基于模型的航空发动机需求分析方法及应用研究_李小平.pdf

第45卷 第02期 2023-02【89】收稿日期：2021-03-03作者简介：李小平（1985-），男，湖南邵阳人，工程师，硕士，研究方向为航空发动机需求管理、基于模型的系统工程以及企业信息化规划。基于模型的航空发动机需求分析方法及应用研究Research and application of model-based requirement analysis method in aero engine李小平*，王 旭，龚叶琴LI Xiao-ping*，WANG Xu，GONG Ye-qin（中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241）摘 要：针对目前航空发动机缺乏有效需求分析方法现状，结合航空发动机的特点，提出了一种基于SysML的航空发动机需求分析方法。借鉴敏捷的基于模型的系统工程（Harmony aMBSE）方法论中需求分析流程，运用统一系统建模语言SysML，对航空发动机进行基于功能流分析、基于场景分析、基于状态分析，并搭建了可执行的模型支持航空发动机需求定义和功能逻辑验证。关键词：Harmony aMBSE；SysML；航空发动机；需求分析中图分类号：TP315；TP399 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0089-040 引言航空发动机的研制是典型的复杂系统工程，具有综合集成度高、学科交叉性强、项目成本高、周期长的特点1,2。复杂系统工程中的需求缺陷和需求更改造成的影响高于单一系统研发，差的需求质量往往会导致项目超出时间和资金的预算，难以完成，甚至影响企业的生存。需求分析是决定需求质量的关键，系统越复杂，需求分析活动就越发重要和困难，在传统的研制过程中，通过大量文件对阶段性成果进行描述和评审，通过文件驱动过程。文档规模大、版本多，技术状态不容易控制，评审较为困难，不容易发现问题，而且，研制过程中的需求散落在各个文件中，查找和共享不便捷，文档中的需求描述存在不确定性，可能造成理解歧义，导致需求和设计脱节。伴随这些问题与挑战的，国际系统工程协会（INCOSE）提出基于模型的系统工程解决方案，发布了统一系统建模语言SysML，对需求进行模型化表达，通过模型化、结构化需求分析方法，保证需求的正确性和完整性3。赵立军提出了基于SysML进行需求分析的方法4。赵良玉等提出采用基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering，MBSE）方法实现民机起飞场景分析5，解决飞机设计交互和设计缺陷难以充分洞察、需求难以追溯以及早期系统设计验证难以实现等问题6。基于SysML语言对航空发动机进行需求分析的研究却不多，本文借鉴敏捷基于模型的系统工程方法论中需求分析与定义方法，结合航空发动机行业特点进行应用研究。1 SysML建模语言介绍SysML是一种图形化的建模语言，支持很多复杂系统的规范说明、分析、设计、验证和确认。利用SysML便于开发系统的不同团队之间进行沟通。该语言可以有效地表示需求、结构、行为到模型的元素分配。SysML语言由活动图、顺序图、用例图、状态图、需求图、块（Block Definition Diagram BDD）图、内部块图（IBD）、包图、参数图组成。其中，活动图、顺序图、状态图、用例图属于行为图，除了活动图之外，其他行为图都跟UML相应的图相同，SysML语言的活动图在UML活动图的基础上进行修改。需求图是SysML语言新增加的内容，用于实现系统的需求模型化，建立需求与用例之间追溯关系。SysML中的Block Definition Diagram图和IBD（Internal Block Diagram）在UML语言的基础上进行了修改，同时新增了参数图（Parametric Diagram）7，具体的语言组成如下。