航空飞行器系统工程概论第7讲 系统工程组成
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19
系统工程通用过程--产品实现
产品实现过程采用自底向上的实现方法，包括产品制造 、总装、验证、 确认和交付等5个子过程。 评估过程包含“验证(Verification)”与“确认(Validation)”是两个性质相同 但目的不同的子过程。 在进行验证策划时，对系统要求文件中的每一条技术要求都规定用什么 产品或模型，在产品或模型的哪一层次、在什么阶段、采用什么途径和方 法、用什么设备、谁去实施验证以及验证通过的准则、验证结果报告等内 容。 确认通常由用户在真实使用环境或模拟条件下对已实现的最终产品能否 满足用户需求和期望而进行的证实。
系统中的技术在项目发展之前是稳定和成熟的（以节约成本）。
系统研发的里程碑决策
• 美国国防部对系统研发（采办）管理采用里程碑决策，TRA是里程碑 决策的一个重要部分。一旦在系统论证/设计等过程中识别出关键技 术元素（CTE），在里程碑B和C，该项CTE的TRL必须分别达到6和7才 能进入下一阶段。
系统研制程序中的技术成熟度评估
22
系统工程通用过程--技术管理
风险管理：由风险管理策划、风险识别、风险评估与分析、风险处置、 风险跟踪和控制等反复循环的活动组成。 数据管理：获取、贮存、分发、管理、保护和使用在技术工作中产生 的技术数据，以支持产品全寿命周期活动。数据管理的活动包括制定技 术数据管理的策略(如必需的技术数据内容、形式、电子数据交换接口、 技术数据流程等)、收集和贮存必需的技术数据、维护已贮存的技术数 据、向授权部门提供技术数据等活动。
TRA过程是一个系统化、基于度量的过程，伴随着一个对于系统中某 些被称之为CTE的特定技术的成熟度的评价报告。
一项技术被称之为CTE，要求这些技术必须是能够在可接受的成本、 进度范围之内满足系统性能需求必需的技术，而且该项技术是新技术 或该项技术以新的方式应用。
CTE在里程碑A时需满足TRL为3级，里程碑B时为6级，里程碑C时为7 级。这里的相关环境是仿真环境，运行环境是指真实环境。系统进入 演示/验证阶段，CTE必须在相关环境下经过验证，系统进入生产/部 署阶段，CTE必须在真实环境下经过验证。
技术成熟度等级（TRL，Technology Readiness Level）是一个描述关键 技术元素（CTE，Critical Technology Element）的技术成熟程度的九级 量度，技术成熟度是对技术满足项目目标的程度的度量。
航空飞行器系统研发与技术成熟度
TRA方法最早由NASA于20世纪70年代提出； 1975年，通用动力公司首次将TRA应用于NASA的航天飞机研究； 1976年应用于木星探测项目； 1977年应用于评估NASA太阳帆项目。 TRA被美国国防部借鉴并用于重大国防采办项目中，以确保主要武器
13
WBS 的 应 用 I 火 控 雷 达 子 系 统
14
系统工程通用过程
系统工程通用过程由从顶向下的系统设计、从低向上的产品实现过程 和技术管理等三部分组成。
15
NASA系统工程过程(systems engineering engine)
16
系统设计过程
系统工程过程
技术管理过程
产品实现过程
航空飞行器系统工程面临的挑战
例如： 787梦想客机借助了四项关键技术：新型发动机、更多使用轻型复合
材料、更高效的系统和先进的气动性能，它比当今同尺寸的飞机节省 20%的燃油。 但787也堪称波音史上交付使用拖延日期最长的飞机，原计划在2008 年5月交付，但受一系列技术因素影响，交付日期推迟了3年多。 对比波音777和波音787 的制造过程：从系统工程的角度看，什么原 因导致了拖延？
17
系统工程过程的组成
通用过程包括系统设计、产品实现和技术管理三方面内容，共包含17 个子过程。 系统设计过程：可细分为定义系统要求和确定系统技术解决方案的 2个部分，各有两个子过程。 产品实现过程：可细分为设计实现、评估和交付等3个部分，共5个 子过程； 技术管理过程，可细分为技术策划、实施、评估和决策分析的4个 部分，共8个子过程。 对通用过程中的每一个子过程，均详细规定其输入、子过程中需要 开展的活动、输出等三部分内容。
18
系统工程过程--系统设计
