系统工程在大型客机运行支持系统研制中的应用综述

马小骏，彭焕春

1. 中国商用飞机有限责任公司，上海 200126 2. 上海飞机客户服务有限公司，上海 200241

大型客机作为特殊的商品，除了设计和制造满足相应适航标准外，根据用途和使用环境，其运行和维修还要满足相应运行规章的要求，以保证持续飞行安全的要求。中国民用航空局要求国产民机主制造商必须建立运行支持体系，作为航空器适航取证与运行批准的重要部分。

本文基于商用飞机系统工程思想，定义大型客机运行支持系统的研制方法与研制过程，并融入型号研制过程中，确保产品运行和运行支持需求落实到设计制造过程中，并符合中国民用航空局航空器评审(AEG)与运行支持体系建设要求。

1 研究思路

目前大型商用客机研制主要基于系统工程的思想，按照SAE ARP 4754A《民用飞机和系统研制指南》[1]开展系统与飞机的研制工作，包括从利益攸关方需要定义，到飞机及系统的功能分析、需求定义、架构定义、设计综合与权衡、产品集成、验证与确认，到最终交付运营与报废处置，使得民用飞机产品能够在全生命周期符合安全性和适航审定需求[2-3]。但是对于作为影响大型客机运行安全性和可靠性的运行支持系统的研制，目前仅中国民用航空局飞行标准司发布了一份管理文件对于运行支持系统研制的任务给出了明确定义，但是尚未完全按照系统工程思路进行，无法有效地与飞机产品进行产品集成，与产品研制过程进行过程集成，使得运行支持需求无法有效落实到设计制造中去，而运行支持需求也无法有效通过已定义的流程得到落实，无法满足未来客户运营的需求。

运行支持系统设计是飞机总体设计的重要组成部分，两者的关系如图1所示。在产品概念设计和初步设计阶段，运行支持系统设计为飞机总体设计提供产品在维修与飞行运行方面的设计约束，而飞机总体设计则通过维修性、可靠性以及驾驶舱和客舱设计使得产品具有较好的可运行性和维修性，并为运行支持系统设计过程中的维修工程与飞行运行工程提供飞机总体设计输入。

本文基于波音[4]、空客[5]以及中国商飞[6]采用的商用飞机系统工程思想，对大型客机运行支持系统的研制方法和研制过程进行了详细阐述，主要研制思路如图2所示，实现运行支持系统的研制能够集成到飞机产品研制过程[7]，最终实现飞机运行顶层设计指标(如签派可靠性、日利用率和直接维修成本)，满足客户运营需求，提升国产大型客机的运行安全性和可靠性，提升国产大型客机的产品竞争力。

图1 运行支持系统设计与飞机总体设计的关系Fig.1 Relation between aircraft conceptual design and operation support system design

图2 运行支持系统工程路线图Fig.2 Operation support system engineering roadmap

2 利益攸关方需要分析

研制运行支持系统的第1个步骤是利益攸关方需要的捕获。首先需要完整地识别利益攸关方清单。与大型客机运行支持工作相关利益攸关方包括但不限于飞机主制造商、飞机客户、飞机运营商、适航当局、系统供应商、机场、空管机构、机组、乘客、地勤人员、维护人员、售后支持人员、环境保护组织、培训人员、市场人员、法律人员、子系统供应商等。

此外为了更好地识别利益攸关方的需要，便于后续开展功能分析工作，应在早期建立运行概念(ConOps)场景，即从产品运行中操作人员(如飞行机组、客舱机组、维修人员和运行控制人员)和用户(如航空公司和乘客)等角度，描述预期的系统如何在预定环境中运行，基于运行概念从而形成支持概念(Support Concept)，描述培训和产品支持，包括维护、培训、后勤物流、支持活动、人员和设施等。

3 系统架构

基于商用飞机系统工程理念[8]，作为民机主制造商关注系统为民用飞机产品系统。民用飞机产品系统是整个航空运输系统的重要组成部分，民用飞机产品系统包括最终产品(即民用飞机本身)和一系列使能产品。使能产品包括飞机研发使能子系统、飞机生产使能子系统、飞机部署交付使能子系统、飞机培训使能子系统、飞机运行与维修支持使能子系统和飞机处置使能子系统。

