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民用运输类飞机机组工作量设计与评估关键问题研究
shxf 2014-5-29 21:12
民用运输类飞机机组工作量设计与评估关键问题研究 揭裕文1, 朱亮2 ,屈展文3,俞玮4 (中国民用航空上海航空器适航审定中心,上海,200335) 摘 要: 研究了民用运输类飞机机组工作量设计与评估关键技术问题。首先给出“工作量”定义及相关运输类飞机适航要求,并对相关适航要求进行了解析。分析了当前我国民用运输类飞机研制和取证过程中,关于机组工作量设计和评估活动中存在的问题。针对工作量设计与评估工作计划、工作量分析与设计、工作量测量与评估、参试人员选拔、飞行场景设计等6大关键技术问题,研究了开展相关工作的原则和考虑要素。最后给出研究结论。 关键词: 民用飞机;最小机组;工作量评估;适航审定 1 引言 民用飞机飞行机组的工作量设计和评估问题是涉及民用飞机安全的重要问题。“工作量(Workload)”是指为完成某项任务所需的个人能力(生理和心理)和完成这项任务所需的系统等级和环境要求之间的关系 。如果工作量设计的不合适,例如,飞行中所需工作量水平太高、工作负荷太重,则有可能导致飞行员错过重要信息、难以执行预定任务、执行错误操作、或为减少工作量而故意遗漏某些任务。相反地,飞行中所需工作量水平太低、工作负荷太轻,则有可能导致飞行员注意力分散、甚至厌烦。经验表明,工作量的大小与飞行员工作绩效的好坏大致成“反U形”分布,工作量设计的太高或太低都会影响飞行员的工作绩效,进而影响整个飞机的安全。 运输类飞机适航要求(CCAR-25)是强制执行的最低安全性设计要求,其中包含对驾驶舱、机组工作量等的多项最低安全性设计要求 。本文将针对完整的民用运输类飞机工作量设计、评估和验证过程,针对其中关键技术问题展开研究,为形成型号研发和审定的指导性文件提供帮助。 2 相关适航要求解析 现行CCAR-25部中与机组工作量设计和评估相关的适航要求,专业涉及面非常广,包括:飞行性能、操纵性和稳定性、操纵系统、驾驶舱布局、设备安装与显示界面、使用限制、标记和标牌、飞行手册与EWIS等,其中25.1523“最小飞行机组”是关于工作量设计和评估的核心适航要求,该条款制定的目的就是为了防止在飞行过程中飞行员工作量超载以及针对使用先进驾驶舱自动控制系统后,可能导致的、难以预料的工作量增加。具体描述如下 : 必须考虑下列因素来规定最小飞行机组,使其足以保证安全运行: (1) 每个机组成员的工作量; (2) 有关机组成员对必需的操纵器件的可达性和易用性; (3) 按第25.1525条所核准的运行类型。 CCAR-25 附录D还阐述了按本条要求确定最小飞行机组时采用的准则,即适航当局在决定第25.1523条所述的最小飞行机组时,应考虑:a) 基本工作职能;b) 工作量因素;c) 核准的运行类型等三项因素 。本文研究的重点即为解决与第25.1523条相关的关键技术问题。 3 当前机组工作量设计与评估中亟待解决的关键问题 机组工作量的设计与评估需要贯穿飞机设计的整个过程,即不仅要在早期的设计节点中介入,而且需要在设计过程中不断迭代,并在最终表明符合性的过程中得到验证和确认。由于我国以往缺乏足够的大型民用运输类飞机研发制造经验,同时由于特定的历史原因遗留下的“仿制”文化,当前国内民机机组工作量的设计与评估工作存在两大问题: (1) 偏重设计结果的评审,设计和评估活动的完整性不足。 典型的表现是评估工作往往在产品研发的后期才开始启动,例如:某型飞机的驾驶舱评估工作和机组工作量评估工作是在驾驶舱设计和制造基本完成后才开始。事实上,“评估”作为一种方法,不仅仅用于最终结果的评审,更要贯穿整个研制活动全过程。从系统工程的双V思想看,V字模型的左半边承担了大部分的设计工作,并且是顶层的设计工作,而右半边主要体现的是对设计结果的验证和对设计需求的确认。咨询通告AC23.1523中有描述:“最小机组数一般是申请人在型号研制的初期,综合考虑设计驾驶舱界面机组工作量、飞行员个人经验和其他需考虑因素后确定的”。可见,最小机组人数的确定、机组工作量的评定,不仅仅是评估出来的,更应该是设计出来的。忽视或弱化“评估”作为一种重要的设计方法在整个研发活动前端起到的关键作用的做法,其结果是导致设计方案不断更改、研制周期不断加长、研制费用不断攀升 (2) 缺乏系统性的指导手册,设计和评估活动的充分性不足 飞机设计过程是一个非常复杂的过程,具有动态变化、非标准化等特点。一方面,飞机设计很大程度上依赖于先前的经验,包括研发、制造、使用和维修知识和经验,也包括对飞机产品预期使用环境的知识和经验。另一方面,为确保飞机产品的安全性,民用运输类飞机的研发非常强调规范性和系统性,例如:美国汽车工程师协会(SAE)颁布的《民用飞机及系统研发指南》(编号:SAE ARP 4754,当前版本:A),作为一份审查方认可的指导性文件,其中明确强调民机研制工作应当由一系列有计划和系统的活动(planned and systematic actions)组成 。事实证明,当前我国在运输类飞机机组工作量设计和评估方面,即缺乏足够的知识和经验,也缺乏规范性、系统性的指导手册,给整个项目的研制和取证带来极大困扰 综上所述,急需研究和总结有关机组工作量设计、评估、验证中存在的关键技术问题,形成完整规范的工作思路、工作原则,以及各环节所需考虑的过程、方法和要素。 4 机组工作量设计与评估关键技术问题研究和讨论 4.1. 制定工作量设计与评估工作计划的原则和考虑要素 如上文所述,民用飞机产品的研发非常强调规范性和系统性,并且由于民用飞机产品在生产及投入运营之前,必须接受适航管理当局强制性的适航审定。因此,民用飞机机组工作量设计与评估工作计划的制定原则应当是:充分考虑适用的适航要求和各项指导性政策,及早建立详细并可实现的工作计划,该工作计划应明确规定相关设计、分析、验证直至最终确认活动中应完成的任务,并且对于工作计划中的重大问题应尽早与审查方沟通,尽量在研发工作早期与审查方达成一致,并取得审查方认可。 一般说来,最小机组数是申请人在型号研制的初期,综合考虑设计驾驶舱界面机组工作量、飞行员个人经验和其他需考虑因素后确定的,这一数目极少改变,因此对于最小机组工作量的评估通常也即为对于最小机组数量的验证评估。