系统设计采用自顶向下、循环递归的设计方法，内容包括： 定义需求方（甲方、用户或利益攸关方）的期望并建立期望基线，即确 定“用户”的使用要求，建立可行的系统方案； 将使用要求转换为系统的技术要求：系统内部要求、系统与外部接口要 求、综合后勤支持要求。 根据技术要求，设计出能满足要求的设计解决方案。
20
系统工程通用过程--产品实现评估
验证（Verification)：
目的：通过提供客观证据证实已达到 规定的技术要求
依据：已批准的技术要求 主体：承制方 对象：过程产品，也可以是最终产品 时机：项目寿命周期的不同阶段进行
确认（Validation）：
目的：提供客观证据证实已达到预定 使用和应用要求
技术成熟度评价方法（TRA，Technology Readiness Assessment）已经 成为NASA在系统研发科研管理中考察技术发展状态的标准工具。
美国国防部2001年开始在采办项目中推行TRA，美国政府问责办公室 （GAO）2003年开始对国防部的主要武器采办项目实施TRA。
技术成熟度定义
8
系统工程过程
在现代飞行器的设计中，不能仅对飞行器的功能和性能提出 要求，而且在飞行器的概念和方方案论证中至少应回答下列 问题: 飞行器的基本飞行性能、飞行包线怎样？ 飞行器的典型飞行任务剖面是什么？ 飞行器的使用环境怎样？ 飞行器的战备完好性，任务成功概率怎样？ 飞行器的使用保障和维护要求是什么？ 飞行器的经济性怎样，使用寿命和寿命周期费用多少？
系统工程管理
研制阶段划分
系统工程 过程
全寿命周 期综合
与系统/故障/寿命周期
相关的工程专业
可靠性
维修性
安全性
保障性
测试性
可用性
经济性
环境适应性
……
2
飞行器系统工程过程
二十世纪40年代，以系统思想和可靠性为主线的工程专业 技术逐渐发展，被逐渐广泛应用于航空航天飞行器研制。 二十世纪60年代，美国国防部就开始把可靠性、维修性和 保障性标准同装备保障力密切联系在一起，通过一些列规范 和标准(如DoD5000,国防部指令)予以规定执行。 NASA系统工程过程与要求体系建立始于上世纪八十年代， 挑战者航天飞机失事后，NASA开始全面制定各种标准和手册 以规范系统工程过程与要求，经过多次修改，以此作为宇航 项目全寿命周期活动的依据与准则。
23
研制程序中的工程专业工作回顾
工程专业属性：可靠性、维修性、安全性…
要求 研
大纲 研
验证
制
制
R
方案论证 总
方案设计 任
工程研制
M
要
务
T
求
书
样
S
机
S
生产定型
设计定型
24
航空飞行器系统研发与技术成熟度
为了降低科研管理和项目采办中的技术风险，美国NASA和国防部分 别在其科研管理和项目采办中引入技术成熟度评价方法。
System Development and Demonstration 3）生产制造和部署阶段
Production and Deployment 4）使用和维护及退役处置阶段
Sustainment and Disposal
6
NASA系统研制阶段划分
NASA系统工程（NASA/SP-2007）手册将研制阶段划分为： 1）概念研究阶段
Pre-Phase A：Concept Studies 2）方案和技术开发阶段
Phase A：Concept & Tech Development 3）初步设计和技术实现阶段
Phase B: Preliminary Design & Tech Completion 4）最终设计和工程研制阶段
Phase C：Final Design& Fabrication
9
系统工程过程
传统的飞行器总体设计显然不足以全面回答上述问题。 必须通过系统工程过程，采用任务要求分析、功能分析和系统综合等一系 列规范化的工作和决策逻辑程序，将用户需求转化为对系统性能参数的描 述和经过优选的系统配置。最终得到满足系统性能和效能要求系统体系： 硬件、软件、人员、设施、使用条件……
依据：任务运作使用方案文件 主体：用户 对象：最终产品 时机：产品最终设计和制造完成
21
系统工程通用过程--技术管理
技术管理过程包括技术策划、技术控制、技术评估和技术决策分析等4 个子过程。其中技术控制包括要求管理、技术状态管理、接口管理、风 险管理以及数据管理等5个方面。 要求管理过程：用于管理产品技术要求；提供WBS各层次要求的双 向可追溯性；管理对技术要求的更改。 技术状态管理过程：包括技术状态的策划和管理、技术状态的标识、 技术状态的更改管理、技术状态的纪实、技术状态的验证等活动。 接口管理过程：在项目规划阶段，根据任务运作和系统使用方案，识 别内部和外部接口；在产品集成阶段，确保接口严格标识，与技术规范 共同支持总装程序。