大型客机运行支持系统由飞机培训使能子系统和飞机运行与维修支持使能子系统组成。结合商用飞机航空服务最佳实践[4-5]，建议将大型客机运行支持系统划分为产品培训使能系统、产品维修支持使能系统、产品飞行运行支持使能系统和产品运行数据分析使能系统4个子系统，每一个使能系统又由一系列运行支持使能产品组成，使能产品主要包括软硬件设备类、程序与数据类、器材类、人员类和设施类，具体分解如图3所示。

当然，运行支持系统架构的层级不是永恒不变的。随着研制过程的进展，层级也在不断演变。由于特殊客户要求，经过权衡演化后，可能会产生新的层级。例如在系统设计早期阶段，地面支持设备尚未经过维修任务分析无法形成具体的设备清单，但在详细设计阶段随着产品设计构型和维修任务初步明确，地面支持设备使能产品又可以分解为具体的设备项目。

图3 运行支持系统架构Fig.3 Operation support system architecture

4 功能分析

基于利益攸关方需要捕获，对于系统工程来说最为重要的工作就是开展运行支持系统的功能分析。功能分析的主要工作包括功能识别、功能定义、功能架构生成和功能架构确认。

运行支持系统的主要功能为运行支持系统能够为客户提供的各类服务和解决方案。基于民用航空服务最佳实践，建议将运行支持系统主要功能划分为提供培训解决方案、提供维修解决方案、提供飞行运行解决方案和提供数字化航空与数据分析解决方案，并且根据服务类型和服务对象进一步分解。建议的运行支持系统的功能架构和功能定义如表1所示。

基于运行支持系统功能定义，后续需进一步开展系统性能需求定义和系统约束确认，形成运行支持系统完整的系统需求，并基于运行支持系统架构将系统级需求进一步分解至运行支持使能产品。

续表

注： AOG—飞机停场，即飞机因故无法签派放行。

5 性能需求与约束

5.1 性能需求

性能需求指需求定义的任务或者功能需要被执行的程度。运行支持系统的性能主要包括两个部分：首先是能够支撑民用飞机产品系统实现的顶层性能指标，例如日利用率、签派可靠度以及直接维修成本等指标；其次是运行支持系统自身能够提供培训以及支持能力，具体详见表2。

5.2 适航与运行规章约束

运行和持续适航规章是运行支持过程的输入之一，中国民用航空局发布《民航局关于航空器制造厂家建立运行支持体系的指导意见》(民航发[2014]94号文)以及AC-91-10R1和MD-FS-AEG006对运行评审和运行支持体系建设提出详细的需求。其中运行需求约束包括CCAR-91部、121部、135部以及相关的咨询通告和管理文件，此外要考虑民航运输业发展产生的航行新技术要求等，包括基于性能导航(PBN)、电子飞行包(EFB)、平视显示器(HUD)、自动相关监视(ADS-B)等；维修需求约束包括CCAR-43部、AC-121-53、AC-121-55等咨询通告要求；设备类需求约束包括CCAR-60部、AC-121-FS-2009-31以及相关的咨询通告等；器材类需求约束包括AC-121-58等；文件类需求约束包括咨询通告AC-91-24和AC-91-11等；人员类需求约束包括CCAR-61部、65部、66部和AC-121-FS-2008-27等；运行支持机构类规章约束包括CCAR-142部、145部、147部及相关的咨询通告等。

表2 运行支持系统性能需求定义

注： MTBF—平均故障间隔时间; MTBUR—平均非计划拆换间隔时间。

5.3 标准与规范约束

大型客机投入运行后纳入整个民用航空运输系统，因此运行支持产品的研制需要符合美国航空运输协会(ATA)、欧洲宇航与防务组织(ASD)、国际民用航空(IATA)等行业规范的约束，以保证运行支持系统与当前民用航空运输系统接口的兼容性。运行支持需符合的ATA规范包括MSG-3[9]、Spec 42[10]、Spec 101[11]、Spec 2000[12]、Spec 2200[13]、Spec 2300[14]和世界航空公司和供应商指南(WASG)[15]等。运行支持需符合的ASD规范包括S1000D[16]、S2000M[17]、S3000L[18]、S4000P[19]和S5000F[20]等。运行支持需符合其他约束包括航空工业计算机辅助培训规范(AICC)、飞行模拟器设计和性能数据要求(IATA)[21]、训练用飞机机载设备与软件设计指南(ARINC 610C)[22]等。