最小机组数的确定对整个驾驶舱布局及布置设计、机组操作程序的设计、各系统功能和界面设计、机组工作量设计等等将产生重大影响,为使审查方能够清晰了解申请方的设计理念、熟悉相关设计细节,有必要在项目前期与审查方做充分的沟通和讨论。对于机组工作量设计和评估,需要特别注意如下两点 : (1) 识别可能对机组工作量造成影响的设计特征。对于这些设计特征,是未来分析和验证的重点,申请方要通过随后的分析、试验等方法,表明这些设计特征不会给机组乘员增加过多的工作量或使他们增加出错的几率。 (2) 审查方要求的试验水平(Required Level ofTesting)。审查方会根据申请方提供的型号设计特征,综合考虑适航要求、以往的审定经验、申请方以往的设计经验和已有型号的运行经验等,与申请方一起讨论试验水平和介入层度。一般说来,对于驾驶舱的小改,无需重新进行工作量分析,但是,对于驾驶舱大改则需要进行全面深入的评估,相应的试验等级应与改动程度相一致。要求的试验等级由申请人制定,但同时需要及时提交给局方。 考虑到当前我国发展民用大型飞机的现实问题,建议工作计划制定之初即考虑培养和邀请第三方参与。实践表明,当前我国研发民用大型飞机、发展民用航空产业的一个瓶颈问题是缺乏实力强劲的第三方,这个第三方代表了中国民用航空工业的基础。作为第三方,既可以帮助审查方提出要求,协助审查方对申请方的工作结果进行判定;也可以帮助申请方按照适航要求和客户要求解决研发中存在的各种问题,协助申请方表明产品符合各项要求。FAA咨询通告AC25.1523-1也指明,为了确保有效和可靠的机组工作量测量结果,审查方应致力于,并鼓励申请方与其他政府和工业界专家广泛地交流与合作 。 4.2. 工作量分析的原则和考虑要素 决定机组工作量大小的根本在于工作量的分析和设计,在实施工作量分析和设计的过程中,需要考虑如下要素: (1) 应在型号研发的早期就开展工作量的分析工作。开展分析工作应以明确定义在整个预期使用的环境中飞行员执行的工作任务为出发点,同时需结合驾驶舱设计理念、全机功能定义、各系统自动化程度等要素进行考虑; (2) 分析方法选取时,应考虑特定的驾驶舱布局,同时评估各分析方法的效度(Validity)、信度(Reliability)和可用度(Applicability),然后再做出适当的选择 (3) 开展分析工作时,如果条件允许,应尽可能比较被评机型与其它相似机型之间的差异。如果分析工作的对象是驾驶舱更改,应将分析重点集中在驾驶舱更改部分和新设备上。对于驾驶舱重大修改,如更改驾驶舱布局、更改飞行员操纵界面、更改飞行员任务或运行程序等,则需进行更加综合详细的分析 (4) 开展分析工作时(包括工作量测量和评估),还需重点关注各适航管理当局以正式形式颁布的解释性材料、研究报告中所列的相关信息。例如:FAA咨询通告AC23.1523的附录一中列出并讨论了与驾驶舱人为因素设计相关的很多需关注的问题,以及通过早期的研究和经验发现的一些与高工作量相关的典型的人的行为;AC23.1523的附录二则列出被认为是会对飞行任务的完成产生重大影响的多种因素 (5) 分析工作应以正确、有效的数据为基础。飞行员执行的各项任务将在分析过程中被分解成各项操作程序,直至各个操作行为,而行为的表达是与时间和空间相关的各项数据,也是与飞行员感受相关的各项数据。因此,申请方应注重收集为开展工作量分析所需的各项数据,建立相应的数据库 (6) 分析结果应及时提交至有关部门及审查方,以便及早发现潜在的问题 4.3. 工作量测量的原则和考虑要素 机组数量和机组工作量是始于型号设计早期的迭代分析过程,但最终确定必须一系列的综合试验、测量和评估,整个过程包括基于相关实体模型、试验平台、模拟设备的试验室试验,以及基于最终构型的目标飞机上的试飞试验。 申请方应尽早与审查方就工作量评估的策略和工作量测量的方法进行讨论,与审查方达成一致。 (1) 对于评估工作量的策略,主要有三大类:直接比较(DirectComparisons)、间接比较(Indirect Comparisons)和独立评估(Standalone Evaluations) 直接比较和间接比较具有共同的思想,即通过对比新系统与已经过安全验证的现役系统,来检验“飞行员-系统”的性能和可接受程度。通常,如果新研系统所需工作量被评估为与参考系统相当或低于参考,则可以认为新系统所需工作量是可接受的。“直接比较”是指以新系统与参考系统就指定任务和飞行阶段完成状况进行直接的比较。在进行直接比较时,需注意解决如何通过合理的组织和设计试验任务,以确保评估试验在两对比系统中的准确性和可重复性问题。另外,应注意保证两系统进行同一评估任务间的时间间隔最小。“间接比较”是当难以实施两系统间直接比较时,提出的一种可接受的评估方法,它是通过评估飞行员的“心理感受”,即根据其对参考系统和性能和工作量的记忆和经验,来进行新系统与经验证系统的间接的比较。在实施间接比较时,因为相比于通过直接比较法所得到的数据,间接比较所记录的数据并不准确可靠。因此,需注意对由间接比较所得到的数据进行仔细评估,以保证所得结论的合理性和一致性。对于两类比较评估策略,都应注意:如果之前已经过验证的系统存在某些功能/运行缺陷或其它不合理特性,则该系统并不能作为“好”的参考系统来进行比较。在进行任何比较评估时,都需对参考系统进行全面系统的安全性评估和服役表现评估,以确保用于比较的参考系统不存在任何安全问题或其它缺陷。 当新设计系统与现存的所有已验证系统有着本质的不同,没有合适的参考(基准)系统来进行比较评估时,可以采用独立评策略,例如,当新的设计会造飞机自动化程度或机组职责的重大改变时,参考设计比较法的有效性则会大大降低,此时没有合适的基准系统用于比较,而只能通过评估该系统本身的优劣性来决定其是否满足用户需求和规章要求。在选择独立评估策略时,应根据预计的功能和任务,在所有可能的运行条件下,设计充分完整的评估任务要求来完成该系统的评估。 (2) 对于工作量测量方法,从类别上也包括三大类 :主观测量方法(Subjective Measure)、绩效测量方法(PerformanceMeasure)和生理机能测量方法(Physiological Measure) 主观测量方法的原理在于假设:增加的人力付出与可察觉的努力有关,并且人力付出可以被个人以适当方式评估出来。绩效测量方法的原理在于假设:任务难度的任何增长,将导致操作要求的增长,从而降低操作员的绩效。