李 偉

（中國航發(fā)研究院，北京 101304）

基于系統(tǒng)工程的航空發(fā)動機標準體系建設研究

李 偉

（中國航發(fā)研究院，北京 101304）

介紹了標準體系發(fā)展趨勢，指出標準體系的建設方向逐漸由單一的二維視圖理論發(fā)展到分層的、多維的架構理論，基于系統(tǒng)工程理論，系統(tǒng)闡述了建立正向研制流程驅動的航空發(fā)動機標準體系的建設思路，保障我國航空發(fā)動機的自主研發(fā)。

標準體系；系統(tǒng)工程；航空發(fā)動機

標準作為重要的共性技術之一，對整個產(chǎn)業(yè)的技術水平、產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率發(fā)揮迅速的帶動作用，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益。航空發(fā)動機的研究與發(fā)展是復雜的系統(tǒng)工程，標準是其中至為關鍵的核心要素，作為研發(fā)技術體系的承載，以及技術發(fā)展與型號研制的保障，有著舉足輕重的作用。國外先進航空發(fā)動機研制企業(yè)，如羅羅、普惠、GE等都建立了基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品正向研發(fā)體系，相應的建立了服務于這個研發(fā)體系的航空發(fā)動機標準體系，其建設的指導思想就是系統(tǒng)工程理論。國內航空發(fā)動機標準體系建設也應該在系統(tǒng)工程的理論指導下開展，更好的保障航空發(fā)動機產(chǎn)品研制。

1 標準體系發(fā)展分析

GB/T 20000.1-2014《標準化工作指南 第1部分：標準化和相關活動的通用術語》和GB/T 13016-2009《標準體系表編制原則和要求》中給出了標準體系的定義：一定范圍內的標準按其內在聯(lián)系形成的科學的有機整體。

標準體系從一開始就是不斷進化的，而不是過度規(guī)劃的?？傮w而言，技術經(jīng)濟社會發(fā)展水平?jīng)Q定了標準化管理模式的變化。

世界發(fā)達國家工業(yè)發(fā)展水平較高，市場經(jīng)濟成熟，標準化活動已經(jīng)形成“自下而上”的發(fā)展軌跡，認為標準是自愿性的，標準的存在和制定是由市場決定的，已經(jīng)初步實現(xiàn)了基于系統(tǒng)工程的標準體系建設[1]。

而我國還處在社會主義市場經(jīng)濟的初期階段，經(jīng)濟和技術水平還處在上升發(fā)展期，目前大多數(shù)標準化活動的發(fā)展軌跡是“自上而下”的，依靠編制標準體系表來規(guī)劃標準體系的建設。

GB/T 20000.1-2014中給出了標準體系表的定義：指一定范圍的標準體系內的標準按一定形式排列起來的圖表。標準體系表是依據(jù)標準體系框架規(guī)劃的，屬于二維視圖理論的應用。對于復雜系統(tǒng)來說，用一個形式單調的體系表來滿足所有各方的需求是不可能的。

對于復雜系統(tǒng)，標準體系的描述應接近真實的系統(tǒng)，呈現(xiàn)方式應符合相應層次對要素的識別和分析的需求。所以標準體系的建設方向逐漸由單一的二維視圖理論發(fā)展到分層的、多維的架構理論，標準體系由簡單到復雜，呈現(xiàn)漸近漸明的多視圖。

2 系統(tǒng)工程理論

當前國際上對于系統(tǒng)工程的定義比較多，但其中最有影響的是國際系統(tǒng)工程協(xié)會的定義[2]：系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能成功實現(xiàn)的跨學科的方法和手段。系統(tǒng)工程專注于在開發(fā)周期的早期階段，就定義客戶需求與所要求的功能，將需求文件化；然后再考慮完整問題，即運行、成本、進度、性能、培訓、保障、試驗、制造和退出時，進行設計綜合和系統(tǒng)確認。系統(tǒng)工程以提供滿足用戶需求的高質量產(chǎn)品為目的，同時考慮了所有用戶的業(yè)務和技術需求。

GJB 8113-2013《武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求》首次系統(tǒng)闡述了裝備研制的系統(tǒng)工程內容，其中定義：系統(tǒng)工程是逐步發(fā)展并驗證含裝備、人和過程且滿足用戶需求的全壽命周期綜合平衡解決方案的跨學科方法。是涉及設計、制造、試驗、培訓、使用、保障、退役處理等相關內容的技術活動綜合機制，由技術過程和技術管理過程構成。

