商用航空发动机研制遵循《民用飞机及系统开发推荐实践》（  ARP 4754B ） 标准，但该标准未明确功能架构建模方法。通过定义功能架构本体，构建含背景识别、能力定义等步骤的流程，并经过实践加以验证，证明了该方法可以填补标准空白，助力复杂系统架构设计，为航空工程提供了新方法论。

商用航空发动机研制是一个非常复杂的过程，因此航空行业将产品研制的最佳实践进行了标准化，形成了ARP 4754B标准。根据ARP 4754B，功能架构是研制阶段的首个交付物，并作为后续需求定义、功能危险性分析、架构定义，以及初步系统安全性评估等其他研制活动的输入。然而，该标准并没有提供创建良好功能架构的指导。为了填补这个空白，本文提出一种功能架构建模方法并通过案例对方法进行验证。

功能架构定义与本体

定义

在不同的文献中，功能和功能架构有不同的定义，在本文中，功能相关的概念定义如表1所示。

表1   功能架构相关定义

本体

基于功能架构的定义，以及ARP 4754B中功能定义流程与其他流程的关系，建立功能架构的本体如图1所示，以结构化的方式描述功能架构相关概念之间的关系。图中绿色的元素是功能架构直接相关的概念，其他颜色的元素是与功能架构间接相关的概念。本体中的概念之间的关系描述如表2所示。

表2   功能架构本体关系

功能架构建模方法

功能架构建模

在系统研制初期，建立功能架构是关键的工作。功能架构通常使用抽象的系统模型进行描述，以支持系统特性和行为的描述。功能架构可以使用多种不同的方式进行表达，在实际工作中应根据具体项目的特点选择合适的方式。功能架构的表达方式可以分为基于文本和基于模型两种类型。基于文本的方式通常适用于功能较少的系统，功能数量越少，功能之间的关系越简单，使用文本的方式足以准确地表达功能之间的关系。对于功能较多，功能交互关系复杂的系统，基于模型的方式比基于文本的方式能更准确地描述功能之间的关系。基于模型的方式通常使用专业的建模工具，建模工具建立在形式化的建模语言基础上，提供多种不同的视图，能够对模型检查，确保模型符合规范，可以帮助研发人员建立高质量的、一致的功能架构模型。

基于Arcadia/Capella的功能架构建模方法

采用基于模型的方式构建功能架构模型，需要先构建建模环境，构建工具以SysML方案和架构分析与设计集成方法（Arcadia）最为常见。其中，Arcadia是泰雷兹公司基于自身的工程实践总结出来的系统架构分析与设计语言和方法，基于模型的工程解决方案帮助非软件工程背景的工程师快速有效地建立各种领域不同类型的系统架构模型。泰雷兹公司还开源了全面支持Arcadia标准的Capella建模工具。相较于SysML方案，Arcadia/Capella方案能够解决前者在实践中存在的数个问题。同时，虽然从流程的角度来看，Arcadia和SysML都能够支持流程的关键交付物，但是两种方案在功能与架构的表达上差异较大，而Arcadia方案描述的系统架构更加直接、有效。

功能架构建模在Arcadia中对应系统分析流程。系统分析流程的目标是从用户需要的角度定义系统的贡献。系统分析流程用于定义系统应该做什么来满足用户的需要，在这个阶段，系统被视为黑盒。系统需要分析可以帮助识别系统的背景环境、行为、外部接口和交互。系统分析流程中与功能架构建模相关的步骤包括：识别系统背景环境；定义系统能力；定义与分解功能；定义系统模式/状态；定义功能场景；功能分配给系统与参与者；生成功能分解结构。

应用案例

以商用飞机的推进系统（发动机及短舱）为对象，应用本文的功能分析方法，建立了推进系统的功能架构。功能架构包括多种功能，每个功能涉及多个视图，本文只给出典型功能的典型视图。

系统的背景环境

推进系统的背景环境由飞机架构，以及飞机的运行环境确定。安装在飞机上的推进系统的背景环境如图2所示。推进系统与飞机上的8个系统存在交互：燃油供应系统、吊挂、液压系统、发动机控制系统、仪器仪表系统、电源系统、供气系统和防火保护系统。大气是对推进系统外部的大气环境的抽象。维护人员是推进系统运行过程中提供支持的人员的统称。飞行员是实际操纵推进系统的人员，但是飞行员通过发动机控制系统进行操纵，所以不直接体现飞行员，而是将飞行员的行为包含在发动机控制系统。

系统能力

通过分析推进系统与其背景环境的交互来识别系统能力。推进系统的系统能力包括起动与停止发动机、提供推力、提供反向推力、提供引气、提供机械功率、维护系统、提供系统状态（见图3）。提供推力能力在发动机控制系统的控制下将空气和燃油转换成推力，通过吊挂将推力传递给飞机。起动与停止发动机能力根据发动机控制系统的控制指令实现发动机的起动或者停止。

