скачать книгу бесплатно
Системная инженерия на раз-два
Виктор Николенко
Представлено общедоступное изложение уникальной эффективной методологии разработки систем и продуктов с рекомендациями для применения в различных отраслях деятельности. Специалисты, инженеры, менеджеры, руководители всех уровней, студенты, старшеклассники получат полезные сведения для применения системного подхода в обучении, работе и жизненных ситуациях. Автор работал на трех континентах с лидерами мировой индустрии, 30 лет успешно использует, внедряет и преподает основы системного подхода.
Системная инженерия на раз-два
Виктор Николенко
Дизайнер обложки Ольга Третьякова
© Виктор Николенко, 2022
© Ольга Третьякова, дизайн обложки, 2022
ISBN 978-5-0056-5542-4
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Эта книга написана для всех любознательных. Для тех, кому важно сегодня знать больше, чем вчера. Для тех, кто в своей профессии стремится трудиться красиво и эффективно. Для тех, кому хочется учиться новому и уметь работать быстрее, чем раньше. Для тех, кто поставил себе цель стать лидером высокотехнологичной эпохи. Для тех, кого интересуют новинки в организации и управлении. Излагаемая методология охватывает универсальные приемы, эффективна при обучении, в работе, для освоения собранных знаний, в жизненных ситуациях. При современной перегрузке людей информацией системный подход дает уникальную возможность экономить невосполнимый ресурс – время. Приведенные материалы позволяют немедленно начать их освоение на практике.
В книге доступным языком «на раз-два» рассказано об удивительном мире системной инженерии. За последние несколько десятилетий ей стали подвластны сферы применения в разных направлениях за счет достижения значительных преимуществ при проектировании систем любой сложности. Системная инженерия стала универсальным ускорителем 21 века для профессионального и социального роста специалистов разных стран, похожим на удивительный «новейший ускоритель» времени, про который писал когда-то классик фантастики Г. Уэллс.
Книга поможет улучшить личные творческие навыки, обрести полезные знания в технической, управленческой, организационной сферах создания высокотехнологичных систем разнообразным категориям читателей.
• Специалистам, которые стремятся вырасти в профессии, чтобы освоить полезные приемы работы. Инженерам, желающим дополнить, обновить и освежить свои знания в области профессии и инженерного менеджмента.
• Менеджерам всех уровней, руководителям подразделений для улучшения результатов, качества и эффективности работы своей команды, решения типовых управленческих ситуаций.
• Преподавателям и образовательным учреждениям для подготовки студентов, которые стремятся влиться в инженерные команды будущего.
• Тренерам и академиям повышения квалификации специалистов для освоения эффективных решений профессиональных проблем, с которыми приходится сталкиваться инженерам и менеджерам.
• Представителям заинтересованных сторон, клиентам и партнерам, участвующим в реализации проектов и программ в тесном сотрудничестве с управленцами, для понимания ролей, задач и ответственности проектных команд и менеджеров, способствующих их успеху.
• Молодым специалистам, которые ищут свою дорогу в жизни и пути наилучшего развития и применения своих возможностей.
• Всем любознательным, студентам, бакалаврам, магистрам, старшеклассникам, кто готов пополнить багаж знаний полезной информацией по системному подходу как «ускорителю 21 века», терминам, понятиям и инструментам, универсальным для применения в различных сферах деятельности.
Системный подход эффективен и важен при создании и эксплуатации разнообразных типов окружающих нас систем. Это бизнес-системы (управление исследованиями и разработками, производством продуктов и услуг для использования на рынке), образовательные системы (обучение всех уровней), информационные компьютерные технологии, финансовые системы (поддержка личных, коммерческих и других финансовых операций). К ним нужно добавить общественные правительственные (связанные с управлением людьми на уровне государства, области, города, и т.д.) и медицинские системы, обслуживающие потребности здравоохранения населения (больницы, врачи, терапевтические учреждения), отрасли высоких технологий. Неотъемлемыми компонентами мировой инфраструктуры стали транспортные системы (наземные, морские, воздушные и космические перевозки людей и грузов, газо- и нефтеперекачивающие магистрали), городские (управление инфраструктурой района, города, области), культурные системы (исполнительское искусство музыки и других развлечений, гражданские модели поведения), искусственный интеллект, и другие системы.
