1. 引言
1.1 文章背景：民用航空机载系统的复杂性与关键性
民用航空系统是全球技术最复杂的领域之一。飞行器不仅要承受极端的物理和环境条件，还必须在各种条件下安全可靠地运行，确保人员和货物的安全。这种高要求直接影响着航空系统的设计、开发、测试和维护，而其中的核心之一就是机载系统的开发。机载系统包括飞行控制、导航、通信、监控等多个子系统，它们共同协作确保飞行器的安全性和性能。
在航空系统开发的过程中，需求管理是决定项目成功与否的关键要素之一。需求管理贯穿了从初期的概念设计到最终的系统交付全过程，确保每一个子系统和每一个组件都能按照规范和标准进行设计和实现。系统需求、软件需求、软件设计说明等层次的需求描述对机载系统的开发至关重要。合理的需求粒度不仅有助于提高系统的可维护性和可扩展性，还能在开发和测试过程中避免不必要的返工和变更。
需求粒度过粗或者过细都会对系统开发带来挑战。过粗的需求可能导致实现时出现模糊性和误解，而过细的需求则可能增加管理的复杂性和成本。因此，控制各个层次需求的描述粒度，在机载系统开发过程中具有重要意义。
1.2 需求管理的重要性：从系统需求到软件实现
需求管理的目的是确保系统的每个层次都有明确的需求，系统设计能准确反映业务需求，同时软件开发和测试可以依照需求进行。在大型复杂系统（如航空系统）中，需求的准确传达至关重要。一个小小的需求误解可能会在后期开发中引发重大的实现偏差，甚至影响系统的安全性。因此，系统需求、软件需求、软件设计说明之间必须有清晰的分层和详细的描述。
系统需求通常是对整个系统所需功能和性能的高级定义，它从全局的角度定义了系统应做什么。软件需求则是系统需求的进一步细化，它将系统需求中的抽象功能细分为可执行的软件任务。最终，软件设计说明则是软件需求的具体实现方法，描述了每个软件模块、接口、算法和数据结构。
在需求管理中，需求的分层和细化非常重要。系统需求的层次太少，容易导致开发中的模糊和不确定性；而层次过多又可能导致文档冗长、管理复杂且灵活性降低。因此，如何合理分配和管理系统需求、软件需求和软件设计说明的粒度，是成功实施需求管理的核心。
1.3 描述粒度对开发过程的影响
在需求管理中，描述粒度直接影响系统开发的准确性和效率。粒度过粗的需求可能在实际开发中产生误解，导致实现偏离原本设计目标。而粒度过细的需求则可能增加不必要的工作量，拖慢开发进度，甚至引发项目复杂性过高的问题。
在一个复杂的航空系统开发项目中，需求粒度需要平衡精确性和可操作性。粒度过粗的需求通常会模糊功能边界，开发人员和测试团队难以有效理解需求的真正意图；相反，粒度过细则可能增加系统的实现负担，削弱了设计和实现中的灵活性。系统需求、软件需求、软件设计说明等层次的合理划分及其粒度调整，直接决定了项目的开发进度、质量控制和最终交付成果。
举例来说，考虑一个飞行控制系统，如果系统需求仅模糊地描述“系统应具备自动飞行功能”，而未能具体说明何种自动飞行模式、何时触发、涉及哪些传感器输入和控制输出等，则开发人员在实现时容易产生误解。而反过来，如果过早在系统需求阶段就详细规定了每个算法的实现细节，则不仅限制了设计方案的灵活性，还会导致后续的系统调整困难，增加了不必要的工作量。因此，需求粒度的调整需要结合系统的具体情况进行综合考虑。
2. 系统需求的描述粒度
2.1 系统需求的定义及作用
系统需求是对整个系统的高层次描述，通常包括系统的功能性需求、性能指标、安全性要求、运行环境限制等。这类需求往往从外部角度出发，描述系统应具备的主要功能和它如何与外部环境交互。系统需求的目标是为开发人员和架构师提供一个清晰的全局视图，确保开发出的系统能够满足客户和业务的需求。
在民机机载系统中，系统需求涉及的范围很广。它们不仅要满足飞行控制、导航、通信等基本功能的要求，还需要考虑飞行安全、冗余管理、实时数据处理等诸多关键因素。例如，系统需求可以定义飞行控制系统应具备自动飞行和手动飞行模式的切换能力，并要求系统能够在不同模式下无缝切换。