生理机能测量方法的原理在于假设:可以通过测量操作者对所分配的工作任务产生的不同生理反应来评估其工作量。 主观测量方法和绩效测量方法都是基于体验的后验性方法,能够总体表征测量机组工作量的大小,但不易区分各任务阶段工作量的变化;相对来说,生理机能测量方法具备实时测量的能力,能够表征工作量随任务过程变化的关系,但测量方法的构建较为复杂,且数据采集有可能对飞行机组的操作产生影响。 这些方法各有优缺点,因此如何根据项目要求,选择合适的工作量测量方法,是需要审查方和申请方重点考虑并达成一致的关键问题。 4.4. 选拔参试人员的原则和考虑要素 工作量测量中常用的三类方法:主观测量法、绩效测量法和生理机能测量法,都脱离不了人的参与。由于参与人的一些特征与他们在完成系统操作和维护任务中的工作绩效有关联,因此参与人的特征和表现会影响到整个人机系统的性能,进而影响最终的评估结果,因此需要根据任务要求,对参试人员进行仔细的甄选,考查并保留相关特征数据,例如:参试人员的经历数据、体检数据、职业数据等。 在选拔和确定参试人员时,需注意如下原则 : (1) 需注意飞行人员种类 根据飞行时间的长短、专业能力的高低和飞机运行类型等因素,飞行驾驶人员可分为学生驾驶员、商用驾驶员、私人驾驶员、航线运输驾驶员、飞行教员和试飞员等。AC 23.1523指出虽然审查方没有强制要求,但参与评估的飞行员应不仅仅限于生产商试飞员和审查方试飞员。因此,为更有效的表明真实运行状态下的机组工作量情况,应考虑飞机或系统预期使用者,挑选可代表具有类似飞行经验和培训背景的目标飞行员,作为参试人员。 (2) 需关注不同飞行员的差异性 显然,飞行员之间存在巨大的种类差异和个体差异。这些差异通常表现在如下几个方面: (A) 操作技能的差异。由于不同的飞行员具有不同的培训和运行经历不同,因此他们的飞行经验和操纵技能也有差异 (B) 情境意识的差异。情境意识之所以重要,是因为它与支持情境意识的显示器件和告警器件等的设计有关,同时在探索灾难和事故的原因中也有重要作用,不同飞行员之间的情境意识是存在差异的 (C) 诊断能力的差异。由于不同飞行员之间技能和情境意识等的不同,因此他们在应对不稳定的、动态的和异常的条件时,解决问题的能力是不同的,也就是发现故障以及故障诊断的能力是不同的 (3) 需建立选择试验机组的适当原则 为了保证试飞结果和飞行员对飞机评价的准确性,在选取最小机组试验机组时,应选择具有不同经历和背景的飞行员作为试验机组完成飞行试验。参与最小机组工作量试飞的试飞员应包括:航线飞行员和试飞员(按照规章要求,飞行学员不能参与试飞试验)。其中,航线飞行员又应包括参考机型(相似机型)的航线飞行员和非参考机型航线飞行员;试飞员则包括参与研发试飞的申请人试飞员和局方试飞员。对于最小机组数和机组工作量,需要经过具有相应资质的、有经验的现役飞行员试飞验证后方能决定。 4.5. 设计飞行场景的原则和考虑要素 尽管申请方通过分析计算可以获得有关机组工作量的定量数据,通过各种研发试验也可以获得大量的试验数据,但为验证申请方所提交的数据,确认最终机组工作量和最小机组数量,需要在可代表飞机运行环境的典型飞行场景(Scenario)中进行有组织的主观评估。可以说飞行场景(Scenario)描述了机组、飞机、环境的动态关系,是设计、测量和评估在机组、飞机、环境的各种复杂动态关系下的机组工作量的必要前提,是验证并确定最小飞行机组的必要前提 。 综合AC25.1523-1、AC25.1523,申请方在设计飞行场景,拟定试飞试验大纲时,需考虑下列因素 : (1) 航线。试验航线应综合考虑航海营救、机场、仪表进近和空中交通管制等因素 (2) 天气。航线的选择应能保证在遭遇不利天气状况时飞机仍能够正确地实施操作。(仪表飞行气象条件,夜间飞行,湍流,结冰等) (3) 机组工作计划。根据设计飞机的运行类型,合理地安排试验机组工作计划,使其与飞机设计运行类型相一致。该计划应包括连续工作天数和预计最大离港和到港数量,夜间飞行数、最大允许工作时间和机组最小作息周期 (4) 最低设备清单。在制定飞行试验大纲时,申请人需综合考虑典型的签派放行形态 。这些典型的签派放行形态和可能与其对应的后续模拟故障模态构成了很多评估场景的基础 (5) 空中密度。飞机需在仪表飞行气象条件(IMC)和目视飞行气象条件(VMC)下,模拟空中高密度运行,但同时也需考虑精密和非精密进近,复飞,转场等情形 (6) 丧失活动能力机组成员。需要证明在任何飞行条件下当一名机组成员完全丧失活动能力时的机组操作程序,确保在剩有机组成员的情况下,飞机仍能安全的运行至目标机场或其他备用机场着陆 (7) 系统故障。试飞大纲中应对飞机由正常状态改变至失效模态时所引起的结果进行说明。同样地,试飞大纲应考虑初始系统和备用系统;各种典型的失效模态组合也应在试飞大纲中有所说明 (8) 应急情形及非正常情形。在试飞大纲中应列举各种应急情形和非正常情形的案例,来说明它们对机组工作量的影响。(注意:在确定将在试飞大纲中进行评估的系统失效前,需进行模拟或相关分析;并且需明确应急情形或非正常情形时机组工作量的分配,以确保选择合适的失效情形。) (9) 机组差错情况。需评估驾驶舱设计以确定工作量是否为造成飞行员差错的重要因素。控制和显示设计上的不足是造成飞行员差错的重要因素。进行机组差错分析同时也能保证在遭遇该情形时不会导致不安全或灾难性事件的发生。 5 结论 本文针对民用运输类飞机机组工作量设计和评估关键技术问题展开研究。重点讨论了机组工作量设计、评估、验证过程中有关设计和评估工作计划、工作量分析与设计、工作量测量与评估、参试人员选拔和飞行场景设计等6大问题的原则和考虑要素。本文研究成果将对我国大型民用飞机项目的研制和适航取证工作起到积极地推动作用。 6 参考文献 Federal Aviation Administration,Minimum Flight Crew ,AC23.1523, 2005 中国民用航空局,运输类飞机适航标准,CCAR25R4,2011 SAE AEROSPACE RECOMMENDED PRACTICE,Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems(SAE ARP 4754A),2010-12 Federal Aviation Administration ,MinimumFlight Crew,AC25.1523-1, 1993 William H. 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审查飞行控制系统审定计划的几项关注要素
