民用飛機構型定義應用分析

蔡 安

（西飛國際西安飛機分公司 技術中心，陜西 西安 710089）

1 引言

技術狀態管理（Configuration Management）是美國二十世紀五十年代初期軍備競賽中為發展宇航運載工具和武器而發展起來的一門工程管理和質量控制技術。隨著時間的推移，不僅在宇航工業和其他國防工業中得到廣泛應用與發展，而且也應用到民用工程項目的研制和生產中，美國空間和航空技術在世界保持領先地位，其重要原因之一是他們在管理上發展推行了技術狀態管理技術。

國內航空的技術狀態管理要求最早在GJB／Z9001－96《質量體系—設計、開發、生產、安裝和服務的質量保證模式》4.2.4技術狀態管理（如合同要求對產品實施技術狀態管理時，承制方應按有關標準制定并執行技術狀態管理的形成文件的程序）規定。

GJB3206《技術狀態管理》和HB7807《航空產品技術狀態（構型）管理要求》明確了技術狀態管理的內容。從標準的名稱不難看出，Configuration Management在國內沿襲了軍機的叫法——技術狀態管理，在HB7807附錄B出現了民用飛機構型管理影子。

Configuration Management的譯法應根據使用的方面不同而不同，在軍用飛機管理中應成為“技術狀態管理”，在民用飛機管理中應成為“構型管理”，在IT或其他行業則翻譯為“配置管理”。

然而，面對競爭激烈的民用飛機市場，以及用戶對飛機越來越高的要求和多樣變化的個性需求，致使主制造商必須不斷地推出新的型號來滿足市場需求。為了占有更大的市場份額，就必須不斷地降低成本，減少消耗、縮短研制周期。

對于龐大的飛機產品數據結構，如何組織產品結構、定義產品構型形式；如何對數以十萬、百萬的零部件形成簡化、準確的有效性定義方法，完成每架飛機的完整定義，成為復雜、難以解決的一個問題。隨著信息技術的發展，以及人們對系統工程研究的深入，利用先進的信息技術手段可以解決民用飛機多變化、多構型的需求，一些新的構型管理措施不斷應用，飛機構型定義有了新的辦法。

2 相關詞語解釋

在沒有引進構型之前，或者在國內的早期產品及改進構型上，我們大家非常清楚“技術狀態”這個詞匯。當一個訂單來的時候，工廠計劃部門要下任務，總師系統開個會，布置：總體幾號發出狀態技術單，各專業室幾號出相關的文件和圖樣……然而，當民用飛機新的構型要求到來之后，我們對很多術語迷茫了，在看到的解釋中又包含糊技術狀態的內容。

下面的術語，是收集了大量的資料獲得的，盡可能地表達清晰；同時，如果希望能靈活地應用構型的相關知識，應該對飛機研制和系統工程理論進行學習。

（1）構型指事物的結構樣式，是產品的表征特性和主宰特性的總和。它可以用功能性術語表示（即產品可以執行何種功能），也可以用物理術語表示（即產品建造完成后外觀如何，由那些部分組成）。對飛機而言，是指構成飛機的零部件類型。

通常，構型就是在工程上采用技術文件進行規定，并在產品上體現設計特征和物理性能。按照產品所處的狀態分為：工程構型、制造構型、試驗構型、試飛構型、取證構型、服務構型等；民用飛機又將構型分為：基本構型、變化構型（也稱為客戶構型：指為適應不同客戶對飛機的特殊要求而選用的零部件配置）。

（2）構型管理是一套持續的、程序化的、經濟的方法，即在產品立項、定義、生產到支援的整個生命周期內，通過對產品定義、更改、審核等過程的控制，集成和協調各階段產品數據，保證能夠連續地定義和控制產品構型，使得制造出來的產品符合定義文件所要求的構型的一種方法。

（3）飛機構型定義指飛機描述文檔，通過在安裝層次上選擇組成整機的各個構型的不同選項并構成選項方案來完成。為簡化定義和實現重用，對各個構型的選項應進行合理的分類，并以模塊化的思想進行構建，在飛機型號構型庫中反映選項與模塊的關系。當一架飛機的選項方案確定之后，以構型表的方式列出各個選項對應的模塊，表達全機構型定義的結果。

