系统工程在航空产品研发初期阶段中的应用研究

李 恒，吕春雷

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

系统工程在航空产品研发初期阶段中的应用研究

李 恒，吕春雷

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

首先简要介绍了系统工程的发展历程以及近年来在国内外各大项目的普及应用情况，然后对系统工程的应用范围进行了分析，并指出在航空产品研发初级阶段的核心工作是处理需求。然后介绍了需求的定义、分类以及需求工程的定义、重要性，详细介绍了需求分析在航空产品研发初期阶段的工作流程，对系统工程在航空产品研发中的应用起指导作用，有利于保障航空产品研发的成功率。另外，该分析流程适应性强，具有普遍的推广意义，可为其它各种产品的研发提供参考借鉴。

系统工程；航空产品研发；初级阶段；需求工程；需求分析

0 引言

20世纪60年代，国外航天和国防领域一直采用系统工程作为项目研制管理方法，保障了“大力神”弹及阿波罗计划等众多项目的成功。近年来，国内在C919等大型复杂产品项目中也越来越多注意到包括系统工程在内的方法与过程的研究，615所、618所、602所以及金航数码等已经将系统工程方法应用于具体型号的研制中并取得了一定的成功。美国军用标准《系统工程管理》 (Mil-Std-499)形成于1969年，该方法形成以来变化很小，但系统的规模和复杂性在显著地增长，传统系统工程(TSE)已无法满足需要。2012年，美国航空航天局(NASA)的项目管理挑战研讨会上提出了一种新的方法——基于模型的系统工程(MBSE)[1]，自此，该方法得到广泛的应用，直至今天。

1 系统工程简介

“系统”的定义是人员、产品、服务及流程的集合，以提供满足所陈述的要求或目标的能力。通常我们所提到的系统是人造的，被人创建并用于定义明确的环境中提供产品或服务，使用户以及其他利益相关者受益。系统工程，是一种可成功实现系统的跨学科的方法和手段，同时考虑到生命周期、用户及利益相关者需要、流程与技术方案的管理和工程项目。作为工程学的分支，更多地运用于大型复杂系统的开发[2]。系统工程方法的应用能够提高系统研发的成功性，系统工程模型见图1。在本文中，航空产品即可视为一个“系统”。

2 系统工程应用范围

系统工程的应用范围极其广泛，不管INCOSE的系统工程手册(基于ISO15288标准)，还是NASA等手册，系统工程都被划分为若干个流程，然后描述每个流程[3]。本质上讲，系统工程关键点在于工程过程和工程管理过程，工程过程主要是需求、设计、集成、验证和确认，管理过程则是对工程过程的活动和产物进行管理。

在产品研发的初始阶段，核心工作是需求的处理，故需求的获取和分析是产品实践的切入点。系统工程框架的实践应用如图2，需求分析是现阶段的重点。现阶段的主要任务分为两个部分：需求分析和使命任务分析。需求分析是参照航空产品用户下发的研制要求进行条目化分解，并依据该产品全生命周期过程对其要求进行需求条目化提炼总结。它是基于输入的需求，经过一系列的分析过程，从而获得系统需求的过程。使命和任务分析是为了能够更好地理解系统，清楚系统的概念，同时捕获相关需求。通过对航空产品使命和任务的分析，在体系层面上确定航空产品的相关需求。具体流程见图3。

3 需求工程简介

3.1 需求的定义

广义的需求是指想要的东西，而需求工程里的需求指的是采用文字、表格、图像等形式来描述利益相关者需要的系统服务、产品功能或者是某些限制。需要者往往自己不能生产自己想要的，这时就出现了需求。譬如需要自行车的人自己制造不出自行车。就侠义的研发产品而言，产品的需求来源有很多，而所有这些需求最后都要在产品上体现出来，这就是需求工程要完成的事情。

3.2 需求类型

当进行需求研究时，首先理解需求的类型及其意义，参考国外需求工程经验，需求类型的分类及含义见表1。

3.3 需求工程的定义

需求工程是系统工程很重要的一部分，指应用已证实有效的技术、方法进行需求分析，确定客户需求，帮助分析人员理解问题并定义目标系统的特征的学科。需求工程通过相关工具和标记系统地描述待开发系统及其行为特征和相关约束，形成需求文档，并对用户不断变化的需求演进给予支持。通俗的理解就是将利益相关者的需求变成最终系统或产品研发的需求的过程，需求工程一般会贯穿整个产品的生命周期。根据活动过程将需求工程划为5个部分，其具体内容及含义见表2。

表1 需求的分类及含义

表2 需求工程活动过程

3.4 需求工程的重要性

需求工程是在系统工程里排列最前面的两个流程，其重要性不言而喻。需求在产品研发的全生命周期里对产品质量最为关键，其重要性如图4所示。相对于产品化而言，需求分析对产品的效能的重要度是其几十倍。所以，在需求阶段解决问题成本是最低的。

4 需求分析

4.1 需求分析简介

需求是一个项目的源头，也是项目成功的关键。无数的研究表明，需求问题是系统开发项目成本超支、进度延迟和能力缺失的主要原因。另外，系统需求的分析对产品功能的完整性起着决定性的作用，如果前期需求分析没有做好，后期将会花费成倍的时间和成本来弥补这一漏洞，而且往往还会带来一定的负面效应。完善而又准确的需求分析不仅有利于提高系统的“五性”要求，更可以大大缩短系统的研发周期,降低系统前期研发和后期维护成本。故需求分析至关重要[4]。