При разработке новых сложных продуктов для достижения стабильных и эффективных результатов требуется внятная методология. Так как сотрудники приходят и уходят, то любой компании нужен процесс, не зависящий от наличия конкретных людей, которые усвоили инструменты и приемы работы, и знают, как результативно их применять. Излагаемый в этой книге системный подход доказал практическую эффективность его реализации, стал источником конкурентных преимуществ множества компаний, от небольших частных организаций до гигантов бизнеса.
Сегодня системная инженерия по сути является единственно важной практической дисциплиной реализации инновационных проектов с подтвержденным положительным эффектом. Вниманию читателя предлагается доступно изложенное руководство для тех, кто готов уже завтра начать практическое применение системного подхода в своей работе, или освоить новый взгляд на хорошо известные понятия и инструменты.
Системная инженерия является междисциплинарной деятельностью и имеет целью эффективное создание разнообразных систем для удовлетворения сложных потребностей ряда отраслей. Методология включает формирование спецификации необходимых системных свойств (требований), принципов организации крупномасштабной системы (системная архитектура), определение потоков и событий, которые проходят между системой и элементами в ее среде (интеграция), а также связей между крупномасштабными архитектурными элементами, составляющими систему (интерфейсы), и выбором ключевых подходов и технологий посредством анализа оптимизации рынка (маркетинговые исследования).
Системная инженерия непрерывно развивается. Объем исследований расширяется от традиционной инженерной деятельности на социальные, технологические и экономические области, включая научную, предпринимательскую, военную, экономическую, социальную, сельскохозяйственную, административную и юридическую активности. Сегодня каждую линию повседневной деятельности можно рассматривать как систему. Подходы системной инженерии могут использоваться для повышения социальной продуктивности и качества жизни.
Для читателя применение системного подхода станет источником укрепления собственной значимости для этого мира и профессионального авторитета в организации по месту работы. Позволит существенно улучшить результативность личной деятельности, стать носителем новых полезных универсальных знаний. Данный подход научит умению инициировать системные изменения в окружающей среде. Применение полученных инструментов на практике позволит адаптироваться к эффективной командной работе, повысить авторитет среди коллег, улучшить навыки профессиональных коммуникаций. Освоение системного подхода предоставит для желающих объективную возможность выдвинуться в неформальные лидеры среди коллег, стать настоящим профессионалом своего дела.
Методология системного подхода, десятки лет успешно шагающая по странам и корпорациям (в прошлом веке ее широко преподавали в ВУЗах СССР под названием «системотехника»), не предполагает для усвоения предварительных знаний в области системной инженерии. Для прогресса читателю достаточно освоить минимальную терминологию (краткий словарь приложен в конце книги) и ознакомиться с последовательностью практического применения типовых шагов при создании сложных продуктов или систем. После чтения полезно, не откладывая в долгий ящик, начать следовать рекомендациям и набираться практического опыта.
На основе многолетнего опыта внедрения в РФ и уроков от зарубежных лидеров рынка высоких технологий можно уверенно сказать, что в том или ином объеме изложенный в книге набор знаний должен быть на вооружении всех специалистов и менеджеров технологических и гуманитарных отраслей. Чтобы профессионально заниматься созданием и улучшением систем, необходимо развивать знание предмета работ как со специалитетной, так и с управленческой стороны.
Применение принципов системно-инженерного подхода сегодня является самым мощным профессиональным навыком, которым могут обладать рядовые инженеры и менеджеры в современном мире. Методические материалы по теме формализованы в ряде российских ГОСТов. Реализация системного подхода существенно облегчена с внедрением информационных технологий.
Книга включает четыре раздела. В первом разделе даны основные понятия системной инженерии, изложен порядок использования технических процессов системной инженерии при реализации этапов жизненного цикла изделия. Во втором разделе детализированы особенности управленческого элемента системной инженерии. В третьем разделе раскрыты организационные вопросы системного подхода. В заключительном разделе даны рекомендации по использованию полученных сведений в практической работе.
