航电系统需求分析方法

魏博

摘 要：本文从系统工程的角度和民机设计的要求出发，主要讨论了飞机航电系统开发过程中需求的定义工作。基于航电系统需求定义的实际开发过程，着重描述了系统需求定义需要注意的问题以及不同的研发阶段间的相互关系。最后介绍了航电系统需求管理的软件平台DOORS的基本应用。需求定义是系统设计的一个起点，对于后续的工作将会产生巨大的影响。为了降低风险和研发成本，在设计之初首先需要做好系统的需求定义工作，这样才能保证设计各个阶段的一致性和连贯性，最终实现项目的成功。希望通过这篇文章能够为高度集成、复杂的飞机系统设计研制提供必要的支持。

关键词：系统工程；需求定义；航电系统

飞机航电系统开发过程总体上可以分为需求分析、系统设计、系统集成、验证、取证等几个阶段。需求分析是系统开发过程中的一个重要阶段，这一阶段的工作结果将影响系统开发后续各阶段的工作。需求分析的主要任务是根据用户及总体的需求，系统设计的目标，以及系统运行的一些限制条件，深入的描述系统功能、性能等需求，以确定系统架构来满足用户及总体的要求和设计的目标。区别与其它的系统工程概念，飞机系统的需求定义还需要考虑适航方面的要求，以及系统设计中安全性的要求。在确定系统需求的基础上进行系统架构的定义和系统的设计工作。整个需求定义的过程是一个不断循环的过程，对下一级的设计作为输入，而下级的设计工作也会影响并更改上一级需求的定义。但是对于需求的定义和更改需要非常的慎重，因为他会对后续的设计工作产生重大的影响。

需求定义是系统工程的一项重要的工作内容，需要按照系统开发的流程向前推进。它将一些需求变为一系列产品组合和过程定义，并且为下一个层次的设计提供原始输入，最终形成不同层次上的链接追溯关系。不同层次的设计过程需要按照顺序来完成，它为项目规避风险，以及获得最终成功提供保障。

1 需求分类和要求

1.1 需求的类型

需求的分类并不是唯一的、可以通过不同的方式来分类。对于高度集成，复杂的飞机系统而言，系统级的需求数目会比较多。通过进行需求的分类整理，使定义的需求更加明确，避免需求的重复定义。在不同的研发阶段需考虑下面所定义的需求类型。

1.1.1 安全性需求

系统功能的安全性需求通过系统的可用性（功能的连续性）和完整性（功能的正确性）这两个方面来进行约束。这些安全性需求可以通过功能危害性分析来确定。对于系统级功能的安全性需求是通过对相关功能失效条件的分类和识别来确定的。即便是分类为没有安全性影响的功能也会具有失效模式和相关的影响。与安全性相关的功能失效模式将会对飞机的安全有直接或者间接的影响。与安全性相关的需求应該是可追溯的，从研发的各个阶段到分配到软硬件，以保证在软硬件的设计层次上也可以获得分解下来的安全性需求。

1.1.2 功能需求

功能需求即系统的必要任务，是指为了在特定的条件下实现期望的系统性能而定义的系统要求。简单的讲就是“系统需要做什么”。在需求分析中定义的功能需求将为功能分析过程提供顶层功能的输入。它是用户及总体需求、性能需求、物理和安装需求等的综合。

1.2 需求属性要求

好的需求应该具有如下的属性：

（1）需求是可以实现的，要能够使需求通过某种方式从技术上得以实现，对于商用飞机而言进一步要求是其在价格上是可以接受的；

（2）需求是可以验证的，也就是说一个需求不能通过以下的词语来定义：过高的、有效的、合理的等等。期望的性能和功能属性一定要能够通过某种方法进行验证，当然最好的方式是采用定量的方式；

（3）需求是明确的，一个需求需要具有而且只具有一个含义；

（4）需求是完整的，包含所相关的任务包络、操作和维护概念、使用环境和限制。需要包括所有有利于理解需求的信息，可以将这部分内容放在需求的属性里面，对需求进行一定的解释；

（5）需求是以要求的方式提出的，需求的定义不需要提出一种解决方案，他应该表示成什么需要，而不是怎么样实现这种需求；需要说明的是，某些情况下可以考虑将明确的解决方案作为需求提出。

