系統(tǒng)工程在航空產(chǎn)品研發(fā)初期階段中的應(yīng)用研究

李 恒，呂春雷

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

系統(tǒng)工程在航空產(chǎn)品研發(fā)初期階段中的應(yīng)用研究

李 恒，呂春雷

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

首先簡要介紹了系統(tǒng)工程的發(fā)展歷程以及近年來在國內(nèi)外各大項(xiàng)目的普及應(yīng)用情況，然后對系統(tǒng)工程的應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析，并指出在航空產(chǎn)品研發(fā)初級階段的核心工作是處理需求。然后介紹了需求的定義、分類以及需求工程的定義、重要性，詳細(xì)介紹了需求分析在航空產(chǎn)品研發(fā)初期階段的工作流程，對系統(tǒng)工程在航空產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用起指導(dǎo)作用，有利于保障航空產(chǎn)品研發(fā)的成功率。另外，該分析流程適應(yīng)性強(qiáng)，具有普遍的推廣意義，可為其它各種產(chǎn)品的研發(fā)提供參考借鑒。

系統(tǒng)工程；航空產(chǎn)品研發(fā)；初級階段；需求工程；需求分析

0 引言

20世紀(jì)60年代，國外航天和國防領(lǐng)域一直采用系統(tǒng)工程作為項(xiàng)目研制管理方法，保障了“大力神”彈及阿波羅計(jì)劃等眾多項(xiàng)目的成功。近年來，國內(nèi)在C919等大型復(fù)雜產(chǎn)品項(xiàng)目中也越來越多注意到包括系統(tǒng)工程在內(nèi)的方法與過程的研究，615所、618所、602所以及金航數(shù)碼等已經(jīng)將系統(tǒng)工程方法應(yīng)用于具體型號的研制中并取得了一定的成功。美國軍用標(biāo)準(zhǔn)《系統(tǒng)工程管理》 (Mil-Std-499)形成于1969年，該方法形成以來變化很小，但系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性在顯著地增長，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程(TSE)已無法滿足需要。2012年，美國航空航天局(NASA)的項(xiàng)目管理挑戰(zhàn)研討會上提出了一種新的方法——基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)[1]，自此，該方法得到廣泛的應(yīng)用，直至今天。

1 系統(tǒng)工程簡介

“系統(tǒng)”的定義是人員、產(chǎn)品、服務(wù)及流程的集合，以提供滿足所陳述的要求或目標(biāo)的能力。通常我們所提到的系統(tǒng)是人造的，被人創(chuàng)建并用于定義明確的環(huán)境中提供產(chǎn)品或服務(wù)，使用戶以及其他利益相關(guān)者受益。系統(tǒng)工程，是一種可成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的跨學(xué)科的方法和手段，同時(shí)考慮到生命周期、用戶及利益相關(guān)者需要、流程與技術(shù)方案的管理和工程項(xiàng)目。作為工程學(xué)的分支，更多地運(yùn)用于大型復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)[2]。系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用能夠提高系統(tǒng)研發(fā)的成功性，系統(tǒng)工程模型見圖1。在本文中，航空產(chǎn)品即可視為一個(gè)“系統(tǒng)”。

2 系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍

系統(tǒng)工程的應(yīng)用范圍極其廣泛，不管INCOSE的系統(tǒng)工程手冊(基于ISO15288標(biāo)準(zhǔn))，還是NASA等手冊，系統(tǒng)工程都被劃分為若干個(gè)流程，然后描述每個(gè)流程[3]。本質(zhì)上講，系統(tǒng)工程關(guān)鍵點(diǎn)在于工程過程和工程管理過程，工程過程主要是需求、設(shè)計(jì)、集成、驗(yàn)證和確認(rèn)，管理過程則是對工程過程的活動和產(chǎn)物進(jìn)行管理。

在產(chǎn)品研發(fā)的初始階段，核心工作是需求的處理，故需求的獲取和分析是產(chǎn)品實(shí)踐的切入點(diǎn)。系統(tǒng)工程框架的實(shí)踐應(yīng)用如圖2，需求分析是現(xiàn)階段的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段的主要任務(wù)分為兩個(gè)部分：需求分析和使命任務(wù)分析。需求分析是參照航空產(chǎn)品用戶下發(fā)的研制要求進(jìn)行條目化分解，并依據(jù)該產(chǎn)品全生命周期過程對其要求進(jìn)行需求條目化提煉總結(jié)。它是基于輸入的需求，經(jīng)過一系列的分析過程，從而獲得系統(tǒng)需求的過程。使命和任務(wù)分析是為了能夠更好地理解系統(tǒng)，清楚系統(tǒng)的概念，同時(shí)捕獲相關(guān)需求。通過對航空產(chǎn)品使命和任務(wù)的分析，在體系層面上確定航空產(chǎn)品的相關(guān)需求。具體流程見圖3。