系统需求通常是技术开发的第一个层次，它们不涉及具体的实现细节，而是从功能和性能的角度定义系统应“做什么”。随着需求的逐步细化，软件需求和设计说明将会逐渐回答系统需求的“如何实现”问题。
2.2 系统需求描述的特点
2.2.1 高层次、全局性描述
系统需求的一个显著特点是其高层次的描述方式。它不涉及具体的实现技术，而是从全局的角度描述系统的功能和目标。系统需求的层次越高，它所描述的内容越抽象。例如，一个典型的系统需求可能会表述为“系统应具备从自动飞行切换到手动飞行的能力”，而不会涉及如何实现这种切换的技术细节。
这种高层次的描述方式为系统设计和实现提供了足够的灵活性，使得架构师和开发人员可以在实现时选择最优的技术方案。此外，高层次的描述还确保了系统需求能够覆盖整个系统的各个方面，避免过早陷入具体实现细节带来的局限性。
2.2.2 强调功能性、性能和安全性要求
系统需求不仅描述系统应具备的功能，还强调系统必须达到的性能标准和安全性要求。例如，对于民机机载系统，系统需求可能会明确规定某个飞行控制模块在接收到飞行员输入后，系统应在50毫秒内作出反应。这类性能需求非常关键，因为延迟过长可能会影响飞行安全。同样，安全性要求也是系统需求中的重要内容。例如，系统需求可能要求在飞行过程中某个关键组件失效时，系统应能自动切换到冗余系统，确保飞行安全。
这种性能和安全性的需求必须明确，因为它们是系统设计和实现的基础。在后续的开发过程中，软件需求和软件设计说明会进一步细化这些要求，确保每个模块都能满足预期的性能和安全标准。
2.3 系统需求粒度的分析
2.3.1 需求粒度过粗的风险：模糊性与实现难度
如果系统需求的描述过于粗略，容易导致开发人员在实现时产生误解。例如，一个系统需求可能简单地描述“系统应支持自动飞行”，但如果没有明确说明自动飞行的具体模式、触发条件、涉及的传感器数据等，开发人员在实现时可能会根据自己的理解做出不同的设计决策，导致系统最终的实现效果偏离原本的需求目标。
实例说明：
需求过粗的示例：假设系统需求为“系统应能够处理飞行中的气象数据”，而没有说明如何处理、处理哪些类型的数据、处理的频率或精度要求。这种模糊的需求在实现时会导致开发人员不确定如何构建气象数据处理模块。
改进方案：需求应明确说明具体要求，例如“系统应通过气象雷达每秒接收一次数据，并处理温度、湿度和风速数据，确保数据处理延迟不超过100毫秒”。
需求描述过粗的另一个风险是可能导致后续的测试不足。测试人员依赖需求文档来编写测试用例，如果需求过于模糊，测试团队可能难以确保所有的功能和性能都得到了充分的测试。这不仅会增加系统的潜在风险，还可能导致系统在投入使用后出现问题。
2.3.2 需求粒度过细的风险：复杂性与管理成本
另一方面，如果系统需求描述得过于详细，也可能导致需求文档冗长复杂，增加了开发和管理的成本。例如，过于详细的系统需求可能会包括实现中的技术细节，这会限制开发人员在设计和实现时的选择空间，减少了灵活性。过细的系统需求还会导致频繁的变更，因为在开发过程中，技术实现方案可能会发生调整，如果系统需求文档包含了过多的技术细节，那么任何实现上的变化都可能导致需求的变更和更新。
实例说明：
需求过细的示例：假设系统需求详细规定了“传感器数据应通过I2C总线传输，数据帧格式为32位，传输速率为100Hz”。这类过于详细的技术细节应在设计阶段讨论，而不应作为系统需求的一部分。
改进方案：系统需求应仅描述“系统应接收传感器数据，数据传输应满足实时性要求”，然后在设计阶段决定具体的技术实现。
过细的需求不仅增加了文档的维护成本，还可能在系统需求变更时引发连锁反应，导致开发进度延误。因此，需求粒度的合理控制是保障系统开发效率的关键。
2.4 系统需求的常见描述粒度
2.4.1 系统需求与软件需求的接口层次
在实际项目中，系统需求通常描述系统的高层功能和性能目标，而软件需求则进一步细化系统需求，描述具体的软件实现方式。因此，系统需求和软件需求之间的接口层次非常重要。系统需求需要明确地传达系统的核心功能和性能要求，确保软件需求能够在此基础上进行细化和实现。
