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摘要：本文从航空公司维护活动的角度出发，提出进行民用飞机机载健康管理系统（OHMS）需求设计的基本活动，并对捕获OHMS功能需求的一般过程进行研究，以指导未来民用飞机机载健康管理系统的功能设计。
关键词：民用飞机；健康管理；系统工程；需求；捕获过程
0 引言
民用飞机机载健康管理系统利用机载传感器采集飞机航电系统或机械电子系统的运行状态信息，借助各种数据分析处理手段进行故障诊断、状态预测及系统部件剩余使用寿命估计，以确定飞机系统健康状态或趋势，对飞机系统或部件实施基于状态的视情维修有着重要意义。作为航空公司维护人员的重要辅助工具，OHMS由于出现在民航界的时间较为滞后[1]，其设计总体上符合新研产品自顶向下的基本过程，本文在系统工程的基础上，结合民用飞机OHMS开发工程实践，总结出一套适用于民用飞机机载健康管理系统开发的功能需求捕获过程。
1 民用飞机系统一般设计过程
机载系统的设计过程始于获取客户需要，通过不断细化或补充完善客户的需求最终实现系统的功能。多数情况下，用户会根据自己的经验及系统发展趋势提出一些顶层要求，系统集成者一方面需使用工程的语言记录这些要求，另一方面，对用户要求中比较模糊或不够具体的项目，集成者需从用户的角度出发进行明确。“使用用例（use case）”[2]提供了一种供系统集成者了解客户需要的工程手段，通过设想用户使用系统的工作场景，捕获系统的基本功能需求，设计系统功能架构和物理架构，确定该系统与飞机其他系统之间的初步接口，形成多项可行的系统设计方案，随后需对这些可选方案基于不同要素的权重值进行评估权衡[3]以确立最优设计方案（如图1）。
图1 民用飞机机载系统的一般设计过程
2 机载健康管理系统需求捕获过程
2.1 确立需求相关方并理解客户需要
开展健康管理系统需求设计的基础是识别需求的相关方，也称利益攸关方[4]。需求相关方是指任何可对该系统提出使用、限制使用或其他需要的人或机构，包括主制造商，航空公司维护人员，OHMS适航审查方等。特定情况下，某些由OHMS可能引起伤害的潜在对象也属于需求相关方。需求设计过程中，OHMS集成者需时刻关注每一功能对所有需求相关方产生的影响，如健康管理系统开发成本评估时，应统筹考虑系统全生命周期内的成本，以免由于仅考虑研发成本而忽视了对航空公司造成使用成本上升的影响。健康管理系统集成者应从项目初始阶段收集客户有关故障诊断、状态监控及预诊断方面的使用需要并使用符合用户习惯的术语准确描述这些客户需求。
2.2 描述系统需解决的工程问题
健康管理系统的出现是为了解决复杂系统的维护或运行状态监控的问题，OHMS集成者是否准确识别所有潜在的工程问题显得极为重要，创建一份与OHMS开发及使用相关的工程问题清单可有效帮助集成者捕获所有待解决的问题。该清单有助于交叉确认OHMS系统集成者捕获的需求是否可以覆盖识别的工程问题。
2.3 开发OHMS使用用例
机载健康管理系统在飞机的设计和制造阶段可以帮助系统集成者高效准确地检测并隔离出故障和失效，提高飞机集成与制造效率；另一方面，当飞机交付用户之后，OHMS可以协助航空公司用户进行航线维护或机载软件升级，降低维护和运营成本。使用用例可以描述OHMS在开发和使用阶段针对多个需求相关方与系统之间的行为动作，明确系统的工作场景及完成每项维护任务的工作顺序。用户与系统之间的交互动作及顺序可以包括在用例报告或使用用例框图中，OHMS集成者后续将根据这些用例图进行需求的编写与确认。
2.4 捕获OHMS需求
