淺談民用飛機系統(tǒng)研制中的系統(tǒng)工程運用

郜鵬飛

摘 要：民用飛機產(chǎn)品是高復雜度、高集成度的工業(yè)產(chǎn)品，以滿足客戶需求，取得市場成功為最終目標。由于民用飛機產(chǎn)品及其研制的內(nèi)在特征，一般的工業(yè)產(chǎn)品、零部件的研制方法與流程難以支持產(chǎn)品最終的狀態(tài)達到預期的質(zhì)量，滿足客戶與適航當局的要求。該文闡述了系統(tǒng)與系統(tǒng)工程的基本概念，解釋了在民用飛機產(chǎn)品研制中采用系統(tǒng)工程方法的必要性，描述了在民用飛機產(chǎn)品/系統(tǒng)研制中系統(tǒng)工程方法運用的基本過程，并簡要介紹了基于模型的系統(tǒng)工程方法。

關(guān)鍵詞：民用飛 系統(tǒng)工程 生命周期 MBSE

中圖分類號：V233.91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0084-02

民用飛機產(chǎn)品是高復雜度、高集成度的工業(yè)產(chǎn)品，以滿足客戶需求，取得市場成功為最終目標。區(qū)別于一般產(chǎn)品與零部件，民用飛機產(chǎn)品項目的投入大、周期長、研制難度高，一般的工業(yè)產(chǎn)品、零部件的研制方法與流程難以支持產(chǎn)品最終的狀態(tài)達到預期的質(zhì)量，滿足客戶與適航當局的要求。

1 系統(tǒng)工程概述

中國系統(tǒng)科學界對系統(tǒng)的通用定義是：系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干要素（部分）結(jié)合而成的、具有特定功能的有機整體。第一，系統(tǒng)必須由兩個或兩個以上的要素所組成。第二，要素之間存在一定的有機聯(lián)系。系統(tǒng)具有不同于各要素原有功能的整體新功能。

系統(tǒng)工程，在FAA系統(tǒng)工程手冊中，定義為一門學科，與其他學科不同的是，系統(tǒng)工程關(guān)注的是系統(tǒng)整體的設(shè)計和實現(xiàn)而不是各個部分，它將所有變量考慮在內(nèi)，并在技術(shù)層面將各個環(huán)節(jié)有機聯(lián)系起來；錢學森的定義是，系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學方法；日本工業(yè)標準的定義是，系統(tǒng)工程是為了更好地達到系統(tǒng)目標而對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動和控制機制進行分析與設(shè)計的技術(shù)。以上各個定義的核心和理念是相通的，都突出了對系統(tǒng)整體功能實現(xiàn)的關(guān)注，和整個系統(tǒng)實現(xiàn)過程中需要考慮的因素和過程的關(guān)注。不同在于由于不同的定義產(chǎn)生于不同的領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域特有的關(guān)注點是不同的。但這并不影響對于系統(tǒng)工程的理解，相反，對于不同領(lǐng)域系統(tǒng)工程定義、方法和實踐的研究，更有助于更加全面地理解系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程的適用范圍是相當廣泛的，可以運用于大到社會系統(tǒng)的規(guī)劃和管理，小到日常生活中瑣碎小事的統(tǒng)籌安排和執(zhí)行。

2 民用飛機系統(tǒng)研制采用系統(tǒng)工程方法的必要性

商用飛機研制是一項復雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)工程方法是針對復雜系統(tǒng)研制和集成而產(chǎn)生的工程管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)項目總體最優(yōu)，運用系統(tǒng)工程方法是商用飛機研制的內(nèi)在需要。

例如，美國第二代戰(zhàn)斗機F-111、F-4等在交付空軍時只解決了57%的問題，還有43%的問題到交付使用后才逐步解決，嚴重影響了飛機的作戰(zhàn)使用。有的飛機任務(wù)要求分析粗糙，研制到一半才發(fā)現(xiàn)根本不能滿足使用要求，只能半途中止，在經(jīng)歷了一系列的挫折和失敗后，耗費了數(shù)以億計美元后，人們發(fā)現(xiàn)如果應(yīng)用了系統(tǒng)工程的原理和方法，那么這些失敗是可以避免或至少可以減緩的。自從將系統(tǒng)工程方法引入飛機研制過程后，取得了許多令人矚目的研制成果，如F-16、F-22和B777等型號。

目前系統(tǒng)工程已成為行業(yè)通用的指導商用飛機研制的方法，各主要民機制造商、行業(yè)協(xié)會和相關(guān)機構(gòu)都圍繞系統(tǒng)工程應(yīng)用，編制了大量的指導方法和標準。例如，SAE ARP4754A《民用飛機及其系統(tǒng)的研制指南》是航空領(lǐng)域一份重要的實踐指南，將系統(tǒng)工程和安全性設(shè)計融入到民用飛機研制和適航取證過程中。系統(tǒng)工程在國際的飛行器研制過程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并取得了顯著的效果，并在波音，空客，米格等巨頭公司最佳實踐經(jīng)驗中得到了總結(jié)和提升。

