航空產(chǎn)品研制條目化需求管理應(yīng)用發(fā)展探討

董亮，劉俊堂

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

隨著航空產(chǎn)品創(chuàng)新研制能力的水平不斷提升，采用信息化手段對(duì)產(chǎn)品研制中需求演變過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)管控已成為行業(yè)發(fā)展必須面臨和解決的技術(shù)問(wèn)題之一，也是全面推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based Systems Engineering ，MBSE）的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。而航空產(chǎn)品的復(fù)雜性、長(zhǎng)周期性、傳統(tǒng)的仿制模式及長(zhǎng)期文檔化需求管理模式的應(yīng)用，造成了條目化需求管理的認(rèn)識(shí)差異，如需求與需要的差別、需求在飛機(jī)產(chǎn)品MBSE研制過(guò)程的演變特點(diǎn)、需求管理從文檔化向條目化轉(zhuǎn)變的突破點(diǎn)選擇等，影響了條目化需求管理方法的深入應(yīng)用和推廣。為此，本文對(duì)需求管理應(yīng)用的發(fā)展歷程、需求演變過(guò)程、條目化需求管理的特點(diǎn)等方面進(jìn)行了介紹，為實(shí)現(xiàn)條目化需求管理以及需求條目驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等研制活動(dòng)提供技術(shù)支撐。

1 需求管理在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議要求在軍方項(xiàng)目中引入需求管理，并聯(lián)合美國(guó)蘭德公司（RAND）對(duì)需求管理的架構(gòu)體系進(jìn)行了研究。國(guó)際上自1994年起每?jī)赡昱e辦一次需求工程國(guó)際會(huì)議（International Conference on Requirements Engineering，ICRE）， 在1996年Springer-Verlag發(fā)行了新的刊物——《Requirements Engineering》。一些關(guān)于需求工程的工作小組也相繼成立，如歐洲的需求工程網(wǎng)絡(luò)國(guó)際合作研究小組 （Requirements Engineering Network of International Cooperating Research Groups，RENOIR），并 已 開(kāi) 始 開(kāi) 展 工 作[2]。1998 年，在 IEEE Std830ü1998 中，推薦了有代表性的8種需求規(guī)格說(shuō)明模板，這8種模板雖然在需求的組織方式各有側(cè)重，但在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)共性：需求均為樹(shù)狀的層次結(jié)構(gòu)[3]。

20世紀(jì)90年代中期，需求管理在航空工業(yè)界開(kāi)始應(yīng)用起步，當(dāng)時(shí)需求分析師在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程對(duì)設(shè)計(jì)需求設(shè)置唯一的編號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)需求控制。

在美國(guó)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（JSF）項(xiàng)目研制中，美國(guó)國(guó)防部（DoD）強(qiáng)制要求整個(gè)項(xiàng)目全部使用需求管理平臺(tái)，JSF F-35對(duì)需求管理的要求是：整個(gè)項(xiàng)目周期中管理和開(kāi)發(fā)客戶的需求、在客戶需求和試驗(yàn)之間建立動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)、允許存儲(chǔ)詳細(xì)的試驗(yàn)達(dá)標(biāo)數(shù)據(jù)、對(duì)試驗(yàn)狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控、按照合約規(guī)定自動(dòng)產(chǎn)生試驗(yàn)報(bào)告。這保證了JSF F-35的研制要求既要充分滿足客戶定義的需求，又要通過(guò)試驗(yàn)直接與需求項(xiàng)關(guān)聯(lián)以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，證明產(chǎn)品與需求的符合性。

21世紀(jì)初，以波音公司、空中客車集團(tuán)、洛克希德－馬丁公司、霍尼韋爾公司等為代表的國(guó)外飛機(jī)制選商以及系統(tǒng)供應(yīng)商均應(yīng)用需求管理軟件管控研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)需求，以JSF、A400M、A350、波音787等軍用和民用飛機(jī)研制為代表。與此同時(shí)，與需求管理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提出，以飛機(jī)安全性為核心的ARP 4754，以飛機(jī)軟硬件開(kāi)發(fā)安全性為核心的DO-178、DO-254、DO-160等一系列標(biāo)準(zhǔn)是其中的典型代表。