5.4 预期运行环境约束

6 接 口

运行支持系统由大量运行支持使能产品构成，彼此之间存在相应功能接口和物理接口，此外运行支持使能产品可能与飞机产品存在大量功能接口和物理接口。本文重点关注设备类使能产品的接口，暂不考虑人机接口。飞机产品与运行支持系统的主要接口包括以下几个方面：

1) 地面服务接口。主要包括食品服务、清洁、货物配载及加油接口。建议针对航空公司及机场使用的所有服务设备，形成一份完整的物理及功能说明。

2) 维修接口。航空公司使用的维修设备差异较大，获取维修设备特性十分重要。需要考虑各类地面支持设备和工具与飞机接口的匹配性。此外，还需要考虑数字化维修系统与机载维护系统的接口。

3) 服务设施接口。需要考虑机场运行设施和维修设施与飞机的外部接口。

4) 数据通信接口。数据通信是少数没有物理接口的领域之一，考虑空地数据链，主要包括卫星通信(SATCOM)和飞机通信寻址与报告系统(ACARS)，以及机场地面无线通信链路(GATELINK)接口需求。

7 顶层设计综合

商用飞机系统工程研究的顶层系统是民用飞机产品系统，当执行顶层设计综合时，必须对民用飞机产品系统进行综合，而不仅仅是飞机产品本身。产品运行支持系统是民用飞机产品系统的重要子系统，其顶层需求来源于民用飞机产品系统的顶层需求。

民用飞机产品系统主要包含17个顶层需求，这些需求需要针对飞机产品、运行支持系统、航空公司运行控制系统、维修系统和机场系统进行集成和鉴定。因此这些需求不仅将影响飞机产品的顶层设计，同时也会影响产品运行支持系统的设计，本文列出这些顶层需求设计综合需要考虑的要素，并且分解至运行支持系统的4个子系统，具体如表3所示。

表3 运行支持系统顶层需求设计综合Table 3 Design integration of top-level requirement of operation support system

续表

8 使能产品设计综合

8.1 产品培训使能产品

提供飞行机组培训、提供维修人员培训、提供客舱机组培训和提供运行控制人员培训等4个顶层功能需求将分解至对相关设备、资料、教员和设施等使能产品需求。对于各类培训使能产品的需求适航规章有明确定义，更多关注产品培训性能需求的分解。此外，培训设备需求如飞行模拟机需求会分解至飞机驾驶舱和机载系统设计综合，具体参见ARINC 610C。飞行教员经历培养需求将对飞机运行试飞周期产生影响。

8.2 产品维修支持使能产品

提供维修程序功能需要与飞机和系统维修性设计开展设计综合，特别是维修程序验证需要全机验证综合考虑。提供地面设备需要考虑与系统接口设计综合。对于数字化维修系统需要考虑与飞机机载维护系统开展设计综合，提升维修效率。

林泰安性子强，爱打抱不平，村里人打官司写状纸老找他。也真怪，别人写状纸，官司打输了，再请他重写状纸，官司一准能打赢。

8.3 产品飞行运行支持使能产品

提供飞行机组操作程序和客舱机组操作程序需要与飞机驾驶舱设计开展设计综合，特别是人机工程和工作负荷分析。提供电子飞行包(EFB)需要与飞机驾驶舱、信息系统、机组操作程序开展设计综合。提供主最低设备清单需要对于飞机与系统安全性分析、操作程序和维修程序开展设计综合。

8.4 产品数据分析使能产品

提供各类产品数据分析的需求对于飞机机载维护系统和信息系统设计综合有直接影响，需要明确飞机需要记录的故障信息和维修消息，以及各类飞机状态监控参数需求。此外空地数据传输需求需在飞机通信系统以及机场地面设施需求设计综合考虑。

9 验证与确认

9.1 验证思路

相比适航规章对飞机产品验证的需求、符合性验证方法有着明确的定义。对于运行支持系统的验证目前尚未有明确的规章要求。根据SAE 4754A《民用飞机与系统研制指南》的描述，结合运行支持系统验证的特点，建立了产品运行支持系统验证思路如图4所示。