定义系统功能

每个能力都由一系列功能实现。能力相关的这些功能从系统背景环境的外部实体获取输入，经过一系列处理和转换形成输出反馈给外部实体从而实现能力。可以使用多种不同的方法来推导实现能力的功能，包括自顶向下、自底向上、基于场景等。在本案例中，使用自顶向下的方法进行功能分析。先建立实现能力的顶层功能，然后再将顶层功能进行分解。提供推力能力的顶层功能如图4所示，其中蓝色的“提供燃油”功能是燃油供应系统的抽象功能，蓝色的“大气功能”是大气环境的抽象功能，绿色的“起动发动机”是另外一个顶层功能。提供推力功能从大气功能获取空气、从提供燃油功能获取燃油、从起动发动机功能获取慢车状态的发动机；形成推力输出到吊挂功能，形成排气输出到大气功能。

然后将提供推力功能分解成6个低层级的功能，如图5所示。吸气功能，从大气获取空气输入，另以机械功率为输入，输出2个空气流；分流空气功能，以空气为输入，推力为输出；压缩空气功能，以空气和机械功率为输入，压缩空气为输出；加热空气功能，以压缩空气和燃油为输入，输出受热压缩空气；将空气能量转换成机械功率功能，以受热压缩空气为输入，输出机械功率和排气；排气功能，以排气为输入，输出排气到大气和提供反向推力功能。

定义系统模式/状态

模式或状态是系统功能架构的一部分，可以通过分析系统的使用场景来推导系统的模式或状态。推进系统是1个典型的多状态系统，通过对推进系统的使用场景进行分析，得到其顶层状态（见图6）。初始状态是停止状态。当接收到起动指令，从停止状态转换到起动中状态。根据起动指令的不同，起动中状态可以转换到运行状态和维护状态。在运行状态中，当发现故障，会转换到故障状态；当故障解决了，又重新回到运行状态。在运行状态和维护状态中，接收到停车指令后会转换到停止状态。

将功能分配给系统和参与者

当完成了实现系统能力的功能定义后，需要进行功能的分配，以明确哪些功能由系统执行，哪些功能由用户执行，从而精确定义系统的功能边界和功能接口。提供推力能力对应的功能分配如图7所示。吸气、分流空气、压缩空气、加热空气、将空气能量转换成机械功率、排气、分配燃油共7个功能分配给推进系统。大气功能、控制发动机、吊挂功能和供应燃油功能分配给外部实体。

应用案例分析

功能架构约束

在对推进系统功能架构进行全面的分析之前，首先要明确功能架构的约束。包括来自系统内部或者系统外部的限制系统的边界条件。约束可能来自多个领域，包括管理决策、适用标准、研发流程和设计限制等。在项目实践中，功能架构的一个重要约束是系统的物理架构。虽然不同项目的物理架构不尽相同，但是商用航空发动机的物理架构应能与《航空运输协会规范100》（ATA100）定义的物理架构兼容，以便在推进系统的适航取证、运行维护等工作中与适航当局、航空公司的外部利益相关方进行有效的协调。

何时停止功能分解

何时停止功能分解是一个常见的问题。根据功能的定义，功能应该与实现无关。但是在实践中，功能分解的退出标准却依赖于系统的物理架构。当分解后的功能可以全部分配给物理架构中的物理组件，功能分解就可以结束。因为功能分析流程与架构定义流程是相互迭代的流程。功能分析流程与架构定义流程应协调开展，以确保功能分析输出的功能架构能够完全映射到物理架构上。

集中的模型和分布的模型对比

商用航空发动机系统是一个复杂的系统，其功能架构模型也是一个复杂的模型。在模型的管理上，可以使用集中式管理和分布式管理。

在集中式管理方案中，只建立一个功能架构模型，将发动机顶层到组件所有功能都放到同一个模型中。集中式管理的优势在于所有功能都在同一个模型，可以更高效保证功能模型的一致性；而其劣势则是需要以串行的方式开展工作。

在分布式管理方案中，给每个系统建立单独的功能架构模型，形成一系列功能架构模型。分布式管理方案的优势在于可以并行开展功能分析，而其劣势则是容易出现上下层级功能模型的不一致性。Capella工具提供子系统转换的插件，可以确保自上而下功能模型传递的一致性，可以给分布式管理方案提供帮助。自下向上的迭代不宜用工具实现，而应该基于严格的系统工程流程来管理。

结束语

本文提出的基于Arcadia/Capella的功能架构建模方法，有效填补了ARP 4754B 标准在功能架构设计指导上的空白。通过严谨的本体定义、标准化建模流程及商用飞机推进系统的实际案例验证，该方法不仅实现了从系统需求到功能架构的结构化表达，还借助Capella工具解决了复杂系统建模与协同难题。未来将进一步对分布式功能架构模型进行研究，并探讨针对功能分析流程与架构定义流程、安全性分析流程等的基于模型的迭代。

（黄干明，中国航发商用航空发动机有限责任公司，高级工程师，主要从事航空发动机研制管理）