張緒

摘 要：系統(tǒng)工程在高度集成的復(fù)雜民機產(chǎn)品的研制中已得到廣泛應(yīng)用。作為民機設(shè)計的重要組成部分，民機結(jié)構(gòu)設(shè)計中如能引入系統(tǒng)工程過程和方法，必能有效促進(jìn)民機結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的革新。民機結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)工程過程包括功能分析、需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件生產(chǎn)、部段和全機結(jié)構(gòu)集成及試驗試飛等過程。民機結(jié)構(gòu)需求體系須按照結(jié)構(gòu)設(shè)計層級進(jìn)行制定，并依次進(jìn)行需求確認(rèn)和需求驗證。民機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的系統(tǒng)工程問題還包括接口管理、構(gòu)型管理、技術(shù)風(fēng)險管理等。

關(guān)鍵詞：民機結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)工程 功能定義 需求定義

中圖分類號：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（a）-0193-03

Abstract：Systems engineering has been widely applied into highly-integrated complex commercial aircraft development.As an important component，the aircraft structural design will receive innovation with systems engineering introduced.Systems engineering processes in commercial aircraft structural design include function analysis，requirements analysis，structural synthesis， structure production，structural integration，structural tests and so on.Structural requirements are built based on structural design levels and shall be validated and verified.Other systems engineering process include interface management，configuration management and technical risk management.

Key Words：Commercial aircraft structure；Systems engineering；Function definition；Requirements definition

系統(tǒng)工程是一門促進(jìn)系統(tǒng)成功實現(xiàn)的跨學(xué)科的手段和方法，在系統(tǒng)研發(fā)階段的早期它關(guān)注客戶需要以及功能定義并編制需求，進(jìn)而在考慮運營、成本與進(jìn)度、性能、培訓(xùn)與支持、試驗、制造等所有因素的情況下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計集成和系統(tǒng)確認(rèn)，系統(tǒng)工程考慮所有客戶的商業(yè)和技術(shù)要求，以求提供滿足要求的高質(zhì)量產(chǎn)品[1]。目前，系統(tǒng)工程在高度復(fù)雜綜合性產(chǎn)品的研制過程中得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為管理復(fù)雜產(chǎn)品項目的有效方法。民用飛機是典型的高度復(fù)雜產(chǎn)品，跨越多學(xué)科多專業(yè)，研發(fā)周期長，投資成本大，成本回收周期長，因此為了確保在有限成本及各種法規(guī)的約束下，合理組織流程研制出滿足客戶和市場需求的飛機，并最大限度地減小成本、進(jìn)度、質(zhì)量方面的風(fēng)險，全球知名航空制造企業(yè)已經(jīng)普遍在研發(fā)過程中采用系統(tǒng)工程過程和方法。

民機結(jié)構(gòu)件眾多，且結(jié)構(gòu)驗證試驗數(shù)量多，工作量大，結(jié)構(gòu)各部段部裝和總裝時也存在大量的接口問題，如能在民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入系統(tǒng)工程方法，必將會極大的提高結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的效率與質(zhì)量。本文將重點探討民用飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中的系統(tǒng)工程問題和方法。

1 民機結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)工程過程

民用飛機與系統(tǒng)研制過程的系統(tǒng)工程過程一般以功能分析和需求分析（包括需求定義，需求分配，需求確認(rèn)等）為基礎(chǔ)，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)以及需求驗證、產(chǎn)品確認(rèn)等過程[2]。

