系統(tǒng)工程在民用飛機(jī)研制中的應(yīng)用

張 緒

中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計研究院強(qiáng)度設(shè)計研究部

本文介紹了民用飛機(jī)研制的主要系統(tǒng)工程過程和系統(tǒng)工程在國內(nèi)外民用飛機(jī)研制中的應(yīng)用。國外知名民用飛機(jī)制造商在其飛機(jī)研制中已大力推行了系統(tǒng)工程，建立了一系列對應(yīng)的管理體系和技術(shù)文件體系，有力的促進(jìn)了型號研制。我國民用飛機(jī)研制企業(yè)也已開始推廣系統(tǒng)工程的應(yīng)用，力爭促進(jìn)我國民機(jī)制造業(yè)的創(chuàng)新式發(fā)展。

系統(tǒng)工程專注于系統(tǒng)整體設(shè)計和應(yīng)用，用全面的視角看待系統(tǒng)問題，是一個自上而下綜合、開發(fā)和運行系統(tǒng)的迭代過程，謀求以最優(yōu)化的方式來滿足利益相關(guān)者的需求。目前，系統(tǒng)工程在高度復(fù)雜綜合性的產(chǎn)品的研制過程中得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為管理復(fù)雜項目的有效方法。民用飛機(jī)由機(jī)體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等多個系統(tǒng)集成而成，每個系統(tǒng)下又分多個子系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部及系統(tǒng)之間存在大量的界面問題和集成問題，是典型的高度復(fù)雜產(chǎn)品。為了確保在有限成本的約束下，生產(chǎn)出滿足客戶和市場需求的飛機(jī)，全球知名航空制造企業(yè)已經(jīng)普遍在研發(fā)過程中采用系統(tǒng)工程過程和方法，并取得了明顯成效。本文將主要論述系統(tǒng)工程在民機(jī)研制中的應(yīng)用。

民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程與方法

民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程一般以功能研制和需求分析（包括需求定義，需求分配，需求確認(rèn)等）為基礎(chǔ)，進(jìn)而進(jìn)行飛機(jī)級和系統(tǒng)級的架構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品生產(chǎn)以及需求驗證、產(chǎn)品確認(rèn)等過程?；谛枨蟮拿駲C(jī)研制系統(tǒng)工程過程模型如圖1 所示。

飛機(jī)功能分析和定義是進(jìn)行飛機(jī)需求定義的基礎(chǔ)以及確保需求完整性的前提。飛機(jī)功能來源于飛機(jī)的操作運行理念，即搭載乘客和貨物安全地從起點運行到終點，并提供人機(jī)接口、液壓能源、氣源和電源等飛機(jī)運行所需的公共資源，同時需要提供維護(hù)功能以保證運營和持續(xù)適航。按照飛機(jī)運營理念，其基礎(chǔ)功能包括：載人和裝貨、地面空中運行、提供公共資源、支持運營等，在每項基礎(chǔ)功能下面可以繼續(xù)定義主要功能和子功能。如載人和裝貨這一基礎(chǔ)功能下面可以定義如下主要功能：提供基本結(jié)構(gòu)；提供和控制乘員/貨物的進(jìn)出與容納；提供并控制飛機(jī)環(huán)境。提供并控制飛機(jī)環(huán)境這一主要功能又可分為如下幾項子功能：壓力控制；溫度控制；空氣品質(zhì)控制；提供內(nèi)部照明；提供應(yīng)急照明；提供外部照明等。

在已研制完成的飛機(jī)功能定義基礎(chǔ)上進(jìn)行飛機(jī)需求定義和分析。飛機(jī)需求可以分為非功能需求和功能需求兩大類。其中，非功能需求，是指那些與飛機(jī)功能分配無關(guān)的需求，一般包括過程需求、供應(yīng)商需求和其他與設(shè)備直接相關(guān)的需求。功能需求，是指與定義的飛機(jī)功能直接相關(guān)的需求，它又可以分為安全性需求，功能性需求，補(bǔ)充審定需求，衍生需求等，如圖2 所示。飛機(jī)需求體系按照層級可劃分為飛機(jī)級需求、系統(tǒng)級需求、子系統(tǒng)級需求或產(chǎn)品級需求。需求捕獲后尚須進(jìn)行需求確認(rèn)和需求驗證。需求確認(rèn)工作是為了確保需求的正確性和完整性，需求確認(rèn)方法包括追溯，分析、建?；蛟囼?，相似性（工程經(jīng)驗），工程評審等。需求驗證的目的是確保定義的所有需求都已通過產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)得到實現(xiàn)和滿足，常用的需求驗證方法包括檢查或評審，分析，試驗與演示，使用/服役經(jīng)驗等。選擇何種需求確認(rèn)或驗證方法，需要按照系統(tǒng)或子系統(tǒng)的研制保證等級進(jìn)行確定。

除圖1 所示外，民機(jī)研制中的技術(shù)管理過程還包括接口管理，技術(shù)風(fēng)險管理，技術(shù)信息管理，技術(shù)評估，決策分析等。

圖1 民用飛機(jī)與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程模型

圖2 飛機(jī)功能需求分類

系統(tǒng)工程在國外民機(jī)研制企業(yè)中的應(yīng)用

系統(tǒng)工程在波音民機(jī)研制中的應(yīng)用

波音公司較早地在商用飛機(jī)研發(fā)生產(chǎn)中引入了系統(tǒng)工程，并在其B777、B787 及其他多個改型項目的實踐中取得了良好的成果。以其B777 型號研制為例，在B777項目開始之初，波音公司認(rèn)識到，隨著客戶對飛機(jī)運營安全性、經(jīng)濟(jì)性等要求的提高，飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計也越來越先進(jìn)，各系統(tǒng)之間的交聯(lián)及集成也變得越來越復(fù)雜，同時對系統(tǒng)研發(fā)人員之間的交流與協(xié)作的要求也越來越高，靠傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計方法難以協(xié)調(diào)復(fù)雜的集成問題，因此在B777 項目研制過程中引入了系統(tǒng)工程方法。

