工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計_2 飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程及壽命周期

1、工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計章文晉 北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院第二章 飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計內(nèi)容提要1.飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程2.飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程內(nèi)涵3.飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程過程北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器系統(tǒng)地-空系統(tǒng)空勤人員地勤人員動力裝置地面搜索與跟蹤雷達(dá)飛機(jī)系統(tǒng)機(jī)體飛機(jī)防空作戰(zhàn)系統(tǒng)航電分系統(tǒng)地面保障設(shè)備北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程v 飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程隸屬于工程系統(tǒng)工程范疇v 它的學(xué)科基礎(chǔ)是飛行器設(shè)計v 它是應(yīng)用于現(xiàn)代飛行器研制的系統(tǒng)工程，是組織和管理飛行器研制的規(guī)劃、研究、設(shè)計、

2、發(fā)展、試驗(yàn)、生產(chǎn)、使用和保障全過程的系統(tǒng)方法和工程技術(shù)系統(tǒng)工程工程系統(tǒng)工程飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和方法應(yīng)用對象應(yīng)用范圍目的各類飛行器（包括航天類、規(guī)劃、設(shè)計、制造、試驗(yàn)、使用保障的 全過程使各類飛行器研制達(dá)到最優(yōu)化（獲取最大效益）從飛行器系統(tǒng)整體出發(fā)，分析與綜合的迭代方法航空類、民用飛行器）、北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程內(nèi)涵系統(tǒng)工程過程工程專業(yè)綜合系統(tǒng)分析和控制北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)工程過程是一種技術(shù)處理過程，該過程由一系列的工程工作和決策的邏輯程序組成，其目的是將飛

3、行器系統(tǒng)的任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)性能參數(shù)的描述，并確定出飛行器系統(tǒng)的最優(yōu)配置。系統(tǒng)工程過程的主要功能是以一套規(guī)范化的方法和程序從任務(wù)需求中完整 地導(dǎo)出量化的系統(tǒng)技術(shù)要求，并確定能滿足這些技術(shù)要求的系統(tǒng)最優(yōu)配置。這本質(zhì)上是一個先導(dǎo)的工作過程，推行這一工作過程就能對整個設(shè)計進(jìn)程 起指導(dǎo)作用，并確保設(shè)計工作取得成功。系統(tǒng)工程過程的主要工程活動是系統(tǒng)分析和綜合。通過任務(wù)要求分析和功能分析把任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為功能要求，并籍助隨后進(jìn)行的技術(shù)要求分配進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)較低層次上的技術(shù)要求，從而使系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件能據(jù)以進(jìn)行設(shè)計。而綜合則是從系統(tǒng)總體的觀點(diǎn)，按給定的詳盡程度保持設(shè)計的完整性（應(yīng)當(dāng)包括組成系統(tǒng)的各個要素

4、：硬件、軟件、人員、設(shè)施和數(shù) 據(jù)）。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計工程專業(yè)綜合工程專業(yè)的綜合是將與飛行器的研制有關(guān)的各個工程專業(yè)，諸如可靠性、維修 性、安全性、人素工程、軟件工程、生產(chǎn)工程、后勤工程、價值工程等工程專 業(yè)的工作協(xié)調(diào)地納入到系統(tǒng)的發(fā)展過程中，以保證它們能對設(shè)計工作施加影響，并最終滿足對飛行器系統(tǒng)規(guī)定的要求。從上世紀(jì)80年代末到90年代初，美國針對飛行器系統(tǒng)（和裝備系統(tǒng)）的技術(shù)要求越來越高，而可用資源卻日益減少的狀況，進(jìn)一步提出了“綜合產(chǎn)品研制”（Integrated Product Development）和并行工程（Concurrent Eugineering）的新

