商用飞机产品系统复杂、研制周期漫长、投资规模庞大,“骑驴看唱本”式的设计模式是无法接受的,因此在型号研制前期准确把握用户需要,并将其转化为详细的、明确的产品设计需求,是保证最终交付产品能够实现和满足用户需要的关键,也是型号项目成功的前提和基础。为实现这一目的,中国商飞公司提出了一种正向设计的方法学模型—NFRP(Need-Function-Requirement-Physics)。
从系统工程的角度来讲,这是一个从“需要”抽象概括形成“功能”,到围绕“功能”捕获产品设计“需求”,继而根据“需求”形成“设计综合”的正向设计过程,即“N-F-R-P”过程。
“N”指代“用户需要”。这里的“用户”不仅仅指最终产品的购买者(航空公司、租赁公司),还包括整个飞机型号研制过程中的利益攸关方。例如,项目的投资方、供应商、监管方(飞机适航当局)、型号竞争者、运营保障方(机场)等。因此,“N”实际上泛指所有利益攸关方的需要。这个收集、获取利益攸关方需要的过程称之为利益攸关方需要捕获,也是整个N-F-R-P正向设计过程的起点。
“F”指代“功能”。在归纳、整理不同群组的利益攸关方需要基础上,进一步将其抽象、概括为功能,继而建立不同功能之间的层级关系及同层级功能之间的接口关系,即功能架构。这是功能分析的过程,基于利益攸关方需要,为后续系统架构设计提供依据。功能分析的过程包括功能的识别和定义、功能架构的建立。利益攸关方需要包括功能性的需要和非功能性的需要,功能识别就是对其中功能性的需要进行识别,并采用统一的、形式化的方式对其进行表达。通过功能的逐级分解,将复杂功能分解为若干个子功能,并将不同层级的子功能按一定逻辑关系联结成总功能,从而建立功能架构。功能架构即功能之间的组织形式,包括定义功能和功能之间的接口。
“R”指代“需求/要求”。需求是经过加工和处理后的需要。需求在这里主要指技术性需求,可以分为功能性需求和非功能性需求,功能性需求是对功能的具体化描述,而非功能性需求是对具体解决方案中具体参数的要求或施加的约束,更多地体现为对最终产品的性能要求,如维修性、可靠性、可制造性、人为因素等。需求分析就是围绕产品功能架构中的某个功能,将其相关的用户需要转化成详细、明确的产品设计要求/设计规格说明的过程。在此过程中,下一层级需求也会伴随着功能分解生成的层级架构,形成对上一层级需求之间的追溯关系。实际上,随着需求的不断明确,设计方案也在由模糊到清晰、由概要到具体不断演进。
“P”指代“设计综合”。即根据功能和需求设计而成的产品方案。由于在不同的产品研制阶段,产品方案的详细程度和表现形式存在一定差异。在概念设计阶段,主要以原理方案/原型的形式呈现;在初步设计阶段,原理方案中各部分物理单元及其相互之间的接口关系将逐步清晰,通常采用逻辑视图的形式表达;在详细设计阶段结束后,方案的表现形式通常是能够用于生产制造的详细数字模型或图纸。以上这种由需求形成方案的过程即为设计综合,它是由功能域到物理域映射的过程,实际上主要包括两个阶段,一是根据功能架构中的顶层元功能寻找对应的基本物理单元,并对其进行组合,形成不同的原型方案;二是根据功能性需求、性能需求逐步明确产品各组成单元明确的物理属性特征,不断细化方案,并对多种备选方案进行评估、择优。
简而言之,在N-F-R-P正向设计过程中,每一步都会对上一层级过程做出反馈,形式包括需求确认和设计验证,并且,这一过程还与安全性评估过程不断产生交互。此外,围绕着这些产品开发过程,为更好保障型号项目顺利推进,还会开展如过程保证、决策管理、构型管理、适航取证过程等全生命周期管理和控制过程。