精細(xì)化正向設(shè)計(jì)方法在機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的應(yīng)用

梁 偉， 李 巍

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

機(jī)電綜合管理系統(tǒng)[1]是近期發(fā)展起來的，對(duì)飛機(jī)能源、信息、控制多方面高度綜合的系統(tǒng)。系統(tǒng)以提升飛機(jī)整體性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)；能有效地減少系統(tǒng)體積、減輕飛機(jī)重量、提高機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行效率；有助于提高飛機(jī)可靠性、維修性、測(cè)試性、保障性和生存力。作為復(fù)雜的多專業(yè)多領(lǐng)域強(qiáng)耦合系統(tǒng)，機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制需要按照系統(tǒng)工程方法開展精細(xì)化正向設(shè)計(jì)，以系統(tǒng)整體功能最佳為目標(biāo)，通過對(duì)系統(tǒng)開展需求分析、構(gòu)造系統(tǒng)模型來調(diào)整改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使之達(dá)到整體最優(yōu)化。

六西格瑪精細(xì)化正向設(shè)計(jì)，以下簡(jiǎn)稱DFSS(Design for Six Sigma)[2-3]起源于系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)的早期聚焦顧客需求，并通過一系列量化分析方法，將顧客需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，向下分解傳遞到系統(tǒng)組成，形成關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)樹；在參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，采用數(shù)據(jù)分析方法，建立技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的傳遞模型，提高產(chǎn)品的穩(wěn)健性。

將DFSS的設(shè)計(jì)流程[4]與復(fù)雜的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，形成系統(tǒng)的全生命周期研制正向設(shè)計(jì)流程。這是系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)踐的初步探索，是國(guó)內(nèi)航空工業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能進(jìn)一步挖掘和提升的重要途徑，也是未來飛機(jī)系統(tǒng)研發(fā)體系的重要支撐，可為行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員提供一定的借鑒。

1 DFSS的流程和工具

DFSS設(shè)計(jì)流程可以分為5個(gè)階段實(shí)施，即ICDOV(Identify,Concept,Design,Optimize,Verify)流程[5]，具體包括如下內(nèi)容。

① 識(shí)別階段(Identify)。主要是應(yīng)用相關(guān)工具對(duì)顧客的需求進(jìn)行識(shí)別和分析，找出重要的顧客需求，并通過質(zhì)量功能展開(Quality Funtion Deployment,QFD)將顧客需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，并確定項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)。

② 概念階段(Concept)。通過相關(guān)工具實(shí)現(xiàn)顧客需求向功能、結(jié)構(gòu)等方面轉(zhuǎn)化，并生成概念設(shè)計(jì)方案、子系統(tǒng)/結(jié)構(gòu)方案等。

③ 設(shè)計(jì)階段(Design)。識(shí)別關(guān)鍵、重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)建記分卡并對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)估，同時(shí)通過風(fēng)險(xiǎn)分析確定設(shè)計(jì)潛在的失效模式，提前規(guī)避。

④ 優(yōu)化階段(Optimize)。將設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的產(chǎn)品模型，通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行容差設(shè)計(jì)，得到樣品方案。

⑤ 驗(yàn)證階段(Verify)。對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證產(chǎn)品的性能并進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最終得到完善的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)生成設(shè)計(jì)的控制計(jì)劃、文件資料、規(guī)章制度并進(jìn)行工程移交。

當(dāng)然，DFSS中還包含很多有意義的工具，如MACUEE(Motivation,Action,Context,User,Experience,Expectation)模型、卡諾分析、QFD、普氏(Pugh)矩陣[6]等，這些工具也將逐步應(yīng)用到機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的需求分析和方案設(shè)計(jì)中。

2 DFSS在機(jī)電綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)流程優(yōu)化

參考DFSS方法，在初步設(shè)計(jì)階段[7]，將機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程[8]細(xì)分為以下步驟：邊界分析、相關(guān)方識(shí)別、相關(guān)方需求捕獲、運(yùn)行場(chǎng)景分析、系統(tǒng)需求定義、需求驗(yàn)證計(jì)劃、關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別、概念方案生成、多方案評(píng)估，詳見圖1。

圖1 初步設(shè)計(jì)階段機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.2 邊界分析

首先將系統(tǒng)視為整體(即黑盒)，識(shí)別在系統(tǒng)的外部與系統(tǒng)有交聯(lián)關(guān)系的其他系統(tǒng)，以及明確它們與系統(tǒng)之間的邊界關(guān)系，可以用邊界圖來表示。如圖2所示，邊界圖可以直觀地反映系統(tǒng)與外部的輸入輸出交聯(lián)關(guān)系，是后續(xù)需求相關(guān)方識(shí)別和接口需求捕獲的基礎(chǔ)。

