圖1 流程優(yōu)化圖

需求模型是指從頂層用戶(hù)對(duì)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(lèi)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(guò)程中用戶(hù)表意不明確的要求等轉(zhuǎn)換成待解決的具體問(wèn)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(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)，最頂層的需求來(lái)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(jí)的零部件，層層細(xì)化，這個(gè)分解和分配過(guò)程會(huì)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(duì)應(yīng)于系統(tǒng)級(jí)（如火箭彈射座椅）、分系統(tǒng)級(jí)（如彈射筒系統(tǒng)）、零部件級(jí)（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(guò)邏輯分解來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，同時(shí)基于對(duì)火箭彈射座椅運(yùn)行使用構(gòu)想的分析，梳理整個(gè)過(guò)程中的用例，再識(shí)別出每一層次的系統(tǒng)功能。此外，在功能模型的構(gòu)建過(guò)程中，還通過(guò)QFD（Quality Function Deployment）矩陣將總結(jié)出來(lái)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(duì)應(yīng)，并且功能都能滿(mǎn)足一項(xiàng)或多項(xiàng)需求。對(duì)于沒(méi)有覆蓋到的需求，應(yīng)當(dāng)考慮是否需要增加功能對(duì)該需求進(jìn)行支持；對(duì)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(gè)過(guò)程是反復(fù)迭代直至最終完善。

物理架構(gòu)模型是用來(lái)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(jí)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(duì)多種方案進(jìn)行評(píng)分比較，擇優(yōu)考慮，選擇既能滿(mǎn)足用戶(hù)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(duì)火箭彈射座椅全壽命周期的活動(dòng)進(jìn)行分析，梳理出其運(yùn)行使用構(gòu)想，如圖2所示。對(duì)于產(chǎn)品的研發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，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(jiàn)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，可以幫助團(tuán)隊(duì)將需求完整覆蓋。通過(guò)分析，該型火箭彈射座椅的總共梳理出了14個(gè)主要用例，其中個(gè)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(dòng)，對(duì)其活動(dòng)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(gè)防裝備、指令系統(tǒng)、座艙環(huán)境等12個(gè)系統(tǒng)利益攸關(guān)者，再考慮工藝、試驗(yàn)、六性等約束對(duì)該系統(tǒng)的需求，借助DFSS工具對(duì)其進(jìn)行收集、匯總、親和和歸類(lèi)，梳理出24條利益攸關(guān)者需求。

圖2 全壽命周期運(yùn)行場(chǎng)景圖

3.2 場(chǎng)景分析--系統(tǒng)需求

依據(jù)全壽命周期運(yùn)行場(chǎng)景圖，對(duì)整椅裝機(jī)使用場(chǎng)景、分模塊裝機(jī)、正常飛行使用場(chǎng)景、應(yīng)急彈射場(chǎng)景、地面應(yīng)急離機(jī)場(chǎng)景和地面維護(hù)場(chǎng)景進(jìn)行分析，得出不同的使用場(chǎng)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(dòng)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(wú)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(dòng)圖

活動(dòng)圖類(lèi)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(dòng)態(tài)視圖，其意義是用來(lái)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(dòng)圖隱含了功能間的依存關(guān)系，它也是唯一能夠說(shuō)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(dòng)圖，主循環(huán)從接收彈射指令開(kāi)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(dòng)后座彈射；否則向拋蓋系統(tǒng)發(fā)出拋蓋指令，進(jìn)而啟動(dòng)三座彈射；每座彈射的子活動(dòng)中，還會(huì)有是否接收到艙蓋離位信號(hào)的狀態(tài)選擇。活動(dòng)圖表明系統(tǒng)不接收彈射指令功能，即不會(huì)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(dòng)圖

在總結(jié)各個(gè)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(dòng)圖構(gòu)建的過(guò)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(shuō)明系統(tǒng)行為信息的SysML圖，相比活動(dòng)圖，它并沒(méi)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(kāi)了活動(dòng)圖不僅記錄了系統(tǒng)與外界交互的過(guò)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(guò)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(dòng)圖中一般包含很多分支，因此取決于可讀性考慮應(yīng)對(duì)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(dòng)圖中所有的功能，但沒(méi)有必要覆蓋可能構(gòu)成的所有場(chǎng)景。