图4 运行支持系统验证思路Fig.4 Verification roadmap of operation support system

9.2 验证方法

在运行支持系统验证中，部分运行支持使能产品不需要直接向局方表明适航符合性，但需要表明产品与客户和运行要求的设计符合性。为了使验证方法尽可能规范，在运行支持系统验证规划中尽量保持了验证方法与局方适航符合性验证方法的一致性。对于部分不能使用民用飞机适航符合性验证方法的使能产品(如软件)，单独进行了验证方法的定义。

结合局方要求和运行支持使能产品验证的特殊性，运行支持系统验证共定义了符合性声明、说明性文件、分析/计算、书面检查、检查、试验室试验、地面试验、飞行试验、模拟器试验、设备合格性、软件测试等11种方法，各验证方法的描述如表4所示。

9.3 验证项目

产品运行支持系统验证项目如表5所示，主要包括需验证的运行支持使能产品。

表5 产品运行支持系统验证项目

10 运行评审

商用飞机制造商取得民航当局颁发的航空器型号合格证表明该型产品已具备基础的安全飞行适航性，但根据用途的不同，航空运营人使用该民机产品运行时，局方按照运行规章规定，还要对民机产品的设备、维修、训练和手册等提出要求，以确保该民机产品在上述几个方面能够满足不同运行条件、环境、标准和程序的要求，最终保障公众利益和旅客生命财产的安全。

大型客机在投入运行前，需要根据产品未来用途选择增加相应的机载设备以及更改布局、制定运行和维修文件、确定飞行机组和其他运行人员训练标准等一系列工作，这些工作如果不在产品取得型号合格证时完成，即使航空器运营人接收了飞机，由于受到运行规章的限制，还是难以将该机型投入到运行中去。根据民航局要求，解决这一问题的有效办法就是局方航空器评审组(AEG)在航空器型号合格证审定过程中开展相关的运行评审，全面搭建主制造商与运营人之间的桥梁，通过这一桥梁，使得大型客机产品能够顺利交付并投入运行。

按照CCAR-21部，申请型号合格证的民机产品在首次投入运行前应当经过AEG评审，评审内容如表6所示。

表6 航空器评审组织与项目Table 6 AEG organization and review items

11 过程定义

11.1 过程模型

根据SAE ARP 4754A《民用飞机与系统研制指南》的要求，民用飞机产品研制遵循V模型，包括飞机概念设计、飞机功能定义、将飞机功能分配到系统、系统架构设计、将系统需求分配到设备、设备的实现、设备的集成和验证、系统集成和验证、飞机集成和验证、飞机确认等过程，大型客机运行支持体系作为保证飞机能够安全可靠运营和维护的使能产品集合，其研制也共同遵循飞机与系统研制模型。在运行支持产品研制实现过程中，产品运行符合性工作应在飞机与系统研制过程中实现，产品运行支持产品研制和运行支持体系的建立是一个单独的研制过程，如图5所示。

类似于制造使能系统建立过程与飞机研制过程的关系，大型客机运行支持系统与产品研制关系如表7所示。一方面在飞机设计过程的初始就要考虑维修、飞行运行和培训的需求，此外需要通过运行支持过程通过专业的工程分析活动识别民用飞机维修、飞行运行和培训的任务和程序，并识别程序执行所需资源和使能产品(包括设备、文件、器材、人员和设施)，并在型号研制过程中完成各类运行支持产品的开发。

