郜鵬飛

摘 要：民用飛機(jī)產(chǎn)品是高復(fù)雜度、高集成度的工業(yè)產(chǎn)品，以滿足客戶需求，取得市場(chǎng)成功為最終目標(biāo)。由于民用飛機(jī)產(chǎn)品及其研制的內(nèi)在特征，一般的工業(yè)產(chǎn)品、零部件的研制方法與流程難以支持產(chǎn)品最終的狀態(tài)達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量，滿足客戶與適航當(dāng)局的要求。該文闡述了系統(tǒng)與系統(tǒng)工程的基本概念，解釋了在民用飛機(jī)產(chǎn)品研制中采用系統(tǒng)工程方法的必要性，描述了在民用飛機(jī)產(chǎn)品/系統(tǒng)研制中系統(tǒng)工程方法運(yùn)用的基本過(guò)程，并簡(jiǎn)要介紹了基于模型的系統(tǒng)工程方法。

關(guān)鍵詞：民用飛 系統(tǒng)工程 生命周期 MBSE

中圖分類(lèi)號(hào)：V233.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0084-02

民用飛機(jī)產(chǎn)品是高復(fù)雜度、高集成度的工業(yè)產(chǎn)品，以滿足客戶需求，取得市場(chǎng)成功為最終目標(biāo)。區(qū)別于一般產(chǎn)品與零部件，民用飛機(jī)產(chǎn)品項(xiàng)目的投入大、周期長(zhǎng)、研制難度高，一般的工業(yè)產(chǎn)品、零部件的研制方法與流程難以支持產(chǎn)品最終的狀態(tài)達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量，滿足客戶與適航當(dāng)局的要求。

1 系統(tǒng)工程概述

中國(guó)系統(tǒng)科學(xué)界對(duì)系統(tǒng)的通用定義是：系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干要素（部分）結(jié)合而成的、具有特定功能的有機(jī)整體。第一，系統(tǒng)必須由兩個(gè)或兩個(gè)以上的要素所組成。第二，要素之間存在一定的有機(jī)聯(lián)系。系統(tǒng)具有不同于各要素原有功能的整體新功能。

系統(tǒng)工程，在FAA系統(tǒng)工程手冊(cè)中，定義為一門(mén)學(xué)科，與其他學(xué)科不同的是，系統(tǒng)工程關(guān)注的是系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)而不是各個(gè)部分，它將所有變量考慮在內(nèi)，并在技術(shù)層面將各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)；錢(qián)學(xué)森的定義是，系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法；日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定義是，系統(tǒng)工程是為了更好地達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)而對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息流動(dòng)和控制機(jī)制進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的技術(shù)。以上各個(gè)定義的核心和理念是相通的，都突出了對(duì)系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)注，和整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要考慮的因素和過(guò)程的關(guān)注。不同在于由于不同的定義產(chǎn)生于不同的領(lǐng)域，相關(guān)領(lǐng)域特有的關(guān)注點(diǎn)是不同的。但這并不影響對(duì)于系統(tǒng)工程的理解，相反，對(duì)于不同領(lǐng)域系統(tǒng)工程定義、方法和實(shí)踐的研究，更有助于更加全面地理解系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程的適用范圍是相當(dāng)廣泛的，可以運(yùn)用于大到社會(huì)系統(tǒng)的規(guī)劃和管理，小到日常生活中瑣碎小事的統(tǒng)籌安排和執(zhí)行。

2 民用飛機(jī)系統(tǒng)研制采用系統(tǒng)工程方法的必要性

商用飛機(jī)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)工程方法是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)研制和集成而產(chǎn)生的工程管理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目總體最優(yōu)，運(yùn)用系統(tǒng)工程方法是商用飛機(jī)研制的內(nèi)在需要。

例如，美國(guó)第二代戰(zhàn)斗機(jī)F-111、F-4等在交付空軍時(shí)只解決了57%的問(wèn)題，還有43%的問(wèn)題到交付使用后才逐步解決，嚴(yán)重影響了飛機(jī)的作戰(zhàn)使用。有的飛機(jī)任務(wù)要求分析粗糙，研制到一半才發(fā)現(xiàn)根本不能滿足使用要求，只能半途中止，在經(jīng)歷了一系列的挫折和失敗后，耗費(fèi)了數(shù)以億計(jì)美元后，人們發(fā)現(xiàn)如果應(yīng)用了系統(tǒng)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(tǒng)工程方法引入飛機(jī)研制過(guò)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(hào)。

目前系統(tǒng)工程已成為行業(yè)通用的指導(dǎo)商用飛機(jī)研制的方法，各主要民機(jī)制造商、行業(yè)協(xié)會(huì)和相關(guān)機(jī)構(gòu)都圍繞系統(tǒng)工程應(yīng)用，編制了大量的指導(dǎo)方法和標(biāo)準(zhǔn)。例如，SAE ARP4754A《民用飛機(jī)及其系統(tǒng)的研制指南》是航空領(lǐng)域一份重要的實(shí)踐指南，將系統(tǒng)工程和安全性設(shè)計(jì)融入到民用飛機(jī)研制和適航取證過(guò)程中。系統(tǒng)工程在國(guó)際的飛行器研制過(guò)程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得到了總結(jié)和提升。