如前所述，系統(tǒng)工程作為一種行之有效的方法，對民用飛機系統(tǒng)形制有著非常重要的指導意義。

3 民用飛機系統(tǒng)研制中的系統(tǒng)工程運用

3.1 民用飛機產(chǎn)品生命周期

民用飛機產(chǎn)品生命周期是指，把工程或項目中需要實現(xiàn)的所有事項劃分為若干明顯的階段，并由關(guān)鍵決策點區(qū)分。關(guān)鍵決策點是指決策機構(gòu)確定工程/項目進入生命周期下一階段（或者下一個關(guān)鍵決策點）是否準備就緒的事件點。不同的組織機構(gòu)對產(chǎn)品的生命周期劃分不一，但通?？梢詣澐譃轭A先研究階段、概念階段、設(shè)計階段、產(chǎn)品實施階段、產(chǎn)品使用階段、產(chǎn)品支持維護階段和產(chǎn)品退役處置階段。

3.2 基于需求的系統(tǒng)工程

民機產(chǎn)品的研制是在多種約束下生產(chǎn)出滿足最終客戶需求的產(chǎn)品的過程，滿足客戶需求是最終目的，同時研制活動限定在特定約束條下，包括項目資源約束（如人力資源約束、項目資金約束、組織架構(gòu)約束等）、法律法規(guī)約束等。產(chǎn)品是否滿足客戶需求，決定了產(chǎn)品是否具有市場競爭力，項目是否成功。所以，在項目的最初階段，就要充分地正確地捕獲各利益相關(guān)方的有關(guān)需求，作為項目的重要輸入。典型的利益相關(guān)方包括產(chǎn)品的使用者、企業(yè)決策者、協(xié)議方、監(jiān)管當局，乃至整個社會。民機產(chǎn)品項目的研制投入大，周期長，歸根到底，民機研制的系統(tǒng)工程是基于需求的系統(tǒng)工程。

基于需求的系統(tǒng)工程過程通常描述為V模型。V模型主要包括三個核心內(nèi)容：需求定義、系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)。三個過程依次進行，不斷迭代，形成推進飛機研制的驅(qū)動力。V模型的核心在于自頂向下的正向設(shè)計和自下而上的系統(tǒng)集成。目前世界上各大民用飛機廠商大多采用主制造商-供應(yīng)商的商業(yè)模式，當需求自上而下分解分配到一定層次后，最終細化的需求是由供應(yīng)商來實現(xiàn)的。典型的民用飛機V模型如圖1所示。

需求定義，解決的是“做什么”的問題。需求來自于各利益相關(guān)方對民用飛機產(chǎn)品的“需要”，這種“需要”可以是客戶對產(chǎn)品特征的期望，可以是適航當局對飛機產(chǎn)品需要滿足的最低性能的要求，也可以是公司決策者對產(chǎn)品項目的各種約束。需求捕獲需要民用飛機產(chǎn)品主制造商盡可能廣泛地收集各利益相關(guān)者的“需要”，然后對“需要”進行分析，用工程語言的形式形成產(chǎn)品設(shè)計過程中可實現(xiàn)的需求。在飛機產(chǎn)品的設(shè)計過程中，也要將各利益相關(guān)者納入設(shè)計過程，使各利益相關(guān)方持續(xù)地對飛機產(chǎn)品的研制進行跟蹤，以避免不必要的反復。

需求的捕獲是分層次的，同樣遵循自頂向下的順序，先形成飛機級的需求規(guī)范，然后對飛機頂層規(guī)范進行分解分配，依次得到系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、LRU級、以及部件級的需求，最終形成各供應(yīng)商可實現(xiàn)的細化的需求。每一級的需求都要進行需求的確認過程，確認的原則主要包括需求的正確性和完整性確認，需求的確認方法可以包括工程評審、追溯性、分析計算、相似性說明、建模、試驗等。需求捕獲的過程是民用飛機產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)，需求本身的質(zhì)量最終決定了飛機產(chǎn)品的質(zhì)量。

系統(tǒng)設(shè)計，解決的是“怎么做”的問題。是將需求轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計方案的過程。系統(tǒng)設(shè)計過程的輸入來源于需求定義過程。通過需求定義過程，客戶和利益相關(guān)方的要求被轉(zhuǎn)換成多組完整可行的系統(tǒng)需求，滿足這一系列完整的需求就成為系統(tǒng)設(shè)計過程的目標。

