标准需求是指系统、产品、活动、流程以及使能服务等标准化对象需以标准的形式来规范、协调、统一和约束的说明。标准需求主要以文本的形式呈现，分为标准需求条目和标准需求项目。条目级标准需求通常体现标准化对象的局部性、细节性需求，一般通过标准的某些技术条款来予以满足。将条目级标准需求进行有机组合，能够得到一项标准应包含的所有标准需求条目。项目级标准需求则体现标准化对象的整体性、宏观性需求，一般通过一项标准来予以满足。

标准需求条目能够指导装备研发活动实操，对装备研发标准的正向研制有着重要意义。传统装备研发标准需求的生成过程主要依赖于研制人员的专业能力及经验总结，结合研发过程暴露的标准缺失情况，自下而上地收集、分析并获取标准需求^[1-2]。现有标准需求生成方法一定程度上能够反映产品研发的标准需求，但系统性不强。

随着架构框架理论方法的发展与成熟，衍生出了多种体系架构设计技术、评估技术等^[3-7]。体系架构方法提供了一种自上而下、需求牵引的装备标准生成机制，通过对军事能力、作战活动、武器装备等多维度的模型构建，分析现有标准适用性和缺项标准需求，使得装备研制过程中不同的利益相关方能够通过一套结构化的建模平台进行无障碍和深层次的数据交流，提升了装备标准化的数字化和信息化水平以及装备研制效率^[8]。

架构框架理论应用较广泛的是美国国防部架构框架DoDAF，DoDAF2.0定义了全景视角(AV)、能力视角(CV)、作战视角(OV)、标准视角(StdV)、系统视角(SV)等8个视角52个模型，能够建立作战需求、作战场景、能力、系统等多个方面与标准的联系，获取相关标准需求。其中，StdV包含标准配置文件(StdV-1)和标准预测(StdV-2)2个模型。StdV-1用于规定系统、服务、标准和规则，约束在设计中产生的选择以及结构性描述中的应用；StdV-2用于预测标准及未来可能的变化，给出新制定和待修订标准。

为了进一步统一各国体系架构，避免概念在不同框架之间很难跨越, 使用不同框架的架构师之间的沟通不畅^[9]的问题，美国国防部委托国际协会OMG开发了统一架构框架(UAF)，弱化各体系结构框架的视角及概念异构，增强北约各国体系结构框架兼容性^[10]，目前最新版本为2022年7月发布的UAF1.2^[11]。

近年来，架构框架理论方法在装备标准化领域进行了大量应用。罗海东等^[12]基于标准视图建模原理，结合企业产品研发体系建设、航空产品研制等相关标准需求，对航空发动机标准体系构建方法、应用场景等进行了研究探讨，实现了对产品全生命周期研制和研发体系建设的标准配置与结构化应用，以及面向新一代航空产品的标准预测与规划。何瑞恒等^[13]建立了基于DoDAF的标准视图建模方法，结合通用型无人直升机的研制，研究了完整的标准视图建模方法，分析了标准视图建模工具的功能架构。郑硕昉等^[14]发展了一种基于UAF建模的需求牵引的装备标准集生成技术，在军民航联运体系构建过程进行了试点应用，有效建立了作战使用活动、需求、系统和标准等架构元素之间的模型化关联。

