民用飛機研制階段EWIS構型管理

肖 乾 黃銘媛 / XIAO Qian HUANG Mingyuan

(1. 上海飛機設計研究院，上海201210; 2. 中國民航上海航空器適航審定中心,上海200335)

民用飛機研制階段EWIS構型管理

肖 乾1黃銘媛2/ XIAO Qian HUANG Mingyuan

(1. 上海飛機設計研究院，上海201210; 2. 中國民航上海航空器適航審定中心,上海200335)

2007年底FAA發(fā)布新的規(guī)章修正案，將電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(electrical wiring interconnection system,簡稱EWIS)的適航要求以獨立分部-H分部的形式納入FAR 25部運輸類飛機適航標準，將EWIS提升到飛機的一個重要綜合系統(tǒng)來看待，其研制過程需進行系統(tǒng)性的考慮，EWIS的構型管理成為適航取證的重要關鍵環(huán)節(jié)。結合EWIS研制特點闡述了EWIS構型管理面臨的挑戰(zhàn)，分析并研究了EWIS構型管理的類別及關鍵內容，提出了管理策略建議，對于民用飛機EWIS的研制具有現(xiàn)實指導意義。

民用飛機；EWIS；構型管理；構型基線

0 引言

電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)(electrical wiring interconnection system，簡稱EWIS)包括安裝在飛機任何區(qū)域的各種電線、端接器件、布線器件，組合構成的系統(tǒng)，用于在兩個或多個端接點之間傳輸電能(包括數(shù)據(jù)和信號)。

本文“研制階段”指的是從項目之初的概念設計到最終獲得型號合格證(TC)期間。在這期間，EWIS系統(tǒng)主要工作內容包括需求確認、接口定義、設計發(fā)圖、試制生產(chǎn)、試驗等驗證及出版物編制等工作。

構型管理(configuration management，簡稱CM)屬系統(tǒng)工程的過程，用于在產(chǎn)品全生命周期內建立和維護產(chǎn)品性能、功能、物理特性與其需求、設計和運營使用的信息相一致。簡而言之CM的目的是確保產(chǎn)品狀態(tài)清晰可控。

2007年底，美國聯(lián)邦航空局(FAA)發(fā)布了FAR25部新修正案，將EWIS適航規(guī)章作為獨立的H分部納入FAR 25部《運輸類飛機適航標準》，將EWIS提升到飛機的一個重要的綜合系統(tǒng)來看待。從此，EWIS不能僅僅簡單地按照傳統(tǒng)工業(yè)標準規(guī)程進行安裝和維護，EWIS的研制過程需進行系統(tǒng)性地考慮，EWIS的構型管理成為適航取證的重要關鍵環(huán)節(jié)。

1 EWIS特點及構型管理的挑戰(zhàn)

民用飛機EWIS的以下特點使得其構型管理具有極大的挑戰(zhàn)性。

1)EWIS是高度綜合化的系統(tǒng)，與飛機各系統(tǒng)、結構、環(huán)境密切關聯(lián)。如圖1所示，EWIS是飛機近30個主功能系統(tǒng)的電氣互聯(lián)載體，連接上千個電子電氣設備；EWIS的安裝遍布全機，與結構接口達幾萬處；EWIS與周圍環(huán)境的管路、設備、結構有電磁、電弧、發(fā)熱、污染等強耦合關系。因此EWIS對構型高度敏感，任何系統(tǒng)、結構、環(huán)境的變化都可能與EWIS產(chǎn)生交互影響。

圖1 EWIS與飛機系統(tǒng)、結構和環(huán)境的關系

2)EWIS設計數(shù)據(jù)類型多樣且相互關聯(lián)。EWIS主要型號數(shù)據(jù)包括需求文檔、電原理圖、線路圖、線束組件圖、線束安裝圖等，涉及上千條需求、上萬個信號，幾萬根導線，幾百個線束，需管理的單架次設計數(shù)據(jù)達百萬量級，且數(shù)據(jù)間相互關聯(lián)，圖2給出了原理圖“信號”和線路圖“導線”的擴展信息內容和關聯(lián)度示例。EWIS構型管理要確保設計數(shù)據(jù)的唯一性、一致性、符合性和有效性。