例如，对于飞行控制系统，系统需求可能规定“系统应能够处理飞行员的输入并实时调整飞行姿态”。而软件需求会在此基础上进一步细化，描述如何处理飞行员输入的数据，如何计算控制命令，以及如何将这些命令传递给飞行控制器。
系统需求与软件需求的接口层次通常是通过功能模块划分来实现的。系统需求负责定义每个模块的功能目标，而软件需求则负责详细描述模块内部的实现细节和接口定义。
2.4.2 系统需求的可追溯性
系统需求必须具有良好的可追溯性。每个系统需求都应能够追溯到业务需求或客户需求，确保系统的设计和实现能够满足最终用户的期望。同时，系统需求也必须能够追溯到软件需求，确保每个系统功能都能被具体的软件实现所覆盖。这种可追溯性不仅有助于需求的管理和验证，还能在项目发生需求变更时，快速定位受影响的功能模块。
在实际开发过程中，需求的可追溯性可以通过需求管理工具来实现。这些工具能够帮助开发团队追踪需求从系统需求到软件需求再到实现代码的整个过程，确保系统的每个功能都能被有效实现。
3. 系统需求与软件需求的比例分析
3.1 系统需求与软件需求的关系
系统需求通常是对整个系统应具备的功能和性能的高层次描述，而软件需求则是对这些功能和性能的进一步细化和具体化。系统需求定义了系统的整体目标，而软件需求则将这些目标分解成具体的实现步骤。为了实现这一过渡，系统需求与软件需求必须保持紧密的联系，每一个系统需求都需要被详细分解为多个具体的软件需求。
在民机机载系统中，系统需求可能会包含一些高层次的要求，如“系统应具备实时监控飞行状态的功能”。该系统需求可以进一步分解为多个软件需求，如“软件应能够从飞行传感器接收数据”、“软件应处理飞行数据以生成飞行状态报告”等。每个软件需求都基于系统需求的描述，但会更加具体并具有明确的实现方向。
系统需求和软件需求的关系在需求管理工具中通常以“可追溯性”来体现。每一个系统需求必须能够通过软件需求具体化，并确保软件的实现能够满足系统需求中的功能和性能目标。这种层次化的需求管理不仅能够确保系统的设计和实现方向明确，还能在项目变更时帮助团队快速追溯和更新需求。
3.2 系统需求与软件需求的比例分析
系统需求与软件需求之间的比例通常会根据系统的复杂性和规模有所变化。在大型复杂系统中，例如航空领域的机载系统，一个系统需求通常会分解为多个软件需求，以覆盖系统中各个功能模块的实现。业界实践中，系统需求与软件需求的比例通常在 1:5 到 1:10 之间。
3.2.1 简单系统的比例
在相对简单的系统中，系统需求与软件需求的比例可能较低。例如，对于一个小型的监控系统，系统需求可能仅描述“系统应能够接收摄像头数据并进行存储”，此需求可能只需分解为少量的具体软件需求，例如“软件应接收摄像头的视频流数据”、“软件应将视频流数据存储在本地硬盘上”。
此类需求的分解相对直接，软件需求数量较少，因此系统需求与软件需求的比例可能为 1:3 或 1:5。这类系统的功能较为单一，设计和实现的复杂性较低，因此在需求分解时不需要过多的细化。
实例说明：
系统需求：系统应具备实时数据存储功能。
软件需求分解：
软件应能够接收数据输入。
软件应将数据按时间顺序存储。
软件应支持数据的快速读取和回放。
该实例中的系统需求较为简单，因此软件需求的分解相对直接。
3.2.2 复杂系统的比例
在大型复杂系统中，系统需求与软件需求的比例往往较高，通常为 1:10 甚至更多。这是因为复杂系统中包含多个子系统，每个系统需求需要进一步细化为多个具体的软件需求，覆盖多个功能模块。例如，飞行控制系统中的系统需求“系统应具备自动飞行功能”可能需要分解为多个软件需求来处理飞行数据、计算飞行路径、调整飞行控制器等。
复杂系统中的每一个系统需求通常都会涉及到多个子功能、模块和组件，因此需要更详细的软件需求来描述每个子功能的具体实现方式。例如，自动飞行系统中的一个系统需求可能需要通过软件需求定义从导航信号的接收、路径规划的计算到姿态控制等多个实现步骤。
