0 引言

“地面减速”是飞机的一个典型功能^[1],承担着在飞机着陆后的减速任务;如果在有限距离的跑道中不能及时减速,可能造成冲出跑道的情况和机毁人亡的后果;地面减速是飞机上一个具有最高安全等级^[2]的功能。

地面减速功能在飞机上的实现涉及多个系统,其综合系统架构比较复杂,其设计过程需要严格遵循系统工程正向设计^[3-8]的指导,地面减速综合系统架构复杂性主要体现在:

1)多系统集成,地面减速功能在飞机上由机轮刹车系统、扰流板系统和发动机反推系统三个核心减速系统共同实现,同时还需要液压系统、电源系统、导航系统、起落架系统和指示记录系统等的支持;

2)多接口形式且接口数量巨大,地面减速功能相关系统之间和内部存在大量的信号接口、物质接口(液压油)和能量接口(电能);

3)多冗余特性,为支持高安全性要求的实现,刹车系统、扰流板系统和反推系统等均具备多种冗余特性,包括液压供给冗余、供电冗余、作动机构冗余等;

4)多系统的协同工作逻辑复杂,三个核心减速系统的工作逻辑需要满足特定的时序,并适应所有可预期的场景。

由于飞机地面减速综合系统架构的复杂性,传统的基于文档和离散二维制图的系统架构设计方法已经不能满足要求;工程单位需要一种有效的建模方法对地面减速综合系统架构进行设计描述,并支持后续全局性的设计分析,包括整体减速性能分析和安全性评估分析^[9]等;SysML建模语言^[10]契合系统工程正向设计的思路,且能够从多个视角描述系统综合设计的结果,是复杂系统设计领域的主要建模语言。

在基于模型的系统架构设计方面,多名学者和工程师采用SysML语言针对多个领域的复杂系统架构设计和建模进行了研究,包括飞机系统设计方面的自动飞行系统^[11]、近地告警系统^[12]、空中防撞系统^[13]、起落架系统^[14]、IMA综合模块化航电系统^[15]等,以及卫星系统^[16]、潜艇系统^[17]、动车系统^[18]、导弹系统^[19]等;这些系统架构设计和建模的研究对系统的行为特征进行了建模分析,但并没有解决复杂系统架构设计中的多层级、多接口、多冗余特性等难点问题。

结合飞机地面减速综合系统架构设计的要求和SysML建模语言的特征,本文提出了“基于SysML模型的飞机地面减速综合系统架构设计方法”。

1 地面减速系统和SysML语言简介

1.1 地面减速功能和系统组成简介

飞机地面减速功能由机轮刹车系统、扰流板系统和发动机反推系统共同实现。

机轮刹车系统的作用主要是提供机轮刹车功能;主要由驾驶舱操纵部件、刹车控制单元、液压作动器等组成。扰流板系统的作用主要是地面破升功能,即通过改变机翼外形,在机轮触地后破坏升力,使机轮尽快与跑道地面产生足够的压力并提高机轮刹车效率;主要由减速板手柄、多功能扰流板和地面扰流板等组成。发动机反推系统的作用主要是提供反推力功能,即通过改变发动机喷流方向,产生反推力,提升地面减速效率;主要由反推杆、反推控制单元和反推执行机构等组成。

1.2 SysML建模语言简介

在飞机地面减速综合系统架构设计中,主要用到了SysML语言的架构建模和行为建模部分。

SysML建模语言中支持系统架构建模的主要是“块定义图”和“内部块图”。块定义图和架构建模元素的示意图如图1所示。“系统块”可以被分解为“子系统1”和“组件1”,“子系统1”可以被分解为“组件2”和“组件3”;系统接口包括信号、物质和能量(电能)等形式。

内部块图和接口交联关系的示意图如图2所示。“系统块”内部各组成部分的接口交联关系可以通过“接口”之间的连接线进行描述;内部块图可以反映多层级的系统架构接口关系。

SysML建模语言中支持系统行为建模的主要是“活动图”。活动图中的行为建模元素主要包括动作、泳道、控制流和对象流等,示意图如图3所示。泳道代表架构元素,嵌入的泳道代表对上层级泳道代表的架构元素的分解;每个行为动作都可以分配给相应的架构元素,代表该动作由相应架构元素执行;动作之间的虚线代表动作执行的时序,实线代表动作之间的交互,比如信号、物质和电能;不同泳道中不同动作之间的交互可以对应到架构元素之间的接口;每个活动图都代表一个典型场景下架构元素之间的行为逻辑,不同场景对应的行为逻辑可能不同。

活动图描述的行为是对静态系统架构设计的动态特性补充,可以仿真执行;通过行为仿真,可以确认系统架构设计包括架构元素定义和接口定义的正确性。

2 系统架构设计的建模方法

在飞机地面减速综合系统架构的设计中,SysML建模语言的应用如下:

1)使用架构建模元素“块”描述飞机系统的功能、系统和设备;使用块定义图上“块”的分解关系描述飞机系统的功能分解、系统设备分解等;使用同一个“块”的不同内部块图描述飞机系统架构的多角度设计,包括多系统、多接口形式和多冗余特性等;

