工程中的飛機系統綜合設計綜述

康文文 李浩敏

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

飛機設計的本質是“系統綜合”，單科性的知識不能概括綜合設計中的全部規律，飛機系統綜合設計是一項典型的多目標決策工作。基于系統工程的正向設計思路在飛機設計工程領域已經應用了多年，但飛機系統綜合設計依然是一個難點。

飛機系統綜合設計對基礎學科的應用集成鏈路很長，覆蓋數學/物理等基礎學科、電子設計/機械設計/軟件設計等應用學科，同時覆蓋某個具體設備的設計、某個系統的設計以及飛機系統的整機集成設計等多個設計層級。一直以來，飛機設計工程師都是從基礎學科和應用學科入手，逐漸擴大范圍，其事業大多止步于某個飛機子系統或者系統的設計，沒有途徑了解或者參與更大范圍的多系統綜合設計，而更加綜合和困難的飛機層系統集成設計，往往只掌握在少數幾個總設計師手中。以基礎學科為起點，缺乏對飛機系統綜合設計的全局了解，工程師很難掌握飛機系統綜合設計的能力，這是導致正向的飛機系統綜合設計始終是個難點的根本原因之一。工程師的一個迫切訴求是了解“飛機系統綜合設計內容有哪些”。

不同政府機構或組織發布了多種系統工程理論參考材料和標準，包括FAA(美國聯邦航空管理局)的《NAS系統工程手冊》、NASA(美國國家航空航天局)的《系統工程手冊》、INCOSE(系統工程國際委員會)的《系統工程手冊》、DoD(美國國防部)的《系統工程基礎》、ISO(國際標準化組織)的《ISO15288 系統和軟件工程-系統全生命周期過程》、EIA(電子工業協會)的《EIA-632 系統工程過程》等，均要求在復雜系統的設計過程中進行“系統綜合設計”(synthesis)，但都只給出了框架性的步驟指導，需要結合具體復雜系統比如飛機系統的特點由工程單位自行定義系統綜合設計規范；在明確了系統綜合設計的基本內涵和步驟后，飛機研制工程單位面臨的第一個關鍵問題也是“飛機系統綜合設計的內容有哪些”。

Ian Moir先生在《飛機系統-機械、電氣和航電子系統集成》和《民用航空電子系統》書中詳細介紹了飛控系統、液壓系統、電氣系統以及各種航空電子系統的組成和原理，并在《飛機系統的設計和開發》一書中將系統工程思想與飛機系統的設計進行了充分融合，指出了飛機系統設計需要全面考慮機體系統、機械系統、航電系統等的綜合設計和集成，并指出了系統集成的多個層級，包括組件層、系統層、過程層、功能層等，而功能層集成需要考慮對利益攸關方訴求的滿足，是抽象層面的集成。Ian Moir先生將系統工程思想貫徹到了飛機系統設計中，但依然沒有回答“飛機系統綜合設計的內容有哪些”這個問題。

國內飛機設計工程領域的關鍵參考材料《飛機設計手冊》，全方位介紹了飛機總體、系統、可靠性等飛機工程設計內容，但手冊僅離散講述了推進系統、起落架系統等系統設計，缺乏飛機層系統綜合相關的內容。

工信部發布的《HB8525-2017 民用飛機研制程序》標準中，指出了在不同的飛機研制階段要開展相應的系統設計工作，比如在G6初步設計審查前要完成系統架構定義工作，在G7詳細設計審查前要完成機載系統的詳細設計等，但并沒有指出“機載系統的詳細設計”包含哪些內容。

飛機系統設計除了要解決系統綜合設計本身的復雜性問題，還要滿足適航要求比如CCAR25部；適航要求是飛機的最低安全要求，但其嚴格程度遠超其他復雜系統產品。適航要求中部分條款的目標系統比較具體，比如針對空速測量系統的25.1303條款，但部分條款的目標系統是飛機整機，比如25.1309條款。對于整機性條款，需要針對“飛機系統綜合設計內容”提供清晰完備的“設計過程材料”才能表明符合性。這些“綜合設計的過程材料”需要滿足SAE ARP4754A《民用飛機和系統研制指南》給出的研制過程保證要求。ARP4754A要求在飛機系統綜合設計過程中要依據SAE ARP4761《民用機載系統和設備安全性評估過程的指南和方法》充分開展飛機和系統的安全性評估工作，但除了安全性評估，ARP4754A并沒有指出飛機系統綜合設計需要考慮的其他內容。

