圖1 流程優(yōu)化圖

需求模型是指從頂層用戶對系統(tǒng)（火箭彈射座椅）的需求直至底層（子系統(tǒng)）需求，以及闡述它們之間邏輯關(guān)系關(guān)系的集合,。根據(jù)分類方法不同,，可以分為功能需求、性能需求,、接口需求等,。需求模型用于將火箭彈射座椅設(shè)計(jì)過程中用戶表意不明確的要求等轉(zhuǎn)換成待解決的具體問題，以便用于指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì),。需求模型根據(jù)系統(tǒng)不同層次,，也有一個層級結(jié)構(gòu)，最頂層的需求來自于軍方和主機(jī)所的使用要求,、成本約束,、研制周期約束等，這些頂層需求在研制初期被劃分為功能需求和性能需求等,，并在火箭彈射座椅內(nèi)進(jìn)行分解與分配,，由火箭彈射座椅到其子系統(tǒng)再到單級的零部件，層層細(xì)化,，這個分解和分配過程會一直持續(xù)進(jìn)行,，反復(fù)迭代，直到完整地覆蓋所有需求,。

功能邏輯模型是指系統(tǒng)完成既定任務(wù)目標(biāo)所需要的全部功能的集合,，其中包括對應(yīng)于系統(tǒng)級（如火箭彈射座椅）、分系統(tǒng)級（如彈射筒系統(tǒng)）、零部件級（如內(nèi)筒組件）,，甚至于更小單元的功能及其之間的邏輯關(guān)系,，用以指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。功能模型是在需求模型已有的基礎(chǔ)上,，通過邏輯分解來進(jìn)行系統(tǒng)功能分析,，同時(shí)基于對火箭彈射座椅運(yùn)行使用構(gòu)想的分析，梳理整個過程中的用例,，再識別出每一層次的系統(tǒng)功能,。此外，在功能模型的構(gòu)建過程中,，還通過QFD（Quality Function Deployment）矩陣將總結(jié)出來的功能與需求模型中的條目進(jìn)行匹配,，以確保每項(xiàng)需求都能有功能與之對應(yīng)，并且功能都能滿足一項(xiàng)或多項(xiàng)需求,。對于沒有覆蓋到的需求,，應(yīng)當(dāng)考慮是否需要增加功能對該需求進(jìn)行支持；對于不支持任何系統(tǒng)需求的功能,，考慮是否應(yīng)當(dāng)將其刪除,，整個過程是反復(fù)迭代直至最終完善。

物理架構(gòu)模型是用來描述火箭彈射座椅的全部要素及其之間的接口關(guān)系,，由系統(tǒng)級直至子系統(tǒng),、零部件組成。構(gòu)建火箭彈射座椅的物理架構(gòu)模型時(shí),，以需求模型和功能模型為基礎(chǔ),，綜合考慮性能指標(biāo)、系統(tǒng)接口,、技術(shù)重難點(diǎn)等,，利用DFSS方法中的概念碎片組合，對多種方案進(jìn)行評分比較,，擇優(yōu)考慮，選擇既能滿足用戶需求且能較好完成系統(tǒng)功能的方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),。

3  需求分析

3.1 運(yùn)行使用構(gòu)想和邊界界定--利益攸關(guān)者需求

對火箭彈射座椅全壽命周期的活動進(jìn)行分析,，梳理出其運(yùn)行使用構(gòu)想，如圖2所示,。對于產(chǎn)品的研發(fā)團(tuán)隊(duì)來說,，整理出完整的運(yùn)行使用構(gòu)想并指定系統(tǒng)的用例是一種常見的設(shè)計(jì)活動，可以幫助團(tuán)隊(duì)將需求完整覆蓋,。通過分析,，該型火箭彈射座椅的總共梳理出了14個主要用例，其中個別較復(fù)雜的用例又由小用例構(gòu)成,。