5、概念，強(qiáng)調(diào)在整個系統(tǒng)研制中，都應(yīng)將傳統(tǒng)的工程技術(shù)（如力學(xué)、機(jī)械學(xué)、空氣動力學(xué)、電子、電氣、動力、液壓等）和各專門專業(yè)（如可靠性、維修性、安全性、保障性工程等），以及試驗(yàn)工程、生產(chǎn)工程和后勤工程綜合到一起，并予以統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和管理。采用這種新概念進(jìn)行工程系統(tǒng)研制，可以大為減少設(shè)計與生產(chǎn)、使用、保障間的不協(xié)調(diào)，從而顯著地提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，并節(jié)省了研制時間和費(fèi)用。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計系統(tǒng)分析和控制系統(tǒng)分析和控制是使飛行器研制過程從輸入到輸出的可追溯性得以保持，并使其研制過程得到控制，以確保最終研制出的飛行器能符合用戶的需求。系統(tǒng)分析包括權(quán)衡分析、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析、風(fēng)險分析和

6、效能分析。系統(tǒng)分析可用來評價備選飛行器方案及其技術(shù)途徑、風(fēng)險是否能恰當(dāng)?shù)貪M足系統(tǒng)要求和指標(biāo)，為選擇最終的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案提供依據(jù)。系統(tǒng)控制包括技術(shù)性能測量、技術(shù)狀態(tài)控制和技術(shù)評審。其中， 技術(shù)性能測量是對飛行器系統(tǒng)的技術(shù)性能進(jìn)行連續(xù)的驗(yàn)證和控制過程；技術(shù)狀態(tài)控制是對已確立的設(shè)計基線進(jìn)行控制；技術(shù)評審則是對飛行器研制各階段實(shí)施里程碑控制的重要手段。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程內(nèi)涵任務(wù)需求系統(tǒng)工程過程系統(tǒng)技術(shù)要求系統(tǒng)最優(yōu)配置系統(tǒng)分析與 控制控制與管理工程專業(yè)綜合性能擴(kuò)展到效能工程設(shè)計北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程過程階段0：立項(xiàng)前的醞

7、釀階段1：方案探索與系統(tǒng)定義階段2：方案確定階段5：使用與保障階段4：生產(chǎn)與部署階段3：工程研制北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段0：立項(xiàng)前的醞釀可能結(jié)果不可行性論證觸發(fā)因素條件用戶的某種需要、外部的某種威脅 或新的技術(shù)機(jī)遇； 對一種新的飛行 器提出了需求。 但對這種新飛行 器是否予以立項(xiàng) 研制必須進(jìn)行醞 釀。進(jìn)行“飛行 器的可行性論證” 和“不可行性論 證”。一是立項(xiàng)論證這一項(xiàng)目 會帶來的問題、遭遇的風(fēng)險、 資源的浪費(fèi)、 對環(huán)境的影響 等等。被，若該建議書被正式批準(zhǔn)，方能啟動以下的研制程序。項(xiàng)目不成立。二是立項(xiàng) 通過論證， 提交項(xiàng)目 立項(xiàng)的正 式建議書。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工

8、程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段1：方案探索與系統(tǒng)定義 用戶（或使用部門，下同）的任務(wù)需求書（或戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)）； 約束條件（如資金限額，研制周期要求，環(huán)境條件等）。輸入 將用戶的任務(wù)需求，通過一系列規(guī)范化的程序轉(zhuǎn)化為飛行器的系統(tǒng)技術(shù)要求及滿足這些要求的基本系統(tǒng)方案，亦即定義所研制的飛行器系統(tǒng)。主要任務(wù) 確定系統(tǒng)是干什么的？（What to do?），而不是具體地設(shè)計系統(tǒng)，亦即不涉及系統(tǒng)是怎樣去實(shí)現(xiàn)這些（功能）要求的，（不回答How to do?）。核心工作 飛行器系統(tǒng)技術(shù)要求（一般以系統(tǒng)規(guī)范，或技術(shù)要求文件表述）； 飛行器基本方案輸出北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段1：方案探索與系統(tǒng)定義（注