工程中設計某個具體設備往往是最容易的，因為目標小、邊界清晰，且存在大量的國際/國內/行業標準和指導材料可以參考。航電系統綜合(包括IMA綜合模塊化航電的綜合、飛行導引模式的綜合等)的工作就比較困難了，涉及到多個系統(飛行管理、導航、通信、機載維護、IMA等)，橫跨多個學科，大系統綜合層級的設計必須進行抽象才能開展，是各系統供應商的核心技術，相關參考材料急劇減少，開展相關研究的科研機構也不多。飛機總體層面的系統綜合就非常困難了，涉及整機30多個大系統，近140個子系統，橫跨航空工業領域的所有學科，在飛機級進行系統綜合設計需要很高的抽象程度，否則很難掌控如此多的交叉學科和相應的技術專業。

為了建立飛機系統綜合設計的內容分解結構，工程中目前在用的是“自底向上”的梳理總結方法，隨著飛機研制過程的推進，綜合設計主題的產生呈現出涌現性，經常打亂研制計劃，為各系統技術專業的工程師造成了極大困擾。“自底向上”識別飛機系統綜合設計內容的方式帶來的關鍵問題是綜合設計工作的規劃無法開展，導致飛機級綜合性設計工作質量不高，進度遲緩。

本文的第一個目的是采用“正向的、自頂向下的”方法對工程領域的飛機系統綜合設計內容進行推演生成，為工程單位提供參考，支持開展飛機系統綜合設計工作的提前規劃。

飛機多系統綜合設計要求工程師同時具備多個系統的設計能力，并且具備公共技術專業比如安全性和可靠性分析專業的技術能力，但實際上工程單位中掌握這種飛機系統綜合設計能力的工程師并不多。

飛機研制工程單位需要了解“飛機系統綜合設計內容有哪些”，才能更加有針對性地開展交叉專業的設置和培訓體系的搭建。系統綜合設計是系統工程理論的核心組成部分，德克薩斯大學奧斯丁分校的Armand J.教授指出了在飛機設計專業開設“系統工程”教學的必要性，幫助工程類研究人員掌握復雜系統綜合設計的規范性方法。

本文的第二個目的是將工程單位面臨的系統綜合設計內容進行結構化梳理，為飛機研制單位中系統工程類的培訓課程設置提供參考。

飛機系統綜合設計本質上是一個“多學科優化過程”，需要采用MDO多學科優化設計的方法來開展，并且需要根據復雜系統需要分層抽象設計的特點進行多層級參數迭代優化。圍繞飛機系統綜合設計，許多學者使用MDO方法進行了提高燃油經濟性的飛機總體設計研究，或者降低整機消耗的飛機能源系統設計研究，這些MDO研究的目標都是降低油耗并提高經濟性，綜合設計的目標過于單一；在MDO算法方面，NASA給出了BLISS雙層集成系統綜合設計方法，指出對于復雜系統的綜合優化需要結合系統的抽象層次分解，不同層級迭代進行優化設計；之后有多名學者對復雜系統的多學科設計進行了多層參數迭代優化的研究，為本文后續找到飛機系統綜合設計問題的具體解決方法提供了指導。

本文首先提出適用于工程的基于系統工程的飛機系統綜合設計流程；其次全面推演飛機系統綜合設計的內容；然后構建了飛機系統綜合設計內容的追溯鏈路，并指出其重要作用。同時指出部分關鍵的飛機系統綜合設計主題和未來有可能成為飛機系統綜合設計工程領域主要設計手段的SysML建模方法。

1 飛機系統綜合設計的定義

綜合設計是系統工程理論的重要組成部分。系統工程理論的三大支柱分別是“需求分析”、“功能分析”和“綜合設計”。

FAA系統工程手冊中關于“系統綜合設計”的定義：系統綜合設計是一個創新性的過程，將需求轉化成備選的系統設計方案，該方案體現為具有“最優指標”的系統物理架構。落實到飛機系統綜合設計中，該創新性的過程將利益攸關方的頂層訴求轉化為飛機系統的物理方案。