现有基于架构框架理论方法的标准需求生成方法，能很好建立用户需求与标准之间的追溯关系，但仍存在一定局限性，主要表现在：

1) 虽然能有效建立产品的功能要求、性能指标与标准之间的联系，但识别装备研发过程的标准需求仍有一定困难；

2) 标准需求与研发流程没有明显的关联性，易导致标准需求与产品研发过程脱节、与技术体系等关联性弱、标准可操作性不强等问题；

3) 仅能获取标准需求项目的名称，不足以支撑详细的条目级标准需求识别，很难保证标准内容的完整性及协调性，易造成重要标准要素缺失。

为解决上述问题，本文提出一种面向产品研发过程的标准需求生成方法。

1 面向产品研发过程的标准需求生成技术原理

面向产品研发过程的标准需求生成原理如图 1所示。

装备研发的活动事项能够形成装备研发活动集，装备研发活动集本身是一个庞大且包含多层次的复杂体系。在研发活动集中，将一系列相关联的研发活动事项提取出来，可以完成装备某方面的研发工作。当这些研发活动事项执行时，需要标准来规范、约束、指导时，就可能产生相应的标准需求，因此，标准需求与研发活动事项之间联系十分紧密。标准不是越多越好，应按一定的规则对标准需求进行综合集成，得到所需标准并纳入相关标准体系。

根据上述原理，能够顺畅地建立起研发活动-标准需求条目-标准需求项目间的关联关系，实现标准需求项目与研发活动之间的关联协调。

标准需求捕获场景建模需要使用到装备研发活动场景。在装备研发活动场景中，几方不同职责的人员利用一定的资源，按照既定的步骤(或流程)完成装备某一方面的研发工作。将人员定义为活动相关方，资源定义为工具与数据库，将步骤(流程)定义为研发活动事项。图 2展示了一种装备研发活动场景，每一列代表了某个相关方负责的研发活动、所需的资源(包括工具、数据库)。基于上述研发活动场景的装备研发标准需求捕获场景建模应包含上述基本要素，即活动相关方、活动事项、工具、数据库。研发活动可能存在迭代，同样的活动可能重复出现，具有相同的标准需求，因此，在标准需求捕获场景建模中不需关注研发活动事项的前后关系及迭代关系。

标准需求识别是以研发活动事项为对象，标准需求识别的原理可通过图 3所示模型来表达，识别要素包括研发活动实施的活动输入、活动输出、活动实现、活动边界。标准需求来源于该4类要素，通过合理设计需求捕获相关问题，并加以分析与判断即可准确获取相关标准需求。

基于上述基本原理形成的标准需求生成方法具有以下优势与特点：

1) 研发活动很好地与研发过程相融合，能够准确识别研发实际所需的标准需求。将活动场景涉及到的活动相关方、活动事项、工具、数据库等要素进行综合考虑，构建标准需求捕获场景，识别相关标准需求。类似于系统工程方法里IPO图(input process output)，标准需求可来自于研发活动(流程)的输入、输出、使能项、约束项，通过多维度、系统性的标准需求分析方法能够确保标准需求的规范、协调、完整；

2) 有力支撑庞大、复杂的体系化标准的建设。通过对标准需求捕获场景相关标准需求条目的综合协调与集成，确定标准需求项目及其所包含的标准需求条目，根据现行标准的技术内容，将其与标准需求捕获场景、标准需求条目进行匹配，掌握标准需求的满足程度，建立起标准(包含现有标准及新制定标准)与标准需求之间的关联关系，形成系统、可追溯的标准需求集，推动标准体系的建立及完善。

2 面向装备研发过程的标准需求生成建模技术 2.1 建模流程

标准需求捕获建模的基本流程如图 4所示，主要包括装备研发活动分解、标准需求捕获场景建模、标准需求识别、现行标准配置与标准要素定义、标准需求项目集成。

综合考虑研发实际过程、技术体系，进行装备研发活动分解，分析业务活动相关方、所需使用的工具和数据库，为标准需求条目的捕获提供载体；基于标准化原理，对相关方域、业务活动域、工具域、数据库域中各要素需要约束和规范的标准化事项进行深入分析，识别出标准需求条目，建立起标准需求捕获场景；结合产品研制实践，对场景各要素具体内容进行分析，将标准需求条目分解至同层级的最小需求单元，提取相应的标准要素，实现对标准需求条目的定义；将标准要素、标准需求条目、标准需求捕获场景各要素进行追溯性确认，确保标准需求捕获场景、标准需求、标准要素的完整性和准确性，打通标准需求捕获和标准要素提取的技术路径，为正式标准形成奠定技术基础。

