系统工程在民用飞机研制中的应用

张 绪

中国商飞上海飞机设计研究院强度设计研究部

本文介绍了民用飞机研制的主要系统工程过程和系统工程在国内外民用飞机研制中的应用。国外知名民用飞机制造商在其飞机研制中已大力推行了系统工程，建立了一系列对应的管理体系和技术文件体系，有力的促进了型号研制。我国民用飞机研制企业也已开始推广系统工程的应用，力争促进我国民机制造业的创新式发展。

系统工程专注于系统整体设计和应用，用全面的视角看待系统问题，是一个自上而下综合、开发和运行系统的迭代过程，谋求以最优化的方式来满足利益相关者的需求。目前，系统工程在高度复杂综合性的产品的研制过程中得到广泛应用，已经成为管理复杂项目的有效方法。民用飞机由机体结构、动力系统、飞控系统、燃油系统、液压系统、航电系统、环控系统等多个系统集成而成，每个系统下又分多个子系统，在系统内部及系统之间存在大量的界面问题和集成问题，是典型的高度复杂产品。为了确保在有限成本的约束下，生产出满足客户和市场需求的飞机，全球知名航空制造企业已经普遍在研发过程中采用系统工程过程和方法，并取得了明显成效。本文将主要论述系统工程在民机研制中的应用。

民用飞机与系统研制的系统工程过程与方法

民用飞机与系统研制的系统工程过程一般以功能研制和需求分析（包括需求定义，需求分配，需求确认等）为基础，进而进行飞机级和系统级的架构设计，产品生产以及需求验证、产品确认等过程。基于需求的民机研制系统工程过程模型如图1 所示。

飞机功能分析和定义是进行飞机需求定义的基础以及确保需求完整性的前提。飞机功能来源于飞机的操作运行理念，即搭载乘客和货物安全地从起点运行到终点，并提供人机接口、液压能源、气源和电源等飞机运行所需的公共资源，同时需要提供维护功能以保证运营和持续适航。按照飞机运营理念，其基础功能包括：载人和装货、地面空中运行、提供公共资源、支持运营等，在每项基础功能下面可以继续定义主要功能和子功能。如载人和装货这一基础功能下面可以定义如下主要功能：提供基本结构；提供和控制乘员/货物的进出与容纳；提供并控制飞机环境。提供并控制飞机环境这一主要功能又可分为如下几项子功能：压力控制；温度控制；空气品质控制；提供内部照明；提供应急照明；提供外部照明等。

在已研制完成的飞机功能定义基础上进行飞机需求定义和分析。飞机需求可以分为非功能需求和功能需求两大类。其中，非功能需求，是指那些与飞机功能分配无关的需求，一般包括过程需求、供应商需求和其他与设备直接相关的需求。功能需求，是指与定义的飞机功能直接相关的需求，它又可以分为安全性需求，功能性需求，补充审定需求，衍生需求等，如图2 所示。飞机需求体系按照层级可划分为飞机级需求、系统级需求、子系统级需求或产品级需求。需求捕获后尚须进行需求确认和需求验证。需求确认工作是为了确保需求的正确性和完整性，需求确认方法包括追溯，分析、建模或试验，相似性（工程经验），工程评审等。需求验证的目的是确保定义的所有需求都已通过产品设计和生产得到实现和满足，常用的需求验证方法包括检查或评审，分析，试验与演示，使用/服役经验等。选择何种需求确认或验证方法，需要按照系统或子系统的研制保证等级进行确定。

除图1 所示外，民机研制中的技术管理过程还包括接口管理，技术风险管理，技术信息管理，技术评估，决策分析等。

图1 民用飞机与系统研制的系统工程过程模型

图2 飞机功能需求分类

系统工程在国外民机研制企业中的应用

系统工程在波音民机研制中的应用

波音公司较早地在商用飞机研发生产中引入了系统工程，并在其B777、B787 及其他多个改型项目的实践中取得了良好的成果。以其B777 型号研制为例，在B777项目开始之初，波音公司认识到，随着客户对飞机运营安全性、经济性等要求的提高，飞机系统的设计也越来越先进，各系统之间的交联及集成也变得越来越复杂，同时对系统研发人员之间的交流与协作的要求也越来越高，靠传统的飞机设计方法难以协调复杂的集成问题，因此在B777 项目研制过程中引入了系统工程方法。