基于上一阶段中定义的OHMS使用用例，系统集成者针对每一活动编写与此相关的功能需求。在需求的定义、细化和分类分级过程中，OHMS集成者需确保所有成员系统集成者参与整个需求的捕获工作，这一过程是否需要加入航空公司维护人员、适航审查方或其他需求相关方，应根據项目周期及OHMS需求开发的经验作出慎重考虑。OHMS系统工程师是捕获系统需求的关键因素，使用用例或其他系统建模工具辅助系统工程师更加全面高效地开展捕获工作。
根据捕获的系统需求，OHMS系统集成者分析需求并总结出该系统需执行的功能，基于不同功能之间的特性或执行层面的考虑，将OHMS划分为不同的子系统。一般地，OHMS可以根据故障是否发生而分为执行故障诊断的中央维护子系统和进行故障预诊断的飞机状态監控子系统。
2.5 澄清OHMS需求
完成OHMS需求的捕获和编写后，需对每一需求进行澄清并添加相关的解释性信息，以支持后续的需求确认活动。通过澄清解释每一条需求，OHMS集成者可以交叉检查所捕获的需求是否满足了相关方的使用需要，是否解决了OHMS研发之初识别的工程问题。
2.6 分解与分配OHMS需求
需求分解活动是将一条顶层需求分解为两条或两条以上需求的过程。分解后的多条OHMS需求的所有内容应完全涵盖未分解前的上一层级需求，并将取代原需求作为下一阶段系统设计工作的输入。
分解后的每一条功能需求都应该分配到相应地子系统、软硬件或接口组件中。需求分配活动应在系统设计的早期阶段完成，一般在较高层级的需求中展开。
2.7 定义OHMS衍生需求
OHMS衍生需求可能产生于系统设计过程中出现的种种限制或未出现在客户要求中的隐含需求，也可能由所选定的系统架构或系统集成者的商务考虑而引入衍生需求。
3 OHMS需求捕获过程中的确认验证及管理考虑
OHMS与众多成员系统之间存在功能接口，因此在需求捕获的每一阶段对功能需求进行必要的确认或验证显得尤为重要。需求的确认活动包括正确性和完整性两个方面，确保系统设计满足客户实际需要，确认方法包括追溯性、评审、建模等手段；需求的验证指通过检查、建模、仿真、分析、测试等手段[5]确认最终实现的系统符合需求捕获过程中形成的需求规范。
OHMS需求捕获（图2）及确认验证的过程中，需及时识别项目风险，并将风险管理纳入需求管理过程中，以实现所有的需求及关联的风险项得到有效控制，确保所有需求从系统到子系统层级可以实现全追溯，需求的编写与评估采用了
相同的准则。
4 结论
民用飞机机载健康管理系统的研制关系到主制造商对未来高复杂集成化航电系统架构下缩减飞机运营及维护成本、提高飞机运行效率的战略考虑，按照民用飞机系统工程的过程和项目实践经验捕获OHMS需求，将是未来健康管理系统设计和实现的基本原则。我国目前正在开展单通道飞机的试飞验证和宽体型号的方案研制工作，遵循本文描述的OHMS需求捕获过程，有助于加快项目设计进度，降低研发成本，确保最终实现的机载健康管理系统充分考虑且实现了航空公司使用需要，从而提升国产大飞机的整体竞争力。
参考文献：
[1] 姚斌. 民用飞机机载维护系统发展过程研究[J]. 科技创新导报，2013（16）.
[2] Bahill， A. T. and Dean， F. F.， Discovering system requirements， Chapter 4 in Handbook of Systems Engineering and Management， A. P. Sage and W. B. Rouse （Eds.）， second edition， John Wiley & Sons， pp. 205-266， 2009.
[3] 李卉， 孙艳博. 民机综合航电系统需求分析流程研究[J]. 2016年第五届民用飞机航电系统国际论坛文集.
