航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理探析

盧川川，李倫未，孫文斌，李 華，許 多

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是一個(gè)以需求為根本出發(fā)點(diǎn)，自頂向下逐層分解、自底向上集成驗(yàn)證的正向研發(fā)過(guò)程[1]。研制需求是航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目一切活動(dòng)的起點(diǎn)、考核依據(jù)和最終目標(biāo)。需求管理既是系統(tǒng)工程管理(技術(shù)管理)的基礎(chǔ)工作，也是科研項(xiàng)目管理的基礎(chǔ)工作，其過(guò)程一般包括需求捕獲、需求分析與定義、需求分解分配、需求驗(yàn)證策劃、需求驗(yàn)證和確認(rèn)、需求變更、需求追溯及需求驗(yàn)證跟蹤管理等活動(dòng)，覆蓋了航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制全過(guò)程[2]。

目前，在飛機(jī)領(lǐng)域研究者們針對(duì)需求管理已開(kāi)展了不少相關(guān)研究工作。如季建琴[3]、郭博智[4]、董亮[5]、田彬[6]等論述了基于系統(tǒng)工程V 模型的飛機(jī)需求管理過(guò)程、需求信息架構(gòu)設(shè)計(jì)、需求層級(jí)及需求分解演變過(guò)程，王煥青[7]、王瑾[8]、周璇[9]等論述了飛機(jī)需求變更管理技術(shù)，陳重陽(yáng)等[10]討論了海軍裝備發(fā)展作戰(zhàn)需求生成流程和機(jī)制，鄭占君等[11]提出了基于DOORS 的飛機(jī)設(shè)計(jì)需求數(shù)據(jù)管理方案，董亮等[12]闡述了航空產(chǎn)品研制條目化需求管理的關(guān)鍵技術(shù)并介紹了幾款需求管理工具的特點(diǎn)。但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，雖然對(duì)需求管理方法和工具進(jìn)行了一定的研究和應(yīng)用，如羅婷婷[13]闡述了商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理及其系統(tǒng)構(gòu)建方法，史妍妍等[14]提出了基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理模型及其一般流程，卻遠(yuǎn)不及其他領(lǐng)域廣泛。鑒于此，本文基于系統(tǒng)工程需求管理過(guò)程的主要內(nèi)容，探索出一種適合軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求管理總體框架、組織模式，以及基于Teamcenter 的需求數(shù)據(jù)追溯管理方案，并闡述了具體項(xiàng)目需求管理的實(shí)施路徑。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理實(shí)施方案

2.1 總體框架

作為武器裝備的重要組成部分，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)按階段進(jìn)行控制和管理[15]。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求管理亦可面向研發(fā)全過(guò)程按階段/批次實(shí)施，如圖1 所示，維持需求和需求驗(yàn)證的繼承性：①項(xiàng)目/產(chǎn)品層面維持一套需求。以產(chǎn)品研制總要求、型號(hào)規(guī)范等最終考核、鑒定要求為核心，隨著“論證-方案-工程研制-狀態(tài)鑒定-列裝定型-在役考核”研制階段的推進(jìn)而演化和更新。②各階段/批次維持自身的需求。該需求來(lái)自于項(xiàng)目/產(chǎn)品層面的需求，但可針對(duì)本階段/批次的驗(yàn)證目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，驗(yàn)證情況和結(jié)果亦可反饋于項(xiàng)目/產(chǎn)品層面的需求，為其演化和更新提供依據(jù)。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)全過(guò)程需求管理Fig.1 Requirements management through aero-engine development

各階段/批次內(nèi)均須開(kāi)展需求分析與定義、需求驗(yàn)證策劃、需求分解分配、需求驗(yàn)證、需求變更和需求數(shù)據(jù)鏈維護(hù)等工作。自用戶層需求開(kāi)始，隨著設(shè)計(jì)(方案)的不斷細(xì)化，逐層(包括發(fā)動(dòng)機(jī)、部件/系統(tǒng)等)分析和定義需求。