作為飛機設(shè)計的一個重要組成部分，飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣適用上述系統(tǒng)工程過程。在飛機研制初期，需要通過市場研究搜集飛機利益相關(guān)方（包括客戶、運營商、適航當(dāng)局、系統(tǒng)供應(yīng)商、空管機構(gòu)、制造商、乘客等）對飛機結(jié)構(gòu)的要求，同時對飛機結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析，在此基礎(chǔ)上定義飛機級的結(jié)構(gòu)需求文件，并依次進(jìn)行結(jié)構(gòu)總體設(shè)計；將飛機級結(jié)構(gòu)需求進(jìn)行分解，得到系統(tǒng)級（大部段級）及子系統(tǒng)級（部段級）、產(chǎn)品級（零部件級）結(jié)構(gòu)需求，并在此進(jìn)出上進(jìn)行部段設(shè)計，零部件設(shè)計，零部件生產(chǎn)，部段及全機結(jié)構(gòu)組裝；然后進(jìn)行部段級和飛機級的結(jié)構(gòu)試驗試飛，以驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理以及結(jié)構(gòu)需求得到滿足。民機結(jié)構(gòu)度設(shè)計的系統(tǒng)工程V型圖如圖1所示。

2 民用飛機結(jié)構(gòu)功能定義

飛機功能分析和定義是進(jìn)行飛機需求定義的基礎(chǔ)以及確保需求完整性的前提，也是進(jìn)行飛機功能危害性分析的首要條件。飛機功能來源于飛機的操作運行理念，即搭載乘客和貨物安全地從起點運行到終點，并提供人機接口、液壓能源、氣源和電源等飛機運行所需的公共資源，同時需要提供維護功能以保證運營和持續(xù)適航。飛機結(jié)構(gòu)相關(guān)的功能也來源于上述飛機操作運行理念。

飛機結(jié)構(gòu)功能可分為兩大類：（1）提供機體移動和連接。（2）提供飛機內(nèi)部容納空間及結(jié)構(gòu)支撐[3]。這兩大功能又可以繼續(xù)細(xì)化為多項子功能。

（1）提供機體移動和連接。

該功能可以進(jìn)一步劃分為以下幾項子功能。

①提供地面支撐功能。

②提供機體結(jié)構(gòu)連接功能。

③提供系統(tǒng)設(shè)備安裝功能。

（2）提供飛機內(nèi)部容納空間及結(jié)構(gòu)支撐

該功能可以進(jìn)一步劃分為以下幾項子功能。

1）提供內(nèi)部容納空間。

①承受氣動力。

②保證結(jié)構(gòu)完整性和載荷分布。

③提供設(shè)備的安放及防護空間。

④提供機上消耗品（燃油、液壓油、氧氣、水等）的存儲空間。

2）提供允許內(nèi)飾構(gòu)型更改的功能。

3）提供機組人員和乘客個人物品的存儲空間。

4）提供機組人員及乘客的進(jìn)出功能。

①提供乘客及機組人員的正常進(jìn)出通道。

②提供乘客及機組人員的應(yīng)急出口。

③提供貨物的存放功能。

④提供貨物的進(jìn)出功能。

⑤提供設(shè)備維護通道。

上述功能和子功能可以進(jìn)一步細(xì)分，直至結(jié)構(gòu)零件對應(yīng)的功能。

3 民用飛機結(jié)構(gòu)需求定義

3.1 需求層級劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)功能定義，進(jìn)行需求分析及定義。按照層級劃分，需求分為飛機級需求、系統(tǒng)級需求以及子系統(tǒng)級需求。飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計的層級設(shè)置如圖2所示。

其中飛機級需求是從全機角度考慮，由飛機頂層團隊定義的整個飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的功能性和非功能性需求，如“飛機應(yīng)為飛行機組提供正常進(jìn)入駕駛艙和應(yīng)急逃離駕駛艙的出入口”。

系統(tǒng)級需求，是指相應(yīng)系統(tǒng)級工作團隊根據(jù)飛機級需求、其他系統(tǒng)需求以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，定義形成的本系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的功能性、安全性、可靠性、維修性等需求。如“機身結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生妨礙艙門打開的變形。”