考慮火箭彈射座椅的全壽命周期的活動,，對其活動邊界進(jìn)行分析,，得出與火箭彈射座椅有交聯(lián)關(guān)系的有飛行員、地勤人員,、大氣環(huán)境,、飛控系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng),、座艙,、地面設(shè)備、供電系統(tǒng),、氧氣系統(tǒng),、個防裝備、指令系統(tǒng),、座艙環(huán)境等12個系統(tǒng)利益攸關(guān)者,，再考慮工藝、試驗(yàn),、六性等約束對該系統(tǒng)的需求,，借助DFSS工具對其進(jìn)行收集、匯總,、親和和歸類,，梳理出24條利益攸關(guān)者需求。

圖2 全壽命周期運(yùn)行場景圖

3.2 場景分析--系統(tǒng)需求

依據(jù)全壽命周期運(yùn)行場景圖,，對整椅裝機(jī)使用場景,、分模塊裝機(jī)、正常飛行使用場景,、應(yīng)急彈射場景,、地面應(yīng)急離機(jī)場景和地面維護(hù)場景進(jìn)行分析，得出不同的使用場景下的利益相關(guān)者需求,。將所有的需求進(jìn)行整合梳理歸納,，得到功能需求、性能需求,、接口需求,、六性需求、設(shè)計(jì)約束等共106條系統(tǒng)需求,。

4  功能邏輯模型

4.1功能分析

功能分析的意義是形成描述系統(tǒng)功能和其互相之間關(guān)系的一系列模型元素,，其主要表現(xiàn)形式包括活動圖、順序圖和狀態(tài)機(jī)圖,。三者之間的順序可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況靈活選擇,，但是無論選擇什么路徑，描述系統(tǒng)最根本的形式都是狀態(tài)機(jī)圖。下面介紹在該型火箭彈射座椅研制中選擇的常規(guī)路徑,。

4.1.1 活動圖

活動圖類似于程序員繪制的流程圖,，在功能分析階段研發(fā)人員需要分析火箭彈射座椅在當(dāng)前用例下典型的功能和運(yùn)行方式，它是一種表明隨著時(shí)間推移,，行為和事件發(fā)生序列的動態(tài)視圖,，其意義是用來規(guī)定功能之間的邏輯關(guān)系。由于同一流程不同功能不能以相反的順序進(jìn)行,，因此活動圖隱含了功能間的依存關(guān)系,，它也是唯一能夠說明連續(xù)系統(tǒng)行為的圖。

圖 3展示了火箭彈射座椅在應(yīng)急彈射用例下的活動圖,，主循環(huán)從接收彈射指令開始,，在后椅發(fā)出指令處設(shè)置有狀態(tài)選擇機(jī)構(gòu)，后椅發(fā)出指令,，則啟動后座彈射,；否則向拋蓋系統(tǒng)發(fā)出拋蓋指令，進(jìn)而啟動三座彈射,；每座彈射的子活動中,，還會有是否接收到艙蓋離位信號的狀態(tài)選擇?；顒訄D表明系統(tǒng)不接收彈射指令功能,，即不會進(jìn)行向拋蓋系統(tǒng)發(fā)出拋蓋指令的步驟，隱含了接收彈射指令的系統(tǒng)和向拋蓋系統(tǒng)發(fā)出拋蓋指令系統(tǒng)之間存在著邏輯接口的可能,。

圖 3 活動圖

在總結(jié)各個用例中的功能與功能間邏輯關(guān)系的同時(shí),，需要形成與該用例相關(guān)的系統(tǒng)需求。在活動圖構(gòu)建的過程中,，我們借助Rhapsody和Gateway相連,，導(dǎo)入DOORS中的條目化需求，在后面狀態(tài)機(jī)圖完成后需要在Rhapsody中逐一建立模型元素和需求之間的鏈接關(guān)系,。