实例说明：
系统需求：系统应具备自动飞行模式下的路径规划功能。
软件需求分解：
软件应从导航系统接收实时飞行路径数据。
软件应计算并更新飞行路径。
软件应通过控制算法调整飞行器姿态。
软件应在飞行过程中监控路径偏差并实时调整。
软件应在紧急情况下切换至手动控制模式。
每个软件需求覆盖了系统需求的不同实现步骤，确保自动飞行模式的完整性和可靠性。
3.3 实际项目中的需求分解实例
在实际项目中，系统需求与软件需求的分解过程通常依赖于功能模块的划分和系统的复杂性。以下是一个典型的系统需求和软件需求分解实例，展示了如何从高层次的系统需求逐步细化到多个具体的软件需求：
实例说明：飞行控制系统的系统需求和软件需求分解
系统需求：系统应具备自动飞行功能，能够在飞行员手动切换到自动模式后自动控制飞行姿态、速度和高度，确保安全飞行。
软件需求分解：
软件应能够从传感器接收实时姿态数据。
软件应使用姿态数据计算飞行姿态调整参数。
软件应实时调整控制器以维持稳定飞行。
软件应处理来自导航系统的飞行路径数据，并根据当前飞行状态更新飞行控制指令。
软件应监控飞行状态，在出现异常情况时触发警报并切换至手动模式。
在这个实例中，系统需求被细化为多个软件需求，每个软件需求对应一个具体的实现任务。这种分解方式确保了系统的每个功能模块都能得到有效的实现。
4. 软件需求的描述粒度
4.1 软件需求的作用与范围
软件需求是对系统需求的进一步分解，它们详细描述了软件功能的实现方式。软件需求不仅要确保每个系统需求都能通过具体的软件功能来实现，还必须考虑到系统的接口、性能、兼容性和安全性等多方面的要求。
软件需求通常会覆盖以下几个方面：
功能性描述：每个软件模块的具体功能，包括输入、输出和处理逻辑。
接口定义：模块之间、模块与外部系统之间的接口，定义了数据的输入输出格式、通信协议等。
性能要求：对处理速度、响应时间、数据传输速率等方面的要求。
安全性和容错性：软件如何处理异常情况，如何确保系统的可靠性和安全性。
通过软件需求的详细描述，开发团队可以获得明确的实现方向，确保每个模块的开发都能与系统需求保持一致。
4.1.1 软件需求与设计实现的桥梁
软件需求在系统开发中的作用类似于桥梁，它将高层次的系统需求转换为可以实际执行的软件功能。这些需求为软件设计提供了具体的方向，使设计人员可以根据需求中的描述，制定详细的技术方案。例如，一个系统需求可能描述“系统应具备实时数据处理能力”，而软件需求会进一步明确“软件应每秒接收并处理1000个数据包，数据包大小不超过512字节”，这种转换能够让开发人员准确理解需求的具体要求并进行设计实现。
4.1.2 功能性与性能要求的明确化
软件需求必须明确功能性和性能要求。功能性需求描述了软件应该执行的具体任务，而性能需求则规定了软件在执行这些任务时必须达到的指标。比如，对于实时飞行控制系统，软件需求可能会规定“软件应能够每秒更新飞行姿态数据”，而性能要求则规定“姿态更新延迟不得超过50毫秒”。
明确的功能和性能要求有助于确保软件的开发能够达到系统需求中的预期目标，并为测试团队提供明确的测试标准。
4.2 软件需求粒度的分析
4.2.1 粒度过粗的风险：实现偏差与测试不足
如果软件需求的描述过于粗略，开发人员在实现时可能会根据自己的理解进行开发，导致最终实现偏离了系统需求的目标。例如，一个过于粗略的软件需求可能描述为“软件应能够处理飞行数据”，但没有明确说明处理的数据类型、处理的频率和精度要求，这样会导致开发人员对数据处理的实现方式产生误解，最终导致系统性能不达标。
实例说明：
粗略的需求：“软件应能够处理飞行数据并生成报告。”
改进后的需求：“软件应从飞行传感器每秒接收一次数据，并在处理后生成实时飞行状态报告，报告生成时间不应超过1秒。”
通过更详细的需求描述，开发人员能够明确地理解软件的功能和性能要求，避免出现实现偏差。