2.2 装备研发活动分解

通过对装备研发的技术体系、产品结构分解(PBS)、工作结构分解(WBS)的综合分析，从一个维度或多个维度对产品研发活动或流程进行梳理分析，获取研发活动，并与研发实际过程协调，例如，航空发动机全寿命周期活动可按需求工程、设计工程、制造工程、材料工程、试验工程、服务保障工程、专业工程、项目管理等几大领域进行研发活动梳理。为了获得充分的标准需求数据，活动(或流程)的梳理应层层分解，直到不可再分为止，形成研发活动集A={a}，其中活动事项用a表示。

2.3 标准需求捕获场景建模

标准需求捕获场景构建的复杂程度应充分考虑工作实际和资源条件，以研发活动为核心，将其涉及到的活动相关方s、工具t、数据库d进行集成分析，构建标准需求捕获场景，以矩阵C表示。

(1)

式中: a_{i n}为第n个活动相关方的第i项活动; t_{j n}为第n个活动相关方开展该活动所需的第j项工具; d_{k n}为第n个活动相关方开展该活动所需的第k项数据库。

在标准需求捕获场景矩阵C中, 每一列元素表示某个活动相关方负责的研发活动、需使用的工具、需使用的数据库。

活动事项按发生的先后顺序排列, 当同一行不同活动相关方都出现活动事项时, 表示同一项活动不同相关方的共同参与情况, 当活动相关方没有活动事项时, 记为0。

每一列工具、数据库采用列项形式表示, 不区分先后顺序, 且与其他活动相关方的工具、数据库不存在关联, 工具、数据库元素的角标j, k分别为所有活动相关方中使用到的工具、数据的最大值, 当某一活动相关方使用的工具、数据库数量小于j, k的最大值时, 以0补位。

2.4 标准需求识别

根据研发和实际工作需求, 分析各项研发活动事项、工具、数据库是否需要标准规范, 分析步骤如下:

1) 分析明确研发活动实施的输入;

2) 分析明确研发活动实施的约束与控制条件;

3) 分析明确研发活动实施、工具使用和数据库使用的方法或流程;

4) 分析明确研发活动实施的输出。

评价输入、约束与控制条件、方法或流程、输出是否应纳入标准作为标准需求, 评价准则如下:

Q1: 是否需要标准保证装备满足装备作战或使用的指标或要求;

Q2: 是否需要标准固化与传承装备研制经验;

Q3: 是否需要标准控制装备研制质量;

Q4: 是否需要标准提高研制效率或降低研制成本。

当至少有一条准则为“是”时, 该项内容可确定为一条标准需求条目; 当所有评价准则都不满足时, 该元素的标准需求记为0。

用a_{r, i n}, t_{r, j n}, d_{r, k n}表示各项研发活动、工具、数据库各元素的标准需求, 根据标准需求捕获场景矩阵C, 建立起标准需求矩阵R。

(2)

C与R之间的关联性用研发活动与标准需求的关联矩阵L表示。

(3)

式中

(4)

(5)

(6)

2.5 现行标准配置与标准要素定义

对标准需求条目进行归一化与编号, 将现行标准与标准需求进行关联匹配, 判断现行标准能否涵盖各条标准需求, 对标准需求条目进一步展开形成标准相关技术要素。编写现行标准配置与标准要素定义表, 包含标准需求、现行标准配置、C矩阵映射元素、标准要素等信息。

2.6 标准需求项目集成

每个研发活动场景C可集成为多份标准, 根据标准使用情况, 提取适合在同一份标准中集成的标准需求, 拆解R矩阵为p个同阶矩阵, p表示p份标准, R_P为第p个矩阵的标准需求矩阵, 为保证标准需求条目不产生交叉重复, 通常需要满足R=R₁+R₂+…+R_p, 并得到相应的L_p矩阵, 同时满足L=L₁+L₂+…+L_p。