图1 SysML语言组成【90】第45卷 第02期 2023-022 基于模型的需求分析方法复杂系统工程设计基本遵循系统工程过程：需求(R)功能（F）逻辑架构（L）物理架构（P）8。依据系统工程V形模型，敏捷的系统工程（aMBSE）方法论应用于系统工程技术流程的需求分析、功能分析和设计综合环节，并指导后续的联合仿真、专业仿真、综合、验证与确认。与传统的Harmony SE方法论相比，Harmony aMBSE增加了敏捷的思想，模型要求真实度更高，主要工作包括整机需求分析、功能分析、架构设计功能，支撑基于模型的正向设计，实现从需求、功能、逻辑、物理的全过程。2.1 Harmony aMBSE方法论工作流程Harmony aMBSE流程的总体结构如图2所示，按照标准的系统工程流程活动展开：定义利益攸关需求、系统需求定义与分析、架构分析、架构设计、向下游工程交付。该流程与传统V模型的区别是增加了敏捷迭代的之后路径，如果有更多的需求，则再次循环执行这些活动。与传统V流程使该流程周期仅执行一次，Harmony aMBSE采用增量式地交付开发的工程数据（模型）到下游工程进行开发9。图2 Harmony aMBSE流程2.2 需求分析流程本文借鉴Harmony aMBSE方法论中系统需求分析流程开展基于模型的需求分析活动。利用系统建模语言SysML，以用例为单位分析每个用例的需求，最终生成和更新系统需求。流程从利益攸关者需求中识别系统用例开始，然后结合用例特点选择合适的分析方法，包括了基于功能流的用例分析、基于场景的用例分析、基于状态模式的用例分析，最终的目的是生成/更新系统需求，在进行需求分析活动时，并行开展的工作包括创建/更新逻辑数据模式、分析可依赖性（安全性）、创建/更新验证规划9。基于功能流的用例分析通过分析系统的功能活动流程，应用SysML语言中的活动图，构建活动模型，然后活动模型内的分支路径推导场景，构建并验证状态执行的功能逻辑行为。基于场景的用例分析，先对一些场景进行建图3 基于模型的需求分析流程模，然后依据场景构建活动模型，再构建可执行的状态机，验证并更新系统需求，该方法适合与非技术利益攸关者合作或者活动模型复杂时。基于状态的用例分析，对系统进行状态和模式分析，验证逻辑行为正确性，该方法适用于系统的状态相对比较明确。识别功能和非功能性需求时，必须连续分析这些需求对系统安全性、可靠性和安保性的影响。系统需求定义和分析活动中最后一个任务是创建/更新验证规划。该规划概述了将用于验证生产系统是否满足系统需求的方法、技术和工具。3 在航空发动机应用本文以某民用航空发动机需求分析为例，应用基于模型的需求分析方法，对发动机整机需求进行分析，并通过模型的执行验证需求正确性。3.1 识别系统用例根据发动机服役的完整过程，大致分“部署”、“运行”、“维护”三个顶层活动，将“部署”、“运行”、“维护”作为最顶层的用例。发动机部署用例又细分为“制造和组装”、“运输”、“到货验收”、“储存”、“安装”子用例。“维护”和“运行”用例也进行细分子用例。发动机在各个子用例活动中，都会跟外边系统（如驾驶舱控制面板上的开关、飞机传输总线、维护人员等外边角色）进行交互。通过SysML语言的用例图，构建民用航空发动机整机用例图。Engine部署运行维护制造装配运输收货验收存储安装处理报废组件分析监控数据启动在翼运行测试运行停车下载监控数据配置平衡更换组件上传控制代码退回缺陷部件正推力运行反推力运行提供连续ACARS数据开发测试产品测试维修测试打包人员打包人员飞行员飞行员飞行工程师飞行工程师空气起动机空气起动机健康管理系统健康管理系统收货检查人员收货检查人员仓库技术工程师仓库技术工程师运输人员运输人员仓库管理人员仓库管理人员维修工程师维修工程师生产工厂生产工厂测试台运行人员测试台运行人员测试台技术人员测试台技术人员支持飞机完成任务1、飞行前检查；2、起动；3、Idle;4、Taxi;5、起飞；6、爬升；7、巡航；8、Cruise;9、Manuver;10、approach;11、land;12、反推;13、TAXI;14、Shutdown;安全需求支撑飞机任务油门杆；加速舱开关；发动机显示（n1,n2,wf,pb)；飞机显示(马赫数，飞行高度）；维修显示（故障）Diversion