需求分析與定義、需求確認(rèn)和驗(yàn)證是一個(gè)不斷迭代和遞歸的過(guò)程：①上級(jí)對(duì)象的需求及設(shè)計(jì)(方案)作為下級(jí)對(duì)象需求的輸入，但視需求驗(yàn)證情況，下級(jí)對(duì)象的設(shè)計(jì)(方案)將可能影響上級(jí)對(duì)象的設(shè)計(jì)(方案)，引起需求必要的調(diào)整；②下級(jí)對(duì)象的需求驗(yàn)證作為上級(jí)對(duì)象需求驗(yàn)證的輸入，下級(jí)對(duì)象的需求驗(yàn)證結(jié)果將可能影響兩級(jí)對(duì)象的需求確認(rèn)/驗(yàn)證，引起需求驗(yàn)證策劃的必要調(diào)整。

2.2 組織模式

為便于需求權(quán)衡和整合，以及統(tǒng)籌需求驗(yàn)證策劃，采用覆蓋多專(zhuān)業(yè)的聯(lián)合工作團(tuán)隊(duì)(IPT)，針對(duì)每個(gè)層級(jí)協(xié)同開(kāi)展需求捕獲、需求分析與定義、需求驗(yàn)證策劃等工作，重點(diǎn)解決各層級(jí)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、六性、適航和材料工藝等需求分散、需求重合或沖突的問(wèn)題。

各層級(jí)需求管理IPT 涵蓋專(zhuān)業(yè)一般包括：氣動(dòng)/性能設(shè)計(jì)，控制、起動(dòng)、電氣及測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，空氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)，材料工藝設(shè)計(jì)，六性及適航設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化管理，系統(tǒng)工程及技術(shù)管理等。

2.3 管理工具

業(yè)內(nèi)目前常用的兩款需求管理工具為T(mén)eamcenter(簡(jiǎn)稱(chēng)TC)和DOORS。采用TC 可管理航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求驗(yàn)證(設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)等)的文件，并能便捷實(shí)現(xiàn)需求與上述數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)管理；而DOORS 是獨(dú)立的需求管理軟件，可以方便地管理需求數(shù)據(jù)，但要實(shí)現(xiàn)與TC 中需求驗(yàn)證數(shù)據(jù)的集成管理則需作接口開(kāi)發(fā)。兩者均能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化需求創(chuàng)建、需求屬性定義及內(nèi)容編寫(xiě)、需求審批發(fā)布及需求驗(yàn)證符合性分析等基本功能，如圖2 所示。

鑒于TC 能提供產(chǎn)品BOM(物料清單)關(guān)聯(lián)管理的解決方案[16]，本文構(gòu)建了以需求為源的研發(fā)過(guò)程數(shù)據(jù)集成管理及其與研發(fā)任務(wù)的關(guān)聯(lián)管理框架，如圖3 所示。其中，產(chǎn)品研發(fā)全過(guò)程數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、維持均基于TC；而任務(wù)管理基于MPM，通過(guò)WBS 與需求驗(yàn)證計(jì)劃關(guān)聯(lián)，通過(guò)平臺(tái)集成實(shí)現(xiàn)與TC 產(chǎn)品數(shù)據(jù)(WBS 交付物)關(guān)聯(lián)。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理應(yīng)用

3.1 專(zhuān)項(xiàng)小組組建

按照一體化/協(xié)同化IPT 組建要求，成立發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理工作專(zhuān)項(xiàng)小組，確定其共同工作職責(zé)如下：

圖2 DOORS 與Teamcenter的比較Fig.2 Comparison of DOORS and Teamcenter

圖3 以需求為源的數(shù)據(jù)集成管理Fig.3 Data integration management based on requirements

(1)負(fù)責(zé)各功能體需求來(lái)源識(shí)別、需求分析和整合，將需求條目化、結(jié)構(gòu)化并導(dǎo)入TC；

(2)負(fù)責(zé)完善需求屬性、內(nèi)容，建立需求與需求間的關(guān)聯(lián)；

(3)負(fù)責(zé)各功能體間的需求分解、分配、傳遞和對(duì)接，解決需求沖突和不一致；

(4)開(kāi)展需求評(píng)審，負(fù)責(zé)建立和發(fā)布需求基線，以及實(shí)施(必要的)需求更新/更改；

(5)開(kāi)展需求驗(yàn)證策劃，確定相應(yīng)的工作項(xiàng)及交付物；

(6)負(fù)責(zé)建立需求與理論驗(yàn)證、試驗(yàn)驗(yàn)證文件間的關(guān)聯(lián)，跟蹤需求驗(yàn)證狀態(tài)，判定需求符合性。