國(guó)內(nèi)航空行業(yè)于2010年之后逐步開(kāi)展需求管理技術(shù)的研究與應(yīng)用工作，采用需求管理技術(shù)以提升型號(hào)研制對(duì)客戶的滿意度。起步較早、應(yīng)用規(guī)模較大的是中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司（中國(guó)商飛）。中國(guó)商飛以C919飛機(jī)研制為契機(jī)，成立了飛機(jī)需求管理“集成產(chǎn)品協(xié)同組”（IPT）團(tuán)隊(duì)，搭建了需求管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)等需求數(shù)據(jù)的管理，覆蓋各設(shè)計(jì)專業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)、適航、供應(yīng)商、試驗(yàn)等用戶。但整體來(lái)看，數(shù)字化環(huán)境下的需求管理尚未走完完整的飛機(jī)研制過(guò)程，其技術(shù)完整性及成熟性仍處于應(yīng)用探索階段。航空工業(yè)需求管理的簡(jiǎn)要發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 航空工業(yè)需求管理的發(fā)展歷程Fig.1The development of requirement management in aviation industry

2 從需要到需求的演變控制

2.1 需要—需求—要求

在產(chǎn)品研制過(guò)程中，圍繞“需求”的內(nèi)涵，通常有需要、需求、要求等三個(gè)不同的概念，每種概念都是對(duì)產(chǎn)品的抽象定義，對(duì)應(yīng)不同的認(rèn)識(shí)階段。

需要是從利益相關(guān)方獲取的，對(duì)產(chǎn)品使用、監(jiān)管、經(jīng)濟(jì)性等各方面的描述，通常具有較強(qiáng)的隨意性、主觀性，反映了利益相關(guān)方對(duì)產(chǎn)品對(duì)象應(yīng)用場(chǎng)景及各種特性的理解或期望，對(duì)應(yīng)早期的論證階段。因此，需要所描述的內(nèi)容通常是隨意性的、定性的、可實(shí)現(xiàn)性較差的，不能直接用于產(chǎn)品研發(fā)。

需求是由工程人員對(duì)需要進(jìn)行一定的工程分析和轉(zhuǎn)換，并進(jìn)一步與需要對(duì)應(yīng)的利益相關(guān)方進(jìn)行權(quán)衡分析與妥協(xié)平衡，所形成產(chǎn)品技術(shù)要求定義，通常對(duì)應(yīng)方案設(shè)計(jì)階段。因此，相對(duì)于需要，需求的基本特性是可實(shí)現(xiàn)、可驗(yàn)證的。在實(shí)際應(yīng)用中，需要只有被轉(zhuǎn)換為需求之后，才能進(jìn)一步往下傳遞并指導(dǎo)約束產(chǎn)品研制過(guò)程。因此，需求是面向解決方案的，但可能不是唯一的解決方案。

要求是經(jīng)過(guò)方案權(quán)衡選擇之后，基于選定的設(shè)計(jì)方案，補(bǔ)充衍生需求之后，形成的需求集合，這相對(duì)需求更加具體、更加貼近工程實(shí)際。因此，要求本身就是需求，是面向特定解決方案的完備需求集合，是進(jìn)行產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造的直接依據(jù)。而需求向要求轉(zhuǎn)換的過(guò)程是設(shè)計(jì)的過(guò)程，也是需求細(xì)化分解的過(guò)程。因此，三者都是對(duì)產(chǎn)品的抽象描述，反映了隨認(rèn)識(shí)水平提升對(duì)產(chǎn)品定義不斷明確細(xì)化的過(guò)程。而條目化需求管理應(yīng)覆蓋包含需要—需求—要求為核心的各類形式的需求數(shù)據(jù)，如用戶調(diào)研報(bào)告、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、研制總要求、飛機(jī)各級(jí)產(chǎn)品研制規(guī)范、接口定義文件、四性分析文件、測(cè)試規(guī)范、符合性驗(yàn)證文件、成品協(xié)議書(shū)等。以條目為粒度對(duì)這些產(chǎn)品定義文檔進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述、精細(xì)化管理，是條目化需求管理的基本特征。

