一种基于ESOE-FBS的民用飞机系统正向设计过程的正式建模方法

《Advanced Engineering Informatics》：A formal modeling approach for forward design process of civil aircraft systems based on ESOE-FBS

民用飞机正向设计中多利益相关者需求关联断裂问题，提出基于ESOE-FBS模型的理论框架和集成平台，通过飞行控制系统案例验证该方法有效整合需求、功能与结构，提升设计连续性和跨领域一致性。

　　

范秋岑|韩彦龙|毕文豪|张安

西北工业大学航空学院，中国陕西省西安市710072

摘要

针对当前民用飞机正向设计中存在的实际工程问题，如利益相关者与设计之间的脱节、需求与功能之间的联系缺失，以及多利益相关者的异构建模等问题。首先，分析了民用飞机设计过程中的典型设计变量，并将其转化为四个设计世界内的变量。其次，引入了情境性、意图性和建构性记忆的理论，提出了ESOE-FBS模型，并重构了设计的8个基本过程。将多利益相关者的需求纳入正式建模方法中，分析了每个设计变量的转换逻辑。最后，通过集成IBM Rational DOORS和Sparx Systems Enterprise Architecture等主流建模软件，建立了一个民用飞机MBSE集成平台。以民用飞机飞行控制系统建模为例进行验证，验证结果表明，所提出的正式建模方法能够满足系统工程V过程的正向设计需求，为民用飞机系统的正向设计建模提供了方法论参考。

引言

近年来，民用飞机逐渐采用基于模型的系统工程（MBSE）方法进行正向设计[1]。基于模型的正向设计生命周期有效解决了基于文本的系统工程（TBSE）中的典型问题，如重复迭代设计、设计过程理解偏差和模糊性[3]、[4]、[5]、[6]。MBSE的正式建模优势在航空[7]、[8]、[9]、航天[10]、[11]、智能制造[12]、[13]、核工程[14]、[15]等典型复杂系统建模领域得到了广泛应用，产生了许多高效可行的工程实践[16]、[17]。

民用飞机系统设计是一种具有多学科交叉特点的系统工程实践，在当前以需求为导向的设计生命周期下，设计的精细化程度不断提高，系统设计的复杂性也在增加。特别是在民用飞机系统的概念设计阶段，随着建模对象复杂性的增加[18]、[19]，对民用飞机设计工程师的专业知识基础[18]、[20]、[21]、领域建模能力[22]以及涉及多个学科和领域的类似设计经验[23]、[24]的要求也在增加。

目前，中国正在稳步推进国产商用飞机的规模化和系列化发展。然而，在当前的正向设计中仍存在利益相关者与设计需求之间的脱节、需求与功能关联性的缺失等问题[25]。因此，迫切需要为民用飞机设计工程师提供一套正式建模范式，以协助设计师进一步理解概念设计中各种设计概念的内涵，并将利益相关者的需求纳入正式建模中[27]，从而确保在MBSE方法论框架的指导下，更多利益相关者能够更好地参与民用飞机的正向设计。

在MBSE背景下，“正向设计”被定义为一种以需求为导向、以模型为中心的工程范式，它从利益相关者的需求和任务目标开始，经过系统工程的需求定义、架构定义、设计、实现以及验证与确认（V & V）等阶段。在整个过程中，使用正式化的系统模型作为主要手段，确保跨学科的一致性和端到端的可追溯性，从而使设计意图能够系统地传递到下游的工程产品及验证和确认活动中[2]、[28]、[29]、[30]。与传统的自上而下的设计方法不同，自上而下的设计主要强调分解策略和组织结构，即从系统层面到子系统和组件层面的层次分解和分配。相比之下，正向设计强调端到端的推进过程：从需求/出发点开始，沿着工程链向设计定义、实现以及验证和确认方向推进，同时利用模型作为跨角色对齐和一致性的共享载体。换句话说，自上而下的设计可以作为正向设计中架构和需求分配的常用手段，但正向设计并不等同于自上而下的设计。在MBSE背景下，正向设计还强调了通过以模型为中心的技术基线来实现模型的连续性、从需求到设计的可追溯性，以及对多学科 trade studies 和迭代闭环的明确管理。这些方面超出了仅通过自上而下分解来组织设计的范围。

本文针对民用飞机系统的正向设计过程，详细梳理了民用飞机系统的正向设计概念，并建立了一个以正向设计为导向的概念设计模型。在需求驱动设计的背景下，介绍了利益相关者需求和设计概念。基于功能-行为-结构（FBS）模型，重构了FBS模型的8个设计过程，并提出了一套用于系统正向设计的正式建模方法。

本文的结构如下：第1节简要描述了当前民用飞机系统正向设计的特征和存在的问题。第2节分析了正向设计中的科学概念，并进行了详细比较，构建了正向设计的架构。第3节结合民用飞机系统正向设计的实际特点，引入了情境性、建构性记忆和意图性理论，对民用飞机系统的正向设计背景进行了建模和分析。第4节基于之前的分析扩展并重构了FBS模型，将民用飞机系统的正向设计过程细分为29个详细过程，并详细分析了不同设计世界中设计变量的转换逻辑。第5节建立了民用飞机MBSE集成平台，并以民用飞机飞行控制系统为例验证了所提出的正式建模方法。第6节总结了该方法的优势，并总结了研究案例的结果。

节选内容

以正向设计为导向的架构分析与构建

在需求驱动的正向设计过程中，利益相关者的需求和系统功能被自上而下地定义、分解和分配，然后自下而上地集成和验证，最终形成V形的系统工程开发过程[25]、[31]。

在民用飞机设计中，需要平衡设计输出的技术可行性和对客户的直观或潜在价值，以最大化利益相关者的满意度

构建动态设计背景

随着正向设计的推进，关于技术、架构、系统、设备、项目接口以及集成和实现的选择等方面的要求将变得越来越清晰和明确。鉴于设计师的学科背景、知识和经验对建模过程的影响，有必要进一步分析和描述情境性、建构性记忆等概念

基于ESOE-FBS的民用飞机系统正向设计过程

在描述了情境性、建构性记忆和意图性之后，基于动态设计背景建立了一个设计框架。根据之前的分析，该设计框架包括外部世界、客观世界、主观世界和预期世界以及这四个世界之间的相互作用，包含了8个基本设计过程[53]。如图4所示，四个世界之间的关系

案例研究

典型民用飞机的飞机级系统是构成飞机整体功能的核心系统。这些系统旨在满足安全性、可靠性和适航性要求，通常包括飞行控制系统、动力系统、航空电子系统、液压系统和起落架系统。作为安全飞行的基本保障，飞行控制系统（FCS）与其他飞机级系统深度集成，其复杂性远超其他系统

结论与展望

本文解决了当前民用飞机正向设计中存在的实际问题，如利益相关者与设计之间的脱节、需求与功能之间的联系缺失，以及多利益相关者的异构建模等问题。

充分考虑了情境性理论、建构性记忆和意图性理论在正向设计中的影响。本文涵盖了内部世界、主观世界、客观世界和外部世界四个领域

CRediT作者贡献声明

范秋岑：撰写——原始草案、可视化、验证、软件开发、方法论、正式分析、概念化。韩彦龙：可视化、数据收集与整理。毕文豪：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、方法论。张安：撰写——审阅与编辑、项目管理工作、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本手稿所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号62073267）和中国工业和信息化部民用飞机专项（编号MJ-2016-F-02）的支持。