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航空飞行器系统工程概论 第七讲
1
系统工程组成
系统工程涉及系统工程管理和工程专业两大领域。
System engineering consists of two significant disciplines: the technical knowledge domain in which systems engineer operates andagement. （ DoD5000）
航空飞行器系统工程面临的挑战
航空/航天领域正在经历的两个方面的跨越性加速发展 新概念飞行器和新材料/工艺和制造技术不断出现，引发了人们对传
统系统工程方法的深刻反思，一场系统工程革命即将到来。 例如， • 飞机材料从铝合金、钛合金、铝镁合金发展到非金属的复合材料； • 推进与动力和诸多功能系统在多电趋势中的复杂分工与综合； • 综合模块化航空电子技术导致采用更少的硬件共享核心计算资源； • 更多的功能靠软件去实现； • 组件之间、系统之间的相互作用与影响呈现出前所未有的复杂关系。
7
NASA系统研制阶段划分
NASA系统工程手册将研制阶段划分为： 5）系统总装、集成与试验
Phase D：System Assembly, Integration & Test 6）使用和维护阶段
Phase E:：Operation & Sustainment 7）退役与处置阶段
Phase F：Closeout， Disposal of Systems
3
飞行器系统工程的发展历史
NASA
系 统 工 程 手 册
DOD
系 统 工 程 基 础
4
退役处置
全寿命周期功能
培训
验证
使用
保障
设计/研制
部署
生产/制造
5
美国DOD系统研制阶段划分
DOD5000从采办和实现的角度将研制过程划分为四个阶段： 1）概念研究和技术开发阶段阶段
Concept and Technology Development 2）系统研制和演示阶段
飞机总体设计出版物目录一瞥
10
系统工程过程
系统工程过程是一个反复迭代、规范化的基于全寿命周期的 过程。包括寿命周期分析和通用过程两部分内容： 产品寿命周期：对产品寿命周期阶段进行划分，对每一阶段 管理活动进行规定； 通用过程：对系统的设计、产品的实现、技术管理提供相应 的过程、要求与方法。 通用过程适用于系统工作分解结构(WBS)中从顶层到底层的 每一个产品，WBS应被分解到能被建造、购买或重新使用。
11
航空飞行器系统工作分解结构
Work Breakdown Structure（WBS）
火控系统
12
WBS的应用
WBS的主要目的在于通过对系统工作按功能和逻辑进行分解，以保持 设计工作的可追溯性，并提供设计反馈和综合的途径。WBS元素同工 作承担组织构成了在更细层次上的任务定义和工作内容/费用的WBS控 制矩阵 例如：WBS---火控分系统
航空飞行器系统工程面临的挑战
波音787 实例： 波音787机体主要结构大规模地采用复合材料，由777飞机复材用量占
整机材料用量的12%大幅提高到50%，机身和机翼外壳几乎都由碳纤 维增强复合材料制成，仅少数机体部位应用铝合金或其他材料。与之 前的机型相比，它的维修成本可节省30% 由于将大量复合材料应用于机体结构，使得飞机的结构重量比大幅提 升，耗油率大大降低，而疲劳强度寿命成倍提高。 波音787对于传统的设计和生产流程所带来革命性的巨大冲击。 使飞 机的制造和装配技术发生了根本性变革。也给材料设计方法、加工工 艺、试验方法，以及研制程序及系统工程模式等都有可能带来颠覆性 的变化。
系统工程通用过程--产品实现
产品实现过程采用自底向上的实现方法，包括产品制造 、总装、验证、 确认和交付等5个子过程。 评估过程包含“验证(Verification)”与“确认(Validation)”是两个性质相同 但目的不同的子过程。 在进行验证策划时，对系统要求文件中的每一条技术要求都规定用什么 产品或模型，在产品或模型的哪一层次、在什么阶段、采用什么途径和方 法、用什么设备、谁去实施验证以及验证通过的准则、验证结果报告等内 容。 确认通常由用户在真实使用环境或模拟条件下对已实现的最终产品能否 满足用户需求和期望而进行的证实。