（4）構型文件指規定構型項的功能特性、物理特性和接口特性，或從這些內容發展而來的關于構型項驗證、使用、保障和報廢要求的技術文件。

（5）管理文件指工程更改、超差、偏離、構型基線、構型狀態報告、構型管理的執行文件等。

（6）構型定義文件特指零部件3D、2D、飛機生產圖樣、技術文件和明細表、目錄等清單報表。

（7）構型項目（CI—Configuration Item）指概括地講，構成某一項目內的協調且受控要素的一個確定的硬件、軟件或工作包。即硬件和軟件或其它任何部分的組合，它滿足最終的使用功能。

CI項目在復雜性、尺寸和類型方面差異很大，可以是飛機、電子或艦船系列到試驗儀表或一發彈藥。在研制和制造最初的（樣機）產品技術狀態期間，CIS是那些確定（規定）和控制其功能和性能參數以達到全面最終使用功能和性能的規范項目。通常單獨采購的所有項目都是CI項目。

（8）零部件包括硬件、軟件和固件。它們滿足一架飛機的功能要求。零部件總是包括在一個模塊里，可以是標準件、零件或裝配件。

3 構型定義發展趨勢和典型案例

優質、準時、低成本的飛機制造，以及飛機客戶化的交付，是建立在先進的構型管理方法基礎之上的，先進的民機構型定義方法可以使飛機主制造商能夠處理各種變化。

3.1 發展趨勢

國外在現代飛機項目的研制過程中，構型管理通過引入信息化技術和數字化手段，不斷發展和創新，已形成了具有約束力和指導意義的標準體系。國際上頗具代表性的構型管理標準有ANSI／EIA－649、EIA－836和CMII等。另外，作為最早實施構型管理的美國軍用工業也形成了美軍標準的構型管理標準體系，如 MIL－HDBK－61、MIL－STD－2549和MIL－PRF－32029等。國外飛機公司均在以上標準體系的基礎上，形成了支持其飛機構型管理的大量企業標準和指導性技術文件，在企業內部形成了龐大的構型管理標準體系。

波音公司從1996年開始構建基于構型控制的數字化制造信息管理系統（Define and Control of Airplane Configuration／Manufacturing Resource Management，DCAC／MRM），在波音 DCAC／MRM計劃的實施中，簡化構型管理是其中的一項重要內容。實施DCAC／MRM計劃為波音公司帶來了巨大的經濟利益和社會效益。

空中客車工業公司（Airbus Industries）是法、德、英和西班牙4個國家為了打破美國飛機公司在世界大型客機市場上的壟斷，于1970年12月聯合組建，30多年來，在4個國家政府的大力支持下，該公司已先后研制出了12種大型客機，累計銷售各型客機2500余架，成為僅次于波音公司的世界第二大民用飛機制造商。為了順應世界航空市場的瞬息變化，滿足客戶的不同需求，對抗波音公司的強大競爭，該公司在飛機制造中采用了大量的先進技術，同時也形成了一套先進的構型控制技術。

俄羅斯在型號研制中也引入了構型的概念。在圖樣編號中加尾號—XXX，表示零部件的不同構型，不同的技術狀態。

國內在民機轉包生產中將構型管理的概念引入飛機項目，其目的是為了控制復雜飛機產品的開發和維護，使飛機制造商和開發商能夠靈活地應對各種需求變化。ARJ21－700飛機工程構型管理與控制采用了ECMS系統，控制ARJ21工程數據的有效性和狀態，以確保工程設計數據的象形一致性、有效性、安全性、完整性和可追溯性，完整實現了構型標識，構型控制、構型紀實和構型審核功能。但鑒于其飛機目前并沒有在航線上運營，滿足用戶客戶化需求的能力仍需商榷。

新舟60、新舟600飛機是目前符合CCAR25部規章在航線上運營唯一的國產飛機。其傳統的產品研發制造管理模式是承襲了蘇聯體制的管理方式。這種方式適用于批量大，客戶需求單一的計劃經濟體制。多年來，借鑒轉包生產的經驗，西飛在飛機構型管理上進行了探索和實踐，但并沒有在型號上進行應用。隨著新舟系列飛機市場占有率的提升，客戶要求與飛機標準狀態差別較大、個性化需求多，飛機交付周期短等等，迫使西飛必須利用現有條件、兼顧現有的管理，形成西飛特色的構型管理模式，這與國外先進飛機公司龐大的構型管理體系相比，還有相當大的差距。