Учтен обширный опыт практического руководства автором пятью инженерными центрами, в деятельности которых использованы подходы системной инженерии (см. биографию в конце книги). Ранее изданы учебное пособие «Базовый курс системной инженерии» [2] на основе опыта работы и курса лекций, прочитанных в 2013—2017 гг. в МФТИ, и монография по управлению высокотехнологичными программами [3]. Также доступны в Интернете книги автора о воспитании лидерских качеств [4] и воспоминания об инженерной карьере и примерах применения системной инженерии в ходе многолетней работы [5]. Классическая литература по предмету доступна на английском языке [6…9].
Отечественный опыт обучения показал, что понимание и успешное применение методологии системно-инженерного управления программами приходит уже при реализации второго или третьего собственных проектов.
Мировой кризис 2022 г. предоставляет шанс для скачкообразного развития РФ. Он дает возможность реального замещения импорта важнейших технологий и систем, позволяющего снизить зависимость от западных достижений в критических областях. Системный подход является одним из самых эффективных инструментов для построения инфраструктуры будущей России.
Раздел I.
Основные понятия системной инженерии
1.1 Системы, которые нас окружают
Прогресс развития технологического общества определяет потребность в способностях решать проблемы и открывать новые возможности. Инженерия занимается созданием инфраструктуры мира будущего. О том, как правильно и эффективно работать на современном уровне, как результативно использовать методологию и инструменты системной инженерии, и пойдет далее речь в этой книге.
Сегодня высокотехнологичные предприятия создают системы высокой сложности вплоть до искусственного интеллекта, космических станций, «умных фабрик», и др. Многие инженерные приложения требуют перекрестного обмена знаниями или интеграции нескольких дисциплин. Например, аэрокосмическим инженерам требуются знания в области металлургии и материаловедения, электронных систем управления, компьютеров, производственных ограничений и возможностей, финансов, логистического планирования жизненного цикла и обслуживания клиентов. Все это необходимо для производства жизнеспособного коммерческого продукта, такого как гражданский авиалайнер или международная космическая станция. Определяющими становятся знание и использование современных эффективных инструментов и технологий. Требуется также умение общаться и сотрудничать с другими коллегами по проекту и вокруг.
Специалисты и управленческий персонал сегодня являются ключевым элементом компаний для сохранения технологического лидерства и здоровой экономики. Каждый профессионал должен быть вовремя готов к творческой и продуктивной жизни, в том числе к вероятному выдвижению на руководящие должности. Инженеры будущего должны работать над постоянным повышением своей квалификации и конкурентоспособности.
В XXI веке мир в своем развитии перешел в фазу 4-й индустриальной революции. Ее отличительными компонентами являются (вариант):
• активизация науки о материалах;
• внедрение инструментов аддитивного производства;
• развитие нанотехнологий;
• реализация способов эффективного хранения энергии;
• применение беспилотных авиационных систем;
• движение к полностью электрическим самолетам;
• создание гиперзвуковых летательных аппаратов;
• широкое развитие робототехники;
• внедрение элементов искусственного интеллекта;
• развитие интернета вещей;
• использование квантовых компьютеров.
В отраслях высоких технологий руководитель проекта или программы НИОКР должен сбалансировать техническую, управленческую и организационную компоненты работы. Основной задачей обучающих и обучаемых на сегодня является исполнение противоречивых требований к подготовке персонала:
• Существенно увеличился объем сведений для усвоения.
• Необходимо сократить сроки обучения и подготовки специалистов.
На этом фоне непрерывно появляются новые разделы знаний и колоссальный информационный шум вокруг «лучших опережающих знаний» в связи с развитием коммерциализации обучения. Важно понимать, что, с учетом российского и зарубежного позитивного опыта, задача подготовки специалистов решается реалистичными методами и в заданные сроки. Набор инструментов специалиста завтрашнего дня опирается на четыре базовые колонны.