圖2 機(jī)電綜合管理系統(tǒng)邊界圖

2.3 相關(guān)方識(shí)別

梳理機(jī)電系統(tǒng)的需求相關(guān)方。通過與需求相關(guān)方協(xié)調(diào)、訪談、文件等形式捕獲機(jī)電系統(tǒng)需求，盡量保證需求的完備性。

使用者：空勤人員、地勤維護(hù)人員等。

上級(jí)系統(tǒng)：一般包括飛機(jī)總體以及安全性和四性等部門。

下游顧客：也被認(rèn)為是需求的相關(guān)方，往往容易被忽略。一般包括地面試驗(yàn)設(shè)備、機(jī)上聯(lián)試單位(總裝)、試飛部門、維護(hù)檢測(cè)設(shè)備(保障設(shè)備)、工藝、成品供應(yīng)商等。

外部平行系統(tǒng)：航電系統(tǒng)(顯示/飛參/告警/維護(hù)系統(tǒng))、飛控系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等。

內(nèi)部接口：一般作為機(jī)電系統(tǒng)底層需求分配的對(duì)象。具體包括液壓、起落架、APU(Auxiliary Power Unit)、動(dòng)力、燃油、防火、引氣空調(diào)、環(huán)境防護(hù)、救生、生活設(shè)施、氧氣、液冷、供電、照明、機(jī)電綜合等專業(yè)。

約束：一般包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、適航規(guī)范、質(zhì)量體系、標(biāo)準(zhǔn)材料、計(jì)量要求等，以及環(huán)境適應(yīng)性、供電適應(yīng)性、電磁兼容、重量要求等通用質(zhì)量特性方面的要求。

為相關(guān)方的重要度進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，目的是為將來在相關(guān)方需求產(chǎn)生沖突的時(shí)候進(jìn)行權(quán)衡。按照如果不能滿足其需求會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成影響的程度，給相關(guān)方評(píng)估1～5分。相關(guān)方重要度評(píng)估準(zhǔn)則如表1所示。

表1 相關(guān)方重要度評(píng)估

2.4 相關(guān)方需求捕獲

確定相關(guān)方后，以機(jī)電系統(tǒng)作為黑盒開展頂層需求捕獲和分析，對(duì)相關(guān)方需求進(jìn)行收集，包括相關(guān)方的需要、抱怨、提出的解決方案等。

可采用MACUEE模型，如圖3所示。從動(dòng)機(jī)(Motivation)、操作(Action)、上下文背景(Context)、用戶(User)、經(jīng)驗(yàn)(Experience)和期望(Expectation)6個(gè)維度捕獲相關(guān)方需求。

圖3 MACUEE模型

2.5 運(yùn)行場(chǎng)景分析

從系統(tǒng)運(yùn)行的視角考慮系統(tǒng)的使用任務(wù)、維修保障任務(wù)等的各種應(yīng)用場(chǎng)景，形成場(chǎng)景清單；并描述在每一種應(yīng)用場(chǎng)景中系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和主要活動(dòng)等。場(chǎng)景分析屬于需求分析工作的一部分，目的是通過場(chǎng)景分析識(shí)別系統(tǒng)功能，進(jìn)一步完善需求；同時(shí)在分析過程中，會(huì)對(duì)功能分解，逐步形成下一級(jí)的底層功能要求。

場(chǎng)景分析可采用SysML語言的序列圖方式建模。圖4為某飛機(jī)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的起落架收放控制需求分析示例。

圖4 起落架收放控制需求場(chǎng)景分析示例

2.6 需求定義和重要度評(píng)估

將前期開展的應(yīng)用場(chǎng)景分析得到的系統(tǒng)主要功能要求和通過相關(guān)方收集的需求，轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求。

完成系統(tǒng)需求定義后，采用卡諾模型開展需求重要度評(píng)估。需求被分為3類：基本需求、一元需求和魅力需求，分類原則如表2所示。一般來說，基本需求重要評(píng)估較高，一元需求適中，魅力需求較低。

表2 卡諾分類原則表

系統(tǒng)/產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，先關(guān)注基本需求；在特殊情況下(如基本質(zhì)量需求受客觀限制)，優(yōu)先關(guān)注一元需求和魅力需求。在一定條件下，魅力需求可以向基本需求轉(zhuǎn)化。