系统中的技术在项目发展之前是稳定和成熟的（以节约成本）。
系统研发的里程碑决策
• 美国国防部对系统研发（采办）管理采用里程碑决策，TRA是里程碑 决策的一个重要部分。一旦在系统论证/设计等过程中识别出关键技 术元素（CTE），在里程碑B和C，该项CTE的TRL必须分别达到6和7才 能进入下一阶段。
系统研制程序中的技术成熟度评估
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系统工程通用过程--技术管理
风险管理：由风险管理策划、风险识别、风险评估与分析、风险处置、 风险跟踪和控制等反复循环的活动组成。 数据管理：获取、贮存、分发、管理、保护和使用在技术工作中产生 的技术数据，以支持产品全寿命周期活动。数据管理的活动包括制定技 术数据管理的策略(如必需的技术数据内容、形式、电子数据交换接口、 技术数据流程等)、收集和贮存必需的技术数据、维护已贮存的技术数 据、向授权部门提供技术数据等活动。
TRA过程是一个系统化、基于度量的过程，伴随着一个对于系统中某 些被称之为CTE的特定技术的成熟度的评价报告。
一项技术被称之为CTE，要求这些技术必须是能够在可接受的成本、 进度范围之内满足系统性能需求必需的技术，而且该项技术是新技术 或该项技术以新的方式应用。
CTE在里程碑A时需满足TRL为3级，里程碑B时为6级，里程碑C时为7 级。这里的相关环境是仿真环境，运行环境是指真实环境。系统进入 演示/验证阶段，CTE必须在相关环境下经过验证，系统进入生产/部 署阶段，CTE必须在真实环境下经过验证。
技术成熟度等级（TRL，Technology Readiness Level）是一个描述关键 技术元素（CTE，Critical Technology Element）的技术成熟程度的九级 量度，技术成熟度是对技术满足项目目标的程度的度量。
航空飞行器系统研发与技术成熟度
TRA方法最早由NASA于20世纪70年代提出； 1975年，通用动力公司首次将TRA应用于NASA的航天飞机研究； 1976年应用于木星探测项目； 1977年应用于评估NASA太阳帆项目。 TRA被美国国防部借鉴并用于重大国防采办项目中，以确保主要武器
13
WBS 的 应 用 I 火 控 雷 达 子 系 统
14
系统工程通用过程
系统工程通用过程由从顶向下的系统设计、从低向上的产品实现过程 和技术管理等三部分组成。
15
NASA系统工程过程(systems engineering engine)
16
系统设计过程
系统工程过程
技术管理过程
产品实现过程
航空飞行器系统工程面临的挑战
例如： 787梦想客机借助了四项关键技术：新型发动机、更多使用轻型复合
材料、更高效的系统和先进的气动性能，它比当今同尺寸的飞机节省 20%的燃油。 但787也堪称波音史上交付使用拖延日期最长的飞机，原计划在2008 年5月交付，但受一系列技术因素影响，交付日期推迟了3年多。 对比波音777和波音787 的制造过程：从系统工程的角度看，什么原 因导致了拖延？
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系统工程过程的组成
通用过程包括系统设计、产品实现和技术管理三方面内容，共包含17 个子过程。 系统设计过程：可细分为定义系统要求和确定系统技术解决方案的 2个部分，各有两个子过程。 产品实现过程：可细分为设计实现、评估和交付等3个部分，共5个 子过程； 技术管理过程，可细分为技术策划、实施、评估和决策分析的4个 部分，共8个子过程。 对通用过程中的每一个子过程，均详细规定其输入、子过程中需要 开展的活动、输出等三部分内容。
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系统工程过程--系统设计
系统设计采用自顶向下、循环递归的设计方法，内容包括： 定义需求方（甲方、用户或利益攸关方）的期望并建立期望基线，即确 定“用户”的使用要求，建立可行的系统方案； 将使用要求转换为系统的技术要求：系统内部要求、系统与外部接口要 求、综合后勤支持要求。 根据技术要求，设计出能满足要求的设计解决方案。
20
系统工程通用过程--产品实现评估
验证（Verification)：
目的：通过提供客观证据证实已达到 规定的技术要求
