淺談民用飛機系統研制中的系統工程運用

郜鵬飛

摘 要：民用飛機產品是高復雜度、高集成度的工業產品，以滿足客戶需求，取得市場成功為最終目標。由于民用飛機產品及其研制的內在特征，一般的工業產品、零部件的研制方法與流程難以支持產品最終的狀態達到預期的質量，滿足客戶與適航當局的要求。該文闡述了系統與系統工程的基本概念，解釋了在民用飛機產品研制中采用系統工程方法的必要性，描述了在民用飛機產品/系統研制中系統工程方法運用的基本過程，并簡要介紹了基于模型的系統工程方法。

關鍵詞：民用飛 系統工程 生命周期 MBSE

中圖分類號：V233.91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0084-02

民用飛機產品是高復雜度、高集成度的工業產品，以滿足客戶需求，取得市場成功為最終目標。區別于一般產品與零部件，民用飛機產品項目的投入大、周期長、研制難度高，一般的工業產品、零部件的研制方法與流程難以支持產品最終的狀態達到預期的質量，滿足客戶與適航當局的要求。

1 系統工程概述

中國系統科學界對系統的通用定義是：系統是由相互作用和相互依賴的若干要素（部分）結合而成的、具有特定功能的有機整體。第一，系統必須由兩個或兩個以上的要素所組成。第二，要素之間存在一定的有機聯系。系統具有不同于各要素原有功能的整體新功能。

系統工程，在FAA系統工程手冊中，定義為一門學科，與其他學科不同的是，系統工程關注的是系統整體的設計和實現而不是各個部分，它將所有變量考慮在內，并在技術層面將各個環節有機聯系起來；錢學森的定義是，系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的科學方法；日本工業標準的定義是，系統工程是為了更好地達到系統目標而對系統的構成要素、組織結構、信息流動和控制機制進行分析與設計的技術。以上各個定義的核心和理念是相通的，都突出了對系統整體功能實現的關注，和整個系統實現過程中需要考慮的因素和過程的關注。不同在于由于不同的定義產生于不同的領域，相關領域特有的關注點是不同的。但這并不影響對于系統工程的理解，相反，對于不同領域系統工程定義、方法和實踐的研究，更有助于更加全面地理解系統工程。系統工程的適用范圍是相當廣泛的，可以運用于大到社會系統的規劃和管理，小到日常生活中瑣碎小事的統籌安排和執行。

2 民用飛機系統研制采用系統工程方法的必要性

商用飛機研制是一項復雜的系統工程，系統工程方法是針對復雜系統研制和集成而產生的工程管理技術，能夠實現項目總體最優，運用系統工程方法是商用飛機研制的內在需要。

例如，美國第二代戰斗機F-111、F-4等在交付空軍時只解決了57%的問題，還有43%的問題到交付使用后才逐步解決，嚴重影響了飛機的作戰使用。有的飛機任務要求分析粗糙，研制到一半才發現根本不能滿足使用要求，只能半途中止，在經歷了一系列的挫折和失敗后，耗費了數以億計美元后，人們發現如果應用了系統工程的原理和方法，那么這些失敗是可以避免或至少可以減緩的。自從將系統工程方法引入飛機研制過程后，取得了許多令人矚目的研制成果，如F-16、F-22和B777等型號。

目前系統工程已成為行業通用的指導商用飛機研制的方法，各主要民機制造商、行業協會和相關機構都圍繞系統工程應用，編制了大量的指導方法和標準。例如，SAE ARP4754A《民用飛機及其系統的研制指南》是航空領域一份重要的實踐指南，將系統工程和安全性設計融入到民用飛機研制和適航取證過程中。系統工程在國際的飛行器研制過程中已經得到廣泛應用并取得了顯著的效果，并在波音，空客，米格等巨頭公司最佳實踐經驗中得到了總結和提升。

如前所述，系統工程作為一種行之有效的方法，對民用飛機系統形制有著非常重要的指導意義。

3 民用飛機系統研制中的系統工程運用

3.1 民用飛機產品生命周期

民用飛機產品生命周期是指，把工程或項目中需要實現的所有事項劃分為若干明顯的階段，并由關鍵決策點區分。關鍵決策點是指決策機構確定工程/項目進入生命周期下一階段（或者下一個關鍵決策點）是否準備就緒的事件點。不同的組織機構對產品的生命周期劃分不一，但通常可以劃分為預先研究階段、概念階段、設計階段、產品實施階段、產品使用階段、產品支持維護階段和產品退役處置階段。

3.2 基于需求的系統工程

民機產品的研制是在多種約束下生產出滿足最終客戶需求的產品的過程，滿足客戶需求是最終目的，同時研制活動限定在特定約束條下，包括項目資源約束（如人力資源約束、項目資金約束、組織架構約束等）、法律法規約束等。產品是否滿足客戶需求，決定了產品是否具有市場競爭力，項目是否成功。所以，在項目的最初階段，就要充分地正確地捕獲各利益相關方的有關需求，作為項目的重要輸入。典型的利益相關方包括產品的使用者、企業決策者、協議方、監管當局，乃至整個社會。民機產品項目的研制投入大，周期長，歸根到底，民機研制的系統工程是基于需求的系統工程。

