浅谈民用飞机系统研制中的系统工程运用

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摘 要：民用飞机产品是高复杂度、高集成度的工业产品，以满足客户需求，取得市场成功为最终目标。由于民用飞机产品及其研制的内在特征，一般的工业产品、零部件的研制方法与流程难以支持产品最终的状态达到预期的质量，满足客户与适航当局的要求。该文阐述了系统与系统工程的基本概念，解释了在民用飞机产品研制中采用系统工程方法的必要性，描述了在民用飞机产品/系统研制中系统工程方法运用的基本过程，并简要介绍了基于模型的系统工程方法。

关键词：民用飞 系统工程 生命周期 MBSE

中图分类号：V233.91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（c）-0084-02

民用飞机产品是高复杂度、高集成度的工业产品，以满足客户需求，取得市场成功为最终目标。区别于一般产品与零部件，民用飞机产品项目的投入大、周期长、研制难度高，一般的工业产品、零部件的研制方法与流程难以支持产品最终的状态达到预期的质量，满足客户与适航当局的要求。

1 系统工程概述

中国系统科学界对系统的通用定义是：系统是由相互作用和相互依赖的若干要素（部分）结合而成的、具有特定功能的有机整体。第一，系统必须由两个或两个以上的要素所组成。第二，要素之间存在一定的有机联系。系统具有不同于各要素原有功能的整体新功能。

系统工程，在FAA系统工程手册中，定义为一门学科，与其他学科不同的是，系统工程关注的是系统整体的设计和实现而不是各个部分，它将所有变量考虑在内，并在技术层面将各个环节有机联系起来；钱学森的定义是，系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法；日本工业标准的定义是，系统工程是为了更好地达到系统目标而对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机制进行分析与设计的技术。以上各个定义的核心和理念是相通的，都突出了对系统整体功能实现的关注，和整个系统实现过程中需要考虑的因素和过程的关注。不同在于由于不同的定义产生于不同的领域，相关领域特有的关注点是不同的。但这并不影响对于系统工程的理解，相反，对于不同领域系统工程定义、方法和实践的研究，更有助于更加全面地理解系统工程。系统工程的适用范围是相当广泛的，可以运用于大到社会系统的规划和管理，小到日常生活中琐碎小事的统筹安排和执行。

2 民用飞机系统研制采用系统工程方法的必要性

商用飞机研制是一项复杂的系统工程，系统工程方法是针对复杂系统研制和集成而产生的工程管理技术，能够实现项目总体最优，运用系统工程方法是商用飞机研制的内在需要。

例如，美国第二代战斗机F-111、F-4等在交付空军时只解决了57%的问题，还有43%的问题到交付使用后才逐步解决，严重影响了飞机的作战使用。有的飞机任务要求分析粗糙，研制到一半才发现根本不能满足使用要求，只能半途中止，在经历了一系列的挫折和失败后，耗费了数以亿计美元后，人们发现如果应用了系统工程的原理和方法，那么这些失败是可以避免或至少可以减缓的。自从将系统工程方法引入飞机研制过程后，取得了许多令人瞩目的研制成果，如F-16、F-22和B777等型号。

目前系统工程已成为行业通用的指导商用飞机研制的方法，各主要民机制造商、行业协会和相关机构都围绕系统工程应用，编制了大量的指导方法和标准。例如，SAE ARP4754A《民用飞机及其系统的研制指南》是航空领域一份重要的实践指南，将系统工程和安全性设计融入到民用飞机研制和适航取证过程中。系统工程在国际的飞行器研制过程中已经得到广泛应用并取得了显著的效果，并在波音，空客，米格等巨头公司最佳实践经验中得到了总结和提升。

如前所述，系统工程作为一种行之有效的方法，对民用飞机系统形制有着非常重要的指导意义。

3 民用飞机系统研制中的系统工程运用

3.1 民用飞机产品生命周期

民用飞机产品生命周期是指，把工程或项目中需要实现的所有事项划分为若干明显的阶段，并由关键决策点区分。关键决策点是指决策机构确定工程/项目进入生命周期下一阶段（或者下一个关键决策点）是否准备就绪的事件点。不同的组织机构对产品的生命周期划分不一，但通常可以划分为预先研究阶段、概念阶段、设计阶段、产品实施阶段、产品使用阶段、产品支持维护阶段和产品退役处置阶段。

3.2 基于需求的系统工程

民机产品的研制是在多种约束下生产出满足最终客户需求的产品的过程，满足客户需求是最终目的，同时研制活动限定在特定约束条下，包括项目资源约束（如人力资源约束、项目资金约束、组织架构约束等）、法律法规约束等。产品是否满足客户需求，决定了产品是否具有市场竞争力，项目是否成功。所以，在项目的最初阶段，就要充分地正确地捕获各利益相关方的有关需求，作为项目的重要输入。典型的利益相关方包括产品的使用者、企业决策者、协议方、监管当局，乃至整个社会。民机产品项目的研制投入大，周期长，归根到底，民机研制的系统工程是基于需求的系统工程。

