航空發(fā)動機需求變更模型研究

吳晶峰，陳義成，王 偉

（1.中國民用航空適航審定中心，北京 100102；2.中國民航大學(xué)天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

航空發(fā)動機作為一類典型的復(fù)雜產(chǎn)品，與國家的工業(yè)基礎(chǔ)密切相關(guān)，被譽為“工業(yè)上的明珠”，其研制周期、研制難度都是其他產(chǎn)品無法比擬的[1]?！靶枨蠊芾怼痹诤娇瞻l(fā)動機產(chǎn)品研制中十分關(guān)鍵，目的是研制出真正滿足客戶需要的航空發(fā)動機。航空發(fā)動機研制周期長，如何評估某個變更對整個發(fā)動機及其相關(guān)系統(tǒng)的影響尤為重要，雖然可以通過需求跟蹤視圖來幫助相關(guān)責(zé)任人評估需求變更的關(guān)聯(lián)性及影響，控制并記錄發(fā)動機每個需求的變更過程[2-3]，但該方式同研制周期同步，因此，急需開展評估方法的仿真研究。

近年來，國外學(xué)者在需求變更實證方面開展了大量工作。Blessing 等[4]研究了設(shè)計人員在設(shè)計活動中識別、生成和應(yīng)用需求的過程和方法。Bergsj? 等[5]描述了汽車行業(yè)在需求管理實踐中出現(xiàn)的具體問題。Sudin等[6-7]調(diào)查了航空發(fā)動機設(shè)計更改和設(shè)計錯誤修改的發(fā)生階段，并調(diào)研產(chǎn)品開發(fā)公司的案例，對實際中影響需求變更的決策和組織因素進行了定性研究。Pikosz[8]研究了汽車行業(yè)中嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需求管理的使用問題。

目前，國內(nèi)在航空需求管理流程和數(shù)據(jù)庫方面開展了一些研究工作，如：季建琴[9]、郭博智等[10]、董亮等[11]、田彬[12]論述了基于系統(tǒng)工程V 模型的飛機需求管理過程、需求信息架構(gòu)設(shè)計、需求層級及需求分解演變過程；王煥青[13]、王瑾等[14]、周璇等[15]論述了飛機需求變更管理技術(shù)；陳重陽等[16]討論了海軍裝備發(fā)展作戰(zhàn)需求生成流程和機制；鄭占君等[17]提出了基于DOORS（dynamic object oriented requirment system）的飛機設(shè)計需求數(shù)據(jù)管理方案；董亮等[18]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；羅婷婷[19]闡述了商用航空發(fā)動機需求管理及其系統(tǒng)構(gòu)建方法；史妍妍等[20]提出了基于產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)的航空發(fā)動機需求管理模型及其一般流程。

目前，從航空發(fā)動機設(shè)計的角度，以需求工程和管理為主的仿真實證和應(yīng)用研究還相對薄弱，為此，基于系統(tǒng)工程需求變更過程的主要內(nèi)容，對比分析基于活動的模型和基于Agent 的模型，探索一種適合航空發(fā)動機研制的需求變更模型，并以Excel 為工具初步建立適于航空發(fā)動機組織結(jié)構(gòu)的需求變更Agent 模型，展示該模型用于需求變更影響下的設(shè)計質(zhì)量、研發(fā)風(fēng)險等方面研究。

1 需求變更

1.1 概述

在項目管理過程中難免會碰到需求變更的情況，會對項目范圍、項目進度、項目質(zhì)量、項目成本、開發(fā)人員的心理、用戶滿意度、代碼與文檔的吻合度等方面產(chǎn)生一定的影響，因此，對需求變更要有一定的管理策略。變更管理的規(guī)范主要包含以下幾個步驟：

第1步識別變更；

第2步對變更進行詳細的分析，分析變更的合理性和緊迫程度及其對項目產(chǎn)生的影響，如是否會影響項目進度、是否會加大項目投入等；

第3步提出正式的書面變更申請；

第4步審批，確定變更是否通過；

第5步如果審批通過，那么應(yīng)當(dāng)詳細記錄變更。

需求變更的可追溯性非常重要，可以監(jiān)控變更執(zhí)行情況，防止與用戶之間的糾紛。要做到可追溯性，需求變更的記錄就需要非常詳細，應(yīng)當(dāng)記錄變更緣由、變更日期、變更前后的需求內(nèi)容等，這樣才能使項目更可控。另外需求追溯記錄內(nèi)容不可過細，否則，一方面會使需求追溯耗費巨大的時間成本，另一方面也會讓需求追溯數(shù)據(jù)量變大而難以維護。