L_p为第p份标准的标准需求与标准需求捕获场景C的映射矩阵, 满足C与L_p的哈达玛积为第p项标准的关联研发活动, 表示为C_p=C⊙L_p。

3 应用案例及说明

本文以航空发动机气动设计为案例进行应用。压气机气动设计按技术体系进行分解, 构建研发活动集合A={“初始方案设计”, “S2气动计算”, “叶片解析造型”, “叶槽道S1流场分析”, “叶片强度初步分析”, “二维特性计算及优化”, “流线曲率或通流S2计算”, “总参数及分布参数检查”, “功分布及损失调整”, “叶片造型”, “强度估算”, “设计点三维流场分析”, “三维特性计算”, “强度验算和颤振设计”, “压气机性能试验验证”}。

压气机气动设计的活动相关方依次为发动机总体设计部门、压气机气动设计部门、强度分析部门、压气机性能试验部门。发动机总体设计部门负责提出发动机总体性能设计要求, 包含了压气机气动设计所需设计输入。压气机气动设计部门负责完成气动设计工作, 强度分析部门参与强度分析相关工作, 试验部门负责进行压气机性能设计的验证。压气机气动设计过程中需要使用的工具包括CFD仿真分析软件、性能仿真分析软件、强度分析软件、强度试验器, 强度分析时需要使用到材料性能数据库。

根据压气机气动设计活动集A, 构建风扇气动设计标准需求捕获场景矩阵C, 得到(7)式。矩阵C元素的值见表 1。

(7)

识别压气机气动设计活动包含的标准需求。分析判断压气机气动设计活动、工具、数据库是否需要包含标准需求, 形成需求矩阵R, 见(8)式。矩阵R元素的值见表 2。

(8)

根据L的定义式, 建立R与C的关系L矩阵, 得到(9)式。

(9)

将相同的标准需求进行合并, 实现标准需求的归一化。梳理航空发动机压气机气动性能设计现行标准, 并完成标准需求与现行标准的匹配。通过对标准需求捕获场景中的标准需求细化, 确定与标准需求关联的主要标准要素, 完成标准配置与标准要素定义, 见表 3。

通过对标准使用需求的分析判断, 对表 3中的标准需求进行集成, 将标准需求条目集成为《航空燃气涡轮发动机压气机气动设计要求》《燃气涡轮发动机压气机结构强度设计要求》《航空燃气涡轮发动机CFD数值分析方法》《航空燃气涡轮发动机强度有限元分析方法》4项标准, 见表 4, 同时能够得到4份标准的标准需求矩阵R₁, R₂, R₃, R₄, 其矩阵表达式同(8)式, 矩阵内的元素值见表 5。根据公式(3)可建立4份标准与压气机气动设计标准需求捕获场景的映射矩阵L₁, L₂, L₃, L₄, 其矩阵表达式同(9)式, 矩阵元素值见表 6。通过计算C⊙L_p能够得到L₁, L₂, L₃, L₄的关联研发活动, 最终实现了研发活动与标准之间的关联映射。

4 结论

本文对标准需求生成技术展开了深入研究，系统地提出了一种全新的面向装备研发过程的标准需求生成方法模型，经过工程应用，生成了航空发动机压气机气动设计相关4项标准需求项目，准确识别了11条标准需求条目，提供了多达60条具体标准要素，成功指导了我国具有自主知识产权的航空发动机标准的建设，有力保障了我国航空发动机装备研制。应用结果表明：

1) 生成的标准需求与装备研发活动紧密贴合，标准需求真实有效、准确唯一、系统完整。

2) 建立了标准需求与装备研发实际活动的映射关系，能够支持标准需求的追溯与验证，提高了装备标准化综合水平。

3) 捕获研发活动标准需求的同时，获取了支持研发的工具和数据的标准需求，能够支撑研发活动配套标准制定。

4) 降低了标准需求交叉重复的可能，提高了标准的可用性。