依据：已批准的技术要求 主体：承制方 对象：过程产品，也可以是最终产品 时机：项目寿命周期的不同阶段进行
确认（Validation）：
目的：提供客观证据证实已达到预定 使用和应用要求
技术成熟度评价方法（TRA，Technology Readiness Assessment）已经 成为NASA在系统研发科研管理中考察技术发展状态的标准工具。
美国国防部2001年开始在采办项目中推行TRA，美国政府问责办公室 （GAO）2003年开始对国防部的主要武器采办项目实施TRA。
技术成熟度定义
8
系统工程过程
在现代飞行器的设计中，不能仅对飞行器的功能和性能提出 要求，而且在飞行器的概念和方方案论证中至少应回答下列 问题: 飞行器的基本飞行性能、飞行包线怎样？ 飞行器的典型飞行任务剖面是什么？ 飞行器的使用环境怎样？ 飞行器的战备完好性，任务成功概率怎样？ 飞行器的使用保障和维护要求是什么？ 飞行器的经济性怎样，使用寿命和寿命周期费用多少？
系统工程管理
研制阶段划分
系统工程 过程
全寿命周 期综合
与系统/故障/寿命周期
相关的工程专业
可靠性
维修性
安全性
保障性
测试性
可用性
经济性
环境适应性
……
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飞行器系统工程过程
二十世纪40年代，以系统思想和可靠性为主线的工程专业 技术逐渐发展，被逐渐广泛应用于航空航天飞行器研制。 二十世纪60年代，美国国防部就开始把可靠性、维修性和 保障性标准同装备保障力密切联系在一起，通过一些列规范 和标准(如DoD5000,国防部指令)予以规定执行。 NASA系统工程过程与要求体系建立始于上世纪八十年代， 挑战者航天飞机失事后，NASA开始全面制定各种标准和手册 以规范系统工程过程与要求，经过多次修改，以此作为宇航 项目全寿命周期活动的依据与准则。
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研制程序中的工程专业工作回顾
工程专业属性：可靠性、维修性、安全性…
要求 研
大纲 研
验证
制
制
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方案论证 总
方案设计 任
工程研制
M
要
务
T
求
书
样
S
机
S
生产定型
设计定型
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航空飞行器系统研发与技术成熟度
为了降低科研管理和项目采办中的技术风险，美国NASA和国防部分 别在其科研管理和项目采办中引入技术成熟度评价方法。
System Development and Demonstration 3）生产制造和部署阶段
Production and Deployment 4）使用和维护及退役处置阶段
Sustainment and Disposal
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NASA系统研制阶段划分
NASA系统工程（NASA/SP-2007）手册将研制阶段划分为： 1）概念研究阶段
Pre-Phase A：Concept Studies 2）方案和技术开发阶段
Phase A：Concept & Tech Development 3）初步设计和技术实现阶段
Phase B: Preliminary Design & Tech Completion 4）最终设计和工程研制阶段
Phase C：Final Design& Fabrication
9
系统工程过程
传统的飞行器总体设计显然不足以全面回答上述问题。 必须通过系统工程过程，采用任务要求分析、功能分析和系统综合等一系 列规范化的工作和决策逻辑程序，将用户需求转化为对系统性能参数的描 述和经过优选的系统配置。最终得到满足系统性能和效能要求系统体系： 硬件、软件、人员、设施、使用条件……
依据：任务运作使用方案文件 主体：用户 对象：最终产品 时机：产品最终设计和制造完成
21
系统工程通用过程--技术管理
技术管理过程包括技术策划、技术控制、技术评估和技术决策分析等4 个子过程。其中技术控制包括要求管理、技术状态管理、接口管理、风 险管理以及数据管理等5个方面。 要求管理过程：用于管理产品技术要求；提供WBS各层次要求的双 向可追溯性；管理对技术要求的更改。 技术状态管理过程：包括技术状态的策划和管理、技术状态的标识、 技术状态的更改管理、技术状态的纪实、技术状态的验证等活动。 接口管理过程：在项目规划阶段，根据任务运作和系统使用方案，识 别内部和外部接口；在产品集成阶段，确保接口严格标识，与技术规范 共同支持总装程序。
