基于系統(tǒng)工程的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理方法研究

中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 羅婷婷

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)面臨的重大戰(zhàn)略任務(wù)[1]，其研制過程是一項(xiàng)跨地域、跨企業(yè)、跨學(xué)科高度協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)工程，具有高技術(shù)、長(zhǎng)周期、投入大的特點(diǎn)，如何保證研制的最終產(chǎn)品能夠滿足客戶需求是研制單位面臨的重要挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，為持續(xù)提升商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)體系化研制能力，需要有效管控其研制過程能夠滿足其研制需求，降低后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件或整機(jī)試驗(yàn)、適航取證和服務(wù)保障風(fēng)險(xiǎn)，最終經(jīng)濟(jì)高效地制造出高質(zhì)量的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

21世紀(jì)初，隨著產(chǎn)品復(fù)雜度的不斷提升，需求管理方法逐漸被應(yīng)用于國防產(chǎn)品研制過程中。洛克希德·馬丁[2]、波音[3]、空客[4]等國外航空航天企業(yè)已經(jīng)構(gòu)建了以產(chǎn)品需求為核心的研制過程體系和平臺(tái)，并在JSF、波音787、A380等型號(hào)工程中推廣使用，及時(shí)監(jiān)控和修正研制過程中對(duì)需求的偏離，在成本、進(jìn)度、產(chǎn)品符合性等方面取得了突出成效。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)中，Rolls-Royce[5]公司在JSF的F135發(fā)動(dòng)機(jī)研制中采用需求管理工具，建立了客戶需求和試驗(yàn)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，并取得了巨大成功。目前，國內(nèi)在大型客機(jī)設(shè)計(jì)研制過程中采用了需求管理，代表了目前的最高水平[6-7]，而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，需求管理則剛剛引入，尚未在型號(hào)產(chǎn)品研制中得到應(yīng)用。

因此，為了滿足商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜化、多元化和系列化的發(fā)展要求，本文以大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制為背景，采用系統(tǒng)工程思想，研究發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理方法，構(gòu)建商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求管理系統(tǒng)，從而提升商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理能力，實(shí)現(xiàn)研制需求的全生命周期管理。

1 需求驅(qū)動(dòng)的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制

需求是驅(qū)動(dòng)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的源頭。在商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程初期，首先要根據(jù)需求定義潛在的客戶和供應(yīng)商等，確定為滿足需求所必需完成的研制工作。商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求驅(qū)動(dòng)源如表1。

表1 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求驅(qū)動(dòng)源

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，從獲取需求開始，到需求分析、分解，再到研制發(fā)動(dòng)機(jī)、最終提交符合質(zhì)量要求的發(fā)動(dòng)機(jī)，以保障發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用，研制業(yè)務(wù)都圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)需求而展開。難以滿足研制需求、跟蹤需求、管理需求變更，是很多發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目延期、超出預(yù)算甚至失敗的關(guān)鍵原因。

2 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理是用于獲取、實(shí)現(xiàn)和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)需求，并使用戶和發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)變更需求上達(dá)成并保持一致的系統(tǒng)化方法。

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期需求管理的目的是要研制出真正滿足客戶需要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。通過對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程進(jìn)行詳細(xì)分析，明確研制過程各階段產(chǎn)品需求所包含的內(nèi)容和特點(diǎn)，以及不同階段中所涉及到的信息分布、交互與使用情況，使研發(fā)人員始終明白具體任務(wù)和工作依據(jù)，嚴(yán)格遵守需求版本和需求變更管理規(guī)范，保證需求演變的可追蹤性，最終研制出同需求保持一致的、高質(zhì)量的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理主要包括以下5項(xiàng)核心業(yè)務(wù)：（1）研制需求的集中管控。通過航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求集中管控，促使客戶、研制團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商達(dá)成統(tǒng)一的發(fā)動(dòng)機(jī)研制目標(biāo)，通過需求管理系統(tǒng)顯示統(tǒng)一的最新需求信息以及其他由需求分析演化而來的研制信息。（2）研制需求分析演化的全流程跟蹤。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理的核心是研制需求的全流程跟蹤，記錄“整機(jī)需求→系統(tǒng)需求→子系統(tǒng)需求→軟硬件需求”的需求信息轉(zhuǎn)換過程及需求驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)出物，著重關(guān)注層次需求信息之間的關(guān)系的跟蹤性。（3）研制需求確認(rèn)與試驗(yàn)驗(yàn)證。商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)由眾多團(tuán)隊(duì)、廠商協(xié)同研制。發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理通過建立功能要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)/試驗(yàn)計(jì)劃之間的關(guān)聯(lián)，為發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證與整機(jī)集成試驗(yàn)驗(yàn)證提供高效支持。（4）研制需求變更管理。發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期長(zhǎng)，如何評(píng)估某個(gè)變更對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)及其若干系統(tǒng)的影響，變得非常關(guān)鍵。需求管理要通過需求跟蹤視圖來幫助相關(guān)責(zé)任人分析需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響程度，有效掌控并詳細(xì)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)需求的變更。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求重用。發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理將把發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重要資料以及他們之間的相互關(guān)系記錄和保持下來，創(chuàng)建并維護(hù)可重用的需求資產(chǎn)以總結(jié)和沉淀經(jīng)驗(yàn)與“智慧”，將極大方便和加速后續(xù)系列型號(hào)的研制。