系統(tǒng)設(shè)計過程本身由多個子過程組成。這些子過程包括，識別潛在備選方案、定義備選方案集、定義設(shè)計和性能特性、定義物理架構(gòu)、選擇最優(yōu)設(shè)計方案、最優(yōu)方案的詳細描述等。系統(tǒng)設(shè)計過程最終將輸出系統(tǒng)規(guī)范、外部接口規(guī)范以及產(chǎn)品規(guī)范。這些規(guī)范包含了實施設(shè)計的所有信息，包括結(jié)構(gòu)、電氣、信號接口信息，設(shè)計材料和尺寸，安裝和工藝技術(shù)要求等。輸出結(jié)果將直接用于系統(tǒng)實施和驗證過程。

產(chǎn)品實現(xiàn)，解決的是“是否做了正確的產(chǎn)品”的問題，其目的在于表明飛機每一層級的設(shè)計實施滿足了其預定的需求，預期的功能已經(jīng)正確地實現(xiàn)。經(jīng)過需求定義與系統(tǒng)設(shè)計過程，完成了V模型左半邊自頂向下的設(shè)計過程，來到了V模型的最底端。產(chǎn)品實現(xiàn)過程是自下而上的，由軟硬件級、部件級直至飛機的最頂層。系統(tǒng)集成即將最底層的軟硬件產(chǎn)品逐層綜合，依次形成部件級、LRU級、系統(tǒng)/子系統(tǒng)級、飛機級的產(chǎn)品。需求驗證是要保證各個層級的集成確實滿足的最初的需求規(guī)范，與對產(chǎn)品的預期相一致。需求驗證的對象是需求本身，驗證的方法手段可以是多樣的，包括檢查或評審、分析、試驗與演示、使用/服役經(jīng)驗等。

3.3 基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是近期提出的概念，是對系統(tǒng)工程方法的進一步實踐與升級。最早提出基于模型的系統(tǒng)工程概念的INCOSE將其定義為，“基于模型的系統(tǒng)工程是通過形式化的建模手段，從概念設(shè)計階段開始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，并持續(xù)貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段”。

從該定義可以看到，MBSE強調(diào)了兩個概念：第一，基于模型。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法從需求的定義、確認到需求驗證活動，都是基于文檔形式的，各層級需求的分配與鏈接關(guān)系完全通過文檔的形式完成。需求文檔在民用飛機產(chǎn)品的生命周期是不斷迭代的，在需求需要更改的情況下，對整個文檔化的需求體系進行重新鏈接是非常繁重的。而MBSE的需求體系可基于模型實現(xiàn)，將各個級別的需求與相應(yīng)的系統(tǒng)方案元素建立鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計者對系統(tǒng)的認識。因為由模型化的方法替代了繁重的文檔管理方法，系統(tǒng)模型與需求之間的關(guān)系更加明確，系統(tǒng)更改造成的影響也更加透明。第二，貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段。MBSE從需求定義階段開始就形成了飛機產(chǎn)品以及各飛機系統(tǒng)的模型，在不斷升級的系統(tǒng)設(shè)計過程中逐步細化完善，可以支持整個飛機產(chǎn)品研發(fā)的過程活動，也可以延伸到產(chǎn)品運營支持、產(chǎn)品維護和退役處置的過程。不同的設(shè)計方面，不同的生命周期過程采用的模型和工具可以是不同的。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）對于民用飛機產(chǎn)品這樣的高復雜度的系統(tǒng)工程是行之有效的，可以大大地提高研制的效率，對飛機產(chǎn)品的生命周期活動進行優(yōu)化，是復雜產(chǎn)品系統(tǒng)工程實踐的升級和趨勢。

4 結(jié)語

該文從系統(tǒng)與系統(tǒng)工程本身的概念出發(fā)，闡述了在民用飛機設(shè)計過程中采用系統(tǒng)工程方法的若干重要因素，并提出了在復雜系統(tǒng)研制中采用基于模型的系統(tǒng)工程的優(yōu)勢所在。目前，國內(nèi)民用飛機產(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程應(yīng)用還不成熟，還處于系統(tǒng)工程方法的研究和探索性實踐階段，在系統(tǒng)工程體系的建立和系統(tǒng)工程經(jīng)驗積累上，還有很長的路要走。由于民機產(chǎn)品本身的特征和民機行業(yè)的特征所在，民用飛機產(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程運用，是勢在必行，在躋身民機行業(yè)的過程中，盡快建立系統(tǒng)工程的思想和方法體系，將會大大縮短我們與世界先進水平的時間和經(jīng)驗差距。

參考文獻

[1] FAA.System Engineering Manual[Z].United States：FAA System Engineering Council，2006.

[2] DoD.System Engineering Fundamentals[M].United States： Defense Acquisition University Press， 2001.

[3] INCOSE. System Engineering Handbook[Z].Seattle：INCOSE，2006.

[4] 丁鼎.基于模型的系統(tǒng)工程在民機領(lǐng)域的應(yīng)用[J].沈陽航空航天大學學報，2012，29（4）：47-54.

[5] 韓鳳宇，林益明，范海濤.基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實踐[J].航天器工程，2014，23（3）：119-125.