圖2 原理圖“信號”和線路圖“導線”的擴展信息和關聯(lián)度示意

3)新技術的發(fā)展使得EWIS更加復雜，對其要求也更高。為減少排放、提升能源利用效率，多電/全電技術成為當前飛機發(fā)展的趨勢之一，電能正逐步取代氣能和液壓能，實現(xiàn)能量線傳(Power-by-Wire, 簡稱PBW)，如電剎車、電環(huán)控、電防冰、電作動等，EWIS作為電能傳輸?shù)奈锢磔d體將愈加重要和復雜。同時，為降低飛機重量，提升經(jīng)濟性，復合材料飛機也是當前飛機發(fā)展趨勢之一，全復合材料機身的使用對于EWIS的全機接地回流網(wǎng)、電磁和閃電防護提出了更高的要求。

4)EWIS研制周期短，是最后集成、最早交付的系統(tǒng)。EWIS詳細設計的開展需要系統(tǒng)和結構具備較高成熟度，同時EWIS又需先于系統(tǒng)設備交付、進行機上安裝和測試，并用于各系統(tǒng)設備鑒定試驗。此外，飛機系統(tǒng)集成度越來越高，采用綜合航電和分布式配電系統(tǒng)，系統(tǒng)設計迭代期加長，EWIS研制周期被壓縮,如圖3所示。因此，EWIS構型管理需統(tǒng)籌好研制進度和構型受控之間的關系。

2 EWIS構型類別和內容

EWIS構型管理的對象和內容可以分別從研制階段(時間維度)和范圍(功能維度)兩個維度去探討。

2.1 時間維度的EWIS構型

在時間維度上，可采用國際標準通用的“構型基線”概念對EWIS構型進行劃分。構型基線是在項目研制過程中的某一特定時刻，被正式確認、并被作為今后研制、生產(chǎn)活動基準的技術狀態(tài)文件。EWIS研制階段包括以下四類構型基線，其具體內容和研制階段里程碑的關系如圖4所示。

圖4 EWIS構型基線

1)EWIS功能基線。源自適航法規(guī)、飛機級和各功能系統(tǒng)的需求，是開展EWIS研制的輸入性或接口性技術狀態(tài)文件。

2)EWIS分配基線。由功能基線捕獲、分解和確認的EWIS系統(tǒng)級需求和性能指標。

3)EWIS設計基線。用于EWIS線束組件制造、安裝和測試的圖樣和文檔。

4)EWIS產(chǎn)品基線。EWIS物理產(chǎn)品和相關維護手冊及持續(xù)適航說明文件。

EWIS構型基線管理的目標是通過建立清晰的基線和基線間的一致性、符合性，及對偏離和更改的管理，來確保EWIS產(chǎn)品符合其功能、性能的要求。

EWIS構型基線的詳細內容應基于以上原則，定義在型號技術文件中，并由相關EWIS構型委員會批準發(fā)布，屬于構型基線的文檔圖樣都要在型號構型管理平臺上納入構型管理。各階段設計評審的一個重要目標就是要確認構型基線的完整、準確和有效性。

2.2 功能維度的EWIS構型

在EWIS研制階段，由于存在各系統(tǒng)、結構設計的更改和優(yōu)化，試飛功能架次安排及改裝、設計和制造的偏離、進度節(jié)點等諸多因素，會造成EWIS產(chǎn)生較多的功能構型，相關關系如圖5所示。

圖5 EWIS功能構型

1)EWIS TC取證基本構型。指型號合格證(TC)取證所關聯(lián)的EWIS基本構型(必裝項 + 必選其一的標準配置項)。

2)EWIS首飛構型。指為能滿足首飛功能需求的EWIS構型。

3)EWIS單架機偏離構型。指由于研制階段單架機結構、系統(tǒng)的特殊性，設計及制造偏離，或試飛改裝而引起的EWIS在某單架機上特有的構型。

4)EWIS選裝構型。指TC或補充TC(STC)取證所關聯(lián)的由于系統(tǒng)選裝項產(chǎn)生的EWIS選裝構型。其中根據(jù)選項特征的不同，又可詳細分為：“必選其一非標準配置項”(如座艙布局)，“可選項”(如衛(wèi)通系統(tǒng))，“可選其一”(如機載娛樂系統(tǒng))，“可選一個或多個”(如視頻監(jiān)控系統(tǒng))等。

2.3 兩個維度的EWIS構型關系

時間維度上的EWIS構型是一個“主動”的管理過程，其目標是通過建立清晰的構型基線和基線間的一致性、符合性，及對基線偏離和更改的管理，來確保EWIS產(chǎn)品符合其功能、性能的要求。

