滿足適航取證要求的飛機系統(tǒng)研制體系架構(gòu)探索

□ 夏 卿 何浩松 李鳴章/文

飛機系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)?，F(xiàn)代民用飛機所追求的安全、經(jīng)濟、舒適、環(huán)保等目標(biāo)，促使飛機系統(tǒng)功能不斷增加，性能不斷增強，進而使得系統(tǒng)實現(xiàn)的方式更加集成與復(fù)雜。復(fù)雜度的增加也導(dǎo)致了人為設(shè)計錯誤增加的可能，為了減少或避免這些錯誤發(fā)生的幾率，使系統(tǒng)始終保持在可接受的安全性水平，美國聯(lián)邦航空局（FAA）聯(lián)合美國汽車工程師協(xié)會（SAE），編寫并發(fā)布ARP4754A《民用飛機與系統(tǒng)研制指南》。FAA于2011年9月30日發(fā)布咨詢通告AC20-174，對SAE ARP4754A中所建立的研制保證過程作為一種符合性方法進行接受和認可。SAE ARP4754A的目標(biāo)是通過結(jié)構(gòu)化的過程保證，確保飛機是安全的，滿足適航取證要求。作為民用飛機和系統(tǒng)的研制指南，可以說是系統(tǒng)工程領(lǐng)域在民機領(lǐng)域的定制化應(yīng)用，注重需求定義、需求確認和驗證、安全性、研發(fā)保證等級分配、適航、構(gòu)型等核心內(nèi)容，將重點放在了研發(fā)階段。在實際研制過程中，僅僅依靠SAE ARP4754A并不能解決所有問題，通常會以其為基本依據(jù)和遵循，以系統(tǒng)工程標(biāo)準，如系統(tǒng)工程全生命周期、過程、活動、輸入輸出準則等為補充，結(jié)合民機型號系統(tǒng)研制實踐經(jīng)驗，對民機系統(tǒng)研發(fā)過程的生命周期、活動和任務(wù)進行識別、梳理和定義，建立適應(yīng)自己企業(yè)的研制過程體系框架來指導(dǎo)民機型號研制工作。

體系架構(gòu)必要性和方法論

系統(tǒng)工程程序是一種結(jié)構(gòu)化的、規(guī)范的和文件記錄的技術(shù)工作，系統(tǒng)產(chǎn)品和工藝通過它被同時定義、開發(fā)和綜合。系統(tǒng)工程的核心思想是“綜合及創(chuàng)造”。系統(tǒng)工程方法論是基于在系統(tǒng)早期就率先決定系統(tǒng)的整體邏輯框架，隨后再構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的系統(tǒng)工程流程以及層次化的文件、規(guī)范和模型的傳遞鏈路，用以指引和控制各個工程技術(shù)、專業(yè)工程領(lǐng)域的設(shè)計、綜合和驗證的過程，力圖將構(gòu)成系統(tǒng)規(guī)定元素加以合理的定義和配置來提供系統(tǒng)的整體功能和提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。因此，系統(tǒng)工程學(xué)科是一種確保系統(tǒng)成功實現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段。

系統(tǒng)工程的主線涉及技術(shù)流程和管理流程的高度交叉，注重在系統(tǒng)早期就依賴于兩種流程開展良好的權(quán)衡，并在具有生命周期方向的橫向結(jié)構(gòu)水平上，全面考量進度、成本、性能、制造、保障和退出等因素，進行設(shè)計綜合和系統(tǒng)確認。同時，在縱向結(jié)構(gòu)層級方向，系統(tǒng)工程又是一種自上而下的綜合、開發(fā)和運行的迭代過程，兼顧所有業(yè)務(wù)和技術(shù)需求，以追求接近于最優(yōu)的方式來提供滿足需求的高質(zhì)量產(chǎn)品和服務(wù)。依次引出技術(shù)、項目、協(xié)議、組織項目使能、裁剪和專業(yè)工程等流程活動域，并以活動的輸入、輸出、控制項和使能項四個維度使整體脈絡(luò)成為具有因果循環(huán)關(guān)系的架構(gòu)，可視化地展現(xiàn)出生命周期的關(guān)注焦點并揭示開發(fā)和驗證的必要性、與各利益攸關(guān)者不斷確認以及適配特定運營環(huán)境，從而不斷提高風(fēng)險和機遇評估的質(zhì)量。

生命周期模型

每個系統(tǒng)都有一個從產(chǎn)生到消亡的生命周期過程，為便于項目控制和管理，通常將生命周期劃分為若干不同的階段，每個階段都有明確的任務(wù)，并由關(guān)鍵決策點加以區(qū)分。系統(tǒng)生命周期的不同階段，由過程審核和做出關(guān)鍵決策的準入準出評審界定分開。準入準出評審決定項目是否可以進入生命周期的下一階段。

SAE ARP4754A重點關(guān)注研制階段的生命周期模型，如圖1所示。而美國國家航空航天局（NASA）系統(tǒng)工程手冊中則將對于飛行系統(tǒng)和地面保障項目的生命周期分為7個遞進階段——前階段：概念探索（即確定可行備選方案）、階段A：概念研究和技術(shù)開發(fā)（即項目定義，明確和組織必要的技術(shù)）、階段B：初步設(shè)計和技術(shù)完善（即建立初步設(shè)計方案，開發(fā)必要的技術(shù)）、階段C：詳細設(shè)計和制造（即完成系統(tǒng)設(shè)計，進行組件的建造/編碼）、階段D：系統(tǒng)組裝、集成、試驗和投產(chǎn)（即集成組件，驗證系統(tǒng)，系統(tǒng)投入生產(chǎn)并準備運行使用）、階段E：運行使用與維護（即運行與維修系統(tǒng)）、階段F：退役處置（即處置系統(tǒng)，分析數(shù)據(jù)）。INCOSE 系統(tǒng)工程標(biāo)準中，則是將生命周期模型分為六個階段：概念、開發(fā)、生產(chǎn)、使用、保障和退役。綜合各系統(tǒng)工程標(biāo)準，本文依據(jù)NASA、INCOSE系統(tǒng)工程，結(jié)合SAE ARP 4754A對民機領(lǐng)域的特殊工作要求，給出適用于民機領(lǐng)域的通用生命周期模型建議，該模型包括方案、概念、策劃、設(shè)計、實施、驗證、使用/維護、退役等8個階段。