• Предметное направление, включает полученные в ВУЗе знания по электронике, робототехнике, автомобилям, вертолетам, нефтехимии, здравоохранению, энергетике, общественным наукам, медицине, и т. д.
• Система менеджмента качества, которую обычно изучают в организации, для обеспечения рыночного спроса и минимизации затрат.
• Управление проектом, куда входит процесс получения сведений из ряда пособий типа PMBoK, курсов для менеджеров и руководителей.
• Системная инженерия, на сегодня минимально доступная в РФ, «склеивает» вышеперечисленные ответвления в стройную методологию, дополняет недостающие элементы в технической, управленческой и организационной частях, которая и является предметом данной книги.
Кроме того, каждая современная компания уже десятки лет работает в своем едином информационном пространстве, включая цифровизацию процессов, обработку и управление большими объемами данных. На ближайшие десятилетия технологического развития владение перечисленным набором базовых знаний является необходимым и достаточным для исполнения любых отраслевых задач разработки новых систем и продуктов.
Основным объектом приложения системной инженерии являются системы.
Системой называют интегрированный сплав людей, продуктов и процессов, обеспечивающий возможность удовлетворить требуемые нужды или цели.
Можно выделить природные системы и системы, созданные человеком. Природные системы возникли в результате естественных процессов (например, животные организмы, природа, планетные системы). Созданные человеком системы управляются людьми или автоматизированными системами (например, системы муниципального энергоснабжения, компьютерные сети, лифтовое хозяйство, мобильная телефония, медицинские организации). Природные системы могут быть переплетены с системами, созданными человеком. Пример: образование искусственного водохранилища путем строительства плотины на реке.
Среди искусственных систем можно выделить несколько типов.
• Физические системы, например смартфоны, планшеты, вертолеты, автомобили, поезда, самолеты, космические спутники, телевизоры, мосты, бытовая техника.
• Абстрактные системы, не имеющие физических артефактов, но используемые людьми для понимания или объяснения идеи или концепции. Примеры: различные модели, уравнения, мысленные эксперименты, компьютерные игры, и так далее.
• Системы общественной деятельности групп людей, взаимодействующих для достижения общей цели. Примеры: политическая система, социальные услуги, коммунальные службы, система здравоохранения, и т. д.
Системы удобно разбивать на части, называемые подсистемами. Подсистема также является системой, но функционирует как компонент более крупной системы. Самую маленькую часть системы часто называют элементом. Например, один из производственных отделов компании можно рассматривать как элемент системы. Он является частью подсистемы производства, с элементами планирования, изготовления и инвентаризации.
Пример иерархии систем по возрастанию уровня сложности.
Двигатель самолета по сравнению с набором входящих деталей.
Самолет с двигателями и навигационной системой.
Авиатранспортная система (АТС) с самолетами, пассажирами, грузами, тренажерами, и др.
Система систем, или наивысший уровень сложности, когда совместное применение систем дает синергетический эффект новизны достигаемых целей по сравнению с отдельными частями: АТС с аэропортами, маршрутной сетью, инфраструктурой обслуживания и наземного наблюдения.
Системы, подсистемы и элементы имеют отличительные характеристики, называемые атрибутами или свойствами. Они описывают состояние объекта в терминах качества или количества. Скоординированное взаимодействие элементов системы определяет ее свойства. Время и стоимость являются универсальными атрибутами для конкретного проекта и обязательно контролируются для оценки его эффективности.
Системным подходом называют комплексную методологию решения проблем разработки и управления системами. Он фокусирует внимание на общей картине и конечной цели, восприятии свойств систем в целом, а не отдельных частей.
Эффективен комплексный взгляд на ситуацию, чтобы учесть следующие факторы.
1. Цели и критерии эффективности системы в целом.
2. Окружающую среду и ограничения системы.
3. Ресурсы системы.
4. Элементы системы, их функции, свойства и показатели эффективности.
5. Взаимодействие между элементами.
6. Управление системой.
