精細化正向設計方法在機電綜合管理系統的應用

梁 偉， 李 巍

(航空工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089)

機電綜合管理系統[1]是近期發展起來的，對飛機能源、信息、控制多方面高度綜合的系統。系統以提升飛機整體性能為設計目標；能有效地減少系統體積、減輕飛機重量、提高機電系統運行效率；有助于提高飛機可靠性、維修性、測試性、保障性和生存力。作為復雜的多專業多領域強耦合系統，機電綜合管理系統設計研制需要按照系統工程方法開展精細化正向設計，以系統整體功能最佳為目標，通過對系統開展需求分析、構造系統模型來調整改善系統的結構，使之達到整體最優化。

六西格瑪精細化正向設計，以下簡稱DFSS(Design for Six Sigma)[2-3]起源于系統工程，強調在設計的早期聚焦顧客需求，并通過一系列量化分析方法，將顧客需求轉化為技術要求，向下分解傳遞到系統組成，形成關鍵技術指標樹；在參數設計過程中，采用數據分析方法，建立技術指標與設計參數之間的傳遞模型，提高產品的穩健性。

將DFSS的設計流程[4]與復雜的機電綜合管理系統設計相結合，形成系統的全生命周期研制正向設計流程。這是系統工程應用實踐的初步探索，是國內航空工業實現產品性能進一步挖掘和提升的重要途徑，也是未來飛機系統研發體系的重要支撐，可為行業相關技術人員提供一定的借鑒。

1 DFSS的流程和工具

DFSS設計流程可以分為5個階段實施，即ICDOV(Identify,Concept,Design,Optimize,Verify)流程[5]，具體包括如下內容。

① 識別階段(Identify)。主要是應用相關工具對顧客的需求進行識別和分析，找出重要的顧客需求，并通過質量功能展開(Quality Funtion Deployment,QFD)將顧客需求轉化為技術要求，并確定項目設計目標。

② 概念階段(Concept)。通過相關工具實現顧客需求向功能、結構等方面轉化，并生成概念設計方案、子系統/結構方案等。

③ 設計階段(Design)。識別關鍵、重要的設計參數，構建記分卡并對設計質量進行預估，同時通過風險分析確定設計潛在的失效模式，提前規避。

④ 優化階段(Optimize)。將設計階段產生的產品模型，通過仿真進行驗證，通過實驗設計方法對參數進行優化，進行容差設計，得到樣品方案。

⑤ 驗證階段(Verify)。對所設計的產品進行試驗驗證，驗證產品的性能并進行參數調整，最終得到完善的設計方案，同時生成設計的控制計劃、文件資料、規章制度并進行工程移交。

當然，DFSS中還包含很多有意義的工具，如MACUEE(Motivation,Action,Context,User,Experience,Expectation)模型、卡諾分析、QFD、普氏(Pugh)矩陣[6]等，這些工具也將逐步應用到機電綜合管理系統的需求分析和方案設計中。

2 DFSS在機電綜合管理系統應用

2.1 設計流程優化

參考DFSS方法，在初步設計階段[7]，將機電綜合管理系統設計流程[8]細分為以下步驟：邊界分析、相關方識別、相關方需求捕獲、運行場景分析、系統需求定義、需求驗證計劃、關鍵技術識別、概念方案生成、多方案評估，詳見圖1。

圖1 初步設計階段機電系統設計流程

2.2 邊界分析

首先將系統視為整體(即黑盒)，識別在系統的外部與系統有交聯關系的其他系統，以及明確它們與系統之間的邊界關系，可以用邊界圖來表示。如圖2所示，邊界圖可以直觀地反映系統與外部的輸入輸出交聯關系，是后續需求相關方識別和接口需求捕獲的基礎。

圖2 機電綜合管理系統邊界圖

2.3 相關方識別

梳理機電系統的需求相關方。通過與需求相關方協調、訪談、文件等形式捕獲機電系統需求，盡量保證需求的完備性。

使用者：空勤人員、地勤維護人員等。

上級系統：一般包括飛機總體以及安全性和四性等部門。

下游顧客：也被認為是需求的相關方，往往容易被忽略。一般包括地面試驗設備、機上聯試單位(總裝)、試飛部門、維護檢測設備(保障設備)、工藝、成品供應商等。

外部平行系統：航電系統(顯示/飛參/告警/維護系統)、飛控系統、任務系統等。

內部接口：一般作為機電系統底層需求分配的對象。具體包括液壓、起落架、APU(Auxiliary Power Unit)、動力、燃油、防火、引氣空調、環境防護、救生、生活設施、氧氣、液冷、供電、照明、機電綜合等專業。

約束：一般包括標準規范、適航規范、質量體系、標準材料、計量要求等，以及環境適應性、供電適應性、電磁兼容、重量要求等通用質量特性方面的要求。

為相關方的重要度進行評估，進行優先級排序，目的是為將來在相關方需求產生沖突的時候進行權衡。按照如果不能滿足其需求會對系統設計造成影響的程度，給相關方評估1～5分。相關方重要度評估準則如表1所示。