子系統(tǒng)級（部段級）需求，是指各子系統(tǒng)設(shè)計團隊根據(jù)系統(tǒng)級需求、其他系統(tǒng)需求以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，定義形成的本子系統(tǒng)所應(yīng)滿足的功能性、安全性、可靠性、維修性等需求。如“中央翼連接應(yīng)考慮應(yīng)急著陸過載要求?！?/p>

子系統(tǒng)以下級別可能還會定義產(chǎn)品規(guī)范，以定義零部件產(chǎn)品滿足的需求。

3.2 需求編寫原則

需求編寫應(yīng)注意以下原則：具體、可度量、可實現(xiàn)、合乎實際和可追蹤。

（1）具體：即需求的表述應(yīng)無歧義，清楚明確，以保證任何閱讀需求的人對需求的理解與解釋是唯一的，且需求層級應(yīng)定義恰當(dāng)。

（2）可度量：每一條需求必須在一定程度上通過標(biāo)準(zhǔn)的方法來驗證（試驗，分析，相似性等）。

（3）可實現(xiàn)：每一條需求在技術(shù)上是可以實現(xiàn)，且須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

（4）合乎實際：每一條需求在現(xiàn)有的技術(shù)條件、資源、成本等的約束下是可以實現(xiàn)的。

（5）可追蹤：必須保證每條需求可以追溯至該需求的來源，也必須建立每一條需求與后續(xù)設(shè)計、實施以及試驗之間的鏈接關(guān)系。如每條系統(tǒng)級需求必須可以追溯到相應(yīng)的飛機級需求。

3.3 需求確認(rèn)與驗證

需求初步定義后，須進(jìn)行需求確認(rèn)工作，以確保需求的正確性和完整性。需求確認(rèn)方法包括追溯，分析、建?；蛟囼?，相似性（工程經(jīng)驗），工程評審等。需求確認(rèn)工作開展前應(yīng)制定需求確認(rèn)計劃，以規(guī)定需求確認(rèn)所要使用的方法，確認(rèn)工作角色及責(zé)任，關(guān)鍵確認(rèn)工作的規(guī)劃等。在開展需求確認(rèn)工作時應(yīng)制定需求確認(rèn)跟蹤矩陣，其內(nèi)容包括：需求、需求來源、需求所屬功能、需求研制保證等級；所使用的確認(rèn)方法，確認(rèn)的支持證據(jù)以及確認(rèn)結(jié)論等。需求確認(rèn)工作完成后，應(yīng)制定確認(rèn)總結(jié)，以確保每條需求已得到了適當(dāng)?shù)拇_認(rèn)，其內(nèi)容包括：確認(rèn)計劃及計劃偏離情況，確認(rèn)矩陣，確認(rèn)支持資料。

在產(chǎn)品交付前，須按照項目計劃完成需求驗證工作，以確保定義的所有需求都已通過產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)得到實現(xiàn)和滿足。常用的需求驗證方法包括檢查或評審、分析、試驗與演示、使用/服役經(jīng)驗等。同樣開展需求驗證工作也須指定需求驗證計劃、需求驗證矩陣，需求驗證總結(jié)等文件。需求驗證計劃包括：開展驗證活動的人員/組織及其職責(zé)，描述設(shè)計和驗證工作的獨立程度，使用的驗證方法，將產(chǎn)生的驗證資料，相關(guān)工作之間的順序，主要驗證工作進(jìn)度表，需求驗證程序等。需求驗證矩陣包括：需求，需求所屬功能，使用的驗證方法，驗證程序與參考結(jié)果，以及驗證結(jié)論等。需求驗證總結(jié)應(yīng)包括需求驗證計劃及計劃偏離，需求驗證矩陣，需求驗證的支持材料及材料來源等[4]。

