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基于MBSE的民用飞机功能架构设计方法

梅芊 黄丹 卢艺

梅芊, 黄丹, 卢艺等 . 基于MBSE的民用飞机功能架构设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(5): 1042-1051. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0494
引用本文: 梅芊, 黄丹, 卢艺等 . 基于MBSE的民用飞机功能架构设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(5): 1042-1051. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0494
MEI Qian, HUANG Dan, LU Yiet al. Design method of civil aircraft functional architecture based on MBSE[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(5): 1042-1051. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0494(in Chinese)
Citation: MEI Qian, HUANG Dan, LU Yiet al. Design method of civil aircraft functional architecture based on MBSE[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(5): 1042-1051. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0494(in Chinese)

基于MBSE的民用飞机功能架构设计方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0494
基金项目: 

中国大型民用飞机专项研究 MJZ-2016-S-04

详细信息
    作者简介:

    梅芊  女, 硕士研究生。主要研究方向:人机系统、系统工程

    黄丹  男, 博士, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向:航空人为因素、人机系统

    通讯作者:

    黄丹.E-mail:huangdan@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V37

Design method of civil aircraft functional architecture based on MBSE

Funds: 

Chinese Special Research Program of a Large Civil Aircraft MJZ-2016-S-04

More Information
  • 摘要:

    基于模型的系统工程(MBSE)理论越来越广泛地应用于民用飞机设计与功能需求分析领域。研究起始于基于用户需求的自顶向下的民机系统产品顶层用例,辨识相关关键子用例,进一步基于对象用例展开“需求—功能分析”,构建黑盒活动图、顺序图表达实现相关飞机级需求的黑盒功能流,从而明确系统接口和辨识子系统,构建经验证可靠的可进行逻辑仿真的黑盒状态机。在黑盒功能架构的基础上驱动基于人机交互系统模型仿真的民机功能架构“正向设计”过程,对黑盒进行解白,基于建模分析和数值仿真结果,构建实现相关飞机级需求的系统功能白盒架构的“正向设计”。为充分演示上述方法,选择了对民用飞机产品安全性具有关键影响的最后进近着陆场景用例作为案例模型。研究表明,基于MBSE的民用飞机功能架构设计方法充分保证了需求分析和功能架构设计的紧密结合,正向构建了以满足民机产品需求为导向的结构化系统设计方法。

     

  • 图 1  Rational集成系统开发流程Harmony图

    Figure 1.  Harmony diagram of Rational integrated system development process

    图 2  民机系统最后进近着陆场景顶层用例模型

    Figure 2.  Top-level use case model of civil aircraft system in final approach and landing scenario

    图 3  民机系统二级子用例

    Figure 3.  Second-level sub-use case of civil aircraft system

    图 4  民机系统三级子用例

    Figure 4.  Third-level sub-use case of civil aircraft system

    图 5  最后进近着陆过程黑盒活动图[17]

    Figure 5.  Black box activity diagram of final approach and landing process[17]

    图 6  调定速度用例顺序图

    Figure 6.  Sequence diagram of set speed use case

    图 7  需求确认矩阵

    Figure 7.  Requirement confirmation matrix

    图 8  最后进近着陆过程状态机图[11]

    Figure 8.  State machine diagram in final approach and landing process[11]

    图 9  模拟飞行员模型框架

    Figure 9.  Simulated pilot model framework

    图 10  最后进近着陆阶段典型飞行场景

    Figure 10.  Typical flight scenario of final approach and landing phase

    图 11  需求映射到控制器演示图

    Figure 11.  Demonstration diagram of requirements mapped to controller

    图 12  模拟飞机轨迹

    Figure 12.  Simulated aircraft trajectory

    表  1  子系统划分

    Table  1.   Subsystem partition

    具体功能 子系统
    监控速度 监控子系统
    监控高度
    监控下降率
    接受指令
    报告飞行状态信息
    报告飞行状态信息
    调整速度 油门控制子系统
    保持速度
    刹车
    慢车反推
    调整滚转平衡 舵面调节子系统
    调整滚转角
    调节下降率
    保持下降率
    复飞
    襟翼收放 襟翼系统
    感知飞行状态信息 指令计算子系统
    沿下滑道下滑
    对准跑道
    生成预测航迹
    调定速度
    调整下降率
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    表  2  波音747-400机身参数

    Table  2.   Boeing 747-400 aircraft parameters

    参数 数值
    翼展c/m 59.74
    翼展b/m 8.32
    参考面积s/m2 510.97
    起飞质量m/kg 288 775
    最大推力T/kg4 28 803
    Ix 24 675 887
    Iy 44 877 574
    转动惯量/(kg·m2) Iz 67 384 152
    Ixz 1 315 143
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    表  3  波音747-400气动力系数

    Table  3.   Boeing 747-400 aerodynamic coefficient

    参数 数值
    升力系数 CL0 0.21
    CL_α 4.40
    CL_adot 7.0
    CL_q 6.6
    CL_de 0.32
    阻力系数 CD0 0.016 4
    CD_α 0.2
    侧力系数 CY_beta -0.9
    CY_p 0
    CY_dr 0.12
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    表  4  波音747-400气动力矩系数

    Table  4.   Boeing 747-400 aerodynamic moment coefficient

    参数 数值
    滚转力矩l Cl_beta -0.16
    Cl_p -0.34
    Cl_r 0.13
    Cl_da -0.013
    Cl_dr 0.008
    俯仰力矩M CM0 0
    CM_a -1.0
    CM_adot -4
    CM_q -20.5
    CM_de -1.3
    偏航力矩N CN_beta 0.16
    CN_p -0.026
    CN_r -0.280
    CN_da -0.001 8
    CN_dr -0.1
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    表  5  基础实验及对照实验仿真方法

    Table  5.   Basic experiment and control experiment simulation method

    实验组别 参数设置
    基础实验 时延:TSA~U(0, 1),
    TMD~N(1, 1), TAC~T(1, 2)
    升降舵控制精度IδE和油门控制精度IδT
    IδE~RandomInteger(1, 5)
    IδT=U(1/50, 1/10)
    高度控制灵敏度:
    对照实验1 时延:TSA~U(1, 2), TMD~N(2, 1),
    TAC~T(2, 3)
    其他参数设置与基础实验相同
    对照实验2 控制精度:
    IδE~RandomInteger(1, 10)
    IδT=U(1/50, 1/5)
    其他参数设置与基础实验相同
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2018-08-29
  • 录用日期:  2018-12-28
  • 网络出版日期:  2019-05-20

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