無論是國際系統(tǒng)工程協(xié)會的定義，還是國軍標的定義，都可以看出系統(tǒng)工程是一個跨學科、多流程、多要素的問題。系統(tǒng)工程過程模型的主體內容稱為“V模型”，如圖1所示。在“V模型”中，時間和系統(tǒng)成熟度從左向右推進，“V模型”左側說明逐級分解和定義，右側說明逐級集成和驗證。系統(tǒng)工程技術過程在產(chǎn)品研制中循環(huán)迭代，技術管理過程貫穿于產(chǎn)品研制項目全壽命周期。

3 基于系統(tǒng)工程的航空發(fā)動機標準體系

3.1 標準體系構建設想

常規(guī)武器裝備研制一般在方案階段開展模型機或原理樣機的研制與試驗，工程研制階段開展初樣機和正樣機（或試樣機）的研制與試驗，且在設計定型階段開展定型試驗。每次樣機研制與試驗遵循系統(tǒng)工程過程“V模型”。批量生產(chǎn)、使用保障階段的武器裝備升級改進，亦同樣遵循系統(tǒng)工程過程“V模型”。由此，系統(tǒng)工程過程在武器裝備全壽命周期內可以多次循環(huán)應用。

航空發(fā)動機產(chǎn)品研制全壽命周期也遵循這樣的過程，對于其中每一個系統(tǒng)工程研制過程，又遵循“V”模型。頂層通用流程依據(jù)產(chǎn)品的構型對系統(tǒng)進行層層分解，按照需求分解→解決方案實現(xiàn)→解決方案驗證的順序來完成研發(fā)過程，其中需求管理和技術狀態(tài)管理的內容見圖2。

圖1 系統(tǒng)工程過程“V模型”

圖2 系統(tǒng)架構分解

整機層面上的主機研發(fā)流程是牽引子系統(tǒng)層面上的研發(fā)流程和零件層面上的研發(fā)流程工作的“火車頭”。整機層面上的主機研發(fā)流程的輸出是對子系統(tǒng)的要求，并且這些要求將以輸入形式啟動子系統(tǒng)層面上的研發(fā)流程。首先，從發(fā)展戰(zhàn)略、商業(yè)角度、客戶需求、適航等不同方面定義整機層面的需求，其次，根據(jù)項目層—產(chǎn)品層—系統(tǒng)層—子系統(tǒng)層—零件層進行逐層分解，最終得到與設計、制造、售后服務以及采購供應等相關的不同階段不同層次的需求。

子系統(tǒng)層面的研發(fā)流程的輸出是針對零件的要求，并且這些要求將以輸入形式啟動零件層面上的研發(fā)流程。

零件層面的研發(fā)流程的輸出是啟動子系統(tǒng)層面上的研發(fā)流程中的下游工作的輸入，依次遞推，子系統(tǒng)層面上的研發(fā)流程的輸出是啟動整機層面上主機和其他研發(fā)流程中的下游工作中的輸入。

基于上述正向研制流程分析，對每個階段、每個系統(tǒng)層級的研制活動進行定義和描述，如圖3所示，可以得到所需的標準需求?；谶@樣的分析就能得到相應的基于架構的航空發(fā)動機標準體系。

圖3 零件級標準需求分析

圖4 傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系框架[3]

3.2 與傳統(tǒng)標準體系的對比

常規(guī)的航空發(fā)動機標準體系有兩種架構搭建方式：一種是按功能劃分，根據(jù)航空發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)活動分為：設計標準、試驗標準、制造標準、材料標準、通用標準5類；另一種是按結構劃分，根據(jù)航空發(fā)動機產(chǎn)品物料清單（Bill of Materials，BOM）結構分為：總體標準、部件標準、系統(tǒng)標準。由于航空發(fā)動機標準體系是航空發(fā)動機研制、生產(chǎn)、使用活動中所需標準組成的科學有機整體，綜合性很強，單純的一種劃分形式的標準體系已經(jīng)難以涵蓋產(chǎn)品全壽命周期研制活動的所需標準，通常會選擇這兩種結構形式的疊加形式的標準體系，如圖4所示，既涵蓋了產(chǎn)品BOM結構特征，又包含了研制活動的功能特征。

然而隨著我國航空發(fā)動機由測繪仿制向自主研發(fā)的跨越發(fā)展，傳統(tǒng)的航空發(fā)動機標準體系已經(jīng)不能夠滿足航空發(fā)動機正向自主研發(fā)的需求。主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

3.2.1 傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系缺乏產(chǎn)品實現(xiàn)的系統(tǒng)工程類規(guī)范標準