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航空飞行器系统工程概论 第七讲
1
系统工程组成
系统工程涉及系统工程管理和工程专业两大领域。
System engineering consists of two significant disciplines: the technical knowledge domain in which systems engineer operates andagement. （ DoD5000）
航空飞行器系统工程面临的挑战
航空/航天领域正在经历的两个方面的跨越性加速发展 新概念飞行器和新材料/工艺和制造技术不断出现，引发了人们对传
统系统工程方法的深刻反思，一场系统工程革命即将到来。 例如， • 飞机材料从铝合金、钛合金、铝镁合金发展到非金属的复合材料； • 推进与动力和诸多功能系统在多电趋势中的复杂分工与综合； • 综合模块化航空电子技术导致采用更少的硬件共享核心计算资源； • 更多的功能靠软件去实现； • 组件之间、系统之间的相互作用与影响呈现出前所未有的复杂关系。
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NASA系统研制阶段划分
NASA系统工程手册将研制阶段划分为： 5）系统总装、集成与试验
Phase D：System Assembly, Integration & Test 6）使用和维护阶段
Phase E:：Operation & Sustainment 7）退役与处置阶段
Phase F：Closeout， Disposal of Systems
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飞行器系统工程的发展历史
NASA
系 统 工 程 手 册
DOD
系 统 工 程 基 础
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退役处置
全寿命周期功能
培训
验证
使用
保障
设计/研制
部署
生产/制造
5
美国DOD系统研制阶段划分
DOD5000从采办和实现的角度将研制过程划分为四个阶段： 1）概念研究和技术开发阶段阶段
Concept and Technology Development 2）系统研制和演示阶段
飞机总体设计出版物目录一瞥
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系统工程过程
系统工程过程是一个反复迭代、规范化的基于全寿命周期的 过程。包括寿命周期分析和通用过程两部分内容： 产品寿命周期：对产品寿命周期阶段进行划分，对每一阶段 管理活动进行规定； 通用过程：对系统的设计、产品的实现、技术管理提供相应 的过程、要求与方法。 通用过程适用于系统工作分解结构(WBS)中从顶层到底层的 每一个产品，WBS应被分解到能被建造、购买或重新使用。
11
航空飞行器系统工作分解结构
Work Breakdown Structure（WBS）
火控系统
12
WBS的应用
WBS的主要目的在于通过对系统工作按功能和逻辑进行分解，以保持 设计工作的可追溯性，并提供设计反馈和综合的途径。WBS元素同工 作承担组织构成了在更细层次上的任务定义和工作内容/费用的WBS控 制矩阵 例如：WBS---火控分系统
航空飞行器系统工程面临的挑战
波音787 实例： 波音787机体主要结构大规模地采用复合材料，由777飞机复材用量占
整机材料用量的12%大幅提高到50%，机身和机翼外壳几乎都由碳纤 维增强复合材料制成，仅少数机体部位应用铝合金或其他材料。与之 前的机型相比，它的维修成本可节省30% 由于将大量复合材料应用于机体结构，使得飞机的结构重量比大幅提 升，耗油率大大降低，而疲劳强度寿命成倍提高。 波音787对于传统的设计和生产流程所带来革命性的巨大冲击。 使飞 机的制造和装配技术发生了根本性变革。也给材料设计方法、加工工 艺、试验方法，以及研制程序及系统工程模式等都有可能带来颠覆性 的变化。