4.1.3 狀態(tài)機(jī)圖

狀態(tài)機(jī)圖同活動(dòng)圖和順序圖一樣，是系統(tǒng)的一種動(dòng)態(tài)視圖，是對(duì)形象的活動(dòng)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(dòng)過(guò)程中可能的狀態(tài)行為。從圖上可見(jiàn)，狀態(tài)機(jī)圖是對(duì)形象的活動(dòng)圖的一種抽象表達(dá)。綜合整個(gè)火箭彈射座椅的活動(dòng)圖，即可能以一個(gè)狀態(tài)機(jī)圖表達(dá)整個(gè)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(shì)。狀態(tài)機(jī)圖的運(yùn)行結(jié)果是用來(lái)驗(yàn)證彈射救生座椅系統(tǒng)能否滿(mǎn)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(jí)圖

通過(guò)前面的工作，最終形成的交付產(chǎn)物包括系統(tǒng)需求、活動(dòng)圖、順序圖和狀態(tài)機(jī)圖。在實(shí)踐操作過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)于火箭彈射座椅這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，分層的尺度較難把握，分層過(guò)于粗糙會(huì)使得不能完整表達(dá)系統(tǒng)的狀態(tài)和活動(dòng)，分層過(guò)細(xì)又會(huì)造成數(shù)據(jù)量龐大，追溯關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，會(huì)提高出錯(cuò)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(hù)使用時(shí)，其在各階段的功能需求，得到每個(gè)用例對(duì)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(duì)功能流需求進(jìn)行提取，得到功能層級(jí)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(kāi)，形成下級(jí)各個(gè)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(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，可以檢查設(shè)計(jì)是否能滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。經(jīng)過(guò)層層迭代，將元素不斷更新整理后傳遞到下一級(jí)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(jiàn)的功能分配，將功能分配給相應(yīng)的架構(gòu)模塊。通過(guò)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(gè)架構(gòu)模塊中。其中功能與架構(gòu)模塊并不是一一對(duì)應(yīng)的，一項(xiàng)功能可以由多個(gè)架構(gòu)模塊來(lái)完成，一個(gè)架構(gòu)模塊也可以完成多項(xiàng)功能，但是無(wú)論是功能還是架構(gòu)模塊，一定要有其對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5.2 概念碎片

功能分配完成后，通過(guò)對(duì)國(guó)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(duì)每一項(xiàng)功能要求對(duì)應(yīng)的概念碎片進(jìn)行對(duì)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(hào)傳輸技術(shù)優(yōu)選的方案（見(jiàn)表2）。

高壓燃?xì)庑盘?hào)傳輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)傳輸重量輕，維護(hù)性好，布局簡(jiǎn)單，可靠性高，但是信號(hào)控制難度大，研制及試驗(yàn)成本高，且不可檢測(cè)；激光信號(hào)傳輸重量輕，艙內(nèi)布局簡(jiǎn)單，可檢測(cè)，安全性高，但是技術(shù)成熟度低；電子信號(hào)傳輸方式布局簡(jiǎn)單，可檢測(cè)，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(guò)重要度評(píng)估，確定選擇電子信號(hào)傳輸方式作為指令信號(hào)傳輸技術(shù)的方案。

按照類(lèi)似的方法對(duì)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(duì)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(kāi)，沿著需求--功能邏輯--物理架構(gòu)的分析路線，對(duì)整個(gè)研發(fā)流程進(jìn)行了重新梳理與優(yōu)化，明確了各個(gè)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(tái)，從需求和運(yùn)行概念入手，對(duì)該型火箭彈射座椅的運(yùn)行方式轉(zhuǎn)化為用例模型，在對(duì)用例的功能分析中得到活動(dòng)圖、順序圖以及可執(zhí)行的狀態(tài)機(jī)圖，從不同角度來(lái)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(duì)功能分配給相應(yīng)的架構(gòu)模塊，利用DFSS工具對(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]NASA．NASA系統(tǒng)工程手冊(cè)[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(guān)于６西格瑪設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)質(zhì)量，2003(7):26-29．

[4]何楨，梁昭磊，鄒峰．六西格瑪設(shè)計(jì)模式及其應(yīng)用研究[J]．工程機(jī)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.