此外，項目需求文檔的格式和詳細程度也對需求變更的管理和記錄有一定影響。雖然可追溯性不是決定需求文檔編制的主要因素，但是結(jié)構(gòu)好的需求文檔更容易支持需求變更的可追溯性。

1.2 基本流程

結(jié)合通用需求變更流程，可將民用航空發(fā)動機需求變更分為需求變更申請（RCR，requirements change request）子流程和需求變更建議（RCP，requirements change proposal）子流程兩個部分。RCR 子流程用于評估需求是否需要更改，并對更改進行評估；RCP 子流程用于對已經(jīng)批準(zhǔn)的RCR 進行更改，確認(rèn)需求更改執(zhí)行結(jié)果。

航空發(fā)動機需求按照分層、分級的原則進行條目化、結(jié)構(gòu)化管理，因此，需求變更也據(jù)此分類管理。涉及頂層的需求變更需要得到客戶的批準(zhǔn)和確認(rèn)，如果需求變更影響其他同層子系統(tǒng)需求更改，需要相應(yīng)子系統(tǒng)負責(zé)人會簽。

RCR 子流程如圖1所示。首先，需求變更申請人提出需求變更申請；然后，批準(zhǔn)人員對需求變更申請進行批準(zhǔn)；一旦批準(zhǔn)人員同意需求變更申請，構(gòu)型管理辦公室（CMO，Configuration Management Office）組織對需求變更進行評估，識別受需求變更影響的相關(guān)人，對需求變更進行需求變更影響分析，對需求變更申請進行確認(rèn)；最后，構(gòu)型管理委員會（CCB，Configuration Control Board）核準(zhǔn)需求變更申請。

圖1 需求變更申請子流程Fig.1 Sub-process of RCR

RCP 子流程如圖2所示。由需求模塊負責(zé)人基于需求變更申請創(chuàng)建相應(yīng)的需求變更建議，校對人員、審核人員對需求變更的正確性、完整性進行檢查，根據(jù)檢查結(jié)果修改需求變更建議，批準(zhǔn)人員批準(zhǔn)后，完成需求變更。

圖2 需求變更建議子流程Fig.2 Sub-process of RCP

2 需求變更模型建立

由于需求變更伴隨項目生命周期的全過程，需求變更模型應(yīng)考慮航空發(fā)動機需求管理流程中的設(shè)計活動及其中的數(shù)據(jù)交換。

2.1 基于活動的模型

航空發(fā)動機的研制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。已有的分析結(jié)果表明，需求變更主要發(fā)生在航空發(fā)動機型號研制的初期階段，其簡化的初步設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 航空發(fā)動機初步設(shè)計流程Fig.3 Preliminary design process of aero-engine

在此設(shè)計流程中：①客戶經(jīng)過市場調(diào)研、對比等確定航空發(fā)動機的性能指標(biāo)要求，如推力、耗油率、重量等，并將此要求下達給設(shè)計團隊或供應(yīng)商；②設(shè)計團隊或供應(yīng)商先由系統(tǒng)團隊進行熱力學(xué)等分析，確定部件的設(shè)計指標(biāo)，并進行需求分析和需求確認(rèn)；③系統(tǒng)團隊既要給部件團隊下達設(shè)計要求，又要給客戶反饋方案評估結(jié)果；④部件團隊一般有多個，包括氣動、結(jié)構(gòu)等，相互協(xié)作開展工作，并需要與設(shè)計團隊進行多輪反饋；⑤在一個具體型號研制初期，客戶、設(shè)計團隊要經(jīng)過多輪迭代最終確定初步方案，設(shè)計團隊要在客戶的要求時限內(nèi)完成多輪反復(fù)工作；⑥由于市場的波動，市場決定的客戶需求參數(shù)常常會發(fā)生變更，從而導(dǎo)致需求變更，此時會更新下達給設(shè)計團隊設(shè)計指標(biāo)，導(dǎo)致設(shè)計方案需進一步修改，會帶來時間、成本等方面的改變。