9、意）滿足任務(wù)需求的系統(tǒng)方案有多個，所以必須進(jìn)行多方案探索，探索的方案越多，從中選出最優(yōu)方案的可能性也越大。除非存在極其特殊的情況（如作戰(zhàn)的緊迫需要），否則應(yīng)嚴(yán)禁進(jìn)行單一方案的設(shè)計。這一階段給出的系統(tǒng)要求應(yīng)是全面的，即不僅要給出性能要求， 功能要求；還應(yīng)給出使用、保障要求。因此，這一階段進(jìn)行的 系統(tǒng)方案探索也不應(yīng)只有技術(shù)方案的探索，還應(yīng)同時進(jìn)行使用 方案和保障方案的探索。即選擇的技術(shù)方案應(yīng)經(jīng)過使用方案的 驗(yàn)證。方案探索的結(jié)果是能提供“足夠的工程理由和實(shí)用性”，說明這一立項(xiàng)確實(shí)可行。“足夠的工程理由”是指所選擇的方案對給定的技術(shù)指標(biāo)留有余地，而不是方案勉強(qiáng)達(dá)到給定指標(biāo)?！皩?shí)用 性”，是表明所選擇的

10、方案是可靠的、實(shí)用的，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)呐κ强梢詫?shí)現(xiàn)的；而不是采用過多的新技術(shù)，需要邊預(yù)研、邊研制。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段2：方案確定 被確定 系統(tǒng)是如核何心構(gòu)工成作的？即確定系統(tǒng)的配置（技術(shù)狀態(tài)）。系統(tǒng)的配置確定了，系統(tǒng)方案也就確定了。 系統(tǒng)分析：將系統(tǒng)級的技術(shù)要求，按照系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能分析，將系統(tǒng)級的技術(shù)要求下傳并分配給各個分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件包括進(jìn)行風(fēng)險分析，辯識、估計并降低選定方案的風(fēng)險。 系統(tǒng)綜合：將系統(tǒng)的功能體系結(jié)構(gòu)映射為物理體系結(jié)構(gòu)，這樣才能得出構(gòu)建系統(tǒng)及其各組成部分的硬件、軟件、數(shù)據(jù)、設(shè)備及其接口的配置，才能最輸入主要任務(wù)輸出方案的體系結(jié)構(gòu)（功能體系

11、結(jié)構(gòu)、物理體系 結(jié) 構(gòu)）； 接 口 控 制文件； 系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范（經(jīng)批準(zhǔn)后形成功能 對初步選定的基本方案進(jìn)行深入的分析、研究及必要的演示驗(yàn)證，以便最終確定方案。 階段1的輸出： 即 飛 行 器 系 統(tǒng) 技 術(shù) 要 求和基本方案?；€）。終確定一個完整的系統(tǒng)。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段2：方案確定（注意）對階段1和階段2應(yīng)給予足夠的研制經(jīng)費(fèi)的支持。在我國的飛行器型號研制中，通常在研制初期的經(jīng)費(fèi)很少。一般要到設(shè)計工作結(jié)束，開始投產(chǎn)時才撥發(fā)較多的經(jīng)費(fèi)。這種在研制前期缺乏經(jīng)費(fèi)的現(xiàn)象會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，即使得前期的研制工作做得很不充分，大量是紙面的分析工作，缺乏對研制中要采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)

12、行必要的、充分的演示驗(yàn)證。據(jù)系統(tǒng)工程原理和大量的統(tǒng)計結(jié)果表明：階段1+階段2的研制費(fèi)用應(yīng)占研制總費(fèi)用的25%左右。這樣做的好處是： a. 使前期工作，尤其是關(guān)鍵技術(shù)的演示驗(yàn)證工作做得充分，大大降低型號研制的后期風(fēng)險。如美國的飛機(jī)研制，都要求承包商進(jìn)行原型機(jī)驗(yàn)證。這當(dāng)然會要求投入較多的經(jīng)費(fèi)。但是前期經(jīng)費(fèi)的投入不僅不會增加研制總經(jīng)費(fèi)，反而會降低它。 b. 據(jù)國外大量的飛行器研制統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：如果階段1+階段2的研制經(jīng)費(fèi)占研制總經(jīng)費(fèi)的25%，則最終研制總經(jīng)費(fèi)的超支僅為20%。如果階段1+階段2的研制經(jīng)費(fèi)只占研工程系統(tǒng)制規(guī)劃總與經(jīng)設(shè)計費(fèi)的5%（或以下），則最終研制總經(jīng)費(fèi)的超支可能達(dá)到12北0%航可靠1

