скачать книгу бесплатно
При рассмотрении состава системы важным является формирование набора интерфейсов. Интерфейс описывает физическую или функциональную связь между двумя функциями или процессами, фактически отражая часть требований к системе. Ни одна из подсистем внутри системы не функционирует независимо. Все они опираются на выходы других функций и, в свою очередь, обеспечивают входы для третьих. Другими словами, подсистемы взаимодействуют через интерфейсы. Частью процесса предварительного проектирования является идентификация всех интерфейсов в системе, и установление требований к внутренним интерфейсам. Это необходимо для определения требований к входам и выходам каждой подсистемы и элемента. Интерфейсы в системе появляются при ее декомпозиции для распределения работ, либо при разделении состава конструкции на модули и компоненты, возможно также при сопряжении с внешними системами. Появление интерфейсов также бывает связано с наличием групп проектировщиков, участием разных производителей агрегатов и поставщиков, использованием нескольких сборочных площадок, разделением работ внутри отдельных команд.
Основным источником информации об интерфейсах является задаваемая схема потоков, где каждая стрелка представляет собой интерфейс и связь между функциями. Объектом связи могут быть физические соединения, трубы, электронные аналоговые или цифровые сигналы, потоки электрической энергии, программное обеспечение, пакет данных. Поэтому существуют разные типы интерфейсов: механические, электропитание (напряжение и токи между подсистемами), электронные (характеристики электрических сигналов между системами), шины данных (формат и содержание информации, передаваемой между подсистемами), программное обеспечение (связь модулей или оборудования), и др.
Требования к интерфейсам, как часть системных требований, должны быть идентифицированы во время определения системных решений. Для систем высокой сложности интерфейсы можно структурировать путем размещения их в матрице строк и столбцов N
, где каждый элемент матрицы представляет собой технический или системный интерфейс для управления.
Приведем пример формирования технических требований для разработчика на базе требований верхнего уровня системы. В пожеланиях клиента указано, что легковой автомобиль должен иметь систему климат-контроля. Чтобы пассажиры чувствовали себя комфортно в салоне автомобиля, система должна обеспечивать температуру внутри салона в пределах 20—29° C, когда температура наружного воздуха составляет от -20° C зимой до +45° C летом.
Систему управления климатом декомпозируют на группы подсистем:
• отопления, включающую теплообменник горячего воздуха, воздуходувку, регулятор скорости вентилятора, термостат и систему подачи горячего воздуха;
• подачи холодного воздуха, включающую теплообменник холодного воздуха, воздуходувку, регулятор скорости вентилятора, термостат и систему подачи хладагента;
• рассеивания тепла в окружающую среду через окна, стекла и кузов автомобиля.
Далее формируют требования для подсистем системы климат-контроля:
1. теплообменников горячего и холодного воздуха;
2. нагнетателя воздуха с регулируемой скоростