摘要：目前，公司的設計研發(fā)流程主要以逆向設計為主，流程管理繁瑣，導致研發(fā)過程效率低下，本文采用MBSE/DFSS方法對XX飛機配套的火箭彈射座椅的設計研發(fā)流程進行了梳理和優(yōu)化，形成標準化的流程和模板，為產(chǎn)品后續(xù)研制工作奠定基礎，并按MBSE一般研發(fā)流程得到需求模型、功能邏輯模型和物理架構模型，以指導后續(xù)產(chǎn)品的詳細設計。

關鍵詞：MBSE；DFSS；流程優(yōu)化；功能邏輯；物理架構

1 概述

火箭彈射座椅是飛機上的一個重要的機載設備，正常飛行時供飛行員乘坐，保證飛行員具有良好的駕駛和操縱飛機的條件，尤其是在飛機機動飛行時，確保對飛行員進行可靠約束；應急時確保飛行員啟動彈射手柄后，能自動完成彈射救生程序，安全彈射離機，并安全著陸（或著水）?；鸺龔椛渥紊婕皺C械、電子、空氣動力、火工動力、仿真、紡織等專業(yè)，是一個相當復雜的系統(tǒng)。火箭彈射座椅的研發(fā)流程作為一個復雜的系統(tǒng)工程，具有系統(tǒng)規(guī)模大、技術水平高、可靠性及安全性要求高、研制周期長的顯著特點。航宇公司現(xiàn)有的設計流程精細化程度不高，主要以逆向設計為主，在研制過程中，從需求到產(chǎn)品的實現(xiàn)過程中，會產(chǎn)生海量的信息，如總體對分系統(tǒng)的要求、各分系統(tǒng)之間的接口要求等。這些信息都是以文檔的形式進行存儲于管理，信息的傳遞路徑越復雜，出錯的概率越大，會導致錯誤頻發(fā)效率低下，因此急需新的一套研發(fā)流程和方法來改變現(xiàn)狀。

隨著信息化的高速發(fā)展，面向圖形化、可視化的系統(tǒng)建模變得越發(fā)容易，因此，基于模型的系統(tǒng)設計方法（Model-Based System Engineering）應運而生，該方法依托大型軟件平臺，將各級別的需求與相應的系統(tǒng)建立鏈接關系，并以圖形化的方式展示，用圖形鏈接管理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繁縟的文檔管理，數(shù)據(jù)獲取更加容易，且提高了技術狀態(tài)可追溯性。而DFSS(Design for Six Sigma)作為一種高效的設計理念和方法，已經(jīng)在一些世界頂級企業(yè)有全面應用，在產(chǎn)品成本、開發(fā)、質量方面取得了豐厚收益，它由一套通用的新產(chǎn)品開發(fā)途徑與一列方法工具有機集成，具有極強的邏輯性，從而構成了一套完整有效的產(chǎn)品開發(fā)設計系統(tǒng)。

本文采用MBSE/DFSS產(chǎn)品設計開發(fā)的邏輯和方法，對火箭彈射座椅的設計研發(fā)流程進行了梳理和優(yōu)化，形成標準化的流程和模板，規(guī)范了火箭彈射座椅的正向研發(fā)流程；同時采用該設計研發(fā)流程，對為XX飛機配套的彈射座椅進行了立項前的方案論證，從取得了非常好的效果。

2 型號實踐與流程優(yōu)化

2.1  流程現(xiàn)狀

航宇公司現(xiàn)狀設計流程化精細程度不高，很多產(chǎn)品都是在之前測繪仿制的產(chǎn)品上進行優(yōu)化、修正，屬于典型的逆向設計思路。各個型號研制團隊動輒二、三十人，缺乏充足人員，同時過多強調節(jié)點，而輕視成果完成質量，且由于缺少知識積累和重用的管理措施和信息化手段，多數(shù)依賴師徒結隊師傅指導或自身在工作中磨練的經(jīng)驗來解決問題，沒有一個詳細的知識管理系統(tǒng)，導致曾經(jīng)發(fā)生的錯誤常常在此發(fā)生。

現(xiàn)有的型號研發(fā)流程階段分為設計開發(fā)策劃階段、方案論證階段、工程研制階段和設計定型階段，每個階段又有若干個小階段，每個小階段有對應輸入輸出文件，流程繁瑣，需編撰的文件多而雜。由于缺少詳細的需求識別、分析和確認過程，需求分解不夠細化，導致分析與驗證過程欠充分，評審確認時才發(fā)現(xiàn)還有需補充驗證。設計開發(fā)過程邏輯性不強，很多工作流于形式，為了完成任務而進行，而不能發(fā)揮其本身在設計研發(fā)中應有的作用，如FMECA等。

2.2  流程優(yōu)化的思路

航宇公司針對INCOSE、NASA、IBM Harmony和GJB8113的系統(tǒng)工程流程及方法進行對比分析，形成了顯性化的火箭彈射座椅的設計研發(fā)流程，并通過項目實踐，對該流程進行迭代優(yōu)化，最終形成了適合航宇公司的基于SE/DFSS的正向設計流程。并制定了各流程的文件模板、文件編制說明等模板，規(guī)范設計人員的設計開發(fā)活動，做到要求一致，方法一致，標準一致。

MBSE方法及DFSS設計理念覆蓋從總體到子系統(tǒng)，從子系統(tǒng)到零部件級別的管理和設計，從顧客需要和設計約束開始設計，進行需求分析，進而將分析出的需求轉化為可量化的技術指標，并將技術指標賦予給系統(tǒng)功能，明確各子系統(tǒng)需要完成的功能，最后一一細化到各零部件上。這種研發(fā)流程的最終目標是以模型為基礎，構建出完善的系統(tǒng)架構，如圖1所示。在這個過程中，基礎框架為系統(tǒng)的需求模型，功能邏輯模型和物理架構模型。

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系關系的集合。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計過程中用戶表意不明確的要求等轉換成待解決的具體問題，以便用于指導系統(tǒng)設計。需求模型根據(jù)系統(tǒng)不同層次，也有一個層級結構，最頂層的需求來自于軍方和主機所的使用要求、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進行分解與分配，由火箭彈射座椅到其子系統(tǒng)再到單級的零部件，層層細化，這個分解和分配過程會一直持續(xù)進行，反復迭代，直到完整地覆蓋所有需求。

功能邏輯模型是指系統(tǒng)完成既定任務目標所需要的全部功能的集合，其中包括對應于系統(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（如內筒組件），甚至于更小單元的功能及其之間的邏輯關系，用以指導系統(tǒng)的設計。功能模型是在需求模型已有的基礎上，通過邏輯分解來進行系統(tǒng)功能分析，同時基于對火箭彈射座椅運行使用構想的分析，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，在功能模型的構建過程中，還通過QFD（Quality Function Deployment）矩陣將總結出來的功能與需求模型中的條目進行匹配，以確保每項需求都能有功能與之對應，并且功能都能滿足一項或多項需求。對于沒有覆蓋到的需求，應當考慮是否需要增加功能對該需求進行支持；對于不支持任何系統(tǒng)需求的功能，考慮是否應當將其刪除，整個過程是反復迭代直至最終完善。

物理架構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系，由系統(tǒng)級直至子系統(tǒng)、零部件組成。構建火箭彈射座椅的物理架構模型時，以需求模型和功能模型為基礎，綜合考慮性能指標、系統(tǒng)接口、技術重難點等，利用DFSS方法中的概念碎片組合，對多種方案進行評分比較，擇優(yōu)考慮，選擇既能滿足用戶需求且能較好完成系統(tǒng)功能的方案進行詳細設計。

3  需求分析

3.1 運行使用構想和邊界界定--利益攸關者需求

對火箭彈射座椅全壽命周期的活動進行分析，梳理出其運行使用構想，如圖2所示。對于產(chǎn)品的研發(fā)團隊來說，整理出完整的運行使用構想并指定系統(tǒng)的用例是一種常見的設計活動，可以幫助團隊將需求完整覆蓋。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，其中個別較復雜的用例又由小用例構成。

考慮火箭彈射座椅的全壽命周期的活動，對其活動邊界進行分析，得出與火箭彈射座椅有交聯(lián)關系的有飛行員、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)利益攸關者，再考慮工藝、試驗、六性等約束對該系統(tǒng)的需求，借助DFSS工具對其進行收集、匯總、親和和歸類，梳理出24條利益攸關者需求。

圖2 全壽命周期運行場景圖

3.2 場景分析--系統(tǒng)需求

依據(jù)全壽命周期運行場景圖，對整椅裝機使用場景、分模塊裝機、正常飛行使用場景、應急彈射場景、地面應急離機場景和地面維護場景進行分析，得出不同的使用場景下的利益相關者需求。將所有的需求進行整合梳理歸納，得到功能需求、性能需求、接口需求、六性需求、設計約束等共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)機圖。三者之間的順序可以根據(jù)系統(tǒng)的實際情況靈活選擇，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前用例下典型的功能和運行方式，它是一種表明隨著時間推移，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系。由于同一流程不同功能不能以相反的順序進行，因此活動圖隱含了功能間的依存關系，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)出指令處設置有狀態(tài)選擇機構，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

在總結各個用例中的功能與功能間邏輯關系的同時，需要形成與該用例相關的系統(tǒng)需求。在活動圖構建的過程中，我們借助Rhapsody和Gateway相連，導入DOORS中的條目化需求，在后面狀態(tài)機圖完成后需要在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容，但是其獨特的表達形式可以更有效地展示系統(tǒng)與外界利益攸關者之間的交互內容。

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對典型的功能流程單獨生成順序圖。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成的所有場景。

4.1.3 狀態(tài)機圖

狀態(tài)機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，但不同的是，狀態(tài)機圖關注的是系統(tǒng)中的結構如何根據(jù)時間隨時間發(fā)生的事件改變狀態(tài)，表達的是系統(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)機圖是對形象的活動圖的一種抽象表達。綜合整個火箭彈射座椅的活動圖，即可能以一個狀態(tài)機圖表達整個系統(tǒng)大部分可能的狀態(tài)組合，這也是狀態(tài)機圖獨有的優(yōu)勢。狀態(tài)機圖的運行結果是用來驗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)機圖。在實踐操作過程中會發(fā)現(xiàn)對于火箭彈射座椅這個復雜的系統(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系統(tǒng)的狀態(tài)和活動，分層過細又會造成數(shù)據(jù)量龐大，追溯關系錯綜復雜，會提高出錯率。功能流圖也是一種幫助細化功能分析的方法，采用該方法，分析出火箭彈射座椅在被用戶使用時，其在各階段的功能需求，得到每個用例對應的功能流圖，圖5僅展示了彈射救生用例和防護乘員用例的功能流。對功能流需求進行提取，得到功能層級圖，如圖6所示。

在后續(xù)黑盒模型構建完成后，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)機圖的驗證過程中，對系統(tǒng)場景進行測試，可以檢查設計是否能滿足系統(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)的物理架構明確為止。

5  物理架構模型

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，將功能分配給相應的架構模塊。通過反復迭代，前文共梳理出包括清理彈射通道、約束軀干、高速氣流防護、穩(wěn)定人椅系統(tǒng)等共29項功能，將每項功能賦予到系統(tǒng)的28個架構模塊中。其中功能與架構模塊并不是一一對應的，一項功能可以由多個架構模塊來完成，一個架構模塊也可以完成多項功能，但是無論是功能還是架構模塊，一定要有其對應關系。

5.2 概念碎片

功能分配完成后，通過對國內現(xiàn)狀分析、技術查新、TRIZ方法找出各功能架構的概念碎片。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、進度、技術成熟度等方面對每一項功能要求對應的概念碎片進行對比分析，優(yōu)選出適合該型火箭彈射座椅的方案，進而搭建出該型火箭彈射座椅的物理架構模型。這里僅舉信號傳輸技術優(yōu)選的方案（見表2）。

高壓燃氣信號傳輸結構簡單，技術成熟，但重量較大，壓力控制難度大，維護不便，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，維護性好，布局簡單，可靠性高，但是信號控制難度大，研制及試驗成本高，且不可檢測；激光信號傳輸重量輕，艙內布局簡單，可檢測，安全性高，但是技術成熟度低；電子信號傳輸方式布局簡單，可檢測，維護性好，控制精度高，研制成本和使用維護成本較低，技術成熟度高。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的方案。

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

6  結論

本文介紹了在某型火箭彈射座椅的研發(fā)流程中應用基于DFSS設計理念和MBSE設計方法的經(jīng)驗。針對傳統(tǒng)的研發(fā)流程繁瑣復雜的特點，在某型火箭彈射座椅的研發(fā)流程中，利用DFSS設計理念中的三重質量功能展開，沿著需求--功能邏輯--物理架構的分析路線，對整個研發(fā)流程進行了重新梳理與優(yōu)化，明確了各個階段的輸入和輸出物。同時利用了MBSE的設計方法，基于DOORS、Rhapsody等軟件平臺，從需求和運行概念入手，對該型火箭彈射座椅的運行方式轉化為用例模型，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。這些同時也與條目化的系統(tǒng)需求建立了可追溯的鏈接關系。進而對功能分配給相應的架構模塊，利用DFSS工具對概念碎片進行優(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，實現(xiàn)了需求的分析和轉化。

參考文獻：

[1]王崑聲，袁建華．國外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實踐[J]．中國航天，2012(11):52-57.

[2]NASA．NASA系統(tǒng)工程手冊[M]．朱一凡，李群，楊峰，等，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2012

[3]韓俊仙．關于６西格瑪設計[J]．中國質量，2003(7):26-29．

[4]何楨，梁昭磊，鄒峰．六西格瑪設計模式及其應用研究[J]．工程機械，2006(7):62-65.

[5]fitzgerald T.Design for six sigma-in space and airborne systems[J]．Raytheon Company Technology Today2004(3):30-31.