4.2 需求分析流程

4.2.1 利益相关者识别

利益相关者是对所研发的产品或系统有兴趣的人，他们可能直接或间接影响到系统设计开发的成败，这些人大多数是系统的使用者或者决策者。利益相关者识别的目的是建立利益相关者列表，他们是顶层需求的提出者，可以影响规划或项目的成功。利益相关者的识别通常采用团队头脑风暴方法，并对识别出来的利益相关者进行重要等级排序，在遇到不同利益相关者之间的需求发生矛盾时，设计方应协调沟通以达成一致意见。若未达成一致意见，则按优先满足排序等级高的利益相关者需求的原则进行设计。

利益相关者通常包含各种预期的用户、航空产品赞助方、投资者、使用者、制造者、维修维护人员以及研发者等。通常将识别出的利益相关者以列表的形式表示，表中应表现出利益相关者的名称、类型、与产品的利益关系和重要性排序。

4.2.2 背景环境分析

背景分析是在所要研发的航空产品想定的全生命周期的基础上开展的，自该航空产品总装完成起到报废的全生命周期时间内，人为地把这段时间划分为几个不同的阶段，分析在定义的每一个阶段中与该产品系统发生直接交互的人员、环境、外部设备设施等，并从中提取出航空产品系统的需求。背景环境分析的具体流程见图5。

4.2.3 状态/模式分析

要分析航空产品的状态/模式，首先要识别出该产品全生命周期中所存在的状态和模式。状态是指某事物的状况，应用到航空产品，可以把该产品长期维持一定的特性，各个性能参数并没有发生过大变化，称之为一个状态。通常状态的划分是人为根据工程经验对产品进行划分而得来的，状态的划分要确保无交叉、无覆盖，譬如对直升机而言常见的有故障状态、正常飞行状态等；模式是一个与功能相关的概念，通常是一系列功能的集合，因此通常也称为“操作模式”。产品的模式也是人为划分的，例如直升机有悬停模式。

在识别出模式/状态后，要分别画出状态和模式之间的转换关系。即状态转换表、状态转换图、模式转换表和模式转换图。状态/模式分析具体流程见图6。

4.2.4 功能分析

功能分析的成果是一系列功能需求和性能需求，通常也被称为“功能树”，功能分析贯穿分解的各个层级，自上而下逐层分解，直至所有功能都在分解的最低层，且最底层的功能只能对应于某一单独设备来完成，分析所得功能树形式见图7。

4.2.5 语法分析

语法分析的目的是使条目化后的需求规范、易读。该步骤要求按照系统工程需求规范要求来检查需求，使条目化后的需求每条都满足准确、简洁、无歧义、独立、可验证。语法分析是从形式上检查单个需求条目的质量，往往会考虑需求条目的各个元素的内容。需求的语法分析的内容主要包括主语、活动条件、活动对象、活动约束等，具体见图8。

4.2.6 设计需求分析

设计需求分析的目的是识别出需求中的设计内容，并进行确认。设计需求一般是由利益相关者指定，对航空产品而言，一般表现为投资方下发的技术要求文件。

4.2.7 验证需求分析

验证需求与系统需求开发同步进行，用于明确需求源的验证方法及结果。验证需求与系统研制规范中的需求要一一对应，每条需求验证内容应包含需求源的序号、所在文档、具体章节、验证通过准则等[5]，具体见图9。

5 结论

系统工程作为一门年轻的学科，经历了半个多世纪发展，但它的普遍适用性使其应用日趋广泛，这一点已经在国内外众多大型项目应用中得到证实。本文内容依托作者所做项目经验，详细总结介绍了系统工程在航空产品研发初级阶段的应用，促进了系统工程的应用推广，该阶段的工作有利于保障航空产品研发后续工作的顺利进行。同时由于系统工程方法的普遍使用性，本论文工作可为其它项目工作提供参考。

[1] 王崑声,袁建华.国外基于模型的系统工程方法研究与实践[J].中国航天,2012,(11).

[2] Ed Benkert. Aerospace Training-Hardware Development Process[Z].Honeywell Inc, 2012.

[3] INCOSE-TP-2003-016-02 Systems Engineering Handbook Version 2a [S]. 1 June 2004.

[4] DoD SERC. Transforming System Engineering through Model-Based Systems Engineering[Z].2014.

[5] 陈文英，张兵志.基于体系工程的武器装备体系需求论证[J].系统工程与电子技术，2012，34(12)：2479-2484.

Research on Application of Systems Engineering in Primary Stage of Aviation Product Development

LI Heng, LV Chunlei

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

This paper first briefly introduced the development of systems engineering, and the situation to popularize and apply for the major project both at home and abroad in recent years. Then analyzed the application range of the systems engineering, and pointed out that the core of the work was processing requirements in the primary stage of aviation product development. Also introduced the definition and classification of requirements, and the definition and the importance of requirements engineering. Introduced the requirements analysis workflow in the primary stage of aviation product development, which played a guiding role in the application of systems engineering to the aviation product development. The method was helpful to ensure aviation product development success. In addition, the adaptability of the analysis process was strong, which had the widespread promotion, it could provide a reference for research and development of other kinds of products.

systems engineering; aviation product development; primary stage; requirements analysis

2016-08-16

李 恒(1992-)，男，河南南阳人，硕士研究生,研究方向：飞行器设计。

1673-1220(2017)01-045-05

V221

A