4.2.2 粒度过细的风险：需求膨胀与管理复杂性
另一方面，过于细化的软件需求则可能导致文档冗长复杂，增加了管理和维护的成本。例如，软件需求过于详细地描述了每个变量的类型、每个算法的实现步骤等，这样不仅限制了设计人员的灵活性，还可能导致频繁的变更和文档更新。
实例说明：
过细的需求：“软件应使用32位浮点数存储每个传感器的数据，并通过三次线性插值法计算每个数据点的修正值，修正值应在5毫秒内计算完成。”
改进后的需求：“软件应在接收到传感器数据后，对其进行修正并确保修正时间不超过5毫秒，具体算法由设计阶段确定。”
通过减少不必要的细节，软件需求的描述能够保持灵活性，避免过度限制开发人员的设计选择，同时提高文档的可维护性。
5. 软件设计说明的描述粒度
5.1 软件设计说明的定义与作用
软件设计说明是对软件需求的进一步分解，它详细描述了每个软件模块的内部设计、数据流、接口和算法等内容。设计说明不仅为开发人员提供了明确的技术实现方案，还为后续的代码实现提供了基础。
设计说明通常会涵盖以下内容：
模块设计：每个软件模块的功能定义及其与其他模块的交互。
接口设计：模块之间的接口定义，包括输入输出数据格式、通信协议等。
算法描述：涉及到的关键算法的详细设计，如数据处理算法、控制算法等。
数据结构：描述软件中使用的数据结构，如数组、链表、队列等。
通过软件设计说明，开发人员能够获得详细的实现指导，确保每个模块都能按预期完成，并且模块之间的交互能够顺利进行。
5.1.1 软件设计说明与实现的关系
软件设计说明直接指导着软件的实现，它为开发人员提供了清晰的技术路径。设计说明将软件需求中的功能和性能要求转化为具体的实现步骤，包括详细的技术细节和实现方案。例如，一个软件需求可能描述“软件应从传感器接收数据并处理”，而设计说明则会进一步详细描述如何接收数据、如何处理数据、以及如何与其他模块进行交互。
设计说明通常是开发过程中的关键文档，它不仅确保了系统的每个功能能够按预期实现，还能在系统发生问题时作为重要的参考文件，帮助开发人员迅速定位并解决问题。
5.2 软件设计说明的粒度要求
5.2.1 详细的模块设计与接口定义
设计说明应详细描述每个模块的功能和内部实现，同时还要定义模块之间的接口。这些接口定义了模块之间的交互方式，包括数据传输的格式、频率以及通信协议等。例如，在飞行控制系统中，设计说明应明确描述传感器模块与控制模块之间的数据传输接口，确保传感器数据能够被控制模块正确接收和处理。
5.2.2 算法和数据结构的描述
设计说明中还应详细描述各个模块使用的关键算法和数据结构。例如，飞行控制系统中的姿态控制模块可能会使用PID控制算法来调整飞行器的姿态，而设计说明中应详细描述该算法的输入、输出、参数调整等细节。同样，系统中使用的数据结构也应在设计说明中明确，以确保每个模块能够顺利处理数据并与其他模块进行交互。
6. 结论
6.1 系统、软件需求和软件设计说明之间的粒度层次差异
通过本文的分析，能够看出系统需求、软件需求和软件设计说明在描述粒度上的层次差异。系统需求是对整个系统的高层次描述，它们关注系统应具备的功能、性能和安全性要求；软件需求则进一步细化系统需求，将其分解为具体的软件实现任务；软件设计说明是对软件需求的实现指导，它提供了详细的技术路径和实现方案。
6.2 适当描述粒度对项目成功的影响
合理控制系统需求、软件需求和软件设计说明的描述粒度，对于项目的成功至关重要。需求描述过粗会导致开发偏差和测试不足，过细则会增加文档的管理和维护成本。因此，找到合适的需求粒度，既能够确保开发人员准确理解需求，又能够保持设计和实现的灵活性，是需求管理中的一项重要任务。
6.3 建议与未来优化方向
在未来的项目实施中，建议团队在需求管理过程中采用敏捷方法，逐步分解和细化需求，确保每个阶段的需求描述都能与系统的开发进度和复杂性相匹配。同时，应充分利用需求管理工具，加强需求的可追溯性和变更管理，确保系统的每个需求都能得到有效实现。