2.2 V模型中的需求管理

系統(tǒng)工程V模型是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的圖形化表示，V是驗(yàn)證和確認(rèn)的統(tǒng)稱。左側(cè)代表需要沿飛機(jī)架構(gòu)自上向下逐級(jí)傳遞的過(guò)程，右側(cè)描述了各種需求自下向上的逐級(jí)驗(yàn)證，直至右側(cè)最頂端的、自左向右的產(chǎn)品最終確認(rèn)。V模型最早于20世紀(jì)80年代由德國(guó)和美國(guó)科學(xué)家同時(shí)提出?，F(xiàn)行的是美國(guó)的V模型，其最早由系統(tǒng)工程國(guó)家委員會(huì)（NCOSE）（現(xiàn)為國(guó)際系統(tǒng)工程委員會(huì)（INCOSE））于1991年提出，并最先應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)的研制，目前已廣泛應(yīng)用各類工程研制項(xiàng)目。該模型的顯著特點(diǎn)是產(chǎn)品研制的成熟度隨時(shí)間自V模型左側(cè)向右側(cè)逐漸增加，所有的設(shè)計(jì)迭代是沿系統(tǒng)層級(jí)垂直向上或向下的。

而V模型中的需求管理（如圖2所示），首先在V模型左側(cè)，以需求細(xì)化傳遞的角度實(shí)現(xiàn)需要—需求演變過(guò)程的管理（圖 2中深色圓圈范圍），其次在V模型右側(cè)，要以需求驗(yàn)證的角度實(shí)現(xiàn)需求—產(chǎn)品的驗(yàn)證確認(rèn)管理。

圖2 系統(tǒng)工程V模型中的需求管理Fig.2 Requirement management in system engineering V model

2.3 五個(gè)一致性控制

MBSE通過(guò)有效的需求演變控制，可把需求以“自頂向下”的方式體現(xiàn)在飛機(jī)研制過(guò)程中，并滿足“五個(gè)一致性”控制的要求：（1）需要（即用戶期望）與工程需求的一致：將用戶期望完整、正確、清晰地轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品研制的頂層需求。（2）上下游需求分解分配的一致：將產(chǎn)品頂層需求按照產(chǎn)品“自頂向下”的方案分解過(guò)程推進(jìn)，逐步分解到產(chǎn)品的各級(jí)組成，確保各級(jí)產(chǎn)品研制需求輸入的正確性、完整性及來(lái)源的合理性。（3）需求與設(shè)計(jì)方案的一致：將需求定義與功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、物理架構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分配和關(guān)聯(lián)，并基于設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生相應(yīng)的衍生需求。（4）需求與工程實(shí)現(xiàn)結(jié)果的一致：隨著產(chǎn)品“自底向上”的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，逐層按照需求要求進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，確保工程研制結(jié)果與需求定義的一致性。（5）最終產(chǎn)品與需要的一致：產(chǎn)品最終交付結(jié)果與產(chǎn)品使用環(huán)境、用戶需要等一致性判定。

這5個(gè)過(guò)程依次為：需求（需要）確認(rèn)、需求確認(rèn)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品驗(yàn)證與產(chǎn)品確認(rèn)，如圖3所示。

圖3 需求管理過(guò)程中的“五個(gè)一致性”Fig.3 Five kinds consistency in requirement management

通過(guò)“五個(gè)一致性”的控制，一方面避免研制需求不能對(duì)用戶期望完整覆蓋，而成為無(wú)效設(shè)計(jì)，另一方面，避免設(shè)計(jì)超標(biāo)而帶來(lái)研制風(fēng)險(xiǎn)。

3 條目化需求管理

3.1 需求管理發(fā)展水平等級(jí)

