系統(tǒng)工程在民用飛機研制中的應用

張 緒

中國商飛上海飛機設計研究院強度設計研究部

本文介紹了民用飛機研制的主要系統(tǒng)工程過程和系統(tǒng)工程在國內外民用飛機研制中的應用。國外知名民用飛機制造商在其飛機研制中已大力推行了系統(tǒng)工程，建立了一系列對應的管理體系和技術文件體系，有力的促進了型號研制。我國民用飛機研制企業(yè)也已開始推廣系統(tǒng)工程的應用，力爭促進我國民機制造業(yè)的創(chuàng)新式發(fā)展。

系統(tǒng)工程專注于系統(tǒng)整體設計和應用，用全面的視角看待系統(tǒng)問題，是一個自上而下綜合、開發(fā)和運行系統(tǒng)的迭代過程，謀求以最優(yōu)化的方式來滿足利益相關者的需求。目前，系統(tǒng)工程在高度復雜綜合性的產(chǎn)品的研制過程中得到廣泛應用，已經(jīng)成為管理復雜項目的有效方法。民用飛機由機體結構、動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等多個系統(tǒng)集成而成，每個系統(tǒng)下又分多個子系統(tǒng)，在系統(tǒng)內部及系統(tǒng)之間存在大量的界面問題和集成問題，是典型的高度復雜產(chǎn)品。為了確保在有限成本的約束下，生產(chǎn)出滿足客戶和市場需求的飛機，全球知名航空制造企業(yè)已經(jīng)普遍在研發(fā)過程中采用系統(tǒng)工程過程和方法，并取得了明顯成效。本文將主要論述系統(tǒng)工程在民機研制中的應用。

民用飛機與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程與方法

民用飛機與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程一般以功能研制和需求分析（包括需求定義，需求分配，需求確認等）為基礎，進而進行飛機級和系統(tǒng)級的架構設計，產(chǎn)品生產(chǎn)以及需求驗證、產(chǎn)品確認等過程。基于需求的民機研制系統(tǒng)工程過程模型如圖1 所示。

飛機功能分析和定義是進行飛機需求定義的基礎以及確保需求完整性的前提。飛機功能來源于飛機的操作運行理念，即搭載乘客和貨物安全地從起點運行到終點，并提供人機接口、液壓能源、氣源和電源等飛機運行所需的公共資源，同時需要提供維護功能以保證運營和持續(xù)適航。按照飛機運營理念，其基礎功能包括：載人和裝貨、地面空中運行、提供公共資源、支持運營等，在每項基礎功能下面可以繼續(xù)定義主要功能和子功能。如載人和裝貨這一基礎功能下面可以定義如下主要功能：提供基本結構；提供和控制乘員/貨物的進出與容納；提供并控制飛機環(huán)境。提供并控制飛機環(huán)境這一主要功能又可分為如下幾項子功能：壓力控制；溫度控制；空氣品質控制；提供內部照明；提供應急照明；提供外部照明等。

在已研制完成的飛機功能定義基礎上進行飛機需求定義和分析。飛機需求可以分為非功能需求和功能需求兩大類。其中，非功能需求，是指那些與飛機功能分配無關的需求，一般包括過程需求、供應商需求和其他與設備直接相關的需求。功能需求，是指與定義的飛機功能直接相關的需求，它又可以分為安全性需求，功能性需求，補充審定需求，衍生需求等，如圖2 所示。飛機需求體系按照層級可劃分為飛機級需求、系統(tǒng)級需求、子系統(tǒng)級需求或產(chǎn)品級需求。需求捕獲后尚須進行需求確認和需求驗證。需求確認工作是為了確保需求的正確性和完整性，需求確認方法包括追溯，分析、建模或試驗，相似性（工程經(jīng)驗），工程評審等。需求驗證的目的是確保定義的所有需求都已通過產(chǎn)品設計和生產(chǎn)得到實現(xiàn)和滿足，常用的需求驗證方法包括檢查或評審，分析，試驗與演示，使用/服役經(jīng)驗等。選擇何種需求確認或驗證方法，需要按照系統(tǒng)或子系統(tǒng)的研制保證等級進行確定。

除圖1 所示外，民機研制中的技術管理過程還包括接口管理，技術風險管理，技術信息管理，技術評估，決策分析等。

圖1 民用飛機與系統(tǒng)研制的系統(tǒng)工程過程模型

圖2 飛機功能需求分類

系統(tǒng)工程在國外民機研制企業(yè)中的應用

系統(tǒng)工程在波音民機研制中的應用

波音公司較早地在商用飛機研發(fā)生產(chǎn)中引入了系統(tǒng)工程，并在其B777、B787 及其他多個改型項目的實踐中取得了良好的成果。以其B777 型號研制為例，在B777項目開始之初，波音公司認識到，隨著客戶對飛機運營安全性、經(jīng)濟性等要求的提高，飛機系統(tǒng)的設計也越來越先進，各系統(tǒng)之間的交聯(lián)及集成也變得越來越復雜，同時對系統(tǒng)研發(fā)人員之間的交流與協(xié)作的要求也越來越高，靠傳統(tǒng)的飛機設計方法難以協(xié)調復雜的集成問題，因此在B777 項目研制過程中引入了系統(tǒng)工程方法。

