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需求管理在民用航空发动机研制中的应用

The Application of Requirement Management in Civil Aero Engine

季雁 李志敏     2020年04月18日

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在《民用飞机及系统开发指南》(SAE ARP 4754A)中,提出了在民用飞机及其系统研制过程中应制订需求管理策划,并提出了通用的需求捕获、分配、确认及验证的要求。民用航空发动机具有高可靠性、高安全性、低耗油率、低污染、低噪声、长寿命等技术特点,使得研制的技术难度高、项目投入大、开发周期长、服役时间跨度大,发动机的研发应借鉴民机研制对需求管理的经验,结合发动机研制的特点消化吸收,对客户、市场及适航法规等外部利益攸关者的要求进行持续地捕获、分析和管理,确保产品的研制过程始终遵循正确的需求,避免因需求问题引起研制进度拖延、经费增长、设计反复或开发出不符合市场需求的产品等被动局面。

 

需求管理的通用活动和总体框架


需求管理工作贯穿于产品研发的全生命周期,其主要目的是实现从需求的引出到最终被验证的全过程的动态管理。需求管理活动通常包含需求的捕获、分析、定义、确认、分解/分配、验证、变更以及状态跟踪等(如图1所示),各项活动的主要目的如下。

 

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图1  需求管理活动示意图


一是需求捕获,保证需求完整性的重要活动,一般要求在项目初期应识别与项目有关的所有利益相关方,并获取利益相关方对产品的要求。二是需求分析,实现将利益攸关者期望视角的要求转换为产品设计的技术视角的需求。三是需求定义,撰写需求文档,通过规范、适宜、清晰的需求描述,保证需求能被正确、唯一地理解。四是需求确认,确保需求的正确性、必要性、完整性,即保证所设计即所需。五是需求分解/分配,将产品/系统需求分解并分配到物理架构,传递到各个子系统中。六是需求验证,通过验证活动表明需求的符合性,获得向利益相关方表明需求符合性的验证证据。七是需求跟踪,动态跟踪不同层级需求之间的追溯关系,确保需求自上而下逐层分解并被承接,同时跟踪需求的验证、确认及变更状态,管理需求的状态及满足情况。八是需求变更管理,评估需求的变更内容是否合理、变更影响是否被充分分析以及变更的可实现性,支持和管理变更的可追溯性。


在上述活动开展之前,需求管理策划是产品或系统开发过程中所有需求管理工作开展的顶层依据,就是在项目研制初期,通过制订需求管理策划,明确需求管理的组织和职责、使用的需求管理工具或平台、明确项目的需求层级架构,从而达到规范化地开展需求管理活动的目的。


结合需求管理策划和通用活动,大致可以确定民用发动机产品研发各阶段的需求管理工作的框架(如图2所示):在需求分析与定义阶段,主要开展发动机整机的需求分析与定义;在概念设计阶段,主要开展部件及系统级的需求分析与定义;在初步设计及详细设计阶段,主要开展部件及系统级需求验证及确认;在制造与验证阶段,主要开展产品整机级需求的验证及确认。在产品的整个研制过程中,需求与产品的设计紧密耦合,需求的变更也将贯穿于整个研制过程。

 

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图2  需求管理总体框架


需求管理的要素


需求管理组织机构


需求管理组织机构是实施需求管理的责任主体,在型号设计开始时就对组织机构的职责权限以及组织中的角色与职责予以明确,对于需求管理的顺利实施十分重要。需求管理的组织机构一般可以有两种不同的设置方式:一种是定义一个统一的组织对各层级需求实施管理;另一种是可以分层级定义不同需求,分别对各层级需求实施管理,并定义各层级需求管理组织的职责、权限和接口。


需求管理组织中的角色通常包含需求管理员、需求编制人、需求审核人、需求批准人及需求验证人员等,主要职责如下:需求管理员负责需求管理工具软件的使用,如编辑、查阅等权限设置;需求编制人负责需求的撰写、需求的追溯性建立,以及提出需求变更申请;需求审核人负责需求管理整体工作策划,审核需求及所有属性内容以及需求链接的正确性、完整性;需求批准人负责需求文档的批准与发布;需求验证人员负责需求验证工作的策划,以及需求的可验证性检查。


需求定义


需求作为发动机研制的设计输入,具有明确、清晰、唯一、一致、独立和可验证属性。需求的质量直接影响设计研发活动的有效性和研发产品的质量,在需求定义过程按照需求撰写要求(见表1)逐条检查,以获得条目化、结构化、规范化的发动机需求。

 