3.2 工作要求

工作要求是制定發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理計(jì)劃、需求分析指南和基于TC 的需求管理辦法，明確需求分類(lèi)、需求條目化顆粒度、需求相關(guān)要素等具體要求。需求分類(lèi)的定義見(jiàn)表1。

表1 需求分類(lèi)說(shuō)明Table 1 Description of requirements classificaiton

針對(duì)不同產(chǎn)品層級(jí)(整機(jī)、部件/系統(tǒng)、零組件/成附件等)，分別定義和編寫(xiě)其需求，形成以產(chǎn)品對(duì)象為中心的條目化、結(jié)構(gòu)化需求BOM，如圖4 所示。

圖4 需求BOM 示例Fig.4 Example of requirements BOM

最底層為具體的需求條目，在此定義其屬性、內(nèi)容和上下游數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等要素；其他層為對(duì)需求的歸類(lèi)。對(duì)于不同層級(jí)間存在需求分解、分配關(guān)系的，除在需求屬性中標(biāo)識(shí)外，通過(guò)跟蹤鏈接建立跨需求BOM 之間的關(guān)聯(lián)。對(duì)于從功能、性能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、六性、適航、材料、工藝等多個(gè)專(zhuān)業(yè)角度提出的同類(lèi)需求，需要進(jìn)行權(quán)衡和整合。

需求顆粒度一般應(yīng)符合以下要求：①一條需求僅表述同一件事或同一個(gè)主題，如不同狀態(tài)點(diǎn)的性能要求應(yīng)分開(kāi)定義；②同一主題的多個(gè)參數(shù)或指標(biāo)應(yīng)合在一起，如主燃燒室出口徑向、周向溫度場(chǎng)不均勻度不應(yīng)分開(kāi)定義；③一條需求應(yīng)針對(duì)單一產(chǎn)品對(duì)象表述，即不同對(duì)象的需求應(yīng)分開(kāi)定義，如不同零件的強(qiáng)度要求；④沒(méi)必要逐一在零組件層級(jí)定義的需求(例如選材)，僅在部件/系統(tǒng)層定義。

每一條需求包含以下要素：①標(biāo)題——簡(jiǎn)明、扼要地概括一條需求的主要內(nèi)容，見(jiàn)圖5；②屬性——定義一條需求的相關(guān)特征，如需求編碼、需求來(lái)源、需求級(jí)別、需求類(lèi)型、優(yōu)先級(jí)、驗(yàn)證狀態(tài)等，見(jiàn)圖5；③內(nèi)容——準(zhǔn)確、詳細(xì)定義一條需求的內(nèi)容，如設(shè)計(jì)參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)、約束條件等(包括圖、表等)，見(jiàn)圖6；④驗(yàn)證方法——定義一條需求對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證方法和輸出物，在②和③中均體現(xiàn)；⑤數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)——定義一條需求與上下游數(shù)據(jù)對(duì)象的追溯和傳遞關(guān)系，見(jiàn)圖7。

3.3 需求分析與定義

按以下步驟開(kāi)展各功能體的需求分析與定義：

(1)梳理需求來(lái)源文件(型號(hào)頂層文件和其他約束文件)；

(2)分別梳理每個(gè)功能體相應(yīng)的每一類(lèi)需求；

(3)根據(jù)必要權(quán)衡/整合結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、六性、適航等需求；