基于需求的系統工程過程通常描述為V模型。V模型主要包括三個核心內容：需求定義、系統設計和系統實現。三個過程依次進行，不斷迭代，形成推進飛機研制的驅動力。V模型的核心在于自頂向下的正向設計和自下而上的系統集成。目前世界上各大民用飛機廠商大多采用主制造商-供應商的商業模式，當需求自上而下分解分配到一定層次后，最終細化的需求是由供應商來實現的。典型的民用飛機V模型如圖1所示。

需求定義，解決的是“做什么”的問題。需求來自于各利益相關方對民用飛機產品的“需要”，這種“需要”可以是客戶對產品特征的期望，可以是適航當局對飛機產品需要滿足的最低性能的要求，也可以是公司決策者對產品項目的各種約束。需求捕獲需要民用飛機產品主制造商盡可能廣泛地收集各利益相關者的“需要”，然后對“需要”進行分析，用工程語言的形式形成產品設計過程中可實現的需求。在飛機產品的設計過程中，也要將各利益相關者納入設計過程，使各利益相關方持續地對飛機產品的研制進行跟蹤，以避免不必要的反復。

需求的捕獲是分層次的，同樣遵循自頂向下的順序，先形成飛機級的需求規范，然后對飛機頂層規范進行分解分配，依次得到系統級、子系統級、LRU級、以及部件級的需求，最終形成各供應商可實現的細化的需求。每一級的需求都要進行需求的確認過程，確認的原則主要包括需求的正確性和完整性確認，需求的確認方法可以包括工程評審、追溯性、分析計算、相似性說明、建模、試驗等。需求捕獲的過程是民用飛機產品設計的基礎，需求本身的質量最終決定了飛機產品的質量。

系統設計，解決的是“怎么做”的問題。是將需求轉變為設計方案的過程。系統設計過程的輸入來源于需求定義過程。通過需求定義過程，客戶和利益相關方的要求被轉換成多組完整可行的系統需求，滿足這一系列完整的需求就成為系統設計過程的目標。

系統設計過程本身由多個子過程組成。這些子過程包括，識別潛在備選方案、定義備選方案集、定義設計和性能特性、定義物理架構、選擇最優設計方案、最優方案的詳細描述等。系統設計過程最終將輸出系統規范、外部接口規范以及產品規范。這些規范包含了實施設計的所有信息，包括結構、電氣、信號接口信息，設計材料和尺寸，安裝和工藝技術要求等。輸出結果將直接用于系統實施和驗證過程。

產品實現，解決的是“是否做了正確的產品”的問題，其目的在于表明飛機每一層級的設計實施滿足了其預定的需求，預期的功能已經正確地實現。經過需求定義與系統設計過程，完成了V模型左半邊自頂向下的設計過程，來到了V模型的最底端。產品實現過程是自下而上的，由軟硬件級、部件級直至飛機的最頂層。系統集成即將最底層的軟硬件產品逐層綜合，依次形成部件級、LRU級、系統/子系統級、飛機級的產品。需求驗證是要保證各個層級的集成確實滿足的最初的需求規范，與對產品的預期相一致。需求驗證的對象是需求本身，驗證的方法手段可以是多樣的，包括檢查或評審、分析、試驗與演示、使用/服役經驗等。

3.3 基于模型的系統工程（MBSE）

基于模型的系統工程（MBSE）是近期提出的概念，是對系統工程方法的進一步實踐與升級。最早提出基于模型的系統工程概念的INCOSE將其定義為，“基于模型的系統工程是通過形式化的建模手段，從概念設計階段開始就能夠支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動，并持續貫穿整個開發過程和后續的生命周期階段”。

從該定義可以看到，MBSE強調了兩個概念：第一，基于模型。傳統的系統工程方法從需求的定義、確認到需求驗證活動，都是基于文檔形式的，各層級需求的分配與鏈接關系完全通過文檔的形式完成。需求文檔在民用飛機產品的生命周期是不斷迭代的，在需求需要更改的情況下，對整個文檔化的需求體系進行重新鏈接是非常繁重的。而MBSE的需求體系可基于模型實現，將各個級別的需求與相應的系統方案元素建立鏈接，并以圖形化的方式展示設計者對系統的認識。因為由模型化的方法替代了繁重的文檔管理方法，系統模型與需求之間的關系更加明確，系統更改造成的影響也更加透明。第二，貫穿整個開發過程和后續的生命周期階段。MBSE從需求定義階段開始就形成了飛機產品以及各飛機系統的模型，在不斷升級的系統設計過程中逐步細化完善，可以支持整個飛機產品研發的過程活動，也可以延伸到產品運營支持、產品維護和退役處置的過程。不同的設計方面，不同的生命周期過程采用的模型和工具可以是不同的。

基于模型的系統工程（MBSE）對于民用飛機產品這樣的高復雜度的系統工程是行之有效的，可以大大地提高研制的效率，對飛機產品的生命周期活動進行優化，是復雜產品系統工程實踐的升級和趨勢。

4 結語

該文從系統與系統工程本身的概念出發，闡述了在民用飛機設計過程中采用系統工程方法的若干重要因素，并提出了在復雜系統研制中采用基于模型的系統工程的優勢所在。目前，國內民用飛機產品研制的系統工程應用還不成熟，還處于系統工程方法的研究和探索性實踐階段，在系統工程體系的建立和系統工程經驗積累上，還有很長的路要走。由于民機產品本身的特征和民機行業的特征所在，民用飛機產品研制的系統工程運用，是勢在必行，在躋身民機行業的過程中，盡快建立系統工程的思想和方法體系，將會大大縮短我們與世界先進水平的時間和經驗差距。

參考文獻

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