Shutdown/RestartSurgeFlameOutAbort TakeOffMechanicalFailureEelectrical/Component FailureLightningStrikeWindShearICEFOD图4 发动机用例图第45卷 第02期 2023-02【91】Harmony aMBSE方法论是以用例作为分析、设计的基本单元，每个用例都需要进行功能分析。因发动机场景众多，分析工作量大，因此本次研究重点以发动机“正推力运行”、“反推力运行”用例进行应用分析，每个用例采用基于功能流分析、基于场景分析、基于状态分析方法的一种或两种以上，具体方法的选择需根据用例实际情况。3.2 基于功能流分析航空发动机在正推力运行时顶层的发动机功能：1）产生前向推力给飞机；2）发动机飞机进行信息交互；3）提供引气供给飞机；4）提供飞机电功率；5）为飞机提供机械能；6）发动机自身进行故障诊断。基于功能流分析以用例为单位，将发动机整机功能进行分解，形成更细颗粒的功能活动清单，根据功能清单定义发动机产品需求。针对大涵道比涡扇航空发动机，发动机正向推力通过的外涵道和内涵道气流产生，以内涵道的功能流为例，对产生前向推力进行一步功能分解。如内涵道气流经过低压空气压缩、高压空气压缩，高压气体稳流，调节燃油，油气混合，燃烧燃油产生热量，膨胀高压空气对高压涡轮和低压涡轮做功。提取扭矩给高压轴和低压轴，加速空气，然后排出空气产生推力。应用SysML中的活动图，将发动机整机顶层功能分解成更小颗粒的功能活动，形成功能活动清单。发动机产品需求基于功能活动清单进行定义和完善。图5 发动机内涵气流功能流图基于功能流的用例分析提供了一种结构化的方法对发动机的功能进行分解，比如空气进入发动机，进气需求考虑进气道气动损失要求，“防止外来物”功能，在需求定义时需要考虑发动机对飞鸟、冰雹等抵抗要求。有效支撑发动机产品需求定义。3.3 基于场景分析基于场景的设计思想最早由研究人机交互的创始人 Carroll提出，他创造性地提出将基于实际场景的交互设计方法应用于交互产品的可用性工程10。基于上节的基于功能流的活动模型，应用SysML中的时序图对发动机正推力运行用例进行场景分析，开展基于场景分析有两个目的：1）通过分析系统在不同使用场景下与外部的交互进而识别系统与外部的接口；2）通过场景分析进一步捕获发动机产品需求。场景分析按照正常场景（晴天）和异常场景（雨天）两类，首先基于功能流模型分析正常情况的场景，然后考虑到在正常场景下，发动机失效、异常事件、外部环境等影响下的情况，分析在异常场景（雨天）下对发动机要求。异常场景（雨天）分析是发动机需求捕获的重要活动，以航空发动机喘振场景初步分析为例，首先，发动机喘振时，需要判断发动机喘振的判断标准；发动机发生喘振时，需要定义发动机操作策略，发动机在不同状态时，操作策略不一样，需要通过场景分析来定义。例如发动机在慢车以上发生喘振时，需先将油门杆拉至慢车域，然后调节相应作动执行机构。如果在慢车状态，需要考虑是在地面还是在空中的情况。根据场景分析定义发动机发生喘振时不同的操作策略，为发动机产品需求定义提供支撑。图6 发动机喘振场景分析3.4 基于状态模式分析基于状态模式分析方法，本文以航发发动机“反推力运行”用例进行介绍，采用SysML中的状态图分析航空发动机“反推力运行”。航空发动机“反推力运行”用例定义了五种运行状态模式：1）收起锁定；2）准备与展开反推；3）发动机开展状态；4）发动机正处于收起状态；5）手动打开发动机反推（仅用于反推装置地面维护）。航空发动机“反推力运行”用例下状态模式定义之后，需要在状态模型中构建状态转换和迁移的功能逻辑行为。航空发动机反推需根据飞机轮载信号WOW、飞机速度、【92】第45卷 第02期 2023-02油门杆位置（反推开关）等进行判断