在B777 項目的研制隊伍中，波音在飛機(jī)的每個系統(tǒng)（如推進(jìn)、航電、結(jié)構(gòu)、電氣、氣動等）團(tuán)隊中除了設(shè)置（副）總設(shè)計師（chief engineer）外，還首次設(shè)置了新的職務(wù)-（副）總項目工程師（Chief Project Engineers），以負(fù)責(zé)飛機(jī)的集成。

（副）總項目工程師負(fù)責(zé)以下工作的集成：飛機(jī)需求，飛機(jī)構(gòu)型設(shè)計，飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，性能、取證以及試驗，生產(chǎn)計劃符合性、駕駛艙及客艙操作、客戶服務(wù)活動等。飛機(jī)級的總項目工程師的職責(zé)是保證所有飛機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)活動相一致，實現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)相互之間以及與飛機(jī)結(jié)構(gòu)之間的完美集成。

系統(tǒng)工程在空客民機(jī)研制中的應(yīng)用

隨著空客集團(tuán)的業(yè)務(wù)越來越多的涉及復(fù)雜系統(tǒng)，空客認(rèn)識到系統(tǒng)工程是幫助其研發(fā)人員掌控產(chǎn)品的復(fù)雜性，以及與合作伙伴和供應(yīng)商之間進(jìn)行垂向集成的有效工具，加之競爭對手波音也開展了相關(guān)系統(tǒng)工程培訓(xùn)，空客公司自90 年代起開始在其內(nèi)部大力推行系統(tǒng)工程。

自上世紀(jì)90 年代至今，空客公司基于一系列通用的系統(tǒng)工程規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，如EIA632《Processes for Engineering a System》、ISO15288（2002）《Systems Engineering：System life cycle processes》、ARP4754A《Development of Civil Aircraft and Systems》，在其內(nèi)部建立了一套自己的系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)文件，如針對系統(tǒng)級設(shè)計的ABD200 需求體系和針對產(chǎn)品級設(shè)計的ABD100 需求體系，并將其應(yīng)用于A380，A400M 及A350 項目中。其需求文件體系如圖3 所示。

圖3 空客民機(jī)需求文件體系

除了需求管理，功能分析等傳統(tǒng)系統(tǒng)工程活動外，在A350XWB 項目中，空客還成功開展了基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，以下簡稱MBSE）?？湛驮贏350XWB 項目中專門設(shè)置了一個建模與仿真團(tuán)隊，該團(tuán)隊的一項工作便是開展MBSE，通過建立模型來描述系統(tǒng)或者功能的功能架構(gòu)和邏輯架構(gòu)，這些模型基于圖形格式，描述系統(tǒng)行為以及系統(tǒng)間的相互影響。該方法將過去采用大量文件來描述的需求、功能和架構(gòu)，轉(zhuǎn)化為以標(biāo)準(zhǔn)的建模語言表達(dá)的系統(tǒng)靜態(tài)的參數(shù)、架構(gòu)和接口，以及系統(tǒng)的動態(tài)行為，包括用例、功能、時序和狀態(tài)等。通過MBSE 的使用，空客在研發(fā)設(shè)計的早期就得以對全機(jī)通電試驗進(jìn)行了模擬，并建立了全機(jī)熱環(huán)境模擬模型，并將其與供應(yīng)商進(jìn)行共享以便于其系統(tǒng)設(shè)計的改進(jìn)。事實證明，利用全機(jī)的MBSE 模型，可以對問題做出更好的及早的預(yù)測，并且更有預(yù)見性的準(zhǔn)備試驗。

系統(tǒng)工程在我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

目前，國內(nèi)的飛機(jī)制造企業(yè)也已在其內(nèi)部開始大力推行系統(tǒng)工程。

在大型客機(jī)研制中，已經(jīng)嚴(yán)格貫徹了基于需求的飛機(jī)設(shè)計理念。建立了一整套從飛機(jī)級-系統(tǒng)級-子系統(tǒng)級-產(chǎn)品級的需求文件體系，并展開了基于模型的系統(tǒng)工程的探索與嘗試，對系統(tǒng)架構(gòu)和集成工作起到了促進(jìn)作用。

中航工業(yè)集團(tuán)已于2013 年加入國際系統(tǒng)工程協(xié)會，并與IBM 公司簽署了系統(tǒng)工程戰(zhàn)略合作協(xié)議，組建了中航工業(yè)系統(tǒng)工程信息化推進(jìn)卓越中心，在中航工業(yè)范圍內(nèi)推進(jìn)系統(tǒng)工程方法論導(dǎo)入、工具應(yīng)用及實施服務(wù)中航工業(yè)也已制定了基于MBSE 的系統(tǒng)工程的推廣規(guī)劃，以期實現(xiàn)航空產(chǎn)品研發(fā)模式的創(chuàng)新和變革。

結(jié)束語

在民機(jī)研制產(chǎn)業(yè)中，需要大力推廣系統(tǒng)工程這一跨學(xué)科的方法和工具，著眼于商業(yè)運營環(huán)境，從全視角出發(fā)來研究民機(jī)產(chǎn)品的運營概念，由外及內(nèi)推導(dǎo)產(chǎn)品的需求及架構(gòu)，借助統(tǒng)一的仿真建模語言開展MBSE 活動，實現(xiàn)民機(jī)產(chǎn)品從幾何樣機(jī)向功能（性能）樣機(jī)的突破，推動民機(jī)產(chǎn)業(yè)模式的變革和創(chuàng)新。