在基于活動的需求變更建模中，可將航空發(fā)動機初步設(shè)計階段的具體活動作為信息處理的需求單元，如圖4所示。

圖4 典型需求管理流程Fig.4 Typical demand management processes

基于活動的模型優(yōu)缺點如表1所示。

表1 基于活動的模型優(yōu)缺點總結(jié)Tab.1 Summary of the advantages and disadvantages of the activity-based model

2.2 基于Agent 的模型

考慮基于活動的模型難以捕捉早期循環(huán)，難以考慮各部分協(xié)作，難以實現(xiàn)自適應(yīng)，難以考慮并發(fā)性等問題，提出采用基于Agent 的模型建立航空發(fā)動機初步設(shè)計流程并考慮需求變更影響。

文獻中已經(jīng)開展的一些Agent 模型多基于已有的平臺建立，如Fernandes 提出的Agent 模型AMPERE（agent model for planning and research of early design），是基于Gregori 在2006年開發(fā)的SPADE（smart Phython multi-agent development environment）平臺開展的。SPADE 是已經(jīng)發(fā)展多年的項目管理平臺，主要包括Agent 類、ACL 信息交換類、行為類等主要組成部分。AMPERE 即是在此平臺上修改，同時考慮不確定性、迭代、各部分協(xié)作及自適應(yīng)等問題。

由于無法獲得相關(guān)平臺，以Excel 為工具，借鑒圖5所示的定義和動作進行復(fù)現(xiàn)：①客戶先期開展市場調(diào)研確定設(shè)計需求，同時考慮市場波動，及時變更需求；②客戶Agent 模型負責(zé)確定需求，提出預(yù)期設(shè)計質(zhì)量，確定單輪方案返回時間，定期接收設(shè)計團隊返回結(jié)果并加以確認(rèn)；③設(shè)計團隊有項目主管、初步設(shè)計和詳細設(shè)計3 層Agent 結(jié)構(gòu)組成，初步設(shè)計又包括一個氣動初步設(shè)計人員Agent 模型和一個結(jié)構(gòu)初步設(shè)計人員Agent 模型，同時與一個詳細設(shè)計人員Agent 模型相互協(xié)調(diào)工作，共同返回設(shè)計方案給項目主管。具體內(nèi)容如表2所示。

圖5 Agent 模型定義和動作Fig.5 Definition and actions of Agent model

表2 初步Agent 模型Tab.2 A preliminary Agent model

3 基于需求變更Agent 模型的影響分析

3.1 設(shè)計流程量化表征方法

資深和具體設(shè)計人員開展具體設(shè)計工作時，可用量化的設(shè)計質(zhì)量參數(shù)表征設(shè)計方案與預(yù)期方案的符合程度。在遇到初始需求變更時，初始設(shè)計質(zhì)量可能突然變差，但經(jīng)多輪需求變更迭代后設(shè)計方案則可達到符合預(yù)期的設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計質(zhì)量的第i次迭代過程可表示為

式中：α是相關(guān)系數(shù)；Qi-1是第i-1 次迭代設(shè)計質(zhì)量；Qs是預(yù)期設(shè)計質(zhì)量，一般為1.0。

同樣，第i次迭代過程對最終任務(wù)完成時間影響可表示為

式中：β是設(shè)計任務(wù)預(yù)定模擬時間的相對三角概率分布，一般為0.8、1.2、1.0；Di-1是第i-1 次迭代設(shè)計持續(xù)時間；Ds是預(yù)期設(shè)計迭代持續(xù)時間。

最終方案是由各部門和團隊協(xié)作完成，因此，應(yīng)該考慮各部門和團隊之間的合作效率和能力來分析對最終設(shè)計質(zhì)量影響。最終設(shè)計質(zhì)量可表示為

式中：M是各部門和團隊總數(shù)；Wj是j部門對最終設(shè)計質(zhì)量的貢獻權(quán)重；Qj是j部門的設(shè)計質(zhì)量。

結(jié)合項目主管Agent 模型，風(fēng)險評估的概率和影響可表示為

式中：Rrisk是風(fēng)險因子；Pprob是風(fēng)險概率；Iimpact是風(fēng)險影響；c1、c2是常數(shù)系數(shù)；m是權(quán)重系數(shù)；t是模擬過程中Agent 反饋狀態(tài)的時間；Qgap是實際與預(yù)期設(shè)計質(zhì)量的差值；Tdeadline是截止時間；QTol是質(zhì)量閾值。