根據(jù)需求管理的應(yīng)用范圍及深度，將需求管理劃分為5個(gè)等級(jí)，如圖4所示。等級(jí)1：特例管理。對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程的關(guān)鍵過(guò)程的需求傳遞進(jìn)行管理，并未覆蓋全部的研制環(huán)節(jié)。主要存在于仿制及仿制改進(jìn)階段。等級(jí)2：集中管理。按照產(chǎn)品研制要求全面進(jìn)行需求管理。這是文檔化需求管理的典型階段。等級(jí)3：分布式管理。對(duì)部分研制環(huán)節(jié)的需求傳遞過(guò)程按需求條目粒度進(jìn)行管理，如軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程，但主體還是文檔化需求管理。這是一個(gè)條目化與文檔化混合的階段。等級(jí)4：以產(chǎn)品數(shù)據(jù)的方式管理。產(chǎn)品研制過(guò)程的全部需求均以需求條目為粒度進(jìn)行定義和管理，這是需求條目化全面覆蓋的階段。等級(jí)5：擴(kuò)展到整個(gè)企業(yè)級(jí)的管理。在需求條目化管理的基礎(chǔ)上，建立需求條目與產(chǎn)品研制數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)關(guān)系，條目化需求成為企業(yè)產(chǎn)品研制過(guò)程的各項(xiàng)活動(dòng)開(kāi)展的顯性驅(qū)動(dòng)因素。

圖4 需求管理發(fā)展的5個(gè)等級(jí)Fig.4 Five levels of requirement management development

當(dāng)前國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品研制大多集中與等級(jí)2階段，而條目化需求管理對(duì)應(yīng)等級(jí)4發(fā)展階段。條目化是相對(duì)文檔化而言的，其變化不僅需要定義描述粒度的變化，更重要的是建立以需求條目為核心的數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型既要滿足對(duì)需求信息的全面描述，還要對(duì)需求與產(chǎn)品研制其他數(shù)據(jù)對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行描述。

3.2 文檔化向條目化的轉(zhuǎn)變

隨著我國(guó)飛機(jī)研制能力的提升，研制模式正逐步實(shí)現(xiàn)“以仿制、改型研制為主”向“以創(chuàng)新、正向研制為主”的模式轉(zhuǎn)變，當(dāng)前需求管理及需求驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)研制技術(shù)正在得到研究和應(yīng)用，其中需求管理模式正逐步從“文檔化”向“條目化”轉(zhuǎn)變。條目化需求管理帶來(lái)的變革，不僅涉及需求數(shù)據(jù)對(duì)象的定義、需求數(shù)據(jù)的組織，還將對(duì)需求的變更和追溯過(guò)程產(chǎn)生變革，同時(shí)需求在整個(gè)產(chǎn)品研制過(guò)程的作用將更加突顯，二者的比較見(jiàn)表1。

從表1可看出，條目化需求管理相對(duì)于文檔化需求管理在需求數(shù)據(jù)管理精確程度、需求數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成及驅(qū)動(dòng)、知識(shí)重用等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

而采用條目化需求管理，也將降低對(duì)幾種常見(jiàn)問(wèn)題的影響：設(shè)計(jì)內(nèi)容與需求描述混合、用戶需要與系統(tǒng)需求混合、產(chǎn)品需求中出現(xiàn)方法和計(jì)劃、需求缺少明確的所有者、沒(méi)有明確的需求測(cè)試方法、客戶過(guò)于被動(dòng)或過(guò)于強(qiáng)勢(shì)、結(jié)構(gòu)不完整，需求重復(fù)或缺失、需求配置版本沒(méi)有管理、表述模糊歧義、承諾不合實(shí)際的需求集合等。

表1 文檔化需求管理與條目化需求管理比較Table 1The difference between documentation requirement management and itemized requirement management

3.3 條目化需求管理系統(tǒng)

條目化需求管理必須借助成熟的需求管理系統(tǒng)的應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)。而在條目化需求管理工具方面，國(guó)外己出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的商業(yè)化需求管理工具軟件，其中具有代表性的是 Calibe-RM，IBM DOORS，Retional RequisitePro，Dassalt Catia Reqtify，Dassalt Enovia RMT等。在航空信息系統(tǒng)供應(yīng)商中，IBM的DOORS、法國(guó)達(dá)索公司（Dassalt）的REQTIFY、PTC的INTEGRITY、Dassalt的ENOVIA RMT是幾種比較有代表性的需求管理系統(tǒng)產(chǎn)品，均相對(duì)成熟并具有豐富的市場(chǎng)應(yīng)用案例。

（1）DOORS系統(tǒng)。IBM Rational DOORS前身是Telelogic DOORS，起源于1983年，2008年被IBM收購(gòu)后更名為IBM Rational DOORS。DOORS是最老牌的企業(yè)需求管理套件，具有良好的市場(chǎng)占有率，特別適合在同一地理位置工作的組織和在同一地理位置處理的項(xiàng)目，它能夠增強(qiáng)業(yè)務(wù)目標(biāo)、客戶需求、技術(shù)規(guī)格和規(guī)則的可見(jiàn)性，以此提高產(chǎn)品質(zhì)量[4，5]。

