、试验、工程评审[6]。
3 结语
该文首先介绍了电传飞控系统在民机中应用的重要地位和价值，阐述飞机场景建模在捕获FBW系统完整需求的一般方法，最后从FBW系统需求確认目的和方法进行论述，形成一套较为完整的FBW系统需求捕获和确认技术方法体系。
参考文献
[1] 王胜利，李波.电传飞控系统供电方案设计与分析[J].机械研究与应用，2018，31（2）：141-143.
[2] 邱轶峰.基于需求模型的复杂飞控系统软件安全性分析方法研究[D].电子科技大学，2020.
[3] 张如佩.飞控系统的故障样本选取与故障注入方法研究[D].南京航空航天大学，2017.
[4] 李良玉，张琦，张兆璨.电传飞控系统曲线测量方法探究[J].科技风，2020（13）：117，119.
[5] 赵成，张栋善.电传飞控系统供电保护方法探析[J].电子测试，2020（1）：120-121.
[6] 韩建辉，翦巍.电传飞控检测系统设计研究[J].航空科学技术，2018，29（11）：8-13.
关键词：电传飞控系统 场景建模 需求捕获 需求确认
中图分类号：V249 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（c）-0031-03
Research on Requirements Acquisition and Validation Technology for Fly-by-wire Flight Control System
ZHANG Song FANG Feng LI Xiaoguang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu Province， 210016 China）
Abstract： Firstly， this paper first introduces the importance and development trend of fly-by-wire flight control system（FTCS）， and then illustrates the steps and methods of flight control scenario modeling based on the architecture frame of the U.S. Department of Defense. Then it introduces the origin of aircraft scene capture and analyzes the significance of scene capture for civil aircraft fly-by-wire flight control system. Finally， based on the purpose of FTCS requirement confirmation， the method and process of FTCS requirement confirmation are discussed， forming a closed-loop discussion on FTCS requirement capture and confirmation technology.
Key Words： Fly-by-wire flight control system; Scene modeling; Demand capture; Demand confirmation
商用飞机产品具有利益攸关方众多、全生命周期场景多、功能集成度高等特点，商用飞机产品研制模式不断转变，而且科学技术不断发展演进，加之信息化技术的不断发展，国外商用飞机主制造商纷纷基于需求工程、满足系统工程要求的工作方式，开展商用飞机的研制，需求逐渐变成了飞机系统研制的基础，商用飞机的研制要综合权衡所有利益攸关方的需求实现产品最优。
传统上用于确定性风险或常规的、非复杂系统的设计和分析方法，已无法向FBW系统提供充分的安全性保证。因此，过程保证和V&V（Validation and Verification，即确认与验证）体系组合的研制保证技术已大量应用于FBW系统的研制，以确保安全性需求得到满足和引起失效状态的研制差错降低至可以接受的安全性范围内。
1 基于场景分析的电传飞行控制系统需求捕获方法
“需求捕获完整”是需求和产品设计的前提，应充分识别利益攸关方，全面挖掘客户内在需求，综合权衡各方诉求，形成产品的正确定位。对于一个商用飞机项目来说，客户的声音、民航运输系统的要求、行业标准、适航规章、运营维护要求，这些都是需要的输入。
需求捕获是确保项目需求能充分反映利益相关方的各项要求和项目自身特点。鉴于产品的复杂性，需求捕获即产品设计的顶层考虑得全面完整，是很难做好的。因此，为了做到需求捕获完整，应从多个维度不同场景去考虑产品，确保全面性和完整性。
什么是场景？场景是系统在产品的制造、使用、维修等过程中，产品与其操作者、外部环境对象之间相互交互、相互作用过程中的事件和关系的结合。
對于商用飞机产品而言， 飞机的场景是指驾驶员、乘客、维修等人员，在某个飞机运行的阶段（比如爬升的飞行阶段）、内外部环境以及飞机内部不同状态下的人机交互以及系统间交互的事件与关系的组合。
场景分析的目的是通过分析飞机及其功能在各种场景中的行为活动及外部交互关系，在产品构思过程中，通过对各类场景在人脑海中的预想和设想，开展基于场景分析的需求捕获，进一步保证产品尽可能考虑全面，降低重要需求被忽视的可能性，尤其是商用飞机产品作为高度重视安全与质量的产品，对于故障、异常等场景的考虑和其中所派生的需求是需求捕获工作的重点和关键之一，因此采用场景分析的办法，可以确保前期捕获的需求更加完整和准确[1]。