2.7 需求驗(yàn)證計(jì)劃

系統(tǒng)工程中，對(duì)需求管理的重要一環(huán)是在建立需求基線時(shí)，制定每條需求的驗(yàn)證計(jì)劃，規(guī)定需求驗(yàn)證方法[9]，便于后期工程研制階段對(duì)需求追蹤。建立需求驗(yàn)證策劃表，可以參考適航驗(yàn)證方法，需求驗(yàn)證方法包括MC1符合性說明、MC2分析計(jì)算、MC3安全性分析評(píng)估、MC4試驗(yàn)室試驗(yàn)、MC5地面試驗(yàn)、MC6飛行試驗(yàn)、MC7機(jī)上檢查、MC8模擬器試驗(yàn)、MC9設(shè)備鑒定等。其中，MC4試驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證又可以按照產(chǎn)品的研制階段，進(jìn)一步細(xì)分為方案階段試驗(yàn)驗(yàn)證、初樣階段試驗(yàn)驗(yàn)證、試樣階段試驗(yàn)驗(yàn)證3個(gè)階段。

建立的需求驗(yàn)證策劃表，可以錄入需求管理工具(DOORS)中，與條目化的需求進(jìn)行追蹤管理。保證每一條系統(tǒng)需求都有合理充分的驗(yàn)證要求和驗(yàn)證方法，初步建立需求驗(yàn)證跟蹤矩陣，在系統(tǒng)各個(gè)研制階段迭代更新。

2.8 關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別

質(zhì)量功能展開(QFD)[10]是DFSS的精髓之一，也是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵?；驹硎怯谩百|(zhì)量屋”的形式量化分析顧客需求與工程措施之間的關(guān)系，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后找出對(duì)滿足顧客需求貢獻(xiàn)最大的工程措施，即關(guān)鍵措施，或稱關(guān)鍵質(zhì)量特性，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員抓住主要矛盾，開發(fā)出滿足顧客需求的產(chǎn)品。

利用質(zhì)量功能展開工具建立機(jī)電綜合管理系統(tǒng)需求-技術(shù)指標(biāo)的質(zhì)量屋[11]。其中，質(zhì)量屋左墻為需求，頂部為技術(shù)指標(biāo)，中間部分為相關(guān)程度，右側(cè)為需求充分性檢查評(píng)分，下部為技術(shù)指標(biāo)重要度加權(quán)評(píng)分，詳見表3。按照專家打分統(tǒng)計(jì)，識(shí)別機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括：安全性指標(biāo)、基本可靠性指標(biāo)(MTBF)、任務(wù)可靠性、故障檢測(cè)率等。

表3 需求-技術(shù)要求質(zhì)量屋

通過技術(shù)檢索方式，結(jié)合以往型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，確定系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，例如系統(tǒng)綜合架構(gòu)技術(shù)、可擴(kuò)展機(jī)電總線技術(shù)[12]、健康診斷與管理技術(shù)、系統(tǒng)重構(gòu)[13]、余度管理技術(shù)[14]、機(jī)電接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)、大數(shù)據(jù)加卸載技術(shù)等，詳見表4。

表4 關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別表

2.9 概念方案生成

概念方案生成一般經(jīng)過關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別、識(shí)別輸入約束、技術(shù)檢索、技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)、初步概念組合等步驟。

針對(duì)機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)，形成概念碎片方案如表5所示。按照A+B+C+D+E+F的方式將概念碎片進(jìn)行組合，形成多個(gè)概念方案。

表5 概念碎片生成表

2.10 多方案評(píng)估

多方案評(píng)估方法可以借鑒DFSS中的Pugh矩陣，選定某一成熟型號(hào)的方案作為基準(zhǔn)方案，按照每個(gè)方案對(duì)需求的滿足程度與基準(zhǔn)方案(表6方案2)對(duì)比打分，需求評(píng)估在必要時(shí)可以進(jìn)行需求模型或性能模型的仿真測(cè)試量化考核；并將技術(shù)成熟度、進(jìn)度、成本、重量等因素綜合考慮加權(quán)統(tǒng)計(jì)，詳見表6。評(píng)分可以參照如下打分細(xì)則：遠(yuǎn)好于基準(zhǔn)方案，評(píng)分為9；遠(yuǎn)差于基準(zhǔn)概念，評(píng)分為1；既不是很差也不是很好，評(píng)分為5。加權(quán)得分最高的方案最終形成最優(yōu)方案。

表6 多方案評(píng)估打分表

3 結(jié)束語

為提升飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少開發(fā)時(shí)間和成本，將六西格瑪精細(xì)化正向設(shè)計(jì)方法DFSS的流程和工具融入機(jī)電綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)流程中每個(gè)步驟的設(shè)計(jì)活動(dòng)和表單，可以作為飛機(jī)系統(tǒng)需求捕獲、分析、方案設(shè)計(jì)、評(píng)估使用，具有較高的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。后續(xù)在型號(hào)應(yīng)用中，將從設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證等方面對(duì)該流程進(jìn)行進(jìn)一步修正和完善，最終形成系統(tǒng)研制指南性文件，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員。