在B777 项目的研制队伍中，波音在飞机的每个系统（如推进、航电、结构、电气、气动等）团队中除了设置（副）总设计师（chief engineer）外，还首次设置了新的职务-（副）总项目工程师（Chief Project Engineers），以负责飞机的集成。

（副）总项目工程师负责以下工作的集成：飞机需求，飞机构型设计，飞机系统设计，性能、取证以及试验，生产计划符合性、驾驶舱及客舱操作、客户服务活动等。飞机级的总项目工程师的职责是保证所有飞机系统的研发活动相一致，实现飞机系统相互之间以及与飞机结构之间的完美集成。

系统工程在空客民机研制中的应用

随着空客集团的业务越来越多的涉及复杂系统，空客认识到系统工程是帮助其研发人员掌控产品的复杂性，以及与合作伙伴和供应商之间进行垂向集成的有效工具，加之竞争对手波音也开展了相关系统工程培训，空客公司自90 年代起开始在其内部大力推行系统工程。

自上世纪90 年代至今，空客公司基于一系列通用的系统工程规范及标准，如EIA632《Processes for Engineering a System》、ISO15288（2002）《Systems Engineering：System life cycle processes》、ARP4754A《Development of Civil Aircraft and Systems》，在其内部建立了一套自己的系统工程标准文件，如针对系统级设计的ABD200 需求体系和针对产品级设计的ABD100 需求体系，并将其应用于A380，A400M 及A350 项目中。其需求文件体系如图3 所示。

图3 空客民机需求文件体系

除了需求管理，功能分析等传统系统工程活动外，在A350XWB 项目中，空客还成功开展了基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，以下简称MBSE）。空客在A350XWB 项目中专门设置了一个建模与仿真团队，该团队的一项工作便是开展MBSE，通过建立模型来描述系统或者功能的功能架构和逻辑架构，这些模型基于图形格式，描述系统行为以及系统间的相互影响。该方法将过去采用大量文件来描述的需求、功能和架构，转化为以标准的建模语言表达的系统静态的参数、架构和接口，以及系统的动态行为，包括用例、功能、时序和状态等。通过MBSE 的使用，空客在研发设计的早期就得以对全机通电试验进行了模拟，并建立了全机热环境模拟模型，并将其与供应商进行共享以便于其系统设计的改进。事实证明，利用全机的MBSE 模型，可以对问题做出更好的及早的预测，并且更有预见性的准备试验。

系统工程在我国民机产业中的应用现状及前景

目前，国内的飞机制造企业也已在其内部开始大力推行系统工程。

在大型客机研制中，已经严格贯彻了基于需求的飞机设计理念。建立了一整套从飞机级-系统级-子系统级-产品级的需求文件体系，并展开了基于模型的系统工程的探索与尝试，对系统架构和集成工作起到了促进作用。

中航工业集团已于2013 年加入国际系统工程协会，并与IBM 公司签署了系统工程战略合作协议，组建了中航工业系统工程信息化推进卓越中心，在中航工业范围内推进系统工程方法论导入、工具应用及实施服务中航工业也已制定了基于MBSE 的系统工程的推广规划，以期实现航空产品研发模式的创新和变革。

结束语

在民机研制产业中，需要大力推广系统工程这一跨学科的方法和工具，着眼于商业运营环境，从全视角出发来研究民机产品的运营概念，由外及内推导产品的需求及架构，借助统一的仿真建模语言开展MBSE 活动，实现民机产品从几何样机向功能（性能）样机的突破，推动民机产业模式的变革和创新。