如前所述，系統(tǒng)工程作為一種行之有效的方法，對(duì)民用飛機(jī)系統(tǒng)形制有著非常重要的指導(dǎo)意義。

3 民用飛機(jī)系統(tǒng)研制中的系統(tǒng)工程運(yùn)用

3.1 民用飛機(jī)產(chǎn)品生命周期

民用飛機(jī)產(chǎn)品生命周期是指，把工程或項(xiàng)目中需要實(shí)現(xiàn)的所有事項(xiàng)劃分為若干明顯的階段，并由關(guān)鍵決策點(diǎn)區(qū)分。關(guān)鍵決策點(diǎn)是指決策機(jī)構(gòu)確定工程/項(xiàng)目進(jìn)入生命周期下一階段（或者下一個(gè)關(guān)鍵決策點(diǎn)）是否準(zhǔn)備就緒的事件點(diǎn)。不同的組織機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品的生命周期劃分不一，但通?？梢詣澐譃轭A(yù)先研究階段、概念階段、設(shè)計(jì)階段、產(chǎn)品實(shí)施階段、產(chǎn)品使用階段、產(chǎn)品支持維護(hù)階段和產(chǎn)品退役處置階段。

3.2 基于需求的系統(tǒng)工程

民機(jī)產(chǎn)品的研制是在多種約束下生產(chǎn)出滿足最終客戶需求的產(chǎn)品的過(guò)程，滿足客戶需求是最終目的，同時(shí)研制活動(dòng)限定在特定約束條下，包括項(xiàng)目資源約束（如人力資源約束、項(xiàng)目資金約束、組織架構(gòu)約束等）、法律法規(guī)約束等。產(chǎn)品是否滿足客戶需求，決定了產(chǎn)品是否具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，項(xiàng)目是否成功。所以，在項(xiàng)目的最初階段，就要充分地正確地捕獲各利益相關(guān)方的有關(guān)需求，作為項(xiàng)目的重要輸入。典型的利益相關(guān)方包括產(chǎn)品的使用者、企業(yè)決策者、協(xié)議方、監(jiān)管當(dāng)局，乃至整個(gè)社會(huì)。民機(jī)產(chǎn)品項(xiàng)目的研制投入大，周期長(zhǎng)，歸根到底，民機(jī)研制的系統(tǒng)工程是基于需求的系統(tǒng)工程。

基于需求的系統(tǒng)工程過(guò)程通常描述為V模型。V模型主要包括三個(gè)核心內(nèi)容：需求定義、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。三個(gè)過(guò)程依次進(jìn)行，不斷迭代，形成推進(jìn)飛機(jī)研制的驅(qū)動(dòng)力。V模型的核心在于自頂向下的正向設(shè)計(jì)和自下而上的系統(tǒng)集成。目前世界上各大民用飛機(jī)廠商大多采用主制造商-供應(yīng)商的商業(yè)模式，當(dāng)需求自上而下分解分配到一定層次后，最終細(xì)化的需求是由供應(yīng)商來(lái)實(shí)現(xiàn)的。典型的民用飛機(jī)V模型如圖1所示。

需求定義，解決的是“做什么”的問(wèn)題。需求來(lái)自于各利益相關(guān)方對(duì)民用飛機(jī)產(chǎn)品的“需要”，這種“需要”可以是客戶對(duì)產(chǎn)品特征的期望，可以是適航當(dāng)局對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品需要滿足的最低性能的要求，也可以是公司決策者對(duì)產(chǎn)品項(xiàng)目的各種約束。需求捕獲需要民用飛機(jī)產(chǎn)品主制造商盡可能廣泛地收集各利益相關(guān)者的“需要”，然后對(duì)“需要”進(jìn)行分析，用工程語(yǔ)言的形式形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)的需求。在飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，也要將各利益相關(guān)者納入設(shè)計(jì)過(guò)程，使各利益相關(guān)方持續(xù)地對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品的研制進(jìn)行跟蹤，以避免不必要的反復(fù)。

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(jī)級(jí)的需求規(guī)范，然后對(duì)飛機(jī)頂層規(guī)范進(jìn)行分解分配，依次得到系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、LRU級(jí)、以及部件級(jí)的需求，最終形成各供應(yīng)商可實(shí)現(xiàn)的細(xì)化的需求。每一級(jí)的需求都要進(jìn)行需求的確認(rèn)過(guò)程，確認(rèn)的原則主要包括需求的正確性和完整性確認(rèn)，需求的確認(rèn)方法可以包括工程評(píng)審、追溯性、分析計(jì)算、相似性說(shuō)明、建模、試驗(yàn)等。需求捕獲的過(guò)程是民用飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需求本身的質(zhì)量最終決定了飛機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決的是“怎么做”的問(wèn)題。是將需求轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)方案的過(guò)程。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的輸入來(lái)源于需求定義過(guò)程。通過(guò)需求定義過(guò)程，客戶和利益相關(guān)方的要求被轉(zhuǎn)換成多組完整可行的系統(tǒng)需求，滿足這一系列完整的需求就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的目標(biāo)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程本身由多個(gè)子過(guò)程組成。這些子過(guò)程包括，識(shí)別潛在備選方案、定義備選方案集、定義設(shè)計(jì)和性能特性、定義物理架構(gòu)、選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案、最優(yōu)方案的詳細(xì)描述等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程最終將輸出系統(tǒng)規(guī)范、外部接口規(guī)范以及產(chǎn)品規(guī)范。這些規(guī)范包含了實(shí)施設(shè)計(jì)的所有信息，包括結(jié)構(gòu)、電氣、信號(hào)接口信息，設(shè)計(jì)材料和尺寸，安裝和工藝技術(shù)要求等。輸出結(jié)果將直接用于系統(tǒng)實(shí)施和驗(yàn)證過(guò)程。