[4] 李慧颖， Susan Ying. 飞机顶层需求捕获经验介绍[J]. 民用飞机设计与研究，2016（120）.
[5] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems. SAE. 2010-12.
关键词：民用飞机；健康管理；系统工程；需求；捕获过程
0 引言
民用飞机机载健康管理系统利用机载传感器采集飞机航电系统或机械电子系统的运行状态信息，借助各种数据分析处理手段进行故障诊断、状态预测及系统部件剩余使用寿命估计，以确定飞机系统健康状态或趋势，对飞机系统或部件实施基于状态的视情维修有着重要意义。作为航空公司维护人员的重要辅助工具，OHMS由于出现在民航界的时间较为滞后[1]，其设计总体上符合新研产品自顶向下的基本过程，本文在系统工程的基础上，结合民用飞机OHMS开发工程实践，总结出一套适用于民用飞机机载健康管理系统开发的功能需求捕获过程。
1 民用飞机系统一般设计过程
机载系统的设计过程始于获取客户需要，通过不断细化或补充完善客户的需求最终实现系统的功能。多数情况下，用户会根据自己的经验及系统发展趋势提出一些顶层要求，系统集成者一方面需使用工程的语言记录这些要求，另一方面，对用户要求中比较模糊或不够具体的项目，集成者需从用户的角度出发进行明确。“使用用例（use case）”[2]提供了一种供系统集成者了解客户需要的工程手段，通过设想用户使用系统的工作场景，捕获系统的基本功能需求，设计系统功能架构和物理架构，确定该系统与飞机其他系统之间的初步接口，形成多项可行的系统设计方案，随后需对这些可选方案基于不同要素的权重值进行评估权衡[3]以确立最优设计方案（如图1）。
图1 民用飞机机载系统的一般设计过程
2 机载健康管理系统需求捕获过程
2.1 确立需求相关方并理解客户需要
开展健康管理系统需求设计的基础是识别需求的相关方，也称利益攸关方[4]。需求相关方是指任何可对该系统提出使用、限制使用或其他需要的人或机构，包括主制造商，航空公司维护人员，OHMS适航审查方等。特定情况下，某些由OHMS可能引起伤害的潜在对象也属于需求相关方。需求设计过程中，OHMS集成者需时刻关注每一功能对所有需求相关方产生的影响，如健康管理系统开发成本评估时，应统筹考虑系统全生命周期内的成本，以免由于仅考虑研发成本而忽视了对航空公司造成使用成本上升的影响。健康管理系统集成者应从项目初始阶段收集客户有关故障诊断、状态监控及预诊断方面的使用需要并使用符合用户习惯的术语准确描述这些客户需求。
2.2 描述系统需解决的工程问题
健康管理系统的出现是为了解决复杂系统的维护或运行状态监控的问题，OHMS集成者是否准确识别所有潜在的工程问题显得极为重要，创建一份与OHMS开发及使用相关的工程问题清单可有效帮助集成者捕获所有待解决的问题。该清单有助于交叉确认OHMS系统集成者捕获的需求是否可以覆盖识别的工程问题。
2.3 开发OHMS使用用例
机载健康管理系统在飞机的设计和制造阶段可以帮助系统集成者高效准确地检测并隔离出故障和失效，提高飞机集成与制造效率；另一方面，当飞机交付用户之后，OHMS可以协助航空公司用户进行航线维护或机载软件升级，降低维护和运营成本。使用用例可以描述OHMS在开发和使用阶段针对多个需求相关方与系统之间的行为动作，明确系统的工作场景及完成每项维护任务的工作顺序。用户与系统之间的交互动作及顺序可以包括在用例报告或使用用例框图中，OHMS集成者后续将根据这些用例图进行需求的编写与确认。
2.4 捕获OHMS需求
基于上一阶段中定义的OHMS使用用例，系统集成者针对每一活动编写与此相关的功能需求。在需求的定义、细化和分类分级过程中，OHMS集成者需确保所有成员系统集成者参与整个需求的捕获工作，这一过程是否需要加入航空公司维护人员、适航审查方或其他需求相关方，应根據项目周期及OHMS需求开发的经验作出慎重考虑。OHMS系统工程师是捕获系统需求的关键因素，使用用例或其他系统建模工具辅助系统工程师更加全面高效地开展捕获工作。
