CN108846156A - 基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法，包含以下步骤：对基于四维航迹运行的空管运行典型应用场景进行正向设计，捕获基于四维航迹运行的空管系统运行意图和空管运行顶层需求；基于空管运行顶层需求建立高层运行概念图；对为达到各任务目标所需的运行节点相关运行能力、运行活动和活动间的输入/输出流进行分析，建立运行活动模型；根据所述运行活动模型，建立运行事件跟踪描述、运行节点连接图和各节点的运行状态转移描述；明确系统组成和系统功能，建立一系列的基于四维航迹运行的空管体系架构模型，进而完成系统架构设计。本发明能够有效应对基于四维航迹运行的空管运行系统的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用复杂系统工程的方法针对基于四维航迹的民航空管运行体系架构进行建模的技术,属于民用航空空中交通管理技术领域。
背景技术
近年来，随着全世界范围内民航运输业的迅猛发展，传统的以飞机现有位置的雷达监控为基础的空中交通管理(ATM)体系越来越难以满足航空运输系统的需要，因此欧洲航空安全组织(EUROCONTROL)和美国联邦航空局(FAA)分别提出了“单一欧洲天空空管研究”(SESAR)和“下一代空中交通系统”(NextGEN)计划。4D航迹技术是实现新一代空管自动化运行体系的技术基础，同时也是空管科技领域需要解决的核心问题，因此日益成为航空发达国家研究的热点。
4D航迹是以空间和时间形式(航空器的经度纬度、高度坐标与时间坐标)，对航空器飞行全部飞行路径的关键点和时间加以精确描述，航空器根据飞行计划、气象信息、飞机性能等信息对四维航迹进行规划和预测，并与其他航空器及地面空管部门、机场、航空公司等各利益相关方进行共享和协调。时间约束(time constraint)是四维航迹的重要组成要素。四维航迹的规划包括在航路上设置一个或多个计量点，并在每个计量点上设定飞机预计到达该点的时间约束条件，称为控制到达时间(CTA)。航空器通过ADS-C、CPDLC等通信链路与其他航空器及地面各利益相关方间进行航迹的共享和协调，最终取得四维航迹的运行许可。航空器通过使用飞行管理系统(FMS)中的所需到达时间(RTA)功能自我管理飞行速度，并通过通信、导航、监视等设备的协同运作在控制到达时间(CTA)约束范围内到达航路计量点，严格依据四维航迹完成“门到门”的飞行。基于四维航迹的运行能显著提升空中交通水平和空域资源利用率，增加空中交通流量，减少航空器运行航迹的不确定性。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法。本发明将从基于四维航迹运行的空管运行意图出发，依次构建高级运行概念、运行活动模型、运行事件追踪描述、运行节点连接描述、运行状态转移描述、系统功能描述、系统事件追踪描述、系统接口描述、系统状态转移描述等，并结合可视化场景演示共同完成模型的仿真运行，最终输出得到系统架构和系统需求。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现；
一种基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法，包含以下步骤：
(1)根据空管运行体系发展现状，提出基于四维航迹运行的空管系统运行意图，基于此空管系统运行意图分析面向任务应用的基于四维航迹运行的空管运行顶层需求；
(2)基于空管运行顶层需求构建基于四维航迹运行的典型空管运行场景，提取该典型空管运行场景下的任务目标，梳理各任务目标的利益相关方和运行节点，建立基于四维航迹运行的高层运行概念图；
(3)对为达到各任务目标所需的运行节点相关运行能力、运行活动和活动间的输入/输出流进行分析，建立基于四维航迹运行的运行活动模型；
(4)根据所述运行活动模型，分析该典型空管运行场景下相关运行节点间的信息交互，以时序图的方式建立基于四维航迹运行的运行事件跟踪描述；
(5)根据所述运行事件跟踪描述，以图形化的方式从总体上整理运行节点间的信息交互关系并定义各节点交互接口，建立运行节点连接图；
(6)根据所述运行活动模型和运行事件跟踪描述，通过描述各运行节点对于不同事件激励下的状态转换，建立各节点的运行状态转移描述；