圖5 需求Item 標(biāo)題和屬性表Fig.5 Requirement Item title and properties

圖6 需求Item 內(nèi)容Fig.6 Requirement Item content

圖7 需求跟蹤鏈接Fig.7 Requirement traceability chain

(4)確定每一條需求相應(yīng)的驗(yàn)證方法、輸出物；

(5)基于PDM/TC 完成各功能體需求BOM 構(gòu)建；

(6)完成需求評(píng)審并歸檔發(fā)布，建立需求基線。

其中，最為關(guān)鍵的步驟為需求條目化+適用性分析(針對(duì)需求源文件，形成需求源文件分析說(shuō)明)，以及需求權(quán)衡整合(面向產(chǎn)品對(duì)象，形成各產(chǎn)品對(duì)象需求分析說(shuō)明、需求文檔(或需求規(guī)范))，如圖8 所示。

圖8 需求分析與定義關(guān)鍵步驟Fig.8 Critical steps of requirements analysis and definition

3.4 需求驗(yàn)證策劃

按以下步驟開(kāi)展各功能體的需求驗(yàn)證策劃：

(1)基于需求驗(yàn)證方法及輸出物，形成研發(fā)WBS；

(2)建立需求驗(yàn)證文件體系；

(3)建立需求-需求、需求-驗(yàn)證數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，即追溯&驗(yàn)證關(guān)系；

(4)建立與MPM 任務(wù)關(guān)聯(lián)。

圖9 需求驗(yàn)證策劃過(guò)程示意Fig.9 Example of requirements verification process

如圖9 所示，以產(chǎn)品對(duì)象需求BOM 中的需求條目(權(quán)衡整合后)為源，分析為驗(yàn)證該條需求所需開(kāi)展的驗(yàn)證工作(包括設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算、試制、試驗(yàn)等)，形成研發(fā)WBS，研發(fā)WBS 的輸出物即構(gòu)成了驗(yàn)證文件體系。其中，需求、設(shè)計(jì)、工藝、試驗(yàn)、制造研發(fā)數(shù)據(jù)納入PDM/TC 管理，研發(fā)任務(wù)納入MPM 管理并與研發(fā)數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)。

為便于管理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)驗(yàn)證文件進(jìn)行分類(lèi)(圖10)，其策劃制訂的文件包括：①項(xiàng)目管理類(lèi)文件——沿用以前批次文件；②系統(tǒng)工程管理及技術(shù)管理類(lèi)文件——大部分沿用以前批次文件，新文件約20 余項(xiàng)；③技術(shù)狀態(tài)文件——根據(jù)GJB 3206A-2010《技術(shù)狀態(tài)管理》的定義確定，新文件約180 余項(xiàng)；④設(shè)計(jì)類(lèi)需求驗(yàn)證文件——不含技術(shù)狀態(tài)文件，新文件約200 余項(xiàng)；⑤制造類(lèi)需求驗(yàn)證文件——主要指工藝類(lèi)文件和制造信息文件，由制造廠產(chǎn)生；⑥試驗(yàn)類(lèi)需求驗(yàn)證文件——正在策劃；⑦其他文件。

圖10 驗(yàn)證文件分類(lèi)體系Fig.10 File classification system

3.5 需求評(píng)審

組織專(zhuān)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各功能體需求分析、需求驗(yàn)證策劃工作進(jìn)行審查/評(píng)審。對(duì)專(zhuān)家評(píng)審提出的共性問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的整改，逐步完善需求管理工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

上述工作實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求管理工作由文件化向工具化、由碎片化向集成/綜合化的模式轉(zhuǎn)變，并構(gòu)建了需求管理所有工作的基礎(chǔ)——需求及需求驗(yàn)證數(shù)據(jù)鏈，為后續(xù)各功能體需求審批發(fā)布、需求文檔/規(guī)范輸出、需求基線維持、需求驗(yàn)證符合性分析和審查、需求變更管理等創(chuàng)造了條件，奠定了以需求為牽引驅(qū)動(dòng)正向研發(fā)的基礎(chǔ)。后續(xù)應(yīng)繼續(xù)對(duì)需求捕獲及分析方法，航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)分解、指標(biāo)映射/承接關(guān)系構(gòu)建，需求親和與需求編寫(xiě)、需求變更與符合性管理的細(xì)化方法，以及基于TC 和MPM的需求驗(yàn)證計(jì)劃與工作任務(wù)關(guān)聯(lián)管理的細(xì)化方案等方面進(jìn)行研究和探索。