4.1.2 順序圖

順序圖是另一種可以說明系統(tǒng)行為信息的SysML圖,，相比活動圖，它并沒有增加新的內(nèi)容,，但是其獨(dú)特的表達(dá)形式可以更有效地展示系統(tǒng)與外界利益攸關(guān)者之間的交互內(nèi)容,。

順序圖展開了活動圖不僅記錄了系統(tǒng)與外界交互的過程更重要的是還能夠在其基礎(chǔ)上生成代表系統(tǒng)功能的基本操作，交互過程的事件和系統(tǒng)與外界的接口,。在白盒階段這一接口更包含了重要的系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間接口信息。由于活動圖中一般包含很多分支,，因此取決于可讀性考慮應(yīng)對典型的功能流程單獨(dú)生成順序圖,。順序圖的總合必須覆蓋活動圖中所有的功能，但沒有必要覆蓋可能構(gòu)成的所有場景。

4.1.3 狀態(tài)機(jī)圖

狀態(tài)機(jī)圖同活動圖和順序圖一樣,，是系統(tǒng)的一種動態(tài)視圖,，是對形象的活動圖的一種抽象表達(dá)，但不同的是,，狀態(tài)機(jī)圖關(guān)注的是系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)如何根據(jù)時(shí)間隨時(shí)間發(fā)生的事件改變狀態(tài),，表達(dá)的是系統(tǒng)基于狀態(tài)的行為模式。圖4展示了火箭彈射座椅在應(yīng)急彈射活動過程中可能的狀態(tài)行為,。從圖上可見,，狀態(tài)機(jī)圖是對形象的活動圖的一種抽象表達(dá)。綜合整個火箭彈射座椅的活動圖,，即可能以一個狀態(tài)機(jī)圖表達(dá)整個系統(tǒng)大部分可能的狀態(tài)組合,，這也是狀態(tài)機(jī)圖獨(dú)有的優(yōu)勢。狀態(tài)機(jī)圖的運(yùn)行結(jié)果是用來驗(yàn)證彈射救生座椅系統(tǒng)能否滿足系統(tǒng)需求的重要手段,。

圖4 狀態(tài)機(jī)圖

4.2 功能流圖,、功能層級圖

通過前面的工作，最終形成的交付產(chǎn)物包括系統(tǒng)需求,、活動圖,、順序圖和狀態(tài)機(jī)圖。在實(shí)踐操作過程中會發(fā)現(xiàn)對于火箭彈射座椅這個復(fù)雜的系統(tǒng)來說,，分層的尺度較難把握,，分層過于粗糙會使得不能完整表達(dá)系統(tǒng)的狀態(tài)和活動，分層過細(xì)又會造成數(shù)據(jù)量龐大,，追溯關(guān)系錯綜復(fù)雜,，會提高出錯率。功能流圖也是一種幫助細(xì)化功能分析的方法,，采用該方法,，分析出火箭彈射座椅在被用戶使用時(shí)，其在各階段的功能需求,，得到每個用例對應(yīng)的功能流圖,，圖5僅展示了彈射救生用例和防護(hù)乘員用例的功能流。對功能流需求進(jìn)行提取,，得到功能層級圖,，如圖6所示。

在后續(xù)黑盒模型構(gòu)建完成后,，將功能和流程再分配到火箭彈射座椅的系統(tǒng)架構(gòu)模型中,，黑盒被打開，形成下級各個子系統(tǒng)的白盒模型和接口的ICD,。在執(zhí)行狀態(tài)機(jī)圖的驗(yàn)證過程中,，對系統(tǒng)場景進(jìn)行測試,，可以檢查設(shè)計(jì)是否能滿足系統(tǒng)需求。經(jīng)過層層迭代,，將元素不斷更新整理后傳遞到下一級再分解循環(huán),，一直到系統(tǒng)的物理架構(gòu)明確為止。