航空發(fā)動機作為復雜系統(tǒng)產(chǎn)品，在正向設計之初就要開展詳細的需求定義與系統(tǒng)工程設計，并進行架構設計與綜合，生成系統(tǒng)需求、功能與架構基線，產(chǎn)生需求規(guī)格、產(chǎn)品規(guī)范、接口控制，然后開展系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品詳細設計，指導和控制各個工程技術、專業(yè)領域的設計、綜合與驗證，將構成系統(tǒng)的元素加以合理的定義和配置，達到系統(tǒng)的整體功能和性能指標的優(yōu)化。然而傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系并不是基于系統(tǒng)工程的角度建立的，雖然在可靠性、維修性、安全性、保障性、測試性、環(huán)境適應性等六性設計方面，從指標分解、系統(tǒng)集成驗證等方面體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的思想，但是還是缺乏系統(tǒng)工程的整體實現(xiàn)方面的策劃，并沒有考慮到需求分析、需求管理、架構設計、綜合驗證等系統(tǒng)工程類標準。

航空發(fā)動機自主研發(fā)更注重客戶需求分析。航空發(fā)動機作為一個為飛機配套系統(tǒng)，需要了解飛機的需求。而飛機需求來源于客戶需求：軍用航空發(fā)動機關注的是技戰(zhàn)指標，高推重比、高馬赫數(shù)；民用航空發(fā)動機關注的是安全性、經(jīng)濟性，滿足適航要求。由客戶需求分解出飛機需求，再由飛機需求分解出發(fā)動機需求，經(jīng)過發(fā)動機總體分析分解出各個部件、系統(tǒng)的需求，一直分解到零件級需求，最后體現(xiàn)技術要求上，落實到研制的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)需求的綜合管理。整個需求分析和管理的過程并不是隨意開展的，每一步工作都需要需求標準的規(guī)范和指導。

3.2.2 傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系硬性的將設計、制造等活動進行了區(qū)別，不利于設計、制造等多學科協(xié)同研發(fā)活動的開展

航空發(fā)動機自主研發(fā)注重多學科協(xié)同。當發(fā)動機零件的設計方案確定后，需按照該方案進行研制試驗，按照不同的公差和不同的細節(jié)加工等進行差異制造，并開展試驗考核，不僅確定最終工程設計圖紙中的公差，還包括對其它重要因素通過差異產(chǎn)品的試驗結果以確定最優(yōu)的工程化要求，最終完成的工程化圖紙是設計和制造等專業(yè)共同開發(fā)研究完成的。但是傳統(tǒng)的航空發(fā)動機標準體系并不是基于系統(tǒng)工程的正向研制流程建立的，無法支持航空發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)時設計制造的協(xié)同迭代。

3.2.3 傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系難以保證覆蓋航空發(fā)動機自主研制的各個環(huán)節(jié)

航空發(fā)動機產(chǎn)品研制是基于系統(tǒng)工程的研制流程實現(xiàn)的，對于每一個研制流程的研發(fā)活動都可以設計通用標準進行規(guī)范指導。但是傳統(tǒng)航空發(fā)動機標準體系并沒有將標準與研發(fā)體系進行有效地關聯(lián)，并且實際上傳統(tǒng)標準體系的架構也很難與正向研發(fā)流程關聯(lián)，這樣也就難以判斷標準的全面性。目前而言，航空發(fā)動機領域行業(yè)級以上的標準只有不到250項，不能有效地支持航空發(fā)動機自主研發(fā)。

4 結論

航空發(fā)動機的研究與發(fā)展是一項極其復雜的系統(tǒng)工程，標準是其中至為關鍵的核心要素。我國航空發(fā)動機標準體系建設應該遵循系統(tǒng)工程理論進行系統(tǒng)研究，建立正向研制流程驅動的航空發(fā)動機標準體系，以保障航空發(fā)動機的自主研發(fā)。

基于系統(tǒng)工程架構分解理論，對航空發(fā)動機全壽命周期研制特點進行分析，明確各階段輸入、輸出的區(qū)別，以及約束條件和資源、工具、技術等需求條件。從而基于需求、流程、工具、方法以及技術要求的狀態(tài)，提出標準建設需求。

基于系統(tǒng)架構理論，將標準與系統(tǒng)層級和系統(tǒng)流程進行關聯(lián)?；谙嚓P方分析描述特征，一般而言，有多少個相關方，就可以有多少個視角，每個視角又可以有無數(shù)個視圖，從而建立分層的、多維的標準體系架構。

[1]J Holt，P Mcneillis.The role of systems engineering in global standardization [J].Insight，2007，10（1）：8-16.

[2]張新國譯.系統(tǒng)工程手冊[M].北京：機械工程出版社，2013.

[3]劉啟國，代冰，于宏軍等.關于航空發(fā)動機標準體系建設的思考與探討 [J].航空標準化與質量，2010（2）.

（編輯：勞邊）

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C

1003-6660（2016）06-0010-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.002