圖1 ：SAE ARP4754A研制生命周期

過程定義

系統(tǒng)工程標(biāo)準提供了用于描述系統(tǒng)生命周期的通用過程框架，其目的是提供一組定義好的過程來促進利益攸關(guān)方之間在系統(tǒng)生命周期過程中的溝通，為復(fù)雜組織體系建立業(yè)務(wù)環(huán)境構(gòu)建基礎(chǔ)。

SAE ARP4754A的過程如圖2所示，重點關(guān)注于計劃過程和研發(fā)過程，對于全生命周期的前段概念階段和后期的保障退役提及很少，在定義全生命周期過程時，需要采用其他標(biāo)準進行補充。

圖2 ：SAE ARP4754A過程定義

圖3所示NASA系統(tǒng)工程引擎，包括技術(shù)流程和管理流程。左側(cè)是系統(tǒng)設(shè)計流程，實現(xiàn)從上往下需求的分解，向下貫穿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的工作分解結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)項目管理主計劃，以及中間的技術(shù)管理流程。右側(cè)是產(chǎn)品實現(xiàn)流程，系統(tǒng)架構(gòu)中的每個產(chǎn)品遵從自底向頂?shù)漠a(chǎn)品實現(xiàn)流程。其流程組成與結(jié)構(gòu)形式清晰地體現(xiàn)了“V”模型的思想。

圖3 ：NASA系統(tǒng)工程引擎

INCOSE系統(tǒng)工程描述的人造系統(tǒng)生命周期的通用過程框架，將整個生命周期定義為4個過程組26個過程，如圖4所示。其目的是提供一組定義好的過程來促進利益相關(guān)方之間在系統(tǒng)生命周期過程的溝通。這些可以用于不同層級系統(tǒng)并可根據(jù)需要進行裁剪的過程，為復(fù)雜組織體建立業(yè)務(wù)環(huán)境建構(gòu)了基礎(chǔ)。對SAE ARP4754A和NASA系統(tǒng)工程過程的定義是全面而完善的彌補。

圖4 ：符合ISO/IEC 15288:2008標(biāo)準的系統(tǒng)生命周期流程/過程概覽

通過對SAE ARP4754A、NASA系統(tǒng)工程以及INCOSE系統(tǒng)工程過程定義的比較，提出適用于飛機復(fù)雜系統(tǒng)的產(chǎn)品全壽命周期的過程定義，并形成全生命周期體系框架，如圖5所示。

圖5 ：復(fù)雜系統(tǒng)研制過程及全生命周期定義

過程模型表達

過程由一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關(guān)聯(lián)或相互作用的活動組成。一般采用圖文結(jié)合的方式進行描述，較為常用的圖為“輸入—過程—輸出”圖，簡稱為IPO圖。定型的IPO圖以過程活動為中心，給出過程活動所需輸入條件、限制或約束過程活動的控制條件以及支持過程活動執(zhí)行的工具和條件、過程活動的輸出物，輸出物可以為文件、模型、實體等。一般情況下，對活動的描述可以分層次進行詳細描述，除了IPO圖形以外，還必須結(jié)合文字或圖表的形式來進行完整的表達，一般包括過程的目標(biāo)、輸入、輸出、活動和活動的詳細步驟。在實際操作中，可以在IPO圖中加入更多的表達，如將輸入輸出與其他過程的關(guān)系聯(lián)系起來，各個活動執(zhí)行的角色，過程的負責(zé)人等以期表達出更多的內(nèi)在邏輯和相關(guān)內(nèi)容。如圖6所示。

圖6 ：架構(gòu)設(shè)計過程IPO圖案例

體系框架的實現(xiàn)

本文通過對系統(tǒng)工程標(biāo)準的研究補充定義出一個完整的全壽命周期。在實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)體系框架時，需建立統(tǒng)一的名稱和術(shù)語，對支持系統(tǒng)、系統(tǒng)功能、元素、運行和相關(guān)流程進行清晰、明確的溝通和定義。定義明確的系統(tǒng)全生命周期，可以為系統(tǒng)設(shè)計者提供所開發(fā)系統(tǒng)的過程、活動和交付物之間的正確關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)工程師從需求確定、運行到系統(tǒng)退役精心策劃研制開發(fā)方案，并與項目經(jīng)理密切合作“裁剪”通用的生命周期，包括通常被稱為“里程碑“或”評審點”的關(guān)鍵決策門，以滿足特定項目的需求。根據(jù)每個階段具有的不同目的和對全生命周期的貢獻，識別和明確研制研發(fā)過程的活動和任務(wù)，為不同的利益相關(guān)方提供共同的遵循和依據(jù)，保證研制目標(biāo)的一致性，并為研制轉(zhuǎn)階段建立共同的準則。這些階段為組織提供一個框架，在該框架內(nèi)，為組織管理復(fù)雜系統(tǒng)研制過程以及合格審定的符合性提供更為可見和可控的項目和技術(shù)流程。