shxf 2014-5-29 16:52
审查飞行控制系统审定计划的几项关注要素 朱亮 中国民用航空上海航空器适航审定中心 《航空器型号合格审定程序》(编号: AP-21-AA-2011-03-R4 ,简称:03R4程序)中定义:审定计划 (Certification Plan ,简称 CP) 是申请人制定的关于采用何种符合性验证方法来表明产品符合审定基础的计划。一份典型的审定计划中包括审查对象设计方案或设计更改方案的说明、预期运行环境的规章要求、建议的合格审定基础、符合性验证思路和符合性方法表、用于表明对适用审定基础符合性的文件清单等等有关型号合格审定工作规划及预期审定数据的重要信息,因此审定计划对于审查方和申请方都具有极其重要的意义,审查方对于审定计划的审查、认可和批准是审查方重要的审查工作任务之一。 与其它系统相比较,研发与审定飞行控制系统的难度和特殊性在于:(1)飞行控制系统与确保飞机持续安全飞行关系更为密切,飞行控制系统是确保民用飞机飞行安全的关键系统。(2)飞行控制系统涉及的专业领域更广。包括:强电、弱电、结构强度、系统安全性、自动控制原理、液压、操稳与品质、驾驶舱与人为因素、机载软件与硬件、机械加工、布置安装等十几个专业领域;(3)飞行控制系统涉及的专业跨度更大。例如:上述专业领域之间不具有彼此之间的互通性;(4)飞行控制系统涉及的功能更多。这将直接导致系统实现更加复杂;(5)飞行控制系统的集成度更高。尤其电传飞行控制系统出现后,自动飞行、高升力、大气数据等以往独立的系统或功能被越来越多的集成进一起飞行控制系统之中;(6)飞行控制系统的接口系统更多。当前电传飞行控制系统的接口系统可达数十个,且随着飞行控制系统的功能增多、集成度增加,飞行控制系统的接口系统将越来越多;(7)辅助开展飞行控制系统研发和审定的试验设施更多、更加复杂。除去一般的试验设施以外,典型的大型试验设施包括铁鸟和工程模拟器,这些试验设施是其它系统所不具有的。 飞控系统的上述特点使得飞控系统的研制和审查成为极具挑战性的工作,而飞控系统审定计划作为飞控系统研制和审查工作的关键一环,需要综合考虑一般性的工作原则(例如:03R4管理程序中的相关规定),也需要兼顾飞控系统的专业特点。本文从审查飞控系统审定计划的角度出发,结合实际审查经验,提出并分析一些值得关注问题和关注要素。 第一. 关注飞控系统审定基础的正确性和完整性 03R4 程序中对于型号合格审定基础 (TypeCertification Basis) 的定义 是:经型号合格审定委员会( TypeCertification Board ,简称 TCB )确定的、对某一民用航空产品进行型号合格审定所依据的标准。型号合格审定基础包括适用的适航规章、环境保护要求、专用条件、豁免和等效安全结论。 然而,03R4程序并未针对特定的专业、专题、系统等指明具体的审定基础,也未指明确保各专业、各专题、各系统审定基础正确性和完整性的方法。为确保飞控系统审定基础的正确性和完整性,审查方应关注如下问题: (1) 申请方是否已经完成并冻结飞控系统的功能架构设计 美国汽车工程师协会(Society ofAutomotive Engineers,简称:SAE)颁布的《民用飞机及系统研发指南》(编号:SAE ARP 4754,当前版本:A)作为一份可接受的指导材料,其中显示民用飞机及系统的研发总是从功能开发开始的。实践经验也表明,对于系统功能的审查应当成为系统审查的第一步,这是因为飞控系统很多新颖独特的设计特征是通过功能定义反映出来的,例如:飞行包线保护功能、设计俯冲速度等。根据《民用航空产品和零部件合格审定规定》(简称CCAR21部)和03R4程序可知,对于当前规章未能覆盖的新颖独特的设计特征,需要制定专项的适航要求,即“专用条件”来覆盖这些特征。另一方面,飞控系统功能定义的更改或变化,一定会引起物理实现方面的更改或变化,只是更改或变化的程度不同而已。因此,在开展审定计划讨论以及执行后续的审查工作之前,需要申请方提供清晰、明确、完整的功能描述,完成并冻结飞控系统功能架构设计,形成功能基线并纳入构型管理。 (2) 申请方是否已经基本完成物理架构设计 飞控系统物理架构即是主要的审查对象,也是整个飞控系统审查活动的重点。一方面,飞控系统的物理架构设计中也可能包含许多新颖独特的设计特征,例如:对于实现飞行员控制指令输入这一功能,可以采用传统的驾驶盘杆,也可以采用侧杆控制器,那么对于前者,当前适航标准已有明确规定;对于后者,则当前适航标准未完全覆盖,因此,侧杆控制器的使用属于CCAR21部规定的新颖独特的设计特征;另一方面,物理架构设计和选择具有复杂性、迭代性,实践经验表明,在申请方制定和提交审定计划草稿之前,很难全部完成并冻结物理架构设计,同时为提高审查活动的效率,审查方也应尽量尽早的熟悉飞控系统的设计状态。因此,在开展审定计划讨论以及后续的审查工作之前,需要申请方基本完成飞控系统物理架构设计,形成并逐步完善分配基线,实施构型管理。 (3) 申请方是否已经向审查方阐明飞控系统设计特征 审查方开展的审查工作的基础是对被审对象有着清晰、正确和完整的理解及认识。如前文所述,审查方对于飞控系统审定基础中是否需要制定相应的专用条件的判定,完全基于对飞控系统设计特征的熟悉和理解。同时,对于飞控系统,也不应排除存在豁免与等效安全结论的可能,而这些也都需要通过了解飞控系统设计特征之后,才能做出正确的判定。因此,为确保审定基础的正确性和完整性,申请方应以各种可行的方式向审查方阐明飞控系统设计特征,使得审查方深入了解飞控系统的设计理念、设计原则和设计状态。 (4) 审查方应建立足够的技术储备 型号审查工作具有一定的确定性,也具有非常大的不确定性,这是因为每一型号的设计特征既有相似之处,但却不尽相同,因此审查工作强烈的依赖审查代表的个人经验以及整个审查团队的技术储备。对于飞控系统来说,尤其电传飞控控制系统来说,这种确定性和不确定性的表现尤为突出,其原因也在于飞控系统跨专业领域、高度复杂性、高度集成性等特点所致。