民機結構設計中的系統工程問題

張緒

摘 要：系統工程在高度集成的復雜民機產品的研制中已得到廣泛應用。作為民機設計的重要組成部分，民機結構設計中如能引入系統工程過程和方法，必能有效促進民機結構設計工作的革新。民機結構設計的系統工程過程包括功能分析、需求分析、結構設計、零部件生產、部段和全機結構集成及試驗試飛等過程。民機結構需求體系須按照結構設計層級進行制定，并依次進行需求確認和需求驗證。民機結構設計相關的系統工程問題還包括接口管理、構型管理、技術風險管理等。

關鍵詞：民機結構 系統工程 功能定義 需求定義

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0193-03

Abstract：Systems engineering has been widely applied into highly-integrated complex commercial aircraft development.As an important component，the aircraft structural design will receive innovation with systems engineering introduced.Systems engineering processes in commercial aircraft structural design include function analysis，requirements analysis，structural synthesis， structure production，structural integration，structural tests and so on.Structural requirements are built based on structural design levels and shall be validated and verified.Other systems engineering process include interface management，configuration management and technical risk management.

Key Words：Commercial aircraft structure；Systems engineering；Function definition；Requirements definition

系統工程是一門促進系統成功實現的跨學科的手段和方法，在系統研發階段的早期它關注客戶需要以及功能定義并編制需求，進而在考慮運營、成本與進度、性能、培訓與支持、試驗、制造等所有因素的情況下進行系統設計集成和系統確認，系統工程考慮所有客戶的商業和技術要求，以求提供滿足要求的高質量產品[1]。目前，系統工程在高度復雜綜合性產品的研制過程中得到廣泛應用，已經成為管理復雜產品項目的有效方法。民用飛機是典型的高度復雜產品，跨越多學科多專業，研發周期長，投資成本大，成本回收周期長，因此為了確保在有限成本及各種法規的約束下，合理組織流程研制出滿足客戶和市場需求的飛機，并最大限度地減小成本、進度、質量方面的風險，全球知名航空制造企業已經普遍在研發過程中采用系統工程過程和方法。

民機結構件眾多，且結構驗證試驗數量多，工作量大，結構各部段部裝和總裝時也存在大量的接口問題，如能在民用飛機結構設計中引入系統工程方法，必將會極大的提高結構設計工作的效率與質量。本文將重點探討民用飛機結構設計中的系統工程問題和方法。

1 民機結構設計的系統工程過程

民用飛機與系統研制過程的系統工程過程一般以功能分析和需求分析（包括需求定義，需求分配，需求確認等）為基礎，進而進行系統架構設計、產品生產以及需求驗證、產品確認等過程[2]。

作為飛機設計的一個重要組成部分，飛機結構設計同樣適用上述系統工程過程。在飛機研制初期，需要通過市場研究搜集飛機利益相關方（包括客戶、運營商、適航當局、系統供應商、空管機構、制造商、乘客等）對飛機結構的要求，同時對飛機結構進行功能分析，在此基礎上定義飛機級的結構需求文件，并依次進行結構總體設計；將飛機級結構需求進行分解，得到系統級（大部段級）及子系統級（部段級）、產品級（零部件級）結構需求，并在此進出上進行部段設計，零部件設計，零部件生產，部段及全機結構組裝；然后進行部段級和飛機級的結構試驗試飛，以驗證結構設計合理以及結構需求得到滿足。民機結構度設計的系統工程V型圖如圖1所示。

2 民用飛機結構功能定義

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，也是進行飛機功能危害性分析的首要條件。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適航。飛機結構相關的功能也來源于上述飛機操作運行理念。

飛機結構功能可分為兩大類：（1）提供機體移動和連接。（2）提供飛機內部容納空間及結構支撐[3]。這兩大功能又可以繼續細化為多項子功能。

（1）提供機體移動和連接。

該功能可以進一步劃分為以下幾項子功能。

①提供地面支撐功能。

②提供機體結構連接功能。

③提供系統設備安裝功能。

（2）提供飛機內部容納空間及結構支撐

該功能可以進一步劃分為以下幾項子功能。

1）提供內部容納空間。

①承受氣動力。

②保證結構完整性和載荷分布。

③提供設備的安放及防護空間。

④提供機上消耗品（燃油、液壓油、氧氣、水等）的存儲空間。

2）提供允許內飾構型更改的功能。

3）提供機組人員和乘客個人物品的存儲空間。

4）提供機組人員及乘客的進出功能。

①提供乘客及機組人員的正常進出通道。

②提供乘客及機組人員的應急出口。

③提供貨物的存放功能。

④提供貨物的進出功能。

⑤提供設備維護通道。

上述功能和子功能可以進一步細分，直至結構零件對應的功能。

3 民用飛機結構需求定義

3.1 需求層級劃分

根據結構功能定義，進行需求分析及定義。按照層級劃分，需求分為飛機級需求、系統級需求以及子系統級需求。飛機結構設計的層級設置如圖2所示。

其中飛機級需求是從全機角度考慮，由飛機頂層團隊定義的整個飛機結構應滿足的功能性和非功能性需求，如“飛機應為飛行機組提供正常進入駕駛艙和應急逃離駕駛艙的出入口”。

系統級需求，是指相應系統級工作團隊根據飛機級需求、其他系統需求以及相應標準和規范，定義形成的本系統級結構應滿足的功能性、安全性、可靠性、維修性等需求。如“機身結構不應產生妨礙艙門打開的變形。”

子系統級（部段級）需求，是指各子系統設計團隊根據系統級需求、其他系統需求以及相應標準和規范，定義形成的本子系統所應滿足的功能性、安全性、可靠性、維修性等需求。如“中央翼連接應考慮應急著陸過載要求。”

