0 引言

系统工程是一种组织管理的技术，将极其复杂的研制对象称之为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体^[1]。

随着多电飞机、全电飞机的发展研究，飞机电滑行系统（electric taxiing system，简称ETS）的应用已成为必然趋势，替代了目前飞机从停机坪推出应用的地面推进牵引系统，改变了传统的调配模式，从飞机上电开始实现了飞行员的自主控制^[2]。该系统能够节省飞机在机场的停留时间，对繁忙的机场滑行过程有较大意义。这项技术对推进绿色航空有重大意义，据统计，每个飞行循环可使燃油消耗降低多达4%，温室气体排放量减少75%^[3]。

本文采用基于模型的系统工程的方法对飞机电滑行系统开展需求分析和确认研究，首先对电滑行系统的利益相关方需求进行定义，对其全生命周期的运行场景进行分析，完成了系统需求定义，并建立功能用例进行系统需求对利益相关方需求的覆盖性确认，最后根据系统功能和性能需求的逻辑关系建立其行为模型用于需求的正确性确认。

1 MBSE和电滑行系统概述

1.1 基于模型的系统工程

基于模型的系统工程（MBSE）是一种将系统工程通过构建的模型形式将其思想表现出来的思想，这就需要特定的建模语言、建模方法和建模工具来实现MBSE过程。MBSE采用图形化的形式表征设计，使用模型的形式代替了传统的以文档形式为主的设计过程，应用MBSE方法对复杂系统进行设计^[4]，从三个维度完成了系统的分析，第一个维度为需求分析，第二个维度为系统功能分析，第三个维度为逻辑架构的分析和设计。通过各层级的模型化设计，实现了系统的分析，不仅为上一层和下一层的设计提供可执行的模型，还形成统一规范化的流程^[5]。

1.2 飞机电滑行系统概述

飞机电滑行系统是飞机从停机坪到某一速度时，依靠电机驱动飞机加速到30 km/h，或者反向驱动飞机实现飞机的后退，一般情况下每个机轮均会有一个电机驱动，实现飞机单个机轮的控制。

飞机机轮本身是没有动力的，飞机在机场滑行的时候需要依靠飞机发动机慢车推动或者依靠机场牵引车拖行，而飞机地面滑行则是依靠在机轮上安装驱动器。驱动器产生的扭矩通过减速箱等装置传递到机轮上，实现飞机依靠自身机轮来控制其在地面的行驶滑行^[3]。

2 基于MBSE的电滑行系统需求定义

本文通过MBSE方法实现飞机电滑行系统的设计，主要是通过需求分析、系统功能分析以及设计综合三个阶段进行设计^[5]。需求分析阶段主要是根据用户的需求以及系统的初步分析建立其功能用例。系统功能分析阶段是通过构建黑盒活动图、时序图、状态机用以描述需求阶段建立的用例。而设计综合阶段则分为两部分，一部分是架构分析，通过对候选架构进行权衡研究确定最优的架构；另一部分为架构设计，实现将功能分析阶段的黑盒模型展开为白盒模型^[6]，如图1所示。

2.1 系统需求分析

飞机电滑行系统的设计从顶层用户需要开始完成自顶向下的设计工作。本文首先定义电滑行系统全生命周期的利益相关者的需要，定义系统的需求（以满足利益相关者的需要），为后续的设计工作奠定基础。本文采用Polarion工具对需求进行管理，首先将用户的需求导入到Polarion以及Rhapsody中。在Rhapsody中的需求通过需求表对用户的需求进行管理，其用户需求如图2所示。

需求分析是将用户的需求转换成系统需求。系统需求是系统定义的依据，是构成架构设计、综合的基础。本文首先通过对电滑行系统的利益相关方进行定义，并对用户的需求进行分析，建立电滑行系统的环境交互模型。利益相关者是与飞机电滑行系统有交互关系或者有影响的外部系统或者人员、组织。对飞机电滑行系统的利益相关者进行分析，分为飞机内部的利益相关方和飞机外部的利益相关方。根据用户需求以及经验，确定电滑行系统飞机内部的利益相关方包括：电源系统、航电系统、刹车系统和起落架系统。飞机外部的利益相关方包括：机组人员、维护人员、跑道环境、地勤人员和供应商。其环境如图3所示。

对电滑行系统的环境交互进行定义后，应对其整个生命周期进行定义，从系统研发、运营、维护直到废弃。电滑行系统的生命周期如图4所示。

根据对电滑行系统用户需求的分析，并对系统与相关利益相关方的交互，定义了电滑行系统的全生命周期。根据上述分析的内容初步建立电滑行系统的需求，如图5所示。

根据上述的系统初步的需求对系统的功能进行定义，建立系统的功能用例，并根据已建立的利益相关方，将利益相关方与定义的功能用例进行链接，对已定义的系统功能用例进行描述^[7]，电滑行系统的用例如图6所示。

2.2 系统功能分析

系统功能分析阶段关键要素是基于需求分析阶段建立的系统功能用例，建立系统的黑盒活动图、时序图以及状态机对系统用例进行描述^[8]。本文以系统的转弯功能用例为例，对电滑行系统进行描述。首先根据系统的转弯用例建立其能够描述用例的黑盒活动图，如图7所示。

根据图7中信息，电滑行系统的转弯功能首先是检测系统的供电情况，接收飞行员的转弯指令，然后根据飞行员预期的转弯角度，计算飞机预期的左、右轮速，判断是否有刹车指令信号。如果有刹车指令信号就不执行驱动指令，如果没有就发送速度指令到电机。计算电机的转矩，传递电机转矩到左右机轮，驱动飞机转弯，检测机轮的实时速度并反馈。根据上述方式对系统的剩余用例也建立其对应的活动图，在此就不再一一赘述。完成转弯功能用例的黑盒活动图的构建后，根据工具本身的功能，可自动生成时序图，也可根据其活动图，手动构建活动图对应的时序图，本文采用手动构建的方式对已建立的黑盒活动图进行黑盒时序图的构建，如图8所示。