2 正向的飛機系統綜合設計流程

飛機系統綜合設計的起點是“利益攸關方訴求”，即最高層級的飛機設計需求，終點是“飛機系統綜合設計方案”，中間是“飛機系統綜合設計流程”。

例如，ICAO(國際民航組織)是全球航空運輸系統的規則制定者，而飛機作為航空運輸系統的核心組成部分，ICAO是飛機系統及其綜合設計的關鍵利益攸關方。為了保持航空運輸的安全性，并提高航空運輸的效率，ICAO發布了Doc 9750《全球空中導航計劃》，并開發了航空系統塊升級框架ASBU，指出了提高航空運輸效率的四個運行概念，分別是“機場運行”、“全球系統和數據交互”、“空域容量優化和靈活飛行”、“高效飛行路徑”，這些頂層的運行概念都需要轉化為飛機的綜合設計目標，并通過飛機系統的綜合設計進行實現；為了響應ICAO的要求，FAA主持開展了NextGen項目，EASA主持開展了SESAR項目，主要目的是通過提升CNS/ATM空中交通管理能力，對ICAO的運行概念進行細化和落實；為了響應ICAO的要求，CAAC(中國民用航空局)發布了《中國民航航空系統組塊升級(ASBU)發展與實施策略》和《CAAC 中國民航基于性能的導航實施路線圖》，推動國內航空系統的升級以及飛機系統研制的進步；ARINC(美國航空無線電公司)作為航空電子設備的標準制定者，發布了ARINC 660B《支持NextGen和SESAR概念的CNS-ATM航空電子架構》標準，要求飛機主制造商和航空電子系統供應商在進行系統設計時要考慮對下一代空管系統的支持。ARINC 660B標準在下一代空管運行概念的基礎上，提出了多項飛機系統綜合設計目標包括引入PBN(基于性能的導航)運行能力等，同時針對這些目標對飛機系統的綜合設計提出了許多內容主題，包括支持PBN運行的飛機導引綜合設計、支持低能見度運行的自動飛行設計、支持空中防撞/地面防撞/防撞地的飛機綜合監視設計等。

從示例可以看出，正向的飛機系統綜合設計流程應該包括利益攸關方運行概念識別、綜合設計目標提煉、綜合設計內容識別等環節；同時為了在飛機研制工程單位內部進行落實，還需要將飛機系統綜合設計內容與工程技術專業進行關聯分配，并開展飛機系統綜合設計工作的管控。 工程中的正向飛機系統綜合設計流程如圖1所示。

圖1 飛機系統綜合設計流程

飛機系統綜合設計流程中，主干流程是“綜合設計內容的產生”和“綜合設計管控”，主干流程的開展需要通過“功能和需求定義”流程進行規范化。

飛機系統綜合設計主干流程的步驟如下：

1) 識別飛機系統的利益攸關方，并識別其訴求，即期望的運行概念，比如飛行和地面運行、支持航空公司高效運營等；

2) 根據運行概念，提煉并定義飛機系統綜合設計目標，比如針對支持航空公司高效運營運行概念，可以提出支持低能見度運行和支持高密度運行等綜合設計目標；

3) 有機整合綜合設計目標，結合先進的飛機設計理念和ICAO關于航空系統升級計劃的要求等，識別并分解必要的飛機系統綜合設計內容，比如針對“支持低能見度運行和高密度運行”的目標，需要開展“飛機導引綜合設計”和“多場景綜合的自動飛行設計”等綜合設計內容；

4) 結合工程技術專業的定位，對飛機系統綜合設計內容與工程技術專業建立關聯關系，明確每項綜合設計內容由哪些技術專業承擔，比如“飛機導引綜合設計”由導航系統、飛管系統、自動飛行系統技術專業等共同承擔；