基于需求的系统工程过程通常描述为V模型。V模型主要包括三个核心内容：需求定义、系统设计和系统实现。三个过程依次进行，不断迭代，形成推进飞机研制的驱动力。V模型的核心在于自顶向下的正向设计和自下而上的系统集成。目前世界上各大民用飞机厂商大多采用主制造商-供应商的商业模式，当需求自上而下分解分配到一定层次后，最终细化的需求是由供应商来实现的。典型的民用飞机V模型如图1所示。

需求定义，解决的是“做什么”的问题。需求来自于各利益相关方对民用飞机产品的“需要”，这种“需要”可以是客户对产品特征的期望，可以是适航当局对飞机产品需要满足的最低性能的要求，也可以是公司决策者对产品项目的各种约束。需求捕获需要民用飞机产品主制造商尽可能广泛地收集各利益相关者的“需要”，然后对“需要”进行分析，用工程语言的形式形成产品设计过程中可实现的需求。在飞机产品的设计过程中，也要将各利益相关者纳入设计过程，使各利益相关方持续地对飞机产品的研制进行跟踪，以避免不必要的反复。

需求的捕获是分层次的，同样遵循自顶向下的顺序，先形成飞机级的需求规范，然后对飞机顶层规范进行分解分配，依次得到系统级、子系统级、LRU级、以及部件级的需求，最终形成各供应商可实现的细化的需求。每一级的需求都要进行需求的确认过程，确认的原则主要包括需求的正确性和完整性确认，需求的确认方法可以包括工程评审、追溯性、分析计算、相似性说明、建模、试验等。需求捕获的过程是民用飞机产品设计的基础，需求本身的质量最终决定了飞机产品的质量。

系统设计，解决的是“怎么做”的问题。是将需求转变为设计方案的过程。系统设计过程的输入来源于需求定义过程。通过需求定义过程，客户和利益相关方的要求被转换成多组完整可行的系统需求，满足这一系列完整的需求就成为系统设计过程的目标。

系统设计过程本身由多个子过程组成。这些子过程包括，识别潜在备选方案、定义备选方案集、定义设计和性能特性、定义物理架构、选择最优设计方案、最优方案的详细描述等。系统设计过程最终将输出系统规范、外部接口规范以及产品规范。这些规范包含了实施设计的所有信息，包括结构、电气、信号接口信息，设计材料和尺寸，安装和工艺技术要求等。输出结果将直接用于系统实施和验证过程。

产品实现，解决的是“是否做了正确的产品”的问题，其目的在于表明飞机每一层级的设计实施满足了其预定的需求，预期的功能已经正确地实现。经过需求定义与系统设计过程，完成了V模型左半边自顶向下的设计过程，来到了V模型的最底端。产品实现过程是自下而上的，由软硬件级、部件级直至飞机的最顶层。系统集成即将最底层的软硬件产品逐层综合，依次形成部件级、LRU级、系统/子系统级、飞机级的产品。需求验证是要保证各个层级的集成确实满足的最初的需求规范，与对产品的预期相一致。需求验证的对象是需求本身，验证的方法手段可以是多样的，包括检查或评审、分析、试验与演示、使用/服役经验等。

3.3 基于模型的系统工程（MBSE）

基于模型的系统工程（MBSE）是近期提出的概念，是对系统工程方法的进一步实践与升级。最早提出基于模型的系统工程概念的INCOSE将其定义为，“基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，从概念设计阶段开始就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段”。

从该定义可以看到，MBSE强调了两个概念：第一，基于模型。传统的系统工程方法从需求的定义、确认到需求验证活动，都是基于文档形式的，各层级需求的分配与链接关系完全通过文档的形式完成。需求文档在民用飞机产品的生命周期是不断迭代的，在需求需要更改的情况下，对整个文档化的需求体系进行重新链接是非常繁重的。而MBSE的需求体系可基于模型实现，将各个级别的需求与相应的系统方案元素建立链接，并以图形化的方式展示设计者对系统的认识。因为由模型化的方法替代了繁重的文档管理方法，系统模型与需求之间的关系更加明确，系统更改造成的影响也更加透明。第二，贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段。MBSE从需求定义阶段开始就形成了飞机产品以及各飞机系统的模型，在不断升级的系统设计过程中逐步细化完善，可以支持整个飞机产品研发的过程活动，也可以延伸到产品运营支持、产品维护和退役处置的过程。不同的设计方面，不同的生命周期过程采用的模型和工具可以是不同的。

基于模型的系统工程（MBSE）对于民用飞机产品这样的高复杂度的系统工程是行之有效的，可以大大地提高研制的效率，对飞机产品的生命周期活动进行优化，是复杂产品系统工程实践的升级和趋势。

4 结语

该文从系统与系统工程本身的概念出发，阐述了在民用飞机设计过程中采用系统工程方法的若干重要因素，并提出了在复杂系统研制中采用基于模型的系统工程的优势所在。目前，国内民用飞机产品研制的系统工程应用还不成熟，还处于系统工程方法的研究和探索性实践阶段，在系统工程体系的建立和系统工程经验积累上，还有很长的路要走。由于民机产品本身的特征和民机行业的特征所在，民用飞机产品研制的系统工程运用，是势在必行，在跻身民机行业的过程中，尽快建立系统工程的思想和方法体系，将会大大缩短我们与世界先进水平的时间和经验差距。

参考文献

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