（6）需求是一致的，需求定义的过程中会产生很多的系统需求，所有的需求之间可能会存在冲突的地方，这些有冲突的地方需要尽快的解决；

（7）需求应该在合适的设计层次上出现。一个过于细节的需求不应该在上一个层次上出现。例如一个详细的部件级的需求不应该在系统级的需求中出现。在实际的定义过程中，有些需求比较难把握放在哪个层级，特别是那些系统级和子系统级的需求定义。

2 需求定义流程

需求以及相关的安全性等级的分析对研发过程有非常重要的作用。由于不同的安全性等级，通过系统架构对需求的分配对于减轻今后系统适航方面的压力具有显著的作用。在飞机顶层研发的过程中包含对于飞机功能的确认和相关需求的确认。飞机的功能包含飞机的接口和相应的安全性要求一起构建了系统的架构。在架构的选择过程中可能会产生附加的需求，这些需求对于架构的定义是非常必要的。在需求定义和分配的每一个阶段（例如系统级，部件级，软硬件级），需要对所有的附加需求，也就是所谓的衍生需求进行确认。架构定义中面临的决策问题是产生衍生需求的主要源头，而且它将产生新的安全性要求。在设计过程中，所有的需求需要得到最终进行确认和验证。

2.1 需求的捕获

输入主要是由用户及总体的需求和目标，以及项目的限制条件组成的。输入包括但是不限于：任务、运行方式、运行环境、目前可用的技术条件，以及上一个层次的系统工程应用需求输出，包含飞机总体的决策和飞机级顶层需求等等。其中比较重要的是用户及总体的需求和设计的目标，以保证设计结果能够满足市场要求。可以从系统的功能危害性分析和初步安全性分析来得出安全性的要求。此外可以通过局方的法规以及我们定义的适航审定计划得出适航方面的要求。

2.2 需求分析和分配

系统设计的第一步是进行输入条件的分析。需求分析用来开发系统的功能、性能等需求，也就是说，将设计的输入转变为一系列的需求来定义系统需要完成什么任务以及在什么程度上完成任务。这个过程主要的工作是确保定义的这些要求是可被理解的、明确的、全面的、可实现的和简练的。需求分析一定要澄清和定义功能需求和设计限制条件。功能需求定义数量（多少）、性能（多好）、范围（多大）、时间（什么时间和多长时间）。设计限制定义了限制设计复杂性的因素，例如，环境条件或者限制、对于内部和外部风险的防范措施、合同、用户及总体的要求、适航法规和工业标准等。

建立不同层次的需求之间的连接关系是非常重要的工作，实现需求的追溯，便于后续的确认和验证工作。功能需求一般是从上一级的功能分下来的，然后分解到下一级的功能。这个结果是系统行为逻辑上和性能需求上的描述。这个描述通常叫做系统的功能架构。功能分析和分配是为了理解系统要做什么，以及它是以什么方式来完成相应的功能。它为优化物理解决方案提供信息。

通过功能的分析和分配会产生更好的对于需求的理解，应该及时的重新对于定义的需求進行考虑。每一个功能的识别应该是能够追溯到一个需求。重复的这个检查需求分析的过程作为功能分析和分配的结果，作为一个需求定义循环。这个过程也可以叫做需求的确认。

最后进行的设计综合是通过物理或者软件的形式定义产品和部件。这一步骤的结果就是产生物理架构。物理架构需要满足对应的功能需求，至此设计工作基本上结束。

3结语

飞机的设计是一个复杂的过程，需要采用系统工程的思想来进行设计以保证研制的成本和进度。系统工程是一个复杂、循环、递归解决问题的方式，需要自顶而下的设计。这些过程包括设计的输入和输出，需求分析，集成，循环设计，验证等阶段。整个过程是按照顺序自上而下进行的，在每一个阶段就要完成相应的任务，并且补充一些附加的要求。上下层级之间需要进行追踪检查，以保证最终的设计结果是符合最初的设计目标和要求。如果在设计的过程中不遵循相应的设计流程将会导致后期工作的错误，严重的影响项目的进度，无法控制研制的成本和时间。所以需求定义工作作为系统设计的起点，需要得到相应的重视。

参考文献：

[1] 李昕颖，熊华钢. 综合化航空电子分区隔离的建模与设计方法[J]. 北京航空航天大学学报. 2011（01）.

[2] 邵帆，张安. 航电综合系统中飞机显示控制系统的仿真与实现[J]. 电光与控制. 2010（11）.