綜上所述，在大型復雜的民用飛機研制中，歐美各國的公司實施的構型定義方法代表著先進的管理經驗。雖然具體做法不完全相同，但可以看到其趨勢是相同的。

3.2 典型案例

構型定義一定是一整套的管理規范體系，該規范體系一定是有其存在的背景的，本文僅介紹典型范例的特色點。

3.2.1 麥道飛機公司的字母方案

麥道公司的字母方案始建于1981年，在MD－80項目中首次采用，是民用飛機構型定義的經典，對于信息技術應用較弱的飛機制造商可參考。該方案的基本思路是將飛機劃分為5個單元：

A──Airframe飛機機體及其組成部分。

B──Basic基本選擇項目，是飛機制造中必不可少的基本設備，如：無線電、雷達、發動機等。如用戶不需要B中所列項目中規定的默寫項目，則可以另外選擇。

C──Catalog類目選擇和有關系列設備，這些項目以類目的形式在《構型指南》中描述，供用戶在訂貨前挑選自己滿意的設備。

D──Design和Decoration 零件設計及裝飾的選擇，在用戶訂貨之前，諸如地毯、外部噴漆、外購機上設備等選擇均不在事先考慮。

E──EngineeringChange 要求工程更改的選擇，客戶可按自己的使用要求提出工程更改項目。如門和廚房等的更改，在《構型指南》中無處查詢，需要工程更改，使飛機造價提高。

其中A＋B構成了一架基本型飛機，可飛行，有銷路和適應性強；C、D、E均為用戶可選項目，C和D可能是對多家用戶適用，而D和E可能僅被個別或少數用戶選用。此外，根據客戶的要求、訂貨經驗或產品更改情況還可將一部分部件從某一字母類目中選出劃歸到另一類字母中，隨著時間和用戶的增加，字母類目將不斷豐富。

字母方案使確定飛機構型和飛機制造趨于簡化；是統一民用飛機銷售、設計、構型和經營管理的一種方案，《構型指南》在現今仍然使用。

3.2.2 波音公司的模塊化定義

波音公司對麥道公司的并購，構成了國際上民用飛機的強強聯手。在汲取麥道的構型經驗的基礎上，波音公司利用信息技術的手段，先后實施了產品數字化定義、并行工程和PDM技術應用。飛機構型定義與控制／制造資源管理（DCAC／MRM）計劃的應用，使飛機研制周期縮短50%、出現的問題減少一半、成本降低25%，較大地提高客戶的滿意程度。DCAC／MRM模塊化的設計和制造的思想，將飛機結構分為三層（飛機、部件和模塊）進行管理。在B787飛機研制中，依舊將模塊化的思想在全球協同的環境GCE下應用。其構型管理原則如圖1所示。

每個用戶將出版一份用戶特定選項方案（CSOS）報告和BFE報告。其中，對BFE（買方提供設備）或SPE（賣方購置設備）同樣進行構型定義，實施管理，不遺漏任何需求。此外，波音公司對模塊的劃分是基于單一的主制造商對產品構型進行定義的；對原有型號的數據采用增加模塊節點號的辦法處理，經運行驗證可實施，但如果更改則會給整個系統帶來較大工作量。

圖1 波音公司民機構型管理的原則

3.2.3 空客公司構型管理

空客公司對飛機構型是通過定義文件（Definition Dossier）來描述的。定義文件包括圖紙集、技術標準和規范以及取證要求等。其定義文件的制定過程如圖2所示。在這個過程中，設計部門、生產部門、質量部門、產品支持部門等所有部門共同制定出一套完整的、系統的定義文件。

圖2 構型定義文件定義過程

飛機構型是采用CA、FI和TS進行管理的，其推算原理如圖3所示。其中，①CA（Constituent Assembly）是按照實際生產分解的飛機每個大部件，可視為組件模塊；②FI（Functional Identifier）是設計部門將飛機上的構件按其功能分解成許多功能不同的模塊，可視為功能模塊；③TS（Technical So－lution）是飛機上的任一構件，均可能存在著多種安裝方案，可視為安裝模塊。

圖3 構型確定的推算原理圖

在空客公司的整個構型管理中，同波音相同的是對有效性定義為設計、制造和客戶三種。其次，定義的CA是飛機生產的每個大部件；FI體現了民用飛機系統工程中的功能需求，TS則是滿足功能的多方案。第三，就是CA是在飛機的設計分工階段中因構型管理的需要而定義的，其任務是由空客四個成員進行分工完成的，這中間最大的特色是接口管理、構型項定義管理和分散與整合的PDM管理。