(7)根据步骤(1)至(6)明确系统组成和系统功能，建立一系列的基于四维航迹运行的空管体系架构模型，进而完成系统架构设计。
进一步，步骤(7)包含以下步骤：
(a)根据运行节点连接图确定各节点的相关系统和子系统结构，建立系统组成描述
(b)根据运行活动模型中定义的各运行活动和信息交互，确定各系统和子系统为实现这些活动所应具备的系统功能，建立系统功能描述，
(c)根据所述系统功能描述，分析各系统和子系统间的信息交互，以时序图的方式建立系统事件跟踪描述；
(d)确定系统组成描述中各系统和子系统的信息交互关系并在系统组成描述中定义各系统交互接口；
(e)根据所述系统功能描述和系统事件跟踪描述，通过描述各系统和子系统对于不同事件激励下的状态转换，建立系统运行状态转移描述。
本发明的有益效果在于：
基于四维航迹运行的空管运行典型场景涉及航空器、卫星、地面各利益相关方等多个子系统的相互协同和信息交互，属于多业务、多节点的复杂系统，采用传统的系统工程思路难以进行分析。利用复杂系统工程方法能够有效应对基于四维航迹技术的空管运行系统的复杂性。同时，传统的基于文件的系统工程利用大段文本描述需求信息，具有模糊性和二义性，容易造成理解歧义；且不易管理和跟踪。
本发明选择基于模型的复杂系统工程方法，通过将系统需求、功能、架构及逻辑的确认和验证活动转化为相应的模型，能够提供清晰和准确的系统逻辑演绎和分析，有效保证系统分解和综合的过程。利用该方法分析基于四维航迹的空管运行场景,有助于四维航迹技术在民航产业的应用和推广，增强飞机航迹可预测性，减少航班延误，降低燃油消耗和气体排放，降低航空公司运营成本，具有巨大的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是采用DoDAF体系结构框架和MBSE方法的系统构架研发过程。
图2是高层运行概念图。
图3是运行活动模型图。
图4是运行事件跟踪描述图。
图5是系统组成描述图。
图6是系统功能描述图。
图7是基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
基于四维航迹运行的空管运行典型场景涉及航空器、卫星、地面各利益相关方等多个子系统的相互协同和信息交互，属于多业务、多节点的复杂系统，无法用传统的分析方法进行研究。因此，本发明拟采用复杂系统工程方法和Rhapsody工具对基于四维航迹技术的空管运行典型应用场景进行正向设计，捕获系统顶层需求和运行意图。同时以此为基础，通过基于模型的系统工程建模，根据DoDAF架构框架梳理任务目标和运行节点，明确系统组成和系统功能，建立一系列的基于四维航迹运行的空管体系架构模型并对模型进行仿真和运行，进而完成系统架构设计。通过该架构建模过程，有助于在此基础上进一步开展需求分析和详细设计工作。
根据航空器的不同飞行阶段和飞行过程，开展覆盖全飞行过程的四维航迹典型运行场景分析，分析基于四维航迹运行的运行意图、运行节点、运行活动等关键信息，分析面向任务应用的基于四维航迹运行的顶层能力需求，采用DoDAF1.5体系结构框架和MBSE方法开展基于四维航迹运行的空管系统架构分析和建模。
DoDAF1.5框架将体系结构划分为全景视图(AV)、运行视图(OV)、系统视图(SV)和技术标准视图(TV)，主要从运行、系统服务和技术标准三个方面对体系架构进行描述。在四种视图定义的基础上，DoDAF1.5给出了相应的26个描述性产品，分别从不同的角度共同描述系统体系结构的构建和发展。其中较为重要的视图描述包括高级运行概念(OV-1)、运行节点连接描述(OV-2)、运行活动模型(OV-5)、运行事件追踪描述(OV-6c)、运行状态转移描述(OV-6b)、系统接口描述(SV-1)、系统功能描述(SV-4)、系统事件追踪描述(SV-10c)、系统状态转移描述(SV-10b)等。本发明将从基于四维航迹运行的空管运行意图出发，依次构建基于四维航迹的空管系统架构OV和SV视图模型，并结合可视化场景演示共同完成模型的仿真运行，最终输出得到系统架构和系统需求(图1)。
如图7所示，基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模过程可分为以下几个步骤：
(1)根据空管运行体系发展现状，提出基于四维航迹运行的空管系统运行意图。基于此空管系统运行意图分析面向任务应用的基于四维航迹运行的空管运行顶层需求。