2)使用“活动图”描述多系统间的复杂运行逻辑,对架构设计结果进行确认。

2.1 地面减速综合系统架构设计和建模过程

飞机地面减速综合系统架构设计和建模过程如图4所示。

在架构不断细化设计的建模过程中,飞机地面减速综合系统架构的设计模型能够始终保持统一性和完整性。

2.2 飞机级地面减速功能架构建模

功能定义和功能分解结构模型可以清晰的描述各层级飞机功能之间的分解关系,地面减速相关的飞机级功能定义和功能分解结构模型如图5所示。

在明确每个飞机级功能的内涵和功能间的协作关系后,可以建立飞机级地面减速功能的功能架构模型,如图6所示,可以清晰描述地面减速相关飞机级功能之间的接口交互关系。

飞机级地面减速功能架构作为后续系统架构设计的起点,为系统架构的设计提供顶层接口框架约束。

2.3 飞机级地面减速物理架构建模和行为分析

每个飞机级功能都需要被分配给一个或多个飞机系统,比如“地面减速”功能同时被分配给机轮刹车系统、扰流板系统和反推系统。地面减速功能相关的飞机系统分解模型如图7所示。

在地面减速核心系统(机轮刹车、扰流板系统和反推系统)之外,还需要液压系统、电源系统等的支持。

根据飞机级地面减速功能架构中的功能接口关系,以及功能到系统的分配情况,可以构建初步的飞机级地面减速物理架构,初步物理架构中不包含冗余供电/供液压等特征;随着安全性要求在系统架构设计中的贯彻,实现高安全性要求的每个系统都会引入冗余等安全性机制,需要对初步的地面减速物理架构进行完善,直至整机系统架构能够满足所有顶层需求,包括整机减速性能需求和安全性需求等。

飞机级地面减速物理架构模型如图8所示。本图可以清晰呈现不同系统间冗余的接口关系,比如机轮刹车系统、扰流板系统和反推系统均具备多路冗余供电,而刹车系统和扰流板系统均具备多路液压供给。

飞机级地面减速物理架构模型地面减速功能相关的飞机系统比较多,这些系统之间的协同工作逻辑比较复杂,正常场景(自动刹车)下的地面减速整体工作过程可以通过活动图建模进行仿真分析,如图9所示。自动刹车场景中,扰流板系统接收到起落架系统的轮载信号并确认触地后会打开所有扰流板并执行地面破升;已经预位自动刹车的机轮刹车系统在确认触地并确认地面破升工作状态后自动执行机轮刹车;反推系统需要接收飞行员的反推操作指令并确认地速低于某阈值后开始执行;在多个系统的协同工作下,飞机执行高效的减速过程。

飞机系统设计工程师通过行为仿真分析判断不同场景下的地面减速行为逻辑是否正常,对地面减速综合系统架构设计进行确认。

2.4 系统级地面减速功能架构建模

根据功能分解,“地面减速”功能可以进行细化架构建模,形成系统级地面减速功能架构模型,如图10所示。随着飞机功能的不断细化分解,地面减速功能架构也可以不断的细化设计,多层级跨系统的功能架构可以保持良好的统一性。

系统级功能需要被分配到系统组件或设备,统一的系统级功能架构为地面减速各系统的物理架构设计提供了一致且完备的接口框架约束。

2.5 反推系统的物理架构建模和行为分析

以反推系统为例,说明系统级物理架构的设计和建模过程。分配给发动机反推系统的功能主要是“提供反推”功能,反推系统的统一设备定义和分解(部分)如图11所示。采用“面向对象”的建模方法,“反推子系统”元素可以定义一次,复用多次,支持冗余设计的表达。

反推系统物理架构中,系统供电和控制架构视图模型如图12所示。

反推系统的状态反馈信号架构视图模型如图13所示。

反推系统作动前的三套锁定机制的解锁逻辑比较复杂,任何一个或者两个相关组件(反推杆、EICU、FADEC)的单独失效或同时失效都不可能造成反推在空中错误打开。反推系统的运行过程模型如图14所示。反推系统的运行过程模型可以清晰反映反推系统三套互锁机制的解锁过程和反推作动的过程,可以对反推系统架构设计的正确性和完整性进行确认。

2.6 地面减速综合系统架构设计建模方法小结

由于低层级的系统架构设计受到高层级架构的统一接口约束,在完成飞机级和各系统级的详细物理架构建模后,本质上就已经完成了飞机地面减速综合系统架构的设计,多层级多系统集成简化模型如图15所示。“物理飞机”架构中包含“反推系统”,而“反推系统”的架构可以不断细化到“反推主锁”等设备层级;由于采用了基于模型的方法,系统物理架构在不断细化设计的过程中可以保持与接口系统的兼容性,进而保持综合系统架构设计的完整性和一致性。

3 结论

本文提出了基于SysML建模开展飞机地面减速综合系统架构的设计方法,实践结果表明:

1)通过统一架构元素(功能或设备)定义和分解,基于模型的方法可以有效实现多层级多系统的系统架构集成设计;

2)通过统一接口定义和多角度内部块图建模,基于模型的方法可以有效应对多接口形式和接口数量巨大的情况;

注:鉴于完整模型的复杂性,图中隐去了大部分架构元素和相应接口。

3)通过应用“面向对象”的建模思想,基于模型的方法可以有效处理飞机系统架构中的多种冗余机制;

4)通过将架构建模和行为建模进行区分并建立关联关系,基于模型的方法可以有效描述单系统的工作逻辑和多系统的协同工作逻辑,支持对架构设计结果的确认。

参考文献