图5 运行支持系统研制过程Fig.5 Development process of operation support system

表7 运行支持系统过程模型Table 7 Process model for operation support system

注： X代表制造、维修、飞行运行

11.2 运行符合性

飞机设计必须充分考虑运行符合性目标，明确和落实设计要求，并在型号审定过程中与局方协调作为相应的审定基础或专用条件。运行符合性设计应当至少考虑以下方面：

1) 符合运行政策的基本要求：如最小机组、噪声、燃油排泄和排气、水上迫降、全机应急撤离程序演示等。

2) 基本飞行设备：包括目视、仪表、夜间、结冰及延程运行等所要求的设备。

3) 应急和救生设备：包括基本和与运行范围(如延伸跨水运行、高空飞行等)所要求的应急和救生设备。

4) 通讯、导航和监视设备：包括基本和与运行标准(如基于性能导航RNP/RNAV、RVSM、低能见度运行等)所要求的通讯、导航和监视设备。

5) 记录设备：如飞行记录器(FDR)、快速存取记录器(QAR)等。

运行符合性设计应当对项目的基本构型、衍生构型和选装构型分别进行考虑，并融入项目阶段目标、构型管理和型号合格审定计划(PSCP)之中。运行符合性的实现需要将运行需求融入到飞机研制的各个过程中加以实现，在运行支持过程中主要关注运行符合性清单的制定。在飞机交付运行之后，还应当基于运行规章和客户需求的变化，及时启动相应的设计改进。

11.3 产品培训

作为主制造商的责任和义务，应当为航空运营人或所有人的各类专业人员，包括飞行机组、维修人员、客舱机组、运行控制人员提供必需的培训，并符合民航局相应的合格审定和客户的需求。

在飞机研制阶段型的主要任务为建立满足运行规章和客户需求的人员培训系统，主要活动包括：

1) 开展培训需求分析，形成型别等级培训大纲。

2) 研制培训所需的模拟培训设备。

3) 编制培训所需的培训教材。

4) 培养培训所需的培训教员。

5) 建设培训所需的培训设施。

6) 编制培训管理规范，培训机构获得必要的资格批准。

飞机投入运行后主要任务为对客户提供培训服务，主要包括：

1) 为飞行机组提供必要的培训，包括初始培训、转机型培训、定期复训、重新获得资格培训、差异培训等。

2) 为维修人员提供必要的培训，包括总体熟悉培训、航空机械ME(I类和II类)培训、航空电子AV(I类和II类)培训、金属和复合材料结构维修培训等。

3) 为客舱机组提供必要的培训，包括转机型培训和定期复训。

4) 为运行控制人员提供必要的培训，包括签派员机型培训、性能工程师、载重平衡培训和特殊运行培训等。

5) 支持客户和第三方培训机构的运行，提供必要的干租、湿租和技术支持服务。

11.4 产品维修支持

维修是保证飞机持续适航的基本工作，维修支持也是决定飞机可持续使用寿命的决定因素。维修支持工作不论由谁提供，都离不开主制造商相关体系的支持，在型号投入运行的初期，还需要制造商自身直接提供。主制造商应当考虑能对所研制型号飞机提供全方位的维修支持服务。

在飞机研制阶段主要任务为建立满足运行规章和客户需求的维修支持系统，主要活动包括：

1) 开展维修工程分析，识别航线维修或定期检修能力所需的维修任务和维修资源，确定计划维修任务的维修间隔，编制维修大纲和维修计划文件。

2) 研制为客户或第三方维修机构建立航线维修或定期检修能力提供需要的专用设备、软件和工具。

3) 建立与机队规模和布局相适应的航材供应能力，包括建立最低库存、航材运输保障、飞机停场(AOG)订货等全面的航材供应服务体系。

4) 编制维修手册或持续适航文件，明确航线维修或定期检修的方法、技术要求或实施准则。为保证持续适航文件的完整性和可操作性，应当在首架飞机交付前完成维修程序的验证。

5) 培养同时具备相应的专业知识和相应的维修经历的维修工程师。

6) 建立为客户或第三方机构在飞机维修过程中遇到的工程技术问题提供技术支援的工程技术支持体系。

7) 通过自主、合作或协调供应商等方式建立各级飞机定期检修及发动机和部件维修能力，并获得CCAR-145部的批准。

飞机投入运行后主要任务为对客户提供维修支持服务，主要活动包括：

1) 基于客户实际运行情况编制客户化的维修方案，并根据客户实际运行可靠性数据不断优化维修程序和维修间隔。

2) 持续完善为客户或第三方维修机构建立航线维修或定期检修能力提供需要的专用设备、软件和工具，并提供所需的技术支持。

3) 持续修订完善飞机制造商提供的各类维修手册和持续适航文件，并分发至客户。

4) 为客户或第三方维修机构提供航材供应、租赁、交换、送修、物流等服务。

5) 建立为客户或第三方机构在飞机维修过程中遇到的工程技术问题提供所需技术支援，涉及到的设计更改通过服务通告(SB)等客户服务文件的形式通知客户。

6) 为机型提供定期检修、飞机改装和升级和部件维修服务。

11.5 产品飞行运行支持

一种全新型号商用飞机首次投入商业运行时，制造商的飞行运行支持是飞机顺利投入运行的基本保证，尤其是帮助客户建立对某些运行规章要求的符合性和全面掌握机型的使用和操作。为此，制造商必须为客户提供全方位的飞行运行支持服务。