3 需求工程簡介

3.1 需求的定義

廣義的需求是指想要的東西，而需求工程里的需求指的是采用文字、表格、圖像等形式來描述利益相關(guān)者需要的系統(tǒng)服務(wù)、產(chǎn)品功能或者是某些限制。需要者往往自己不能生產(chǎn)自己想要的，這時(shí)就出現(xiàn)了需求。譬如需要自行車的人自己制造不出自行車。就俠義的研發(fā)產(chǎn)品而言，產(chǎn)品的需求來源有很多，而所有這些需求最后都要在產(chǎn)品上體現(xiàn)出來，這就是需求工程要完成的事情。

3.2 需求類型

當(dāng)進(jìn)行需求研究時(shí)，首先理解需求的類型及其意義，參考國外需求工程經(jīng)驗(yàn)，需求類型的分類及含義見表1。

3.3 需求工程的定義

需求工程是系統(tǒng)工程很重要的一部分，指應(yīng)用已證實(shí)有效的技術(shù)、方法進(jìn)行需求分析，確定客戶需求，幫助分析人員理解問題并定義目標(biāo)系統(tǒng)的特征的學(xué)科。需求工程通過相關(guān)工具和標(biāo)記系統(tǒng)地描述待開發(fā)系統(tǒng)及其行為特征和相關(guān)約束，形成需求文檔，并對用戶不斷變化的需求演進(jìn)給予支持。通俗的理解就是將利益相關(guān)者的需求變成最終系統(tǒng)或產(chǎn)品研發(fā)的需求的過程，需求工程一般會貫穿整個(gè)產(chǎn)品的生命周期。根據(jù)活動過程將需求工程劃為5個(gè)部分，其具體內(nèi)容及含義見表2。

表1 需求的分類及含義

表2 需求工程活動過程

3.4 需求工程的重要性

需求工程是在系統(tǒng)工程里排列最前面的兩個(gè)流程，其重要性不言而喻。需求在產(chǎn)品研發(fā)的全生命周期里對產(chǎn)品質(zhì)量最為關(guān)鍵，其重要性如圖4所示。相對于產(chǎn)品化而言，需求分析對產(chǎn)品的效能的重要度是其幾十倍。所以，在需求階段解決問題成本是最低的。

4 需求分析

4.1 需求分析簡介

需求是一個(gè)項(xiàng)目的源頭，也是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。無數(shù)的研究表明，需求問題是系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目成本超支、進(jìn)度延遲和能力缺失的主要原因。另外，系統(tǒng)需求的分析對產(chǎn)品功能的完整性起著決定性的作用，如果前期需求分析沒有做好，后期將會花費(fèi)成倍的時(shí)間和成本來彌補(bǔ)這一漏洞，而且往往還會帶來一定的負(fù)面效應(yīng)。完善而又準(zhǔn)確的需求分析不僅有利于提高系統(tǒng)的“五性”要求，更可以大大縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期,降低系統(tǒng)前期研發(fā)和后期維護(hù)成本。故需求分析至關(guān)重要[4]。

4.2 需求分析流程

4.2.1 利益相關(guān)者識別

利益相關(guān)者是對所研發(fā)的產(chǎn)品或系統(tǒng)有興趣的人，他們可能直接或間接影響到系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的成敗，這些人大多數(shù)是系統(tǒng)的使用者或者決策者。利益相關(guān)者識別的目的是建立利益相關(guān)者列表，他們是頂層需求的提出者，可以影響規(guī)劃或項(xiàng)目的成功。利益相關(guān)者的識別通常采用團(tuán)隊(duì)頭腦風(fēng)暴方法，并對識別出來的利益相關(guān)者進(jìn)行重要等級排序，在遇到不同利益相關(guān)者之間的需求發(fā)生矛盾時(shí)，設(shè)計(jì)方應(yīng)協(xié)調(diào)溝通以達(dá)成一致意見。若未達(dá)成一致意見，則按優(yōu)先滿足排序等級高的利益相關(guān)者需求的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

利益相關(guān)者通常包含各種預(yù)期的用戶、航空產(chǎn)品贊助方、投資者、使用者、制造者、維修維護(hù)人員以及研發(fā)者等。通常將識別出的利益相關(guān)者以列表的形式表示，表中應(yīng)表現(xiàn)出利益相關(guān)者的名稱、類型、與產(chǎn)品的利益關(guān)系和重要性排序。

4.2.2 背景環(huán)境分析

背景分析是在所要研發(fā)的航空產(chǎn)品想定的全生命周期的基礎(chǔ)上開展的，自該航空產(chǎn)品總裝完成起到報(bào)廢的全生命周期時(shí)間內(nèi)，人為地把這段時(shí)間劃分為幾個(gè)不同的階段，分析在定義的每一個(gè)階段中與該產(chǎn)品系統(tǒng)發(fā)生直接交互的人員、環(huán)境、外部設(shè)備設(shè)施等，并從中提取出航空產(chǎn)品系統(tǒng)的需求。背景環(huán)境分析的具體流程見圖5。