功能維度上的EWIS構型是“被動”產(chǎn)生的不同構型基線狀態(tài)，要在飛機TC取證構型狀態(tài)的基礎上，去適應研制階段飛機由于更改、優(yōu)化、測試、偏離、進度等因素產(chǎn)生的基線狀態(tài)差異。

3 EWIS構型管理策略建議

3.1 EWIS構型基線的管理

EWIS構型基線的建立需遵循ARP4754的確認和驗證(雙V)流程， 通過確認過程，確認EWIS功能基線到分配基線的需求定義具有完整性、正確性、清晰性、可驗證性等，從而建立EWIS需求與適航規(guī)章及飛機功能、性能、使用等需求的鏈接與追溯關系。通過驗證過程，采用合適的符合性方法驗證EWIS設計和產(chǎn)品基線對EWIS分配基線的符合性。

同時，對于EWIS構型基線的管理需注意以下幾點：

1)功能基線中的部分飛機級需求間本身存在著制衡關系，比如電磁兼容和重量，EWIS需積極參與這些需求的評估和權衡，以期所確認的需求使得EWIS的設計即使在某個專業(yè)角度不是最優(yōu)，但在全機角度最優(yōu)。

2)EWIS也應提出飛機級需求(如總體布置，設備電接口器件、數(shù)據(jù)總線等)，并納入對其他系統(tǒng)、結構的功能基線中。

3)EWIS分配基線應盡量采用數(shù)據(jù)結構化的需求表達方式和工具，便于有效信息的獲取和驗證。

4)由于“電原理圖”的專業(yè)性、關鍵性及其數(shù)據(jù)結構的復雜性，不建議將電原理圖作為EWIS功能基線由各系統(tǒng)負責，應將其作為EWIS分配基線由EWIS系統(tǒng)統(tǒng)一建立和維護。

5)要建立便利的方式來記錄和允許查詢EWIS產(chǎn)品基線狀態(tài)，便于研發(fā)部門及時清晰了解產(chǎn)品生產(chǎn)進度、與設計基線偏離情況等實際制造狀態(tài)。

3.2 EWIS功能構型的管理

研制階段飛機EWIS的功能構型的確定建議遵循以下四項原則。

1)基本原則：EWIS的初始研制(包括各階段設計評審)應考慮采用TC取證基本構型；

2)增加原則：在基本構型基礎上，按不同架次試飛功能要求增加EWIS選裝構型項；

3)減少原則：如設計對象技術狀態(tài)不成熟，試飛也無其功能要求，可從基本構型中暫時刪除，后續(xù)狀態(tài)成熟后再行增加；

4)差異原則：對由更改、測試、偏離等因素所產(chǎn)生的EWIS差異發(fā)出單架機甚至多架機的偏離構型。

EWIS功能構型的管理原則如圖6所示。

圖6 EWIS功能構型的管理原則

同時，對于EWIS功能構型的管理需注意以下幾點：

1)“TC取證基本構型”是一個逐步迭代完善的過程，可能前期定義的基本構型會轉為單架機偏離構型，并在后續(xù)機上產(chǎn)生新的基本構型；

2)雖然EWIS初始設計發(fā)圖及評審的對象是基本構型，但在此過程中還是要為未來的選裝構型進行提前協(xié)調，預留好空間和資源(如分離面連接器，轉接模塊等)，達到良好的可擴展性；

3)對于基本構型中的“必選其一的標準配置項”和選裝構型，應盡可能采用獨立的新構型項進行設計，以實現(xiàn)選裝的小型和模塊化。

3.3 EWIS構型更改管理

EWIS構型更改管理是在構型基線及功能構型建立后的主要工作，其應遵循飛機級更改管理的統(tǒng)一策略，同時對于EWIS應注意以下幾點。

1)應對基線數(shù)據(jù)進行協(xié)調一致的更改，盡量避免跳過前期設計數(shù)據(jù)(原理圖、線路圖)而直接修改最終設計數(shù)據(jù)(線束組件圖、線束安裝圖)，如果由于研制進度不得不如此，應做好記錄并制訂后續(xù)數(shù)據(jù)完善計劃。