4 民機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的其他系統(tǒng)工程問題

民機結(jié)構(gòu)設(shè)計還需考慮的系統(tǒng)工程問題包括接口管理、構(gòu)型管理、以及技術(shù)風(fēng)險管理等。

（1）接口管理。

民機結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的接口主要包括兩類。第一類是結(jié)構(gòu)部件（如蒙皮上壁板與下壁板）、部段（如前機身與中機身之間）、大部段（如機身與機翼之間）之間的接口設(shè)計和管理。需要考慮這些接口部位所涉及的兩個結(jié)構(gòu)部件（或部段、大部段）的設(shè)計需求，以及在接口部位傳力的連續(xù)性和合理性，保證接口部位的設(shè)計工作不遺漏、不重復(fù)、不矛盾，并且在強度分析和試驗驗證中關(guān)注這些接口部位是否滿足要求。第二類是結(jié)構(gòu)件與系統(tǒng)件的接口問題，主要涉及系統(tǒng)設(shè)備的安裝。此類安裝接口應(yīng)保證既滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求（包括安裝位置，工作環(huán)境等要求），又滿足此處結(jié)構(gòu)件的設(shè)計需求，系統(tǒng)設(shè)備件通過接口傳遞的載荷應(yīng)及時傳遞給結(jié)構(gòu)件設(shè)計人員進(jìn)行評估，且因一方設(shè)計問題引起接口更改時應(yīng)及時通知對方進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計更改評估。

（2）構(gòu)型管理。

因飛機結(jié)構(gòu)零部件及連接件數(shù)量眾多，且較多部位連接復(fù)雜，因此民機結(jié)構(gòu)件的構(gòu)型管理工作十分必要。隨著民機研發(fā)的逐步進(jìn)行，應(yīng)逐步制定結(jié)構(gòu)功能基線、分配基線以及設(shè)計基線。構(gòu)型管理的對象不僅要包括結(jié)構(gòu)數(shù)模，還應(yīng)包括各類設(shè)計報告、強度分析報告、載荷文件、結(jié)構(gòu)有限元模型文件、試驗驗證文件等，并對所有對象的更改進(jìn)行嚴(yán)格的流程控制和評估。

（3）技術(shù)風(fēng)險管理。

民機結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常涉及新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，這些應(yīng)用通常會帶來產(chǎn)品性能的提升。例如：復(fù)合材料因其具有比強度高、比模量高等特點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量應(yīng)用會帶來可觀的減重效果，3D打印技術(shù)的應(yīng)用可簡化某些復(fù)雜飛機結(jié)構(gòu)件的制造工藝并降低成本，激光焊接技術(shù)的應(yīng)用可以減少飛機緊固件的數(shù)量等。但較之傳統(tǒng)材料和工藝，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用成熟度可能缺乏廣泛的預(yù)先研究和實際服役數(shù)據(jù)的支持，因此在研制過程中引發(fā)失效的風(fēng)險也較高，例如：B787飛機在交付后不久即在正式運營過程中發(fā)生了鋰電池著火事故，導(dǎo)致該機型一度全面停航。因此在民機結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入新材料、新技術(shù)時，需考慮其是否已有足夠的預(yù)先研究成果和應(yīng)用數(shù)據(jù)支持，并對其進(jìn)行風(fēng)險分析，制定風(fēng)險控制措施，以避免對項目的進(jìn)度、成本產(chǎn)生重大影響。

5 結(jié)語

該文定義了民機結(jié)構(gòu)設(shè)計的系統(tǒng)工程過程，分析了民機結(jié)構(gòu)功能和需求，總結(jié)了民機結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮的接口管理、構(gòu)型管理以及風(fēng)險管理等系統(tǒng)工程問題。將系統(tǒng)工程過程和方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的民機結(jié)構(gòu)設(shè)計，必能有效促進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的革新。

參考文獻(xiàn)

[1] Cecilia Haskins.INCOSE Systems Engineering Handbook[M].INCOSE，2011.

[2] Scott Jackson.Systems Engineering for Commercial Aircraft[M].

[3] Cheryl Atkinson.Framework for the Application of Systems Engineering in the Commercial Aircraft Domain.INCOSE，2000.

[4] SAE.ARP4754 A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems.HIS，2010.