显然,为判定飞控系统审定基础的正确性和完整性,需要建立和不断提升审定代表的个人能力及审查团队的综合能力。 第二. 关注审定基础确定的各项适航要求在各专业/专题审定计划中的落实情况 经验表明,飞控系统的跨专业领域、高度复杂性、高度集成性特点,使得在一个审定计划中定义和实施审定基础确定的各项适航要求的全部符合性验证工作,不可能也无必要。例如:运输类飞机适航标准中,B分部有关操纵稳定性的适航要求,其中显然存在飞控系统适用的适航要求,但一般来说,相关的符合性验证工作会纳入专门的操纵稳定性审定计划。类似的情况还包括C分部有关结构的部分适航要求、H分部有关电气线路互联系统(EWIS)的部分适航要求等等。因此,飞控系统审定计划讨论的过程中要特别注意结合各相关审定计划的职责分工,以申请方内部明确的工作界面定义为基础,综合考虑审查方的实际情况,确保针对审定基础确定的各项适航要求,相关符合性验证思路表述清晰、符合性验证活动定义正确、符合性验证数据定义充分,同时需要关注所有在审定计划中规划的工作是否已正确的在各专业/专题审定计划中得到落实。 第三. 关注申请方的研制工作计划对确定审定计划的影响 显然,审查方的审定工作不能等同于申请方的研制工作,审定计划也不能等同于研制工作计划。根据SAE ARP 4754A,研制工作计划应包括多项计划元素,审定计划只是其中之一。具体如表1所示。 表1 研制工作计划中的组成元素 所计划的元素 元素描述 4754A 章节 研制计划 确定所使用的研制过程和方法,为飞机/系统架构的建立、综合和实施提供框架 3.0 和4.0 安全性大纲 确定与飞机或系统研制相关的安全性活动的范围和内容 5.1.5 需求管理计划 确定和描述需求是如何捕获和管理的,有时该部分会与确认元素相结合 5.3 确认计划 描述如何表明要求和假设是完整和正确的 5.4 实施验证计划 定义所使用的过程和准则,以用来表明实施是如何满足其要求的 5.5 构型管理计划 描述与构型项目相关的主要研制活动,以及如何管理他们 5.6 过程保证计划 描述所遵循的方法,这些方法用来保证系统研制过程中所使用的实施方法和程序 5.7 审定计划 描述用来获得合格审定的过程和方法 5.8 审查方的审定工作不是独立于申请方的研发工作开展和进行的,而恰恰是建立于申请方研发工作的基础之上开展和进行的。除审定计划以外,表1中提及的其它七项计划元素覆盖了民机及系统研发过程的七项核心工作,那么,申请方的研发工作是否为一系列有计划的、系统性的工作,能否确保研发工作的结果正确有效,都将深刻影响审定计划中确定的工作能否顺利执行、工作结果能否有效,进而最终影响申请方是否能够有效表明型号设计对于审定基础的符合性,也影响审查方对于符合性的判定。因此,审查方在与申请方讨论和确认审定计划的过程中,需要关注审定计划中是否引用或包含其它相关计划的信息,同时需要申请方表明,审定计划中确定的各项符合性验证工作是否纳入以及如何纳入申请方的研制工作之中的。 此外,关于审定基础的符合性验证思路、符合性验证方法和符合性验证数据的讨论是整个审定计划讨论工作的重点,对于飞控系统审定计划同样如此,但同时,也需要综合考虑飞控系统的独特性。例如:飞控系统具有明显独立的三个轴向,即俯仰轴、偏航轴和滚转轴。那么对于审定基础中确定的绝大多数适用要求(例如:25.671), 任何规划的符合性方法都需要在三个轴向完成符合性验证工作,产生的符合性验证数据也必须包含三个轴向的工作结果。显然,如此定义审查计划,则将在未来的执行过程中产生巨大的审定工作量,这对审查方和申请方都非常不利,至少无法提高审查工作效率。如前文所述,审查工作是基于研发工作开展的,审定计划也应基于研发工作计划。因此,需要关注相关研发工作计划的工作输出对确定审定计划的影响。例如:基于申请方充分表明的、在确认计划和实施验证计划中明确定义的申请人内部研制工作任务,可以在确定审定工作计划时,合理定义和分配相关符合性验证工作。以某型号为例,审查方通过了解申请方的研发工作,审定计划中针对25.671(a),双方最终确定的符合性验证方法为:副翼系统采用的是MOC5(机上地面试验)、升降舵系统采用的MOC5和MOC6(飞行试验)、水平安定面系统采用的是MOC5、方向舵系统采用的是MOC5和MOC6。该实例充分表明,基于申请方的内部研制工作计划,在不违背审查工作职责和工作特点的基础上,审查方不仅定义了更明确的关注重点,最重要的是可以提高整个审查工作的效率。 第四. 关注申请方的前期研制工作结果对确定审定计划的影响 如前文所述,无论审定基础的确定,还是符合性验证思路和验证方法的确定,都需要基于申请方的前期研制工作结果,因此,审查方在最终确认和批准审定计划之前,需要确认用于支持审定计划的各项研发工作结果是否也已得到阶段性的认可。例如:用于记录和表明飞控系统功能架构设计结果的功能定义与描述性文件,其内容信息是否已经完整、设计结果是否已经冻结等。那么此时,无论申请方试图更改功能定义,还是审查方不认可功能定义,都有可能对审定基础产生影响,显然相应的审定计划也不能得到认可或批准。类似的情况,也包括飞控系统架构设计、安全性分析结果等等。因此,审查方在讨论和评审审定计划的同时,需要不断关注申请方相关研制工作结果对审定计划的影响。 飞控系统是与飞行安全密切相关的关键系统,飞控系统也是具有鲜明特点的复杂系统,因此,飞控系统的审定工作是一项极具挑战性的工作。本文对飞控系统审定计划审查过程中的一些关键关注要素进行了分析和总结,所得结果将有助于飞控系统的审定工作和相关设计工作。 【说明】本文已正式发表于《中国民用航空》2014年第04期,如引用,请指明出处
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民用航空产品研发和审定活动中的需求分析与管理问题研究