根据捕获的系统需求，OHMS系统集成者分析需求并总结出该系统需执行的功能，基于不同功能之间的特性或执行层面的考虑，将OHMS划分为不同的子系统。一般地，OHMS可以根据故障是否发生而分为执行故障诊断的中央维护子系统和进行故障预诊断的飞机状态監控子系统。
2.5 澄清OHMS需求
完成OHMS需求的捕获和编写后，需对每一需求进行澄清并添加相关的解释性信息，以支持后续的需求确认活动。通过澄清解释每一条需求，OHMS集成者可以交叉检查所捕获的需求是否满足了相关方的使用需要，是否解决了OHMS研发之初识别的工程问题。
2.6 分解与分配OHMS需求
需求分解活动是将一条顶层需求分解为两条或两条以上需求的过程。分解后的多条OHMS需求的所有内容应完全涵盖未分解前的上一层级需求，并将取代原需求作为下一阶段系统设计工作的输入。
分解后的每一条功能需求都应该分配到相应地子系统、软硬件或接口组件中。需求分配活动应在系统设计的早期阶段完成，一般在较高层级的需求中展开。
2.7 定义OHMS衍生需求
OHMS衍生需求可能产生于系统设计过程中出现的种种限制或未出现在客户要求中的隐含需求，也可能由所选定的系统架构或系统集成者的商务考虑而引入衍生需求。
3 OHMS需求捕获过程中的确认验证及管理考虑
OHMS与众多成员系统之间存在功能接口，因此在需求捕获的每一阶段对功能需求进行必要的确认或验证显得尤为重要。需求的确认活动包括正确性和完整性两个方面，确保系统设计满足客户实际需要，确认方法包括追溯性、评审、建模等手段；需求的验证指通过检查、建模、仿真、分析、测试等手段[5]确认最终实现的系统符合需求捕获过程中形成的需求规范。
OHMS需求捕获（图2）及确认验证的过程中，需及时识别项目风险，并将风险管理纳入需求管理过程中，以实现所有的需求及关联的风险项得到有效控制，确保所有需求从系统到子系统层级可以实现全追溯，需求的编写与评估采用了
相同的准则。
4 结论
民用飞机机载健康管理系统的研制关系到主制造商对未来高复杂集成化航电系统架构下缩减飞机运营及维护成本、提高飞机运行效率的战略考虑，按照民用飞机系统工程的过程和项目实践经验捕获OHMS需求，将是未来健康管理系统设计和实现的基本原则。我国目前正在开展单通道飞机的试飞验证和宽体型号的方案研制工作，遵循本文描述的OHMS需求捕获过程，有助于加快项目设计进度，降低研发成本，确保最终实现的机载健康管理系统充分考虑且实现了航空公司使用需要，从而提升国产大飞机的整体竞争力。
参考文献：
[1] 姚斌. 民用飞机机载维护系统发展过程研究[J]. 科技创新导报，2013（16）.
[2] Bahill， A. T. and Dean， F. F.， Discovering system requirements， Chapter 4 in Handbook of Systems Engineering and Management， A. P. Sage and W. B. Rouse （Eds.）， second edition， John Wiley & Sons， pp. 205-266， 2009.
[3] 李卉， 孙艳博. 民机综合航电系统需求分析流程研究[J]. 2016年第五届民用飞机航电系统国际论坛文集.
[4] 李慧颖， Susan Ying. 飞机顶层需求捕获经验介绍[J]. 民用飞机设计与研究，2016（120）.
[5] ARP4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems. SAE. 2010-12.