表1  需求撰写基本要求

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需求追溯管理


对于民用航空发动机这类高度集成的复杂系统,无法直接基于顶层需求完成设计。因此,在获取顶层需求后,须在发动机整机层面通过需求分析、分解和向下分配形成对下一层部件/系统的需求;同样,在部件/系统层也应开展需求捕获、分析等设计活动,进而构成向下一层系统传递的底层需求,依次逐层分解直至最底层产品,形成需求的层级架构。在此过程中,可利用层级框架(如图3所示)定义利益攸关者需求、产品级需求、发动机部件/系统级需求以及子系统需求,必要时可继续向下分解,分解的层级应以便于管理追溯为目标。

 

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图3  需求层级架构


对于不同层级的需求,通过建立需求追溯链接,显性化地定义每项需求与上层级需求之间的关系,确保需求均有依据,从而达到消除不必要的需求、降低设计成本的目的。一般情况下,一条上级需求可以对应由多个下级需求来满足。反之,当多条上级需求由某一条下级需求满足时需特别关注,应检查这些上级需求是否冗余、独立,该条下级需求是否为一条简单需求(即检查该条需求的描述是否隐含多条需求)。建立需求追溯的准则为:从一个需求(记为A)分解出需求(记为B),应建立从需求B向需求A的链接。


需求确认与验证矩阵


建立需求确认矩阵的主要目的是合理策划需求的确认方法、分析需求的来源(可追溯性),以确保需求是正确的、完整的,便于后续追踪、管理需求的确认状态,表明需求的成熟度。在民用航空发动机研制过程中,应动态跟踪需求在各阶段的确认状态(一般的需求确认矩阵见表2),直至项目研制结束时需求最终被全部确认及满足。

 

表2  需求确认矩阵

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需求验证矩阵的主要目的是拉通需求与验证之间的关系、对标需求策划的验证方法、建立每条需求与各项验证活动之间的追溯关系,使得验证与需求之间一一对应,为后续在产品研制各阶段跟踪、检查需求的验证状态提供验证证据。对于民机产品而言,借助需求验证矩阵(建议的民用航空发动机需求验证矩阵见表3)获取适航符合性验证证据链具有重要意义。

 

表3  需求验证矩阵

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需求变更管理


当需求完成确认并获得批准后,发布相应的需求文档。发布后的需求文档纳入构型管理的范畴,如需变更,应开展需求的变更管理。变更管理包含评估需求变更的内容是否合理、识别变更产生的影响,以及评估变更的可实现性。需求变更管理的要求通常包含以下几方面:对需求以及需求变化进行记录;确定需求的基线,做好版本控制;建立需求变更的控制流程,评估需求变更的影响;跟踪变更对产品/系统的影响。

 

需求管理实施应用


本文以一型民用航空发动机型号项目的需求管理为例,对需求管理的实际操作加以说明。该项目的需求管理使用IBM公司成熟的商用软件(DOORS)作为需求管理的数据库。在项目中需求管理的实施应用主要包含以下两个核心工作:一是利用DOORS平台实现研制需求的集中管控,结构化存储利益攸关者需求、发动机级需求、部件/系统需求、验证计划等信息;二是实施需求、设计、验证文档之间的全流程追溯跟踪,建立“需求→设计→实现”以及“需求→验证”之间的双向追溯关系,对项目需求进行精细化管理。


该型号项目的需求管理组织设置统一的需求管理员,各层级分别配备需求工程师,包含需求编制人、审核人、验证人员、批准人。由项目整机层级的需求审核人编写顶层需求管理策划,描述在项目各阶段需求管理的工作内容和要求。需求管理员负责设置DOORS软件中需求管理相关角色的读取、修改、创建和删除权限。需求编制人负责规范化的撰写需求条目,开展需求确认并发布需求文档。需求验证人员负责基于需求开展验证策划,跟踪需求验证状态。使用DOORS软件作为需求数据库,需求文档的批准发布后存储于产品数据文档管理系统供设计人员查看使用。该型号需求管理的工作过程如图4所示。

 

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图4  需求管理各角色工作过程


结束语


在民用航空发动机产品研制领域,通过引入需求管理,在产品全生命周期内开展需求的捕获、分析、分解、确认与验证等,对需求条目实施精细化管理,建立需求与设计、验证测试等数据之间的追溯关系,驱动基于需求的正向设计,确保产品开发过程中“做正确的事”,对保证产品开发的质量、进度及要求的符合性均具有重大意义。


(季雁,中国航发商发,工程师,主要从事民用航空发动机的需求管理方法研究以及应用)    

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