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民用航空产品研发 和审定活动中的需求分析与管理问题 研究 朱亮 韩冰冰 黄铭媛 (中国民用航空上海航空器适航审定中心, 200335 ) 摘要:研究了民用航空产品研发和审定过程中有关需求分析与管理的若干问题。总结了开展需求分析和管理过程步骤和关键要素。阐明需求分析与管理在民机研发和审定过程中的重要作用。深入分析了当前我国在民用航空产品研发和审定过程中存在的问题。提出解决我国民用航空产品研发和审定过程需求分析和管理突出矛盾的方案。最后对全文进行总结。 关键词:民用航空,需求分析,需求管理,适航审定,系统工程 Study of Requirement Analysis and Management for Civil AviationProducts Development and Certification ZHU Liang, HANBing-bing , HUANG Ming-yuan (ShanghaiAircraft Airworthiness Certification Center of CAAC, Shanghai, 200335) Abstract: Some problems about requirement analysis andmanagement for civil aviation products development and certification arestudied. The process and the related essential factors of requirement analysisand management are summarized. The importance of requirement analysis andmanagement to civil aviation products development and certification isillustrated. The problems and conflicts in the current situations of domestic civilaviation products development and certification activities are analyzed. Thesolutions are provided to these problems and conflicts. A summary is present atlast. Keywords : Civil Aviation , Requirement Analysis , Requirement Management , Airworthiness Certification , System Engineering 1. 引言 民用飞机、机载系统及其它相关航空产品的研制活动是一项复杂的系统工程,其中一项重要的工作即需求分析和管理。 “ 需求分析 ” ( RequirementAnalysis )指:基于对客户需要和目标,任务和操作,人、产品和流程的预期使用环境,约束条件和效率的衡量后所确定的、系统特定的性能特性和功能特性。 “ 需求管理 ” ( RequirementManagement )指:记录、分析、跟踪和优先需求,并就需求与相关客户达成一致的过程,也是控制需求更改并就更改与相关客户沟通的过程 。对于民用航空产品研发和审定来说,需求分析和管理贯穿于整个产品研发和审定活动的全过程,对产品研发和审定工作起到非常重要的作用 。 本文针对民用航空产品研制和审定过程中必须面对和解决的需求分析和管理问题进行研究,就其中若干问题进行了深入探讨并提出解决方案,以促进我国大型民用飞机等民用航空产品的研制和适航取证活动顺利进行。 2. 需求分析与管理过程概述 总的来说,需求分析与管理的过程包括五大核心步骤,即提炼需求、分析需求、撰写需求、确认需求和管理需求,这五项工作随着项目的进展相互影响、高度迭代 。每项工作的主要内容具体如下: (1) 提炼需求。 提炼需求建立在理解客户需要和其他输入限制(如任何相关的法律、法规和政策)的基础上,通过紧密地与项目相关方一起工作,来定义一系列产品需求的雏形。 (2) 分析需求。 分析需求是对提炼需求阶段获得的需求雏形进行更细致的分析。通过分析,使得雏形需求变得清晰、需求间的冲突和矛盾得以解决、含糊不清的和冗余的部分得以去除。 (3) 撰写需求。 需求的撰写应严格按照规范进行,确保针对每个需求的描述均符合清晰、正确、完整、一致的特征要求。此外,为确保需求的可追溯性,在撰写需求内容的同时,还应明确每项需求的一些附加特征,如需求的编号、来源、作者、制定日期、更改历史、验证方法、优先级、状态等以方便需求管理,确保需求的可追溯性。 (4) 确认需求。 确认需求的一致性、正确性和完整性是非常重要的活动,其对于尽早发现需求的不足、确保产品符合各方要求至关重要,同时尽早发现需求描述中的问题对于降低项目风险、节约研发成本也是至关重要的。 (5) 管理需求。 管理需求的目的:第一,跟踪和控制需求的定义、更改和再分配;第二,设立顶层需求到底层需求之间的追溯性;第三,设立底层需求到硬件、软件、接口和人之间的追溯性;第四,检测、识别、量化和引导需求变更的范围和影响。 3. 需求分析与管理在民机研发和审定过程中的重要作用 民用飞机及相关民用航空产品的研发同其它产品研发一样,都属于基于需求的工程( Requirement-BasedEngineering )。“需求”不仅是产品研发活动中构型管理( ConfigurationManagement )的重要对象,需求管理也是产品研发活动的关键组成部分。 民用航空产品的设计输入至少来自两大方面:第一,客户需要。客户需要主要从航空产品使用角度提出,其特点是无穷无尽、各不相同。同时由于各种原因,客户需要又会混杂在各种不连贯的概念、想法甚至错误的假设之中,因此民用航空产品设计和制造单位必须同时考虑纷繁复杂的客户需要和工程的可实现性,才有可能开发出满足客户需要的民用航空产品;第二,适航标准。适航标准的主要特点是以强制执行的法律法规形式出现,它们或强调民用航空产品的安全性、或强调民用航空产品的环保性 。因此民用航空产品设计和制造单位必须确保适航标准在产品设计和制造过程中正确贯彻,并同时接受民用航空适航管理当局遵照相应法律和管理程序对其产品进行的适航审定 。在整个民用航空产品研发、制造和审定的过程中,无论是客户需要还是适航标准的实现和确认,都紧密围绕民用航空产品研发单位的需求分析和管理工作展开 ,因此必须对需求分析和管理工作加以足够的重视。 4. 