A structured framework for requirement specification and validation supporting flight control systems design

The thesis proposes a structured framework for requirement specification and validation tailored to the development of rotorcraft Flight Control Systems (FCSs). The framework is designed to comply with certification regulations and aerospace standards and to align with Systems Engineering (SE) guidelines. It is introduced to support the transition from a document-based to a Model-Based Systems Engineering (MBSE) approach where structured domain models are adopted as the primary means of information exchange and system representation. Grounded in a function-based perspective, the developed framework establishes coherent relationships among functions, requirements, and architectures, ensuring consistency and traceability across all levels of system definition. Starting from a thorough literature review that consolidates heterogeneous standards and practices into a unified conceptual foundation, the thesis introduces a general framework that organizes SE activities into a logical sequence, while accommodating their iterative and recursive nature, and clarifies dependencies between different entities (functions, requirements, architecture). A comprehensive categorization of requirements is defined, supported by informal, semi-formal, and formal specification methods that balance compliance with standards against usability for engineers. To support requirement validation, an algorithm is introduced for assessing consistency of formalized requirements. The algorithm is integrated within a novel software tool that enables requirement authoring, automated translation into formal languages, and coverage and syntactic correctness checks. Additionally, an optimization algorithm for logical architectures is presented, reducing dependencies between subsystems and simplifying interface management, with downstream benefits for physical architectures and overall engineering efficiency. The framework and associated tools address key challenges in aerospace engineering, including regulatory compliance, the need for readability of requirements alongside formal rigor, the early validation of requirements, the problem of lack of tool interoperability and consequent issue with traceability. By embedding requirement specification and validation within a coherent MBSE process, this work contributes to advancing both methodological rigor and practical efficiency in the engineering of rotorcraft FCSs. Interestingly, the developments in this thesis are generalizable to other complex and safety-critical domains.

La tesi propone un framework strutturato per la specifica e la validazione dei requisiti, concepito per lo sviluppo dei sistemi di controllo di volo (Flight Control System, FCS) degli elicotteri, ma al tempo stesso generalizzabile ad altri sistemi complessi e critici dal punto di vista della sicurezza. Il framework è progettato per essere conforme alle normative di certificazione e agli standard aerospaziali, oltre che allineato alle linee guida del Systems Engineering, (SE), supportando così la transizione da un approccio basato su documenti a uno di Model-Based Systems Engineering (MBSE) in cui modelli strutturati e formali sono adottati come metodo principale per scambio di informazioni e rappresentazione di sistemi. Il framework, che si basa su un’impostazione function-based, e sviluppato nel contesto di questa ricerca, stabilisce relazioni coerenti tra funzioni, requisiti e architetture, garantendo consistenza e tracciabilità a tutti i livelli di definizione del sistema. Partendo da una revisione sistematica della letteratura, che mette a sistema standard e pratiche eterogenee creando una base concettuale unificata, la ricerca introduce un framework generale che organizza le attività di SE in una sequenza logica, pur rispettandone la natura iterativa e ricorsiva, e che chiarisce le dipendenze tra le diverse entità (funzioni, requisiti, architettura). Viene definita una categorizzazione completa dei requisiti, supportata da metodi di specifica informali, semi-formali e formali, che cercano di bilanciare la necessità di conformità agli standard con l’usabilità per gli ingegneri. A supporto della validazione dei requisiti, è stato sviluppato un algoritmo per valutare la consistenza dei requisiti espressi in un linguaggio di specifica formale. L’algoritmo è integrato in un innovativo strumento software che consente anche la scrittura dei requisiti, la traduzione automatica in linguaggi formali e la verifica di copertura e correttezza sintattica. Inoltre, viene presentato un algoritmo di ottimizzazione delle architetture logiche, che riduce le dipendenze tra sottosistemi e semplifica la gestione delle interfacce, con benefici a cascata sulle architetture fisiche e sull’efficienza complessiva del processo ingegneristico. Il framework e gli strumenti associati affrontano sfide chiave dell’ingegneria aerospaziale, tra cui la conformità normativa, la necessità di requisiti leggibili ma formalmente rigorosi, la validazione precoce dei requisiti, il problema della scarsa interoperabilità degli strumenti e le conseguenti difficoltà di tracciabilità. Integrando la specifica e la validazione dei requisiti all’interno di un processo MBSE coerente, questo lavoro contribuisce ad avanzare sia il rigore metodologico sia l’efficienza pratica nello sviluppo dei sistemi di controllo di volo per elicotteri e altri sistemi critici per la sicurezza. Da notare che quanto sviluppato nel contesto di questa tesi è generalizzable ad altri contesti simili (sistemi complessi e critici per la sicurezza).