3 基于系統(tǒng)工程的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理

系統(tǒng)工程是一種在考慮生命周期、客戶需求及設(shè)計(jì)和工程項(xiàng)目的流程和技術(shù)管理的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)成功地、系統(tǒng)地、跨學(xué)科地管理的方法和手段[8]。采用系統(tǒng)工程方法，有效保證產(chǎn)品能在充分合規(guī)的條件下研制，從而減少可能影響客戶需求和發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的錯(cuò)誤。系統(tǒng)工程的V字模型如圖1所示。

圖1 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求的確認(rèn)和驗(yàn)證Fig.1 Validation and verification of commercial aeroengine development requirement

圖1描述了商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求的確認(rèn)和驗(yàn)證過程。需求產(chǎn)出物的關(guān)聯(lián)關(guān)系體現(xiàn)在整個(gè)研制活動(dòng)中，反映了研制過程與驗(yàn)證過程的關(guān)系。因此，采用系統(tǒng)工程方法能夠使產(chǎn)品更好地滿足研制需求。

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制采用“主制造商—供應(yīng)商”的模式，從總體方案論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，到適航取證，各階段設(shè)計(jì)階段的需求文件，要從頂層設(shè)計(jì)需求逐步分解。各層次需求間具有相互依賴的關(guān)系，有下層對(duì)上層的支持，同時(shí)要逐步確定適航審定基礎(chǔ)，安全性、維修性等要求能逐步落實(shí)。因此，采取合理科學(xué)的需求管理方法和流程顯得尤為重要。商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制生命周期的需求管理流程如圖2所示。

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求管理流程分為整機(jī)需求、系統(tǒng)需求、子系統(tǒng)需求和軟硬件需求4個(gè)層次。每個(gè)層級(jí)的需求通過分析或說明的方式在下個(gè)層級(jí)中確認(rèn)，進(jìn)而將需求逐層細(xì)化至最基本的軟件和硬件需求，以指導(dǎo)軟硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)，通過對(duì)軟硬件的測(cè)試實(shí)現(xiàn)對(duì)軟硬件需求的驗(yàn)證，進(jìn)而逐層驗(yàn)證上一層級(jí)的需求，這種具有追溯性的方法有利于需求更改管理和發(fā)現(xiàn)需求更改對(duì)其他需求或研制活動(dòng)的影響。由此，實(shí)現(xiàn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需求的確認(rèn)和驗(yàn)證過程。

4 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)

采用基于系統(tǒng)工程的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理方法和需求管理系統(tǒng)建模方法，構(gòu)建了商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了某型號(hào)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研制需求的結(jié)構(gòu)化管理，將燃油控制、健康管理、起動(dòng)、點(diǎn)火、機(jī)械、外部與短艙等系統(tǒng)技術(shù)活動(dòng)全部納入有效管控。如圖3所示為商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，如圖4所示為商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求導(dǎo)入需求管理系統(tǒng)示意圖。

圖3 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig.3 Commercial aviation engine requirements management system database diagram

圖4 商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求導(dǎo)入需求管理系統(tǒng)示意圖Fig.4 Importing demand management system into commercial aeroengine

采用商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了約150份各層級(jí)需求、技術(shù)要求文檔的條目化、審計(jì)和鏈接；通過CQ派遣2700個(gè)任務(wù)，提交250多份問題報(bào)告、120份變更申請(qǐng)，建立70個(gè)基線，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)研制進(jìn)展和技術(shù)變更的嚴(yán)格管控；實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)需求的分析和再次確認(rèn)，并自動(dòng)生成需求規(guī)格、產(chǎn)品規(guī)范和接口控制文檔，實(shí)現(xiàn)需求向機(jī)械、外部與短艙等子系統(tǒng)需求的分配以及產(chǎn)品規(guī)格、接口控制文檔間的傳遞。

5 結(jié)論

商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理能夠有效保證發(fā)動(dòng)機(jī)從用戶需求、系統(tǒng)需求到產(chǎn)品研制各階段需求的一致性，引入系統(tǒng)工程思想，研究發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理方法和需求管理系統(tǒng)建模方法，并以某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，在構(gòu)建的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理系統(tǒng)上驗(yàn)證了方法的合理性，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中設(shè)計(jì)結(jié)果和研制需求的一致性，從而為商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中實(shí)施需求管理提供借鑒。

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