当前我国在民用航空产品研发和审定过程中存在的问题 4.1 定义混淆、概念不清 尽管对于 “ 需求 ” ( Requirement )这个词的定义,当前在工业界和学术界没有统一的标准,但是对于产品研发来说,应当将 “ 需求 ” 明确为一个具有特定含义的专有名词,并特别注意将其与 “ 需要( Need ) ” 或 “ 期望( Expectation ) ” 严格区分开来: “ 需要 ” 或 “ 期望 ” 都带有明显的主观色彩,不能直接用于工程实现;而 “ 需求 ” 则具有客观性,并能够被工程方法和手段所实现。 举个简单的例子:某生产汽车安全气囊的公司遇到一个问题,即气囊释放故障率过高,无法满足客户的使用需要。为解决该问题,该公司首先投入大量人力和物力重新设计了安全气囊的释放机构,并使用了新的材料以提高释放机构的强度,然而经过大量测试后,改进的释放机构仍没有使低气囊的故障率降低至客户满意的程度。因此该公司不得不重新审核整个安全气囊的设计,最终发现由于气囊在组装线上由人工折叠包装,折叠的松紧程度非常的不统一,从而导致气囊不能正常释放。基于这一发现,该公司最终解决问题的方案是设计研发了自动折叠气囊的机器。 上述例子充分体现 “ 需要 ” 和 “ 需求 ” 两者之间在含义上的巨大差异。从当前我国民用航空产品研发的工程实践来看,绝大多数情况下混淆了 “ 需要 ” 和 “ 需求 ” 两个概念。对于民用航空产品研发来说,适航法规是其必须遵守的设计输入,但适航法规不仅有强制性特点,而且兼具通用性特点,即并不针对某一特定的产品型号,这意味着尽管适航法规明确了最低的安全性标准,甚至有些还包括详细的设计指标,但总的来看绝大部分适航法规不能直接用于设计,即仍然属于 “ 需要 ” 的范畴,必须结合具体的型号设计,经过需求分析变成可实现、可验证的设计需求,同时对这些由适航标准转化得来的设计需求进行严格管理,从而最终保证研发和制造出的民用航空产品满足适航标准。 4.2 对于需求分析和管理工作地位和作用的认识有待提高 根据国际知名的市场研究公司 Standish Group 在 1996 年针对 352 家公司的 8000 多个项目调查,对项目产生 “ 伤害 ” (如取消、超出预算、超期等)的最重要的三项原因均与需求分析和管理相关,它们分别是:缺乏用户参与( 12.8% )、不完整的需求和规范( 12.3% )、需求和规范的变更( 11.8 )。美国军方也曾经对美国空军项目的错误根源做出研究,研究结果显示超过 41% 的错误来自需求错误。对于国内民用航空产品研发项目来说,缺乏对需求分析和管理工作重要性的认识和理解的典型表现或带来的危害就是型号研制任务超期,为此国内的研发单位不得不额外付出高昂的研制费用为代价。另外,缺乏对需求分析和管理工作重要性的认识和理解,也会使民用航空产品的适航取证面临危险和挑战。由于民用航空产品的特殊性,中国民用航空产品若想得到世界的认可,不仅要通过中国的适航认证,更必须通过欧美发达国家的适航认证。围绕需求分析和管理问题,欧美发达国家不仅投入巨大的精力和财力进行研究,同时结合工业实践制定了完善而庞大的工业标准体系,这些都已成为或将成为中国民用航空产品取得国际适航证,进军国际市场的门槛和严重阻碍。 4.3 缺乏需求分析和管理的知识、经验和手段 显然,需求分析工作是非常顶层和非常核心的设计工作,完成需求分析的工程师既要理解客户的需要、适航的标准,又要能利用其丰富的工程知识写出合适的需求文档以便设计实现。对于民用航空产品来说,需要考虑和完成的需求类别包括:安全性需求、功能需求、运行需求、性能需求、物理和安装需求、维护性需求、界面需求、衍生需求、附加的审定需求等等 。此外,由于需求定义的结果对整个项目研发会产生非常巨大的影响,因此还须确保撰写出的需求具有:可实现、可验证、清晰、正确、完整、一致、适合产品架构层级等特征 。实践证明,我国在开展民用航空产品需求分析工作方面知识和经验非常缺乏、基础非常薄弱。 另外一方面,需求管理也是非常重要的工程管理工作。民用航空产品研发和审定过程中会形成大量的设计文档和验证数据,这些设计文档和验证数据均围绕需求展开,因此需求管理活动不仅奠定了构型管理、风险管理、数据管理等工程管理活动的基础,还是整个民用航空产品研发工程管理活动的核心。由于民用航空产品研发非常复杂,整个研发过程中不仅形成的需求数量异常庞大,相应的更改活动也非常频繁,因此需要借助必要的管理手段,特别是数字化手段以完成需求管理任务。 4.4 缺乏必要的工业标准进行规范和支持 基于工业实践的充分总结、理解和认识,欧美发达国家非常重视需求分析和管理相关的理论方法研究、工业标准制定和工具产品研发。以工业标准为例,为确保需求定义正确、完整,满足上述可实现、可验证等特征需要,美国国防部( DOD )制定的军用标准 MIL-STD-961E 和美国联邦航空局( FAA )制定的标准 FAA-STD-005E 就明确规定:需求应以清晰、简单的语言撰写,没有含糊不清或容易让人误解的词语,所有的语句在语法上应是完整的。 MIL-STD-961E 中的规定涉及语法、文体、缩写、缩略语、符号、专有名词、常用单词和词组等等,详细到如: l 引述参考文件时,应使用:( 1 ) “ 遵照( conforming to ) …” ;( 2 ) “ 如 … 中规定( as specified in ) ” ;( 3 ) “ 根据( in accordancewith ) …” 。此外,任何情况下在给定的文件及与之相关的一系列文件中使用相同的措辞 l 需求的描述中不能使用 “ 和 / 或 ( and/or ) ” 、 “ 合适的 ( suitable ) ” 、 “ 足够的 ( adequate ) ” 、 “ 第一等级 ( first rate ) ” 、 “ 最大可能 ( best possible ) ” 、 “ 以及其他 ( and others ) ” 、 “ 如同 ( the like ) ” 等含糊不清的词语;还要避免使用 “ 例如 ( e.g. ) ” 、 “ 等 ( etc. ) ” 、 “ 也就是 ( i.e. ) ” 这样的词语等等 根据当前我国民用航空产品研发和审定的工程实践经验,由于缺乏必要的工业标准进行规范和支撑,一方面使得制造商在转化客户需要、适航标准,使之成为设计需求时面临困难,而这些困难随着需求向供应商,特别是国外供应商传递的过程中更加困难;另一方面使得适航管理当局在适航审定的过程中,既难以理解制造商提供的审定数据,也难与其达成一致。