(2)基于空管运行顶层需求构建基于四维航迹运行的典型空管运行场景，提取该典型空管运行场景下的任务目标，梳理各任务目标的利益相关方和运行节点，建立基于四维航迹运行的高层运行概念图，如图2所示。
(3)对为达到各任务目标所需的运行节点相关运行能力、运行活动和活动间的输入/输出流进行分析，建立基于四维航迹运行的运行活动模型，如图3所示；
(4)根据以上运行活动模型，分析该运行场景下相关运行节点间的信息交互，以时序图的方式建立基于四维航迹运行的运行事件跟踪描述，如图4所示；
(5)根据以上运行事件跟踪描述，以图形化的方式从总体上整理运行节点间的信息交互关系并定义各节点交互接口，建立运行节点连接图；
(6)根据以上运行活动模型和运行事件跟踪描述，通过描述各运行节点对于不同事件激励下的状态转换，建立各节点的运行状态转移描述。
(7)根据步骤(1)至(6)，能够以任务为导向得到基于四维航迹运行的运行架构，在这一基础上可以以系统为导向，从系统层面上分析空管运行体系中各系统的相关结构和功能，通过建立系统视图挖掘基于四维航迹运行的系统能力需求。包含以下步骤
(a)根据运行节点连接图针对各运行节点确定其各节点的相关系统和子系统结构，建立系统组成描述如图5所示；
(b)根据运行活动模型中定义的各运行活动和信息交互，确定各系统和子系统为实现这些活动所应具备的系统功能，建立系统功能描述，如图6所示；
(c)根据以上系统功能描述，分析各系统和子系统间的信息交互，以时序图的方式建立系统事件跟踪描述；
(d)确定系统组成描述中各系统和子系统的信息交互关系并在系统组成描述中定义各系统交互接口；
(e)根据以上系统功能描述和系统事件跟踪描述，通过描述各系统和子系统对于不同事件激励下的状态转换，建立系统运行状态转移描述。
通过以上视图的建立，可以从运行意图和顶层需求出发，梳理与其相关的运行活动，并将这些运行活动映射到相应的子系统及其系统功能，从而完成基于四维航迹运行的空管系统需求捕获，同时为面向监视应用的实验室可视化仿真验证提供指导。
Claims (2)
1.一种基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法，包含以下步骤：
(1)根据空管运行体系发展现状，提出基于四维航迹运行的空管系统运行意图，基于此空管系统运行意图分析面向任务应用的基于四维航迹运行的空管运行顶层需求；
(2)基于空管运行顶层需求构建基于四维航迹运行的典型空管运行场景，提取该典型空管运行场景下的任务目标，梳理各任务目标的利益相关方和运行节点，建立基于四维航迹运行的高层运行概念图；
(3)对为达到各任务目标所需的运行节点相关运行能力、运行活动和活动间的输入/输出流进行分析，建立基于四维航迹运行的运行活动模型；
(4)根据所述运行活动模型，分析该典型空管运行场景下相关运行节点间的信息交互，以时序图的方式建立基于四维航迹运行的运行事件跟踪描述；
(5)根据所述运行事件跟踪描述，以图形化的方式从总体上整理运行节点间的信息交互关系并定义各节点交互接口，建立运行节点连接图；
(6)根据所述运行活动模型和运行事件跟踪描述，通过描述各运行节点对于不同事件激励下的状态转换，建立各节点的运行状态转移描述；
(7)根据步骤(1)至(6)明确系统组成和系统功能，建立一系列的基于四维航迹运行的空管体系架构模型，进而完成系统架构设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于复杂系统工程的四维航迹运行架构建模方法，其特征在于步骤(7)包含以下步骤：
(a)根据运行节点连接图确定各节点的相关系统和子系统结构，建立系统组成描述；
(b)根据运行活动模型中定义的各运行活动和信息交互，确定各系统和子系统为实现这些活动所应具备的系统功能，建立系统功能描述，
(c)根据所述系统功能描述，分析各系统和子系统间的信息交互，以时序图的方式建立系统事件跟踪描述；
(d)确定系统组成描述中各系统和子系统的信息交互关系并在系统组成描述中定义各系统交互接口；
(e)根据所述系统功能描述和系统事件跟踪描述，通过描述各系统和子系统对于不同事件激励下的状态转换，建立系统运行状态转移描述。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20181120 |