在B777 項目的研制隊伍中，波音在飛機的每個系統(tǒng)（如推進、航電、結構、電氣、氣動等）團隊中除了設置（副）總設計師（chief engineer）外，還首次設置了新的職務-（副）總項目工程師（Chief Project Engineers），以負責飛機的集成。

（副）總項目工程師負責以下工作的集成：飛機需求，飛機構型設計，飛機系統(tǒng)設計，性能、取證以及試驗，生產(chǎn)計劃符合性、駕駛艙及客艙操作、客戶服務活動等。飛機級的總項目工程師的職責是保證所有飛機系統(tǒng)的研發(fā)活動相一致，實現(xiàn)飛機系統(tǒng)相互之間以及與飛機結構之間的完美集成。

系統(tǒng)工程在空客民機研制中的應用

隨著空客集團的業(yè)務越來越多的涉及復雜系統(tǒng)，空客認識到系統(tǒng)工程是幫助其研發(fā)人員掌控產(chǎn)品的復雜性，以及與合作伙伴和供應商之間進行垂向集成的有效工具，加之競爭對手波音也開展了相關系統(tǒng)工程培訓，空客公司自90 年代起開始在其內部大力推行系統(tǒng)工程。

自上世紀90 年代至今，空客公司基于一系列通用的系統(tǒng)工程規(guī)范及標準，如EIA632《Processes for Engineering a System》、ISO15288（2002）《Systems Engineering：System life cycle processes》、ARP4754A《Development of Civil Aircraft and Systems》，在其內部建立了一套自己的系統(tǒng)工程標準文件，如針對系統(tǒng)級設計的ABD200 需求體系和針對產(chǎn)品級設計的ABD100 需求體系，并將其應用于A380，A400M 及A350 項目中。其需求文件體系如圖3 所示。

圖3 空客民機需求文件體系

除了需求管理，功能分析等傳統(tǒng)系統(tǒng)工程活動外，在A350XWB 項目中，空客還成功開展了基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，以下簡稱MBSE）。空客在A350XWB 項目中專門設置了一個建模與仿真團隊，該團隊的一項工作便是開展MBSE，通過建立模型來描述系統(tǒng)或者功能的功能架構和邏輯架構，這些模型基于圖形格式，描述系統(tǒng)行為以及系統(tǒng)間的相互影響。該方法將過去采用大量文件來描述的需求、功能和架構，轉化為以標準的建模語言表達的系統(tǒng)靜態(tài)的參數(shù)、架構和接口，以及系統(tǒng)的動態(tài)行為，包括用例、功能、時序和狀態(tài)等。通過MBSE 的使用，空客在研發(fā)設計的早期就得以對全機通電試驗進行了模擬，并建立了全機熱環(huán)境模擬模型，并將其與供應商進行共享以便于其系統(tǒng)設計的改進。事實證明，利用全機的MBSE 模型，可以對問題做出更好的及早的預測，并且更有預見性的準備試驗。

系統(tǒng)工程在我國民機產(chǎn)業(yè)中的應用現(xiàn)狀及前景

目前，國內的飛機制造企業(yè)也已在其內部開始大力推行系統(tǒng)工程。

在大型客機研制中，已經(jīng)嚴格貫徹了基于需求的飛機設計理念。建立了一整套從飛機級-系統(tǒng)級-子系統(tǒng)級-產(chǎn)品級的需求文件體系，并展開了基于模型的系統(tǒng)工程的探索與嘗試，對系統(tǒng)架構和集成工作起到了促進作用。

中航工業(yè)集團已于2013 年加入國際系統(tǒng)工程協(xié)會，并與IBM 公司簽署了系統(tǒng)工程戰(zhàn)略合作協(xié)議，組建了中航工業(yè)系統(tǒng)工程信息化推進卓越中心，在中航工業(yè)范圍內推進系統(tǒng)工程方法論導入、工具應用及實施服務中航工業(yè)也已制定了基于MBSE 的系統(tǒng)工程的推廣規(guī)劃，以期實現(xiàn)航空產(chǎn)品研發(fā)模式的創(chuàng)新和變革。

結束語

在民機研制產(chǎn)業(yè)中，需要大力推廣系統(tǒng)工程這一跨學科的方法和工具，著眼于商業(yè)運營環(huán)境，從全視角出發(fā)來研究民機產(chǎn)品的運營概念，由外及內推導產(chǎn)品的需求及架構，借助統(tǒng)一的仿真建模語言開展MBSE 活動，實現(xiàn)民機產(chǎn)品從幾何樣機向功能（性能）樣機的突破，推動民機產(chǎn)業(yè)模式的變革和創(chuàng)新。