在飞机研制阶段主要任务为建立满足运行规章和客户需求的飞行运行支持系统，主要活动包括：

1) 开展飞行和运行程序的任务分析，确定驾驶员和客舱乘务的正常、非正常和应急操作程序，确定运行控制人员所需飞机签派放行的技术条件。

2) 研制为客户操作提供方便的飞行运行支持工具，包括飞机性能分析、载重平衡控制工具、电子飞行包等。

3) 编制运行文件，明确的机组操作、乘务操作和签派放行的方法、程序、技术条件、或实施准则。为保证运行文件的完整性和可操作性，应当在首架飞机交付前完成操作程序的验证。

4) 建立为客户在飞机飞行和运行控制过程中遇到的技术问题提供技术支援的飞行、运行和性能的支持体系。

5) 培养具备相应的飞行运行经历，并具备适当的工程知识的技术飞行员和运行工程师。

6) 完成运行规章要求的全机应急撤离程序的演示。

7)为每一客户的首架飞机投入运行提供航线带飞。

飞机投入运行后主要任务为对客户提供飞行运行支持服务，主要活动包括：

1) 持续修订完善飞机制造商提供的各类运行文件，并分发至客户。

2) 为客户提供飞行技术支持，包括飞行技术咨询、本场/航线带飞支持、机组运行评估和飞行品质分析等。

3) 为客户提供运行技术支持，包括特殊运行和航行新技术方面的技术支持、运行技术指导，涉及到的操作程序的变更通过各类运行类通告的方式通知给客户。

4) 针对制造商为客户操作提供方便的飞行运行支持工具，包括飞机性能分析、载重平衡控制工具、电子飞行包提供运行产品支援。

5) 为客户提供飞机性能支持，包括新开航线论证、起飞/复飞一发失效应急程序和航路飘降程序设计以及飞机性能监控等。

11.6 产品运行数据分析

产品运行数据的收集和分析是航空器持续适航工作必不可少的重要环节，也是适航规章和运行规章都提出要求的工作。此外基于收集客户的使用反馈信息和运行信息的大数据分析对于提升飞机运行的安全性、可靠性和经济性具有重要的意义。

在飞机研制阶段型主要任务为建立满足运行规章和客户需求的使用信息收集和处理体系，主要活动包括：

1) 建立能够全面及时地收集、记录和处理用户反馈的信息，并且能够提供及时的快速响应体系。

2) 建立全面的运行数据分析体系，包括航线飞行安全分析系统、飞行品质分析和燃油经济性分析系统等。

3) 建立全面的维修数据分析系统，包括实时监控和健康管理系统、可靠性数据管理系统等。

4) 为每一客户准备现场服务代表。

飞机投入运行后主要任务为对客户提供使用信息收集和处理服务，主要活动包括：

1) 能够全面及时地收集、记录和处理用户反馈的信息，并且能够提供及时的快速响应。

2) 为客户提供快速存取记录器(QAR)数据译码、飞行安全性分析、飞行品质分析、燃油经济性分析等服务。

3) 为客户提供飞机状态实时监控、故障诊断、故障预测、维修决策支持、维修品质分析和可靠性管理等服务。

12 结 论

首次将国产民机主制造商运行支持系统建设与商用飞机系统思想相结合，全面分析了大型客机运行支持系统研制与运行全过程，并应用于国产民机型号研制实践中。此外，本文抽象部分型号研制细节，定义产品运行支持系统全生命周期过程模型，并为国内其他民机项目运行支持体系建设提供参考，期望能够弥补此前国产民机型号研制“重产品设计轻产品运行维修”的缺陷，从而保证国产民机项目在满足适航的型号合格审定和运行评审的同时，能够满足客户实际运行安全性和经济性需求，从而提升国产大型客机产品竞争力，最终走向市场成功和商业成功。