產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，解決的是“是否做了正確的產(chǎn)品”的問(wèn)題，其目的在于表明飛機(jī)每一層級(jí)的設(shè)計(jì)實(shí)施滿足了其預(yù)定的需求，預(yù)期的功能已經(jīng)正確地實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)需求定義與系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，完成了V模型左半邊自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程，來(lái)到了V模型的最底端。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程是自下而上的，由軟硬件級(jí)、部件級(jí)直至飛機(jī)的最頂層。系統(tǒng)集成即將最底層的軟硬件產(chǎn)品逐層綜合，依次形成部件級(jí)、LRU級(jí)、系統(tǒng)/子系統(tǒng)級(jí)、飛機(jī)級(jí)的產(chǎn)品。需求驗(yàn)證是要保證各個(gè)層級(jí)的集成確實(shí)滿足的最初的需求規(guī)范，與對(duì)產(chǎn)品的預(yù)期相一致。需求驗(yàn)證的對(duì)象是需求本身，驗(yàn)證的方法手段可以是多樣的，包括檢查或評(píng)審、分析、試驗(yàn)與演示、使用/服役經(jīng)驗(yàn)等。

3.3 基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是近期提出的概念，是對(duì)系統(tǒng)工程方法的進(jìn)一步實(shí)踐與升級(jí)。最早提出基于模型的系統(tǒng)工程概念的INCOSE將其定義為，“基于模型的系統(tǒng)工程是通過(guò)形式化的建模手段，從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，并持續(xù)貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程和后續(xù)的生命周期階段”。

從該定義可以看到，MBSE強(qiáng)調(diào)了兩個(gè)概念：第一，基于模型。傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法從需求的定義、確認(rèn)到需求驗(yàn)證活動(dòng)，都是基于文檔形式的，各層級(jí)需求的分配與鏈接關(guān)系完全通過(guò)文檔的形式完成。需求文檔在民用飛機(jī)產(chǎn)品的生命周期是不斷迭代的，在需求需要更改的情況下，對(duì)整個(gè)文檔化的需求體系進(jìn)行重新鏈接是非常繁重的。而MBSE的需求體系可基于模型實(shí)現(xiàn)，將各個(gè)級(jí)別的需求與相應(yīng)的系統(tǒng)方案元素建立鏈接，并以圖形化的方式展示設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。因?yàn)橛赡Ｐ突姆椒ㄌ娲朔敝氐奈臋n管理方法，系統(tǒng)模型與需求之間的關(guān)系更加明確，系統(tǒng)更改造成的影響也更加透明。第二，貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程和后續(xù)的生命周期階段。MBSE從需求定義階段開(kāi)始就形成了飛機(jī)產(chǎn)品以及各飛機(jī)系統(tǒng)的模型，在不斷升級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中逐步細(xì)化完善，可以支持整個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程活動(dòng)，也可以延伸到產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)支持、產(chǎn)品維護(hù)和退役處置的過(guò)程。不同的設(shè)計(jì)方面，不同的生命周期過(guò)程采用的模型和工具可以是不同的。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）對(duì)于民用飛機(jī)產(chǎn)品這樣的高復(fù)雜度的系統(tǒng)工程是行之有效的，可以大大地提高研制的效率，對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品的生命周期活動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化，是復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)工程實(shí)踐的升級(jí)和趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從系統(tǒng)與系統(tǒng)工程本身的概念出發(fā)，闡述了在民用飛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用系統(tǒng)工程方法的若干重要因素，并提出了在復(fù)雜系統(tǒng)研制中采用基于模型的系統(tǒng)工程的優(yōu)勢(shì)所在。目前，國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)產(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程應(yīng)用還不成熟，還處于系統(tǒng)工程方法的研究和探索性實(shí)踐階段，在系統(tǒng)工程體系的建立和系統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)積累上，還有很長(zhǎng)的路要走。由于民機(jī)產(chǎn)品本身的特征和民機(jī)行業(yè)的特征所在，民用飛機(jī)產(chǎn)品研制的系統(tǒng)工程運(yùn)用，是勢(shì)在必行，在躋身民機(jī)行業(yè)的過(guò)程中，盡快建立系統(tǒng)工程的思想和方法體系，將會(huì)大大縮短我們與世界先進(jìn)水平的時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)差距。

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