4.2.3 狀態(tài)/模式分析

要分析航空產(chǎn)品的狀態(tài)/模式，首先要識別出該產(chǎn)品全生命周期中所存在的狀態(tài)和模式。狀態(tài)是指某事物的狀況，應(yīng)用到航空產(chǎn)品，可以把該產(chǎn)品長期維持一定的特性，各個(gè)性能參數(shù)并沒有發(fā)生過大變化，稱之為一個(gè)狀態(tài)。通常狀態(tài)的劃分是人為根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對產(chǎn)品進(jìn)行劃分而得來的，狀態(tài)的劃分要確保無交叉、無覆蓋，譬如對直升機(jī)而言常見的有故障狀態(tài)、正常飛行狀態(tài)等；模式是一個(gè)與功能相關(guān)的概念，通常是一系列功能的集合，因此通常也稱為“操作模式”。產(chǎn)品的模式也是人為劃分的，例如直升機(jī)有懸停模式。

在識別出模式/狀態(tài)后，要分別畫出狀態(tài)和模式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。即狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、模式轉(zhuǎn)換表和模式轉(zhuǎn)換圖。狀態(tài)/模式分析具體流程見圖6。

4.2.4 功能分析

功能分析的成果是一系列功能需求和性能需求，通常也被稱為“功能樹”，功能分析貫穿分解的各個(gè)層級，自上而下逐層分解，直至所有功能都在分解的最低層，且最底層的功能只能對應(yīng)于某一單獨(dú)設(shè)備來完成，分析所得功能樹形式見圖7。

4.2.5 語法分析

語法分析的目的是使條目化后的需求規(guī)范、易讀。該步驟要求按照系統(tǒng)工程需求規(guī)范要求來檢查需求，使條目化后的需求每條都滿足準(zhǔn)確、簡潔、無歧義、獨(dú)立、可驗(yàn)證。語法分析是從形式上檢查單個(gè)需求條目的質(zhì)量，往往會考慮需求條目的各個(gè)元素的內(nèi)容。需求的語法分析的內(nèi)容主要包括主語、活動條件、活動對象、活動約束等，具體見圖8。

4.2.6 設(shè)計(jì)需求分析

設(shè)計(jì)需求分析的目的是識別出需求中的設(shè)計(jì)內(nèi)容，并進(jìn)行確認(rèn)。設(shè)計(jì)需求一般是由利益相關(guān)者指定，對航空產(chǎn)品而言，一般表現(xiàn)為投資方下發(fā)的技術(shù)要求文件。

4.2.7 驗(yàn)證需求分析

驗(yàn)證需求與系統(tǒng)需求開發(fā)同步進(jìn)行，用于明確需求源的驗(yàn)證方法及結(jié)果。驗(yàn)證需求與系統(tǒng)研制規(guī)范中的需求要一一對應(yīng)，每條需求驗(yàn)證內(nèi)容應(yīng)包含需求源的序號、所在文檔、具體章節(jié)、驗(yàn)證通過準(zhǔn)則等[5]，具體見圖9。

5 結(jié)論

系統(tǒng)工程作為一門年輕的學(xué)科，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展，但它的普遍適用性使其應(yīng)用日趨廣泛，這一點(diǎn)已經(jīng)在國內(nèi)外眾多大型項(xiàng)目應(yīng)用中得到證實(shí)。本文內(nèi)容依托作者所做項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)總結(jié)介紹了系統(tǒng)工程在航空產(chǎn)品研發(fā)初級階段的應(yīng)用，促進(jìn)了系統(tǒng)工程的應(yīng)用推廣，該階段的工作有利于保障航空產(chǎn)品研發(fā)后續(xù)工作的順利進(jìn)行。同時(shí)由于系統(tǒng)工程方法的普遍使用性，本論文工作可為其它項(xiàng)目工作提供參考。

[1] 王崑聲,袁建華.國外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實(shí)踐[J].中國航天,2012,(11).

[2] Ed Benkert. Aerospace Training-Hardware Development Process[Z].Honeywell Inc, 2012.

[3] INCOSE-TP-2003-016-02 Systems Engineering Handbook Version 2a [S]. 1 June 2004.

[4] DoD SERC. Transforming System Engineering through Model-Based Systems Engineering[Z].2014.

[5] 陳文英，張兵志.基于體系工程的武器裝備體系需求論證[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2012，34(12)：2479-2484.

Research on Application of Systems Engineering in Primary Stage of Aviation Product Development

LI Heng, LV Chunlei

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

This paper first briefly introduced the development of systems engineering, and the situation to popularize and apply for the major project both at home and abroad in recent years. Then analyzed the application range of the systems engineering, and pointed out that the core of the work was processing requirements in the primary stage of aviation product development. Also introduced the definition and classification of requirements, and the definition and the importance of requirements engineering. Introduced the requirements analysis workflow in the primary stage of aviation product development, which played a guiding role in the application of systems engineering to the aviation product development. The method was helpful to ensure aviation product development success. In addition, the adaptability of the analysis process was strong, which had the widespread promotion, it could provide a reference for research and development of other kinds of products.

systems engineering; aviation product development; primary stage; requirements analysis

2016-08-16

李 恒(1992-)，男，河南南陽人，碩士研究生,研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。

1673-1220(2017)01-045-05

V221

A