（2）REQTIFY系統(tǒng)。REQTIFY軟件是達(dá)索公司針對(duì)基于文件開(kāi)展需求管理，推出的高度可定制化、易用的需求管理工具，可進(jìn)行需求跟蹤和沖突分析管理，尤其擅長(zhǎng)需求管理信息統(tǒng)計(jì)、需求跟蹤、版本管理和定制報(bào)告等，并允許用戶將需求條目和原始文件（文本、Excel、PDF、UML、分析和模型、代碼等）進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)。REQTIFY的應(yīng)用案例包括空客公司的A340與A380軟件研發(fā)和航電系統(tǒng)、泰雷茲（Thales）、歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA）導(dǎo)彈軟件開(kāi)發(fā)、ALCATEL Space衛(wèi)星地面站等。REQTIFY被IBM DOORS 軟件OEM定為Gateway，輔助DOORS進(jìn)行需求可視化追溯。

（3）INTEGRITY 系統(tǒng)。PTC INTEGRITY[6，7]的前身是加拿大MKS INTEGRITY，國(guó)際上有超過(guò)600個(gè)企業(yè)以及超過(guò)10萬(wàn)用戶在使用，2011年6月被PTC公司收購(gòu)，現(xiàn)作為PTC公司的一個(gè)重要的商業(yè)模塊。PTC INTEGRITY定位于應(yīng)用生命周期管理（Application Lifecycle Management，ALM），主要管理軟件工程各階段文檔以及文檔間的關(guān)系、功能與文檔間的關(guān)系、測(cè)試及缺陷的處理，可完成從需求概念到需求消亡整個(gè)過(guò)程中的追溯。

（4）RMT系統(tǒng)。達(dá)索RMT系統(tǒng)是Dassalt Systemt整合Matrix One之后推出的產(chǎn)品，用于面向復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品3D研制的需求管理系統(tǒng)，稱為Enovia Requirements Central，支持從外部文件中捕獲并導(dǎo)入需求，并對(duì)需求追溯關(guān)系進(jìn)行管理，對(duì)應(yīng)其V6環(huán)境下推行“R-F-L-P”系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)解決方案中的R。目前RMT的主要應(yīng)用案例是貝爾直升機(jī)（Bell Helicopter）、比亞喬航空（Piaggio Aero）、龐巴迪（Bombardier）等，同時(shí)RMT與REQTIFY也具有無(wú)縫集成能力。此外，PLM供應(yīng)商西門子（Siemens） Teamcenter系統(tǒng)也有相應(yīng)的需求管理系統(tǒng)軟件，主要應(yīng)用于汽車、航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。對(duì)于航空產(chǎn)品需求管理系統(tǒng)的選型，通常要考慮系統(tǒng)軟件的功能特點(diǎn)、與現(xiàn)有數(shù)字化工具的集成性、對(duì)未來(lái)MBSE工具方案的支持能力及工具背后的方法與企業(yè)能力的匹配性等，因此最大可能的選型將是混合選型。

4 結(jié)論

在MBSE技術(shù)推廣應(yīng)用中，準(zhǔn)確理解需要ü需求ü要求的轉(zhuǎn)換關(guān)系及“五個(gè)一致性”的演變過(guò)程，理解條目化需求管理發(fā)展趨勢(shì)及其帶來(lái)的革新和挑戰(zhàn)，不僅是正確推進(jìn)航空產(chǎn)品正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的認(rèn)知基礎(chǔ)，更是選擇適合航空企業(yè)發(fā)展所需的需求管理模式的前提。同時(shí)有限的條目化需求管理工具的選型，也是航空企業(yè)建全數(shù)字化研發(fā)環(huán)境所必需面臨的選擇。本文對(duì)航空企業(yè)條目化需求管理建設(shè)發(fā)展中所遇到的一些認(rèn)識(shí)問(wèn)題進(jìn)行了研究，為航空企業(yè)構(gòu)建合適的需求管理模式提供了技術(shù)支撐。

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