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，民機多采用電傳飛控系統(tǒng)作為其實現(xiàn)平臺。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)過程的復(fù)雜度和風(fēng)險。在設(shè)計之初做好系統(tǒng)需求的確認(rèn)工作，保證需求的正確性和完備性，進而保證設(shè)計實現(xiàn)的正確性，能有效降低研發(fā)風(fēng)險和成本。在實際型號經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)的過程及方法，為電傳飛控系統(tǒng)設(shè)計研制提供支持。

關(guān)鍵詞：民用飛機；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：TP319

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0145-03

0 引言

飛行控制系統(tǒng)在現(xiàn)代民用飛機的飛行操縱中起著越來越重要的作用，已成為與飛機氣動布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)動機同等重要的設(shè)計元素[1]。電傳飛控系統(tǒng)（Fly-By-Wire，簡稱FBW）從重量、可靠性、維護性、安全性上全面提升飛機性能，改善飛行品質(zhì)，減輕駕駛員工作負荷，成為現(xiàn)代民機先進性的標(biāo)志。但是FBW在獲得益處的同時也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，這將導(dǎo)致出現(xiàn)研制錯誤（需求的確定和設(shè)計錯誤）和不良或非預(yù)期影響的風(fēng)險[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)確實現(xiàn)設(shè)計需求，確保設(shè)計需求正確完整，并在實際環(huán)境中滿足使用要求的過程。確認(rèn)活動起始于系統(tǒng)需求分析階段，貫穿于整個飛行控制系統(tǒng)的開發(fā)過程，最后確認(rèn)系統(tǒng)是否滿足項目開發(fā)之初的各項要求，最終系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的正確性和有效性都要依賴于有效的確認(rèn)，同時系統(tǒng)確認(rèn)又是一個非常復(fù)雜的過程，需要綜合所有可以利用的相關(guān)工具和技術(shù)，以將設(shè)計錯誤減到最小[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)工作越來越重要。本文針對民機飛控系統(tǒng)研制過程中需求的確認(rèn)活動進行了研究，并在實際型號基礎(chǔ)上提出了飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)的過程及方法，為電傳飛控系統(tǒng)研制提供支持。

1 民機飛控系統(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)計的系統(tǒng)架構(gòu)滿足客戶要求和設(shè)計目標(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、維護需求、物理安裝需求、適航需求以及設(shè)計過程中產(chǎn)生的衍生需求等。

飛控系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)，應(yīng)將主機廠的要求、FAA的要求、EASA的要求、航空公司客戶要求及其它項目上的經(jīng)驗等作為設(shè)計要求和目標(biāo)，如圖1所示。系統(tǒng)的候選架構(gòu)應(yīng)滿足設(shè)計要求和目標(biāo)，將可靠性、成本、重量、氣動外形等作為架構(gòu)選擇的權(quán)衡要素進行研究，權(quán)衡研究的最終結(jié)果是一個滿足設(shè)計要求和目標(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)研制過程如圖1所示。

2 民機飛控系統(tǒng)需求確認(rèn)過程

需求的確認(rèn)過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、維護人員、審定局方以及飛機、系統(tǒng)和項目研制人員的要求。民機飛控系統(tǒng)確認(rèn)過程主要由需求定義、系統(tǒng)確認(rèn)和問題追溯共3部分組成[4]，如圖2所示。

需求定義是對飛機功能及其相關(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)計工作的基礎(chǔ)。

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

問題追溯為需求定義和系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)提供閉環(huán)反饋，為系統(tǒng)需求、確認(rèn)活動和確認(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)計需求與目標(biāo)，確認(rèn)過程就是將需求嚴(yán)格地分解到確認(rèn)方法（主要的試驗和分析方法）和正式文檔中，且應(yīng)被批準(zhǔn)，所有的確認(rèn)活動均應(yīng)存檔。

3 民機飛控系統(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持續(xù)的階段性過程，在確認(rèn)工作的各個階段，會不斷增強對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、相似和工程評審[3]，如圖3所示。對于確認(rèn)的準(zhǔn)則等級，則由功能研制保障等級（FDAL）確定，不同的系統(tǒng)研制保障等級的需求確認(rèn)活動要求也是不一樣的。根據(jù)SAE ARP 4754A的推薦方法[4]，對于研制保障等級為A級、B級和C級的需求，追溯性方法是必須的，但是對于C級的需求，分析、建模、試驗、相似性或工程評審等方法，只要采取其中一種即可滿足適航需求，而對于A級或B級需求則更為嚴(yán)格，有時需要采用上述所有方法進行確認(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

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

3.2 工程評審

工程評審主要是基于個人研發(fā)系統(tǒng)的經(jīng)驗，通過專家評審來檢查系統(tǒng)需求的正確性和完整性。評審專家包括航空公司、適航當(dāng)局、制造商、供應(yīng)商、其它項目的同行、與飛控系統(tǒng)相關(guān)的飛機/系統(tǒng)接口等經(jīng)驗豐富的人員。評審工作主要從工程、運行、設(shè)備及客戶等方面對定義需求的正確性和完整性做進一步的詳細評估，并對其中的問題給出反饋建議，同時，后期的任何更改也應(yīng)進行此類評審。