3.2 影響分析

3.2.1 參數(shù)設(shè)定

通過設(shè)定一個具體需求變更場景，分析需求變更對設(shè)計質(zhì)量影響的定量變化過程，從而研究需求變更觸發(fā)后的具體設(shè)計活動對設(shè)計質(zhì)量的動態(tài)影響程度，為優(yōu)化需求變更設(shè)計活動提供基礎(chǔ)。由于市場環(huán)境波動，導(dǎo)致某客戶一個需求對某一個供應(yīng)商產(chǎn)生變更，該場景下其初始參數(shù)可按照如下方式進行設(shè)定。

市場環(huán)境波動隨機產(chǎn)生，在10 ～20 d 內(nèi)周期性變化?？蛻鬉gent 模型要求設(shè)計團隊每4 周迭代更新設(shè)計方案。設(shè)計團隊Agent 模型希望經(jīng)過幾輪迭代后所提方案達到客戶要求，其內(nèi)部每周迭代更新設(shè)計方案。設(shè)計團隊由項目主管、氣動和結(jié)構(gòu)初步設(shè)計人員、詳細設(shè)計人員組成，對應(yīng)形成Agent 模型各一個，具體輸入?yún)?shù)如表3所示。

表3 輸入?yún)?shù)Tab.3 The input parameters

3.2.2 不同層級模型設(shè)計質(zhì)量評估

圖6 給出了Agent 模型估計的、能夠滿足客戶設(shè)計質(zhì)量要求的進度情況。由圖6 可知，在當(dāng)前研制需求和輸入?yún)?shù)條件下，若要滿足期望設(shè)計質(zhì)量，至少需要15 周的時間，根據(jù)客戶提出的4 周一個設(shè)計方案時間估算，需進行4 輪主要的迭代，而設(shè)計團隊內(nèi)部每周進行迭代次數(shù)更多。

圖6 不同階段設(shè)計質(zhì)量隨周數(shù)變化分析Fig.6 Analysis of design quality based on number of weeks

對于市場波動引起的需求變更，設(shè)計質(zhì)量的變化程度如圖7所示。方案設(shè)計初步確定后第20 周遭遇需要變更場景，此時，已有方案設(shè)計質(zhì)量偏離新需求設(shè)計質(zhì)量要求約0.2，觸發(fā)重新迭代設(shè)計，結(jié)果總設(shè)計周期近40 周，約為原設(shè)計周期的2 倍。由此可知，需求變更幅度雖小，最終方案設(shè)計周期則可能翻倍。

圖7 市場波動的需求變更對設(shè)計質(zhì)量影響Fig.7 Effect of demand change analysis on design quality

3.2.3 風(fēng)險評估

結(jié)合式（4）～（6）風(fēng)險評估方法，對項目主管在與客戶溝通迭代方案期間的風(fēng)險進行評估，如圖8所示。在方案設(shè)計的初期，由于各種不確定因素，風(fēng)險較高；隨著多輪迭代，風(fēng)險逐漸減小，達到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)生了需求變更后，設(shè)計方案風(fēng)險增加，需要更多輪設(shè)計迭代以消除相關(guān)風(fēng)險。

圖8 有無需求變更對風(fēng)險評估影響Fig.8 Impact of demand changes on risk assessment

4 結(jié)語

（1）結(jié)合航空發(fā)動機組織結(jié)構(gòu)，借助需求變更定量表征，通過Agent 模型可以刻畫需求變更對設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計周期、設(shè)計風(fēng)險的動態(tài)影響。

（2）市場波動引起的需求變更對設(shè)計周期影響很大，在需求管理中應(yīng)予以重點關(guān)注。

（3）該Agent 模型中設(shè)計質(zhì)量相關(guān)系數(shù)和設(shè)計周期系數(shù)等參數(shù)簡化設(shè)置為常數(shù)，后期應(yīng)考慮項目主管、氣動初步設(shè)計人員、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計人員、詳細設(shè)計人員的具體設(shè)計活動刻畫，將該參數(shù)作為變量，可更準(zhǔn)確地反映需求變更的影響。