总之,缺乏必要的工业标准会给整个项目研发和取证工作造成很大阻碍。 5. 针对我国民用航空产品研发和审定过程中解决需求分析和管理问题的思考 正如上文所述,需求分析和管理工作贯穿于整个民用航空产品研发和审定过程始末,也是相关设计研发、工程管理和适航取证工作的基础,因此应在民用航空产品研发和审定活动中特别重视做好相应的需求分析和管理工作。此外,还应当特别重视做好如下几方面工作: (1) 加强工业方自身能力建设 应当认识到需求分析和管理工作的好坏将事关产品和项目的成败和企业的生死存亡,因此,工业方应围绕需求分析和管理加强相关能力建设。考虑到需求分析和管理一方面既是一个知识和经验密集、对工程师能力需要很高的技术问题,也是一个庞大而复杂的工程管理问题,因此能力建设应围绕包括组织、职责、程序和资源等方面进行。比如应设立专门的组织机构,并赋予其适当的职责,然后根据明确定义的管理程序或操作手册开展需求分析和管理工作,同时,考虑到需求管理的信息巨大、可能出现的更改数量,以及对于需求一致性和可追溯性等的需要,需要投入专门的人力和物力确保需求分析和管理工作的可行性。 (2) 加强适航管理当局与工业方的交流与合作 尽管处于公众安全的考虑,民用航空产品必须经过适航审定,但是各国适航管理当局的职责作用均包括为工业方提供服务以推动工业方的发展。中国在民用航空产品研发和制造领域属于后进国家,更加应当加强适航管理当局与工业方的交流与合作。一方面适航管理当局应充分发挥 “ 宣传、帮助、监督、检查 ” 的职能,在帮助工业方理清思路的同时,督促工业方努力提高需求分析和管理水平;另一方面工业方应充分提高与适航管理当局的合作意识,特别在适航标准向设计需求转化方面,尽量在型号产品设计初期与适航管理当局达成一致,以减少后期出现设计更改和反复的可能。总之,通过合作,达到加快我国民用航空产品的研发过程、提升民用航空产业能力的目的。 (3) 加强需求工程理论和方法的研究和标准制定 需求工程( Requirement Engineering )作为一门学科,是伴随着西方工业化生产进程而发生和发展的,并且已在解决产品,特别是复杂产品研发过程中有关需求分析和管理问题方面取得很多成果。然而,这些成果并不能完全适用于解决我国未来工业化发展过程中存在的问题。例如,需求工程研究的出发点主要针对西方用户,适用语言主要为英语。那么随着我国工业化发展的需要,特别是当我国提出自主创新,建设创新型国家的战略目标之后,如何基于我国用户的使用需要、汉语语言的特点等进行需求分析,是一项极具挑战的研究课题。特别像民用飞机这样的大型复杂产品,当其采用“主制造商 + 供应商”模式进行研发之后,会使需求转换的恰当性和传递的一致性变得更加困难和复杂。因此,特别需要针对我国的实际情况和工业化特点,加强需求工程的理论和方法研究,并以此为基础,加快建立我国相关工业标准体系,以规范、指导和促进我国工业化的发展,从而支撑我国自主创新、建设创新型国家的宏伟战略目标。 6. 结论 大型民用飞机或其它复杂产品能否满足包括客户在内的各方需要,能否以高质量、高水准的形式参与激烈的国际竞争,从而确保产品在商业上的成功,离不开需求分析和管理工作,需求分析是整个研发活动的开始,需求管理则贯穿整个研发活动的始终,因此需求分析和管理是民用航空产品研发和审定活动中非常重要的环节,这也恰恰是我国当前民用航空产品研发和审定过程中的薄弱环节。本文针对这一问题进行了研究,所得结果将对我国民用航空产品的研制和适航取证起到良好的促进作用。 7. 参考文献 ElectronicIndustries Alliance , Systems Engineering Capability Model , EIA-731.1 , 2002 http://en.wikipedia.org/wiki/Requirements_management ElectronicIndustries Alliance, Processes for Engineering a System , ANSI/EIA-632 , 1999 Wymore,W. , Model-BasedSystems Engineering. Boca Raton: CRC Press , 1993 Grady,J. O. , SystemRequirements Analysis. New York: McGraw-Hill , 1993 Booch,G., Rumbaugh, J., and Jacobson, I. , The Unified Modeling Language UserGuide. Reading, MA: Addison-Wesley , 2005 Societyof Automotive Engineers, Guidelines for Development of Civil Aircraft andSystems (SAE ARP 4754A), 2010 中国民用航空总局,民用航空产品和零部件合格审定规定, CCAR-21-R3 , 2007 中国民用航空局,运输类飞机适航标准, CCAR-25-R4 , 2011 中国民用航空总局,航空器型号和适航合格审定噪声规定, CCAR-36-R1 , 2007 中国民用航空局航空器适航审定司,航空器型号合格审定程序, AP-21-AA-2011-03-R4 , 2011 DefenseAcquisition University , System Engineering Fundamental , Fort Belvoir : DefenseAcquisition University Press , 2001 Departmentof Defense, Defense and Program-Unique Specifications Format and Content(MIL-STD-961E), 2003 FederalAviation Administration, Preparation of Specifications , Standardsand Handbooks(FAA-STD-005E), 1993 【注意】本文已正式发表于《民用飞机设计与研究》,2013年第2期。转载请指明出处。
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