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

3.3 分析

通過安全性分析、性能分析、接口分析和容差分析等手段來保證需求的正確性。

電傳飛控系統(tǒng)的安全性分析工作按照ARP 4761開展功能危險性評估（FHA）、系統(tǒng)安全性分析（SSA）、共模分析（CMA）、特定風(fēng)險分析（PRA）等對安全性相關(guān)需求進行確認(rèn)。性能分析通過分析計算的方法考慮正常和故障狀態(tài)對延遲、精度等性能需求進行確認(rèn)。系統(tǒng)電氣接口分析評估系統(tǒng)電氣接口相關(guān)軟硬件對閃電和高能磁場的兼容性，以確保系統(tǒng)內(nèi)的信號與LRU危險等級相一致。容差分析通過對系統(tǒng)級總?cè)莶钸M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

建模主要通過對系統(tǒng)和設(shè)備的模型仿真進行需求確認(rèn)。根據(jù)系統(tǒng)和部件的設(shè)計，建立模型，確認(rèn)系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)需求。通過數(shù)字樣機，將系統(tǒng)中的部件按協(xié)調(diào)好的位置裝配在電子樣機中進行仿真分析，包括維護性、易達性、與其它設(shè)備間可能的相互影響評估等。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)整個系統(tǒng)的性能。通過工程模擬器上系統(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

當(dāng)系統(tǒng)實現(xiàn)作為需求確認(rèn)過程的一部分時，試驗可以同時達到驗證和確認(rèn)的目的。這項工作的目的之一是檢查所實現(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)的運行環(huán)境，應(yīng)通過協(xié)調(diào)驗證和確認(rèn)計劃來體現(xiàn)這兩個目的。從純數(shù)字仿真、半實物仿真到原型機，試驗的逼真度逐步提升，試驗環(huán)境逐步完善。

3.5.1 研發(fā)試驗臺試驗

研發(fā)試驗臺可以最小硬件構(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)試驗臺可以設(shè)置一個飛控控制模塊真件和油門臺、操縱桿等簡單硬件，就可以完成設(shè)計權(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

工程模擬器通過建模與仿真技術(shù)，為工程師和飛行員提供了一臺具有運動感覺和高逼真度模擬飛行環(huán)境的試驗平臺。在飛機研制的不同階段，工程模擬器可以配合飛機研制實現(xiàn)相應(yīng)的確認(rèn)試驗，可以完成控制律需求確認(rèn)、飛行品質(zhì)評估、飛控系統(tǒng)失效狀態(tài)確認(rèn)試驗等。

3.5.3 鐵鳥試驗

鐵鳥試驗的目的是驗證和確認(rèn)系統(tǒng)所有LRU真件之間接口的匹配性、作動器與液壓系統(tǒng)的工作匹配性能、飛控計算機/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、機械運動合理性、控制邏輯的正確性、計算機硬件和軟件運行的正確性及匹配、人機接口的可接受性、各種工作模式下的控制律功能等。

3.5.4 機上地面試驗

經(jīng)過正規(guī)嚴(yán)格的鐵鳥綜合試驗確認(rèn)并驗證滿足設(shè)計要求后，要進行機上地面功能和性能試驗，進一步確認(rèn)和驗證飛行控制系統(tǒng)硬件/軟件在真實飛機環(huán)境下的工作性能。包括各項功能、性能、設(shè)備的安裝、設(shè)備端到設(shè)備端的電氣連接、信號傳輸、電纜敷設(shè)走向、電源負載、電磁環(huán)境的影響等滿足設(shè)計要求。

3.5.5 試飛試驗

飛行試驗的主要目的是在真實的飛行環(huán)境條件下，驗證飛行控制系統(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)計制造上的故障和設(shè)計缺陷，校正使用維護手冊和收集飛行控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以報告的形式支持飛機型號取證。

4 結(jié)語

在民機研制過程中，系統(tǒng)需求的確認(rèn)工作是一項非常龐雜的系統(tǒng)工程，其貫穿整個系統(tǒng)的研制過程，該項工作對于系統(tǒng)的研制和型號匹配成功與否將有直接影響?；趯嶋H型號經(jīng)驗，提出以下幾點需求確認(rèn)經(jīng)驗：①項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)計劃并持續(xù)管理；②所有參與確認(rèn)過程的團隊必須采用完全相同的確認(rèn)過程和工具；③確認(rèn)中綜合采用虛擬原型、數(shù)字仿真、自動代碼生成等先進方法，可降低成本，提高效率；④確認(rèn)活動中建立完善合理的知識 、信息、文檔管理系統(tǒng)。

參考文獻：

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[2]HENNING BUUS.B777 flight controls validation process[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1997，33（2）：1-4.

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[4]Society of Automotive Engineers.Guidelines for development of civil aircraft and systems（SAE ARP 4754A）[Z].2010.

[5]魏博，趙春玲，徐見源，等.民用飛機系統(tǒng)需求確認(rèn)研究[J].航空電子技術(shù)，2012，43（1）：6-9.

（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