5  物理架構(gòu)模型

5.1 功能分配

按照常規(guī)火箭彈射座椅各子系統(tǒng)常見的功能分配,，將功能分配給相應(yīng)的架構(gòu)模塊,。通過反復(fù)迭代，前文共梳理出包括清理彈射通道,、約束軀干,、高速氣流防護(hù)、穩(wěn)定人椅系統(tǒng)等共29項(xiàng)功能,，將每項(xiàng)功能賦予到系統(tǒng)的28個架構(gòu)模塊中,。其中功能與架構(gòu)模塊并不是一一對應(yīng)的，一項(xiàng)功能可以由多個架構(gòu)模塊來完成,，一個架構(gòu)模塊也可以完成多項(xiàng)功能,，但是無論是功能還是架構(gòu)模塊，一定要有其對應(yīng)關(guān)系,。

5.2 概念碎片

功能分配完成后,，通過對國內(nèi)現(xiàn)狀分析、技術(shù)查新,、TRIZ方法找出各功能架構(gòu)的概念碎片,。如表1所示。

利用DFSS方法里的PUGH矩陣（決策矩陣）從重量,、體積,、成本、進(jìn)度,、技術(shù)成熟度等方面對每一項(xiàng)功能要求對應(yīng)的概念碎片進(jìn)行對比分析,，優(yōu)選出適合該型火箭彈射座椅的方案，進(jìn)而搭建出該型火箭彈射座椅的物理架構(gòu)模型,。這里僅舉信號傳輸技術(shù)優(yōu)選的方案（見表2）,。

高壓燃?xì)庑盘杺鬏斀Y(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟,，但重量較大,，壓力控制難度大，維護(hù)不便,，布局麻煩移植性差,，可靠性提升難度大；爆轟波信號傳輸重量輕,，維護(hù)性好,，布局簡單,，可靠性高，但是信號控制難度大,，研制及試驗(yàn)成本高，且不可檢測,；激光信號傳輸重量輕,，艙內(nèi)布局簡單，可檢測,，安全性高,，但是技術(shù)成熟度低；電子信號傳輸方式布局簡單,，可檢測,，維護(hù)性好，控制精度高,，研制成本和使用維護(hù)成本較低,，技術(shù)成熟度高。通過重要度評估,，確定選擇電子信號傳輸方式作為指令信號傳輸技術(shù)的方案,。

按照類似的方法對其他技術(shù)擇優(yōu)選擇，得出最合適的一套概念碎片組合,，進(jìn)而初步完成該型火箭彈射座椅物理架構(gòu),。

6  結(jié)論

本文介紹了在某型火箭彈射座椅的研發(fā)流程中應(yīng)用基于DFSS設(shè)計(jì)理念和MBSE設(shè)計(jì)方法的經(jīng)驗(yàn)。針對傳統(tǒng)的研發(fā)流程繁瑣復(fù)雜的特點(diǎn),，在某型火箭彈射座椅的研發(fā)流程中,，利用DFSS設(shè)計(jì)理念中的三重質(zhì)量功能展開，沿著需求--功能邏輯--物理架構(gòu)的分析路線,，對整個研發(fā)流程進(jìn)行了重新梳理與優(yōu)化,，明確了各個階段的輸入和輸出物。同時(shí)利用了MBSE的設(shè)計(jì)方法,，基于DOORS,、Rhapsody等軟件平臺，從需求和運(yùn)行概念入手,，對該型火箭彈射座椅的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)化為用例模型,，在對用例的功能分析中得到活動圖、順序圖以及可執(zhí)行的狀態(tài)機(jī)圖,，從不同角度來描述火箭彈射座椅在某一用例中的行為,。這些同時(shí)也與條目化的系統(tǒng)需求建立了可追溯的鏈接關(guān)系。進(jìn)而對功能分配給相應(yīng)的架構(gòu)模塊,，利用DFSS工具對概念碎片進(jìn)行優(yōu)選,，最終選擇最合適的一套概念碎片組合,，完成了初步的物理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了需求的分析和轉(zhuǎn)化,。

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