Созданные человеком системы реализуют поставленные цели путем преобразования входных данных в выходные данные. Входными данными могут являться сырье, ресурсы, информация или действия, требуемые для работы системы и достижения целей. Сюда могут входить контролируемые факторы, такие как труд, материалы, информация, капитал, энергия, а также неконтролируемые факторы, например, погода и характеристики окружающей среды. Выходные данные представляют собой конечный результат работы и цель использования системы.
Система преобразует входные данные в выходные посредством процессов. Важным действием системного подхода является создание и использование процессов, которые эффективно производят желаемые результаты и отвечают целям системы.
Все системы имеют те или иные ограничения, которые препятствуют их способности достижения заданных целей. Например, ограничения при создании легкового автомобиля включают топливную эффективность, соответствие стандартам, безопасность, экологичность, надежность, ремонтопригодность, удобство и комфорт для водителя и пассажиров. Как правило, цели исполняемого проекта должны быть достигнуты в рамках заданных ограничений сроков и бюджета.
Система имеет также границы, которые определяют область ее существования и взаимодействия с другими системами, физические, концептуальные, географические, и др.
В разрабатываемых системах возможны конфликты между целями входящих подсистем, что снижает вероятность реализации целей системы в целом. Устранение такого конфликта для достижения целей системы в целом называют системной интеграцией.
Системный подход помогает понять, как взаимодействуют элементы, и как изменение элементов и их отношений влияет на поведение и результаты системы. В нем также уделяется внимание управлению системой, то есть функции, которая учитывает цели, окружающую среду, ограничения, ресурсы и элементы системы. Например, двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать с точки зрения эффектов, которые его появление вызвало на земном шаре. Ускорилось развитие экономик, связанных с производством и распределением нефти. Новые виды транспорта изменили картину жизни мира посредством распространения путешествий, торговли, рынков и миграции населения. Изменение химического состава атмосферы вследствие работы миллионов двигателей, возможно, влияет на глобальное потепление погодных условий в районах мира.
Одной из ключевых составляющих системного подхода являются заинтересованные стороны, связанные с системой. Ими являются любой человек или группа, которые в том или ином отношении влияют на систему. Среди них могут быть финансисты, заказчики, покупатели или агенты по закупке продукта или услуги, лица, ответственные за надзор и регулирование продуктов или услуг, их сертификации, акционеры компании, и так далее. Заинтересованные стороны находятся за пределами системы.
У заинтересованных сторон нужно различать их роли. Например, владелец легкового автомобиля может играть несколько ролей заинтересованных сторон, таких как владелец, водитель, пассажир, кредитор, и так далее. Заинтересованные стороны будут по разному смотреть на одну и ту же систему в зависимости от роли, которую они играют.
1.2. Определения жизненного цикла
и системной инженерии
Системы меняются с течением времени. Для живых организмов характерный цикл включает рождение, рост, возмужание, старение и смерть. По аналогии введено понятие типового жизненного цикла развития систем. Он включает замысел, проектирование, изготовление, испытания, производство, эксплуатацию и утилизацию после износа.
Жизненным циклом (ЖЦ) называют совокупность взаимоувязанных последовательных изменений состояния изделия (системы), связанных с реализацией установленных процессов от начала разработки до вывода из эксплуатации. Некоторые продукты, например домашние компьютеры, имеют жизненный цикл длиной в несколько лет. Другие, как предметы одежды, могут иметь десятилетний или более жизненный цикл.
Далее потребуются еще два определения из стандарта ГОСТ 56136—2014.
– Этап жизненного цикла. Это часть ЖЦ, где предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и физических характеристик экземпляров изделий.
– Контрольный рубеж (КР) этапа жизненного цикла. Это момент завершения этапа ЖЦ, на котором реализуется процедура проверки результатов выполненных работ для последующего принятия решений о переходе к следующему этапу ЖЦ.
Основными этапами ЖЦ являются:
• Концепция: выявление и определение потребностей системы. Сюда входит анализ заинтересованных сторон и определение критериев проверки потребностей.
• Разработка: определение потенциальных вариантов решения проблемы, связанных с потребностями, и поиск предпочтительного решения.