表1 相關方重要度評估

2.4 相關方需求捕獲

確定相關方后，以機電系統作為黑盒開展頂層需求捕獲和分析，對相關方需求進行收集，包括相關方的需要、抱怨、提出的解決方案等。

可采用MACUEE模型，如圖3所示。從動機(Motivation)、操作(Action)、上下文背景(Context)、用戶(User)、經驗(Experience)和期望(Expectation)6個維度捕獲相關方需求。

圖3 MACUEE模型

2.5 運行場景分析

從系統運行的視角考慮系統的使用任務、維修保障任務等的各種應用場景，形成場景清單；并描述在每一種應用場景中系統應該實現的目標和主要活動等。場景分析屬于需求分析工作的一部分，目的是通過場景分析識別系統功能，進一步完善需求；同時在分析過程中，會對功能分解，逐步形成下一級的底層功能要求。

場景分析可采用SysML語言的序列圖方式建模。圖4為某飛機機電綜合管理系統的起落架收放控制需求分析示例。

圖4 起落架收放控制需求場景分析示例

2.6 需求定義和重要度評估

將前期開展的應用場景分析得到的系統主要功能要求和通過相關方收集的需求，轉化為系統需求。

完成系統需求定義后，采用卡諾模型開展需求重要度評估。需求被分為3類：基本需求、一元需求和魅力需求，分類原則如表2所示。一般來說，基本需求重要評估較高，一元需求適中，魅力需求較低。

表2 卡諾分類原則表

系統/產品設計時，先關注基本需求；在特殊情況下(如基本質量需求受客觀限制)，優先關注一元需求和魅力需求。在一定條件下，魅力需求可以向基本需求轉化。

2.7 需求驗證計劃

系統工程中，對需求管理的重要一環是在建立需求基線時，制定每條需求的驗證計劃，規定需求驗證方法[9]，便于后期工程研制階段對需求追蹤。建立需求驗證策劃表，可以參考適航驗證方法，需求驗證方法包括MC1符合性說明、MC2分析計算、MC3安全性分析評估、MC4試驗室試驗、MC5地面試驗、MC6飛行試驗、MC7機上檢查、MC8模擬器試驗、MC9設備鑒定等。其中，MC4試驗室試驗驗證又可以按照產品的研制階段，進一步細分為方案階段試驗驗證、初樣階段試驗驗證、試樣階段試驗驗證3個階段。

建立的需求驗證策劃表，可以錄入需求管理工具(DOORS)中，與條目化的需求進行追蹤管理。保證每一條系統需求都有合理充分的驗證要求和驗證方法，初步建立需求驗證跟蹤矩陣，在系統各個研制階段迭代更新。

2.8 關鍵技術識別

質量功能展開(QFD)[10]是DFSS的精髓之一，也是系統關鍵技術指標識別的關鍵。基本原理是用“質量屋”的形式量化分析顧客需求與工程措施之間的關系，經數據分析處理后找出對滿足顧客需求貢獻最大的工程措施，即關鍵措施，或稱關鍵質量特性，從而指導設計人員抓住主要矛盾，開發出滿足顧客需求的產品。

利用質量功能展開工具建立機電綜合管理系統需求-技術指標的質量屋[11]。其中，質量屋左墻為需求，頂部為技術指標，中間部分為相關程度，右側為需求充分性檢查評分，下部為技術指標重要度加權評分，詳見表3。按照專家打分統計，識別機電綜合管理系統的關鍵技術指標包括：安全性指標、基本可靠性指標(MTBF)、任務可靠性、故障檢測率等。

表3 需求-技術要求質量屋

通過技術檢索方式，結合以往型號經驗，確定系統的關鍵技術，例如系統綜合架構技術、可擴展機電總線技術[12]、健康診斷與管理技術、系統重構[13]、余度管理技術[14]、機電接口標準化技術、大數據加卸載技術等，詳見表4。

表4 關鍵技術識別表

2.9 概念方案生成

概念方案生成一般經過關鍵技術識別、識別輸入約束、技術檢索、技術成熟度評價、初步概念組合等步驟。

針對機電綜合管理系統的主要技術指標，形成概念碎片方案如表5所示。按照A+B+C+D+E+F的方式將概念碎片進行組合，形成多個概念方案。

表5 概念碎片生成表

2.10 多方案評估

多方案評估方法可以借鑒DFSS中的Pugh矩陣，選定某一成熟型號的方案作為基準方案，按照每個方案對需求的滿足程度與基準方案(表6方案2)對比打分，需求評估在必要時可以進行需求模型或性能模型的仿真測試量化考核；并將技術成熟度、進度、成本、重量等因素綜合考慮加權統計，詳見表6。評分可以參照如下打分細則：遠好于基準方案，評分為9；遠差于基準概念，評分為1；既不是很差也不是很好，評分為5。加權得分最高的方案最終形成最優方案。

表6 多方案評估打分表

3 結束語

為提升飛機系統設計質量，減少開發時間和成本，將六西格瑪精細化正向設計方法DFSS的流程和工具融入機電綜合管理系統設計流程，詳細闡述了設計流程中每個步驟的設計活動和表單，可以作為飛機系統需求捕獲、分析、方案設計、評估使用，具有較高的參考價值和應用前景。后續在型號應用中，將從設計、優化和驗證等方面對該流程進行進一步修正和完善，最終形成系統研制指南性文件，指導設計人員。