13、性6與0系%統(tǒng)工程學(xué)院飛行器設(shè)計系統(tǒng)工程200100 15 30 北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計超過初期 C 階段保證的最終成本0-20A 和 B階段成本占研制成本的百分比階段3：工程研制輸入 階段2的輸出主要任務(wù)：飛行器的設(shè)計、制造、試驗(yàn)、外場試驗(yàn)（試飛）和定型，具體包括： 初步設(shè)計。在分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件的層次上，反復(fù)執(zhí)行系統(tǒng)工程過程，從而制訂出分系統(tǒng)規(guī)范等設(shè)計文件。 詳細(xì)設(shè)計。用設(shè)計來實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求，并完成有關(guān)零、部件的完整的產(chǎn)品設(shè)計。 生產(chǎn)準(zhǔn)備。完成產(chǎn)品規(guī)范，材料規(guī)范和工藝規(guī)范的制定，并根據(jù)生產(chǎn)條件和制造技術(shù)對修改、完善設(shè)計進(jìn)行反饋。 試生產(chǎn)。進(jìn)行小批試生產(chǎn)以支持試驗(yàn)和試飛，

14、并繼續(xù)向設(shè)計工作提供反饋信息，進(jìn)一步修改與完善設(shè)計。 試驗(yàn)與評定。試驗(yàn)與評定一般分為兩個階段，首先由研制部門進(jìn)行研制試驗(yàn)與評定。主要試驗(yàn)與評定飛行器性能、功能滿足任務(wù)需求的狀況。在研制試驗(yàn)與評定基本結(jié)束后，輸出應(yīng)：轉(zhuǎn)入使用試驗(yàn)與評定。使用試驗(yàn)與評定由使用部門進(jìn)行，使用試驗(yàn)與評定主要試驗(yàn)飛 行器的使用適用性（如作戰(zhàn)適用性，對使用環(huán)境的適用性等）。通過設(shè)計定型鑒定的飛行器； 設(shè)計定型鑒定。通過了設(shè)計定型的飛行器方能投入批量生產(chǎn)，并交付用戶使用。 與飛行器配套的保障系統(tǒng)；工程系統(tǒng)規(guī)成劃套與設(shè)技計術(shù)資料與文檔。北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院階段4：生產(chǎn)和部署輸入主要任務(wù)核心注意 對于批量很大的飛行器（如。段

15、最好分兩個階段進(jìn)行，以降低生產(chǎn)風(fēng)險：第一階段先以低速率進(jìn)行最初幾批產(chǎn)品的生產(chǎn)；發(fā)現(xiàn)問題后，及時修改生產(chǎn)工藝或材料、設(shè)備，北航然可后靠性轉(zhuǎn)與入系統(tǒng)第工二程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計 以合理的費(fèi)用生產(chǎn)出并交付能充分予以保障的飛行器系統(tǒng)。 對設(shè)計定型的飛行器投入批量生產(chǎn)，然后陸續(xù)交付使用部門予以部署 通過設(shè)計定型鑒定的全部設(shè)計資料階段5：使用和保障主要任務(wù)對該階段的系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)變更進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)控制；根據(jù)系統(tǒng)及其相配套的保障系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況， 測量并評價系統(tǒng)投入實(shí)際使用后的適應(yīng)性，使用可用性及效能；向系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)而又有效的保障；根據(jù)使用情況和新的需求，提出飛行器系統(tǒng)的改進(jìn)或改型計劃。輸出：廢棄物注意在早期就要考慮系統(tǒng)的報廢處置問題系統(tǒng)的使用和保障階段很長（約為15-20年，甚至更長）北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段5：使用和保障北航可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院工程系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計階段序號階段0階段1階段2階段3階段4階段5階段名稱立項(xiàng)前方案探索和系統(tǒng)定義方案確定工程研制生產(chǎn)和部署使用和保障里程碑012345本階段輸入 用戶需求 外部威脅 技術(shù)機(jī)遇 任務(wù)需求書 約束條件 系統(tǒng)技術(shù)要求 基本方案 系統(tǒng)規(guī)范 接口控制文件 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)計劃 生產(chǎn)工藝正式交付的飛行器及其保障系統(tǒng)