3 基于MBSE的系统需求确认

对需求进行定义后，确认所构建的用例是否完全覆盖需求，需要建立系统需求、功能用例以及用户需求之间的追溯关系，通过追溯关系确认系统是否完全被覆盖。如果需求完全被覆盖，应对系统需求进行正确性确认。本文采用两种方式对系统需求进行正确性以及覆盖度测试。

3.1 基于用例进行需求覆盖度确认

需求覆盖度确认是系统级需求对用户需求的追溯性，检查用户需求是否均链接到了系统需求中，系统应完全识别用户的需求并定义对应的一条或多条需求实现。需求的链接能够清晰的定义相关需求，发生更改时能够快速响应，缩短设计周期^[9-10]。

根据图2导入的电滑行系统的用户需求，图5中初步定义的系统需求，以及图6中根据MBSE定义的用例图，建立用户需求、系统需求、系统用例之间的追溯性关系。可通过追溯性矩阵来表示，也可通过需求图建立其链接关系。其中追溯性矩阵显示内容虽然有限，但是显示的条目更多，而需求图建立的追溯性关系尽管更加直观，但是需要的空间更多。

本文以电滑行的转弯功能为例建立其追溯性关系，建立了转弯功能用例，用户的转弯需求以及系统的转弯需求之间的关系，如图9所示。

3.2 基于模型的需求正确性确认

根据系统需求、活动图以及时序图建立状态机模型，执行状态机对功能进行仿真，检查仿真的结果是否与需求一致，是否正确实现了用户的需求。状态机如图10所示。在执行状态机时观察状态机所处状态，对比用户的需求，对系统需求的合理性进行检查。

完成系统需求定义后，应建立需求对应的模型，应用需求对应的模型对系统需求进行正确性确认^[11]。本节使用MATLAB/Simulink以及Library进行需求的行为模型建立，应用Library建立行为模型库，在Simulink平台中调用模型库中的行为模型测试确认需求的正确性，模型和需求是否一一对应，并建立需求管理工具和建模工具的链接，将行为模型和需求进行链接，当需求发生变更时，可对相关模型进行相应更新。图11为电滑行系统需求对应的行为模型，可通过测试行为模型测试该需求的正确性。

图11中左侧四个为输入，右侧一个为输出，可通过建立测试用例测试不同场景下的输入及输出是否与预期相同，确认需求的正确性。其中功能、性能需求均能建立对应的行为模型。

根据系统需求完成的Simulink模型，用于对电滑行系统需求完成基于模型的确认，如图12所示。图中建立的模型包括：电滑行系统前进相关模型、后退相关模型、转弯相关模型、啮合相关模型以及一些支持性模型如飞机地面判断模型等。

4 SysML模型与Simulink模型集成仿真

SysML模型不适用于描述系统连续部分的仿真，因此无法通过SysML语言建立飞机电滑行中飞机机体、轮胎跑道模型以及控制部分的模型，因此对于SysML无法完成的模型将应用Simulink模型来建立，本文将Simulink建立的模型与SysML模型进行集成^[12-13]，形成飞机电滑行的模型。

4.1 集成仿真

本文建立的飞机电滑行的仿真模型如图13所示。其中左边的模块为集成模型的输入信息，这一界面实现了仿真人员与电滑行系统内部信息的交互，以及不同电滑行系统反馈到飞机的信息，为仿真者提供各种信息以供设计者对建立的模型有更直观的监控，从而对模型进行更新。中间部分的模型为飞机电滑行系统的状态机模型以及Simulink模型，其中Simulink模型包括了电机模型、行星减速装置的传动比等执行器模型。SysML模型与Simulink模型集成是通过将模型生成C代码，并将其封装，然后在SysML模块中替代其对应的部件进行电滑行系统的仿真，完成两种模型之间的数据通信。右边模块为飞机模型，本文考虑到需要飞机进行转弯，所以建立的是飞机六自由度模型，分别依据飞机坐标系、地球坐标系以及气流坐标系之间的转换建立机体、起落架的模型，并建立轮胎跑道模型，飞机模型与电滑行模型之间也存在相应的参数传递，电滑行系统将系统内部的参数传递到飞机模型，飞机模型将电滑行外其他系统的一些信息实时传递到电滑行系统中完成系统的集成仿真工作^[4]。

4.2 仿真结果

图14为飞机电滑行系统的仿真结论，其中飞行员通过旋钮控制飞机预期的转弯角度为17°。对电滑行系统进行仿真，仿真结束后，电滑行系统在转弯过程中左、右机轮速度变化曲线如图14所示。其中左机轮速度为30 km/h，右机轮速度为25 km/h。

5 结论

在航空航天领域，基于模型的系统工程的应用已成为必然趋势。在日趋复杂的系统中应用模型对系统的各阶段进行设计，能够缩短研制周期，提高效率以及复用性。

本文将基于模型的系统工程应用到飞机电滑行系统中，为未来多电或全电飞机复杂系统设计的研究提供了有效的指导依据。但是，考虑到复杂系统一般均涉及较多专业，如电气、控制、机械、液压等，需要进行设备的建模，与MBSE模型进行集成仿真，未来应对MBSE与其他系统/设备模型的集成仿真进行深入研究，建立全电飞机的全数字“织锦”。

参考文献