近年來，民用飛機逐漸采用基于模型的系統工程（MBSE）方法進行正向設計[1]。基于模型的正向設計生命周期有效解決了基于文本的系統工程（TBSE）中的典型問題，如重復迭代設計、設計過程理解偏差和模糊性[3]、[4]、[5]、[6]。MBSE的正式建模優勢在航空[7]、[8]、[9]、航天[10]、[11]、智能制造[12]、[13]、核工程[14]、[15]等典型復雜系統建模領域得到了廣泛應用，產生了許多高效可行的工程實踐[16]、[17]。

民用飛機系統設計是一種具有多學科交叉特點的系統工程實踐，在當前以需求為導向的設計生命周期下，設計的精細化程度不斷提高，系統設計的復雜性也在增加。特別是在民用飛機系統的概念設計階段，隨著建模對象復雜性的增加[18]、[19]，對民用飛機設計工程師的專業知識基礎[18]、[20]、[21]、領域建模能力[22]以及涉及多個學科和領域的類似設計經驗[23]、[24]的要求也在增加。

目前，中國正在穩步推進國產商用飛機的規模化和系列化發展。然而，在當前的正向設計中仍存在利益相關者與設計需求之間的脫節、需求與功能關聯性的缺失等問題[25]。因此，迫切需要為民用飛機設計工程師提供一套正式建模范式，以協助設計師進一步理解概念設計中各種設計概念的內涵，并將利益相關者的需求納入正式建模中[27]，從而確保在MBSE方法論框架的指導下，更多利益相關者能夠更好地參與民用飛機的正向設計。

在MBSE背景下，“正向設計”被定義為一種以需求為導向、以模型為中心的工程范式，它從利益相關者的需求和任務目標開始，經過系統工程的需求定義、架構定義、設計、實現以及驗證與確認（V & V）等階段。在整個過程中，使用正式化的系統模型作為主要手段，確保跨學科的一致性和端到端的可追溯性，從而使設計意圖能夠系統地傳遞到下游的工程產品及驗證和確認活動中[2]、[28]、[29]、[30]。與傳統的自上而下的設計方法不同，自上而下的設計主要強調分解策略和組織結構，即從系統層面到子系統和組件層面的層次分解和分配。相比之下，正向設計強調端到端的推進過程：從需求/出發點開始，沿著工程鏈向設計定義、實現以及驗證和確認方向推進，同時利用模型作為跨角色對齊和一致性的共享載體。換句話說，自上而下的設計可以作為正向設計中架構和需求分配的常用手段，但正向設計并不等同于自上而下的設計。在MBSE背景下，正向設計還強調了通過以模型為中心的技術基線來實現模型的連續性、從需求到設計的可追溯性，以及對多學科 trade studies 和迭代閉環的明確管理。這些方面超出了僅通過自上而下分解來組織設計的范圍。

本文針對民用飛機系統的正向設計過程，詳細梳理了民用飛機系統的正向設計概念，并建立了一個以正向設計為導向的概念設計模型。在需求驅動設計的背景下，介紹了利益相關者需求和設計概念。基于功能-行為-結構（FBS）模型，重構了FBS模型的8個設計過程，并提出了一套用于系統正向設計的正式建模方法。

本文的結構如下：第1節簡要描述了當前民用飛機系統正向設計的特征和存在的問題。第2節分析了正向設計中的科學概念，并進行了詳細比較，構建了正向設計的架構。第3節結合民用飛機系統正向設計的實際特點，引入了情境性、建構性記憶和意圖性理論，對民用飛機系統的正向設計背景進行了建模和分析。第4節基于之前的分析擴展并重構了FBS模型，將民用飛機系統的正向設計過程細分為29個詳細過程，并詳細分析了不同設計世界中設計變量的轉換邏輯。第5節建立了民用飛機MBSE集成平臺，并以民用飛機飛行控制系統為例驗證了所提出的正式建模方法。第6節總結了該方法的優勢，并總結了研究案例的結果。