4 構型定義的應用建議

4.1 構型定義理解

新飛機的研制是遵循飛機研制程序的，圖4簡潔的表達了研制各階段對設計的定義過程。

圖4 研制階段劃分

從圖4中可看到：通過系統定義、初步設計和詳細設計，飛機的設計構型基本完成。同時，在整個過程中貫徹系統工程的過程。事實上，國內沒有真正嚴格按照系統工程走完一個型號，構型管理剛剛起步。從國外民用飛機研制看，SAE ARP4754《關于高度綜合或復雜的飛機系統的合格審定考慮》、DO－178B《機載系統和設備合格審定中對軟件的要求》、DO－254《機載電子硬件的設計保證指南》分別規定了系統實現過程、軟件實現過程、硬件實現過程，可指導我們劃分構型項、完成飛機構型定義和實施構型管理。圖5是飛機功能實現過程，圖6是系統研發過程模型。

圖5 飛機功能實現過程

圖6 系統研發過程模型

在研究構型定義理論和典型范例的基礎上，通過對系統工程和民用飛機安全審定規范的學習，可以將民用飛機構型定義確定流程進行示意，如圖7所示。

圖7 構型定義流程示意圖

而構型管理四部分要素和總則需要根據各個不同的企業定制，切忌流于形式進行管理；而構型項的劃分、構型的標識需要由對飛機的功能、結構和需求等方面有經驗的設計員完成，切忌照搬照抄、為了“構型”而構型。此外，必須借助于先進的信息技術作支撐，解決數據關系復雜、數據量大和更改、記實及準確的問題。

4.2 構型定義應用建議

4.2.1 零部件的構型、版本和有效性

（1）當某一零部件在形狀、配合和功能（3F）上有任何變化時，構型管理都要求一個新的零部件件號。

（2）新發零部件取消其設計有效性，最新版有效；過版零部件按照單機清冊版本執行，完成后歸檔，供客戶服務使用。但當特殊需要時，可指定過版零部件使用。

（3）當更改不影響3F時，采用升版，但更改必須指定設計時效性，同時更改相應的構型定義文件。

（4）有效性應進行詳細的劃分，設計有效性、制造有效性、客戶有效性、發動機有效性等。

4.2.2 構型項（CI）的確定

（1）對于復雜系統、軟件、硬件都可以作為構型項；對于改進改型的飛機，可將改進改型部分作為構型項管理。

（2）構型項是被確定為工程項目和合同 WBS中的WBS單元，但并不是所有的WBS單元都是構型項。

（3）在構型項的設計研制和制定構型項規范要求期間，必須完成系統工程和接口控制任務。接口控制任務是為了保證系統和設備的功能和物理特性一致所需要的協調活動。

（4）應優先選用曾經用于飛行的設備、材料、部件和過程，降低構型項的風險。

（5）構型項的標識應盡量涵蓋相關信息，容易識別；但不應增加人為的無實際意義的節點，容易造成整機的零部件數量翻倍，給管理帶來不必要的麻煩。

4.2.3 重點關注要素

（1）民用飛機構型的發展趨勢是建立在無基線飛機的理念上的，即形成大于一架飛機零部件的數據庫，并隨著需求的變化不斷的增加。

（2）利用信息技術作支持，可將方案階段的數據與詳細階段的數據進行隔離，最大限度的進行多方案優化、迭代，使最終的設計更改降到最低。

（3）構型文件的種類、編制和管理與以往的文件有差異，應該轉化思路，采用系統工程的方法和民用飛機適航審定的要求進行理順，不可全盤否定推倒重來。

（4）與構型管理密切關聯的任務是接口管理和資料管理，資料管理是通過企業的質量體系能夠保證的，但接口管理需要加強，否則會影響飛機的構型定義和安全性分析工作。

（5）關注用戶的需求，將用戶指定的設備納入構型管理。健全完善構型管理的機構，加強供應商的構型管理，將構型管理延伸至產品的全生命周期內，保證每架飛機構型定義完整、準確、可追溯。

5 結語

民用飛機的市場是一個有巨大商機的市場，同時又是一個競爭激烈的市場。研制具有安全性、經濟性、可靠性和舒適性的民用飛機，取得符合國際適航標準要求的適航證，需要我們提升研制能力、管理手段。民用飛機的構型定義是基礎而重要的工作，充分地學習和研究典型的構型管理范例，形成主制造商的管理體系規范，才能更好地滿足用戶的需求，提升管理能力。

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［6］鄒冀華，范玉青，蔣建軍.歐洲空客飛機構型控制與更改技術研究［J／OL］.中國科技論文在線［2004－11－17］.http：∥www.paper.edu.cn releasepaper content 200411－64.