场景分析主要包括如下工作。
（1）识别明确商用飞机产品的场景，不同场景应涉及不同的运用阶段（When）、环境（Where）、参与方（Who）、目的用途（Why）等要素。 （2）正确分析了在各种场景中的行为活动及外部交互关系，理解在某个场景下，基于客户的需求和产品的目的，预期的参与方（不仅是人，还包括系统）的交互行为和解决方案（How），这里面应分析不同参与方的交互、时序和逻辑等关系，为进一步理清系统行为奠定基础。
（3）基于梳理的参与方的交互行为和功能要求，形成对飞机相关方系统的功能和需求以及相互之间接口关系、传递内容和逻辑。
场景分析应做到“全面”，场景分析的全面是保证功能和需求的完整的手段。如何确保全面，应该从如下几个方面入手。
首先，要保证场景识别的全面，全面准确地识别了与飞机及其功能相关的各个场景，场景应囊括方方面面，从产品的生命周期考虑，包括运行概念（Operational Concept，或称为Concept of Operations，CONOPS）、制造概念（Production Concept）、支持概念（Support Concept）、退役报废概念（Disposal Concept）。
其次，针对每一个概念的场景分析中还应该进一步展开，比如：针对运行概念，飞机的几十个子系统如何在不同的外部环境和内部状态下，和操作人员一起，发挥各自应有的作用，顺利安全地完成任务目标，这需要把场景一个一个地进行识别分析，最终确定飞机各功能和子系统的需求。
最后，场景分析应从任务阶段、内外部环境和系统状态等多维度进行综合考量，梳理出不同维度组合下的场景，确保场景应尽可能地全面。这里不仅仅考虑正常的任务剖面（推出、滑跑、起飞、爬升、巡航、降落、着陆等），还应考虑非正常的任务剖面（如中断起飞、降落复飞、备降等）;不仅仅考虑正常的外部环境，也应考虑恶劣极端的外部环境（冰雹、大侧风、雷电、风切变等），除了飞机自身工作的正常，还应该包括各故障模式（如单发失效、客舱失压、操控卡阻等）对飞机所带来的影响，并综合考虑解决这些问题所需要赋予飞机其他系统的功能需求，这样才能确保场景分析的全面性[2]。
2 电传飞行控制系统需求确认
需求确认工作在项目的前期，发生在每个层级的需求定义后，对需求和假设进行确认的工作，确认过程的输入包括系统描述（包含运行环境）、系统需求、系统架构定义以及研制保证等级等。需求的确认过程是为了确保所提出的需求足够正确和完整，并且产品能够满足客户、用户、供应商、维护人员、审定局方以及飞机、系统和项目研制人员的需求。需求是否正确、完整直接影响设计研发活动的有效性和研发产品的质量[3]。
需求确认结果用于证实：需求可以正确地贯彻上一层级确定的预期需求和功能，对于下一层级的设计活动而言，该层级定义的需求是充分正确和完整的。
2.1 系统需求的确认
确认所构建的系统满足系统设计需求与目标，确认活动就是将每一条需求严格地对应到合适的确认方法（如试验和分析方法），将所有的确认内容形成确认矩阵的正式文档，且该文档应被批准和存档。
2.1.1 转阶段设计评审
转阶段设计评审是需求确认过程和系统确认过程的一部分。电传飞控系统和组件的设计需求进行系统顶层设计评审（SDR）、初步设计评审（PDR）和关键设计评审（CDR），在系统开发的主要转阶段节点上表明系统如何满足相应的需求，并开展相应的构型管控[4]。同时，作为供应商验证过程部分的部件级评审也相应进行。
2.1.2 支持飞机级需求确认的系统需求确认
飞机级的需求确认包括飞机级需求的评审和分析、综合试验室试验和飞行试验。FBW系统直接参与飞机级的需求确认，为系统提供了精确的和即时的确认[5]。
2.1.3 供应商验证活动的管理
供应商完成系统部件或子系统的设计评审、分析和试验，以验证部件或子系统的设计满足详细设计要求，同时，对FBW系统的需求确认提供支持。
2.2 覆盖率和追溯性
通过将设计需求和目标中的每条需求都分配到一个或多个确认活动中，以确保确认覆盖率是完整的。完整的系统覆盖率是通过每条开发需求都具有一定的严酷度等级。需求管理工具用于追溯需求分配确认活动、校核确认过程的完整性等。提供了严格的确认覆盖率和追溯性、构型控制、确认文件和问题报告等。
2.3 需求确认方法
需求确认的正确性：保证需求陈述的正确性，其中需求的陈述需符合“SMART”原则，是指需求符合需求编写要求相关的规定，需求不存在技术错误并且满足父辈需求。需求确认的完整性：在保证一系列需求正确的前提下，检查这一系列需求是否在所有运行模式和全寿命周期阶段的运行环境下满足客户、局方等相关人员的利益。需求确认的方法包括追溯性和依据说明、分析、相似性、建模、试验、工程评审[6]。
3 结语
该文首先介绍了电传飞控系统在民机中应用的重要地位和价值，阐述飞机场景建模在捕获FBW系统完整需求的一般方法，最后从FBW系统需求確认目的和方法进行论述，形成一套较为完整的FBW系统需求捕获和确认技术方法体系。
参考文献
[1] 王胜利，李波.电传飞控系统供电方案设计与分析[J].机械研究与应用，2018，31（2）：141-143.
[2] 邱轶峰.基于需求模型的复杂飞控系统软件安全性分析方法研究[D].电子科技大学，2020.
[3] 张如佩.飞控系统的故障样本选取与故障注入方法研究[D].南京航空航天大学，2017.
[4] 李良玉，张琦，张兆璨.电传飞控系统曲线测量方法探究[J].科技风，2020（13）：117，119.
[5] 赵成，张栋善.电传飞控系统供电保护方法探析[J].电子测试，2020（1）：120-121.
[6] 韩建辉，翦巍.电传飞控检测系统设计研究[J].航空科学技术，2018，29（11）：8-13.