5) 針對每項綜合設計目標，管控相應綜合設計內容的完成情況；

6) 針對每項運行概念，管控相應綜合設計目標的完成情況。

3 飛機系統綜合設計內容

3.1 綜合設計內容的推演生成

飛機系統綜合設計流程中，“綜合設計內容產生部分”包含5個元素，即利益攸關方、運行概念、綜合設計目標、綜合設計內容和技術專業，它們之間的關系是：

1) 利益攸關方期望飛機系統實現一些運行概念；

2) 運行概念經過飛機總體設計師的提煉總結形成一些綜合設計目標；

3) 針對綜合設計目標，工程單位計劃開展多項綜合設計內容；

4) 綜合設計內容被分配給具體的技術專業進行落實。

飛機系統綜合設計的關鍵利益攸關方如表1所示。

表1 關鍵利益攸關方

飛機系統綜合設計的利益攸關方有很多，每個利益相關方對于飛機的訴求也不同，比如乘客比較關心客艙內的舒適性，航空公司比較關心飛機運行的經濟性，各國民航局非常關心飛機運行的安全性，ICAO比較關心全球空域系統運行的效率等。這些不同利益攸關方的訴求經過具體化均可以轉化為一些“運行概念”。

不同利益攸關方關心的關鍵運行概念如表2所示。

表2 關鍵運行概念

運行概念一般比較寬泛，需要進行工程化分析和表達，形成飛機系統綜合設計的目標。

運行概念關聯的關鍵飛機系統綜合設計目標如表3所示。

表3 關鍵綜合設計目標

續表3

飛機系統綜合設計的最終目的是形成一套方案，能夠全面且平衡地滿足以上這些有可能相互矛盾的目標，所以飛機系統綜合設計是一個典型的“多目標權衡分析過程”，需要采用MDO多學科優化的方法開展工作。

針對綜合設計目標，需要開展必要的飛機系統綜合設計工作進行實現，這些綜合設計工作可以聚類為一些綜合設計內容的主題。在識別飛機系統綜合設計內容的主題時，需要考慮航空工業界的技術發展趨勢/水平和國際上先進的系統設計理念，比如“IMA綜合模塊化航電設計”等。

關聯多項綜合設計目標的飛機系統綜合設計內容主題如表4所示。

表4 飛機系統綜合設計內容的主題

續表4

以上飛機系統綜合設計內容的主題基本都橫跨多個系統和學科，需要在飛機層面對技術專業進行協同才能有效開展。工程技術專業除了負責自己專業內部的系統本體設計外，還需要支持飛機系統綜合設計內容的落實，每個技術專業基本都需要參與部分飛機系統綜合設計內容。

工程中飛機系統綜合設計相關的技術專業和參與的部分綜合設計內容如表5所示，該表同時給出了各技術專業的設計手段現狀和趨勢。

各工程技術專業之間的工作在跨系統綜合設計內容的約束下需要充分協同。其中，“飛機系統綜合”技術專業對各項飛機系統綜合設計內容進行分工和統籌管控，各系統技術專業(從ATA21到ATA71)對各項系統綜合設計內容中的負責部分進行具體實現。

表5 飛機設計工程技術專業

續表5

從表5可以明確各技術專業所需要參與的飛機系統綜合設計內容，進而明確各專業的技術內涵；可以看出部分專業需要參與的飛機系統綜合設計內容比較多，比如總體、飛控、自動飛行、導航、動力裝置等，這些系統技術專業的設計決策往往是影響全局的，需要通過整機影響分析進行支持。

從各技術專業現有的設計手段和發展趨勢中可以看出，目前飛機系統綜合設計中主要采用的設計手段包括三維結構設計、多物理場仿真(氣體、流體、熱、電磁、噪聲等)、SysML系統建模、Simulink仿真、Modelica仿真、MDO多學科優化設計、半物理試驗臺、工程樣機、飛行模擬器等；其中SysML系統建模主要支持在較高抽象層級進行系統靜態架構和動態行為分析，是飛機研制工程領域正在快速發展和應用的一個手段，可能成為未來飛機系統綜合設計的主要手段。

3.2 綜合設計內容的追溯鏈路

各技術專業的工程師在進行系統設計時，往往會由于距離“客戶”(即利益攸關方)太遠，而導致對負責的系統設計需求理解不清，為了解決這個問題，可以圍繞某個具體的飛機系統綜合設計主題建立技術專業到利益攸關方的追溯鏈路，為工程師提供所負責系統設計要求的直觀認識。圍繞“飛機導引綜合設計”，ATA34導航專業對利益攸關方的追溯鏈路如圖2所示。