子系統以下級別可能還會定義產品規范，以定義零部件產品滿足的需求。

3.2 需求編寫原則

需求編寫應注意以下原則：具體、可度量、可實現、合乎實際和可追蹤。

（1）具體：即需求的表述應無歧義，清楚明確，以保證任何閱讀需求的人對需求的理解與解釋是唯一的，且需求層級應定義恰當。

（2）可度量：每一條需求必須在一定程度上通過標準的方法來驗證（試驗，分析，相似性等）。

（3）可實現：每一條需求在技術上是可以實現，且須滿足相關的標準和規范。

（4）合乎實際：每一條需求在現有的技術條件、資源、成本等的約束下是可以實現的。

（5）可追蹤：必須保證每條需求可以追溯至該需求的來源，也必須建立每一條需求與后續設計、實施以及試驗之間的鏈接關系。如每條系統級需求必須可以追溯到相應的飛機級需求。

3.3 需求確認與驗證

需求初步定義后，須進行需求確認工作，以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（工程經驗），工程評審等。需求確認工作開展前應制定需求確認計劃，以規定需求確認所要使用的方法，確認工作角色及責任，關鍵確認工作的規劃等。在開展需求確認工作時應制定需求確認跟蹤矩陣，其內容包括：需求、需求來源、需求所屬功能、需求研制保證等級；所使用的確認方法，確認的支持證據以及確認結論等。需求確認工作完成后，應制定確認總結，以確保每條需求已得到了適當的確認，其內容包括：確認計劃及計劃偏離情況，確認矩陣，確認支持資料。

在產品交付前，須按照項目計劃完成需求驗證工作，以確保定義的所有需求都已通過產品設計和生產得到實現和滿足。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/服役經驗等。同樣開展需求驗證工作也須指定需求驗證計劃、需求驗證矩陣，需求驗證總結等文件。需求驗證計劃包括：開展驗證活動的人員/組織及其職責，描述設計和驗證工作的獨立程度，使用的驗證方法，將產生的驗證資料，相關工作之間的順序，主要驗證工作進度表，需求驗證程序等。需求驗證矩陣包括：需求，需求所屬功能，使用的驗證方法，驗證程序與參考結果，以及驗證結論等。需求驗證總結應包括需求驗證計劃及計劃偏離，需求驗證矩陣，需求驗證的支持材料及材料來源等[4]。

4 民機結構設計相關的其他系統工程問題

民機結構設計還需考慮的系統工程問題包括接口管理、構型管理、以及技術風險管理等。

（1）接口管理。

民機結構設計中需要考慮的接口主要包括兩類。第一類是結構部件（如蒙皮上壁板與下壁板）、部段（如前機身與中機身之間）、大部段（如機身與機翼之間）之間的接口設計和管理。需要考慮這些接口部位所涉及的兩個結構部件（或部段、大部段）的設計需求，以及在接口部位傳力的連續性和合理性，保證接口部位的設計工作不遺漏、不重復、不矛盾，并且在強度分析和試驗驗證中關注這些接口部位是否滿足要求。第二類是結構件與系統件的接口問題，主要涉及系統設備的安裝。此類安裝接口應保證既滿足系統的設計需求（包括安裝位置，工作環境等要求），又滿足此處結構件的設計需求，系統設備件通過接口傳遞的載荷應及時傳遞給結構件設計人員進行評估，且因一方設計問題引起接口更改時應及時通知對方進行相應的設計更改評估。

（2）構型管理。

因飛機結構零部件及連接件數量眾多，且較多部位連接復雜，因此民機結構件的構型管理工作十分必要。隨著民機研發的逐步進行，應逐步制定結構功能基線、分配基線以及設計基線。構型管理的對象不僅要包括結構數模，還應包括各類設計報告、強度分析報告、載荷文件、結構有限元模型文件、試驗驗證文件等，并對所有對象的更改進行嚴格的流程控制和評估。

（3）技術風險管理。

民機結構設計中經常涉及新材料、新技術的應用，這些應用通常會帶來產品性能的提升。例如：復合材料因其具有比強度高、比模量高等特點，在結構設計中大量應用會帶來可觀的減重效果，3D打印技術的應用可簡化某些復雜飛機結構件的制造工藝并降低成本，激光焊接技術的應用可以減少飛機緊固件的數量等。但較之傳統材料和工藝，新材料、新技術的應用成熟度可能缺乏廣泛的預先研究和實際服役數據的支持，因此在研制過程中引發失效的風險也較高，例如：B787飛機在交付后不久即在正式運營過程中發生了鋰電池著火事故，導致該機型一度全面停航。因此在民機結構設計中引入新材料、新技術時，需考慮其是否已有足夠的預先研究成果和應用數據支持，并對其進行風險分析，制定風險控制措施，以避免對項目的進度、成本產生重大影響。

5 結語

該文定義了民機結構設計的系統工程過程，分析了民機結構功能和需求，總結了民機結構設計中應考慮的接口管理、構型管理以及風險管理等系統工程問題。將系統工程過程和方法應用于傳統的民機結構設計，必能有效促進結構設計工作的革新。

參考文獻

[1] Cecilia Haskins.INCOSE Systems Engineering Handbook[M].INCOSE，2011.

[2] Scott Jackson.Systems Engineering for Commercial Aircraft[M].

[3] Cheryl Atkinson.Framework for the Application of Systems Engineering in the Commercial Aircraft Domain.INCOSE，2000.

[4] SAE.ARP4754 A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems.HIS，2010.