2)在飛機級應建立可協(xié)同工作的且構型受控的全機數(shù)字樣機(DMU)環(huán)境，這對于EWIS更改管理的有效性至關重要。

3)要“主動”控制好EWIS輸入和接口(功能基線)的變更，積極參與這些EWIS設計輸入源頭的更改影響評估，并掌握好后續(xù)實施變更的批次節(jié)奏。

4)對于影響較小的，不影響其他系統(tǒng)和結構的EWIS更改(如分叉長度、標識、屏蔽端接方式等)，不建議為其創(chuàng)建新的構型項，應允許采用在原有構型項基礎上添加偏離說明的方式處理。

5)為減少設計偏離，在EWIS分配基線階段應盡量避免一刀切式的需求，應根據(jù)飛機實際情況制訂多樣的、相適應的需求。

6)EWIS設計越來越依賴自動化程度較高的專業(yè)設計軟件工具，在使用過程中應控制好信息的穩(wěn)定性，不要造成無意義的更改，比如線纜更改前后長度差0.001m。

7)鑒于EWIS更改頻繁，其構型項關聯(lián)度較高，為提高設計更改效率，建議按不同更改影響建立不同級別的EWIS構型管理委員會，如將不影響外部接口的EWIS更改局限在EWIS專業(yè)內完成審批閉環(huán)。

8)國內普遍將EWIS設計基線中的更改描述作為EWIS產(chǎn)品基線更改的直接正式輸入，建議采用軟件工具完成數(shù)據(jù)結構化的EWIS設計更改描述，以確保更改描述和原數(shù)據(jù)的一致性，降低工作量。而且結構化、類別化的更改描述便于設計部門判斷更改的影響，以決定是否可以在制造階段部分執(zhí)行更改，也便于制造部門判斷更改執(zhí)行難易度，以決定是在線束工廠還是總裝線上執(zhí)行更改，從而確保EWIS研制更好地適應項目進度需求。

EWIS設計更改主要類別如圖7所示。

圖7 EWIS設計更改主要類別示意

3.4 EWIS線束組件構型管理

EWIS線束組件是EWIS的最終核心產(chǎn)品，也是EWIS構型管理的關鍵點。線束組件構型項數(shù)據(jù)包括兩部分信息：源自數(shù)字樣機(DMU)的物理信息和源自線路圖的功能信息。

良好的EWIS的DMU設計組織模式是基于飛機劃定區(qū)域的線束安裝設計，而不是基于線束組件進行設計。因此線束組件構型項應是線束安裝設計構型項(物理信息部分)和線路圖構型項(功能信息部分)在不同視圖下的數(shù)據(jù)重構，如圖8所示。

圖8 EWIS線束安裝圖和線束組件圖的構型項關系

這種模式的好處是保證了設計數(shù)據(jù)的唯一性、一致性，但也帶來了不同構型項間存在較高耦合度的問題，一個線束組件圖的發(fā)布需要提前凍結所有相關聯(lián)的線束安裝圖和線路圖，如果發(fā)生頻繁更改將會影響到研制進度。

4 結論

民用飛機的發(fā)展趨勢決定了EWIS系統(tǒng)將愈加重要和復雜，在型號研制階段EWIS將面臨各種壓力與挑戰(zhàn)，EWIS的構型管理工作將貫穿于EWIS整個研制周期，并直接影響質量、適航與進度。

EWIS的構型管理需在時間維度上明晰各構型基線內容和關系，在功能維度上明晰各構型基線狀態(tài)。管理策略上應在遵循飛機級構型管理策略的基礎上，結合EWIS研制的特點，制定針對性甚至特殊性的具體實施方法，在保證研制進度的前提下避免陷入構型“失控”狀態(tài)。本文提供的一些構型管理策略，對于民用飛機EWIS研制具有實際指導意義。

EWIS Configuration Management forCivil Aircraft Development

(1. Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China;2. Shanghai Aircraft Airworthiness Certification of CAAC, Shanghai 200335, China)

Electrical wiring interconnection system (EWIS) as a part of FAR 25 regulation is issued in the end of 2007, which requires EWIS shall be considered as an important integrated system of aircraft, and EWIS development shall comply with systematic methods. EWIS configuration management (CM) is an essential part for certification. This paper introduces the features of EWIS development accompanied with the challenges for EWIS configuration management. The objects and key contents of EWIS configuration management are analyzed and studied. The strategy methods are presented. This paper can be very helpful to guide EWIS development for civil aircraft.

civil aircraft; electrical wiring interconnection system (EWIS); configuration management; configuration baseline

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.018

V221

A