圖2 導航專業對利益攸關方的追溯鏈路

隨著技術的發展，飛機上的導引模式越來越多，飛行員在不同導引模式之間進行切換控制的操縱負擔越來越重，已經影響了安全飛行，飛機導引綜合設計必須考慮提高人機交互的自動化程度并使得操作程序簡潔清晰，根據以上追溯鏈路，ATA34導航技術專業的工程師可以直觀地了解到飛機系統綜合設計的利益攸關方包括機組和ICAO等，以及他們所關心的運行概念包括提供良好的人機交互等，可以明確綜合設計目標的來源和內涵，包括操作程序簡潔清晰等，進而開展更加有效的導航系統設計。

飛機設計工程師往往會存在“技術至上”的潛意識，對客戶訴求的忽視帶來的問題非常嚴重(影響設計成本、進度、市場聲譽等)。飛機系統綜合設計內容的追溯鏈路可以將設計鏈路壓縮，將各系統技術專業需要對接的“客戶”及其訴求直觀地呈現出來，支持工程師在設計工作中加強“客戶至上”觀念，這在工程設計中是非常重要的。

3.3 關鍵的綜合設計內容及其難點

從發展趨勢、緊迫性、技術成熟度需求和難度、技術先進性和競爭能力、安全性分析影響等角度對飛機系統綜合設計內容進行篩選，可以識別到目前工程領域優先級最高的幾項關鍵綜合設計內容，如下所示：

1) 面向復材的綜合設計

復合材料由于其低密度高強度特性，是飛機上材料選用的發展趨勢，能充分提高飛機的燃油經濟性，是體現飛機競爭能力的關鍵點。

相關技術難點：復材的材料特性研究等。

2) 多電架構綜合設計

采用多電能源系統架構或者全電能源系統架構是飛機能源系統的發展趨勢，能充分提高整機能源效率，提高經濟性。

相關技術難點：多電架構的安全性分析，多電架構的能源供給架構和重構策略，以及多電架構的負載管理設計等。

3) IMA綜合模塊化航電設計

采用高度集成的模塊化航電設備，同時采用軟件密集的系統設計方案，是飛機航電系統的發展趨勢，能充分提高信息傳輸效率，支持實現更加智能的飛行。

相關技術難點：IMA系統架構的靜態和動態安全性分析等。

4) 飛機健康管理綜合設計

采用健康管理理念，是降低維修成本并提高飛機可用性的必然途徑，引入機載健康管理系統是飛機航電系統的發展趨勢。

相關技術難點：基于有限數據的飛機系統健康狀態評估等。

5) 面向下一代CNS/ATM的航電綜合設計

ICAO、FAA、EASA都發布了空管系統升級的規劃，CAAC也做出了相關跟進舉措，面向下一代空管系統的飛機航電系統設計升級是未來民機準入的門檻。

相關技術難點：PBN能力的適航符合性驗證、PBN能力的仿真分析等。

4 結論

本文首先提出了“正向的，自頂向下的”基于系統工程的飛機系統綜合設計流程，并根據流程全面推演了飛機系統綜合設計的內容；為工程單位中的技術專業和工程師提供參考，支持開展飛機系統綜合設計工作的提前規劃。飛機系統綜合設計的內容總結如下：

1) 利益攸關方所期望的運行概念比如ICAO和航空公司要求的“支持高效運營”是飛機系統綜合設計的起點，本文識別到關鍵利益攸關方9項，關鍵運行概念8項；

2) 針對運行概念，飛機研制工程單位需要進行權衡分析并提煉出可行的綜合設計目標，比如“提供全生命周期的經濟性”，本文識別到關鍵的綜合設計目標15項；

3) 針對綜合設計目標，飛機系統綜合技術專業需要結合先進的設計理念和競爭能力要求提出需要開展的飛機系統綜合設計內容，比如“多電架構綜合設計”，并將各項綜合設計內容分配給相關的工程技術專業，本文識別到飛機系統綜合設計內容25項，并將其分配給了29個技術專業；

4) 針對各工程技術專業所參與的飛機系統綜合設計，本文給出了目前工程領域在用的設計手段和趨勢，指出了SysML建模可能是未來飛機系統綜合設計的主要手段。

其次，本文給出了飛機系統綜合設計內容的追溯鏈路，幫助技術專業的工程師清晰直觀的理解系統設計要求；本文同時給出了最為關鍵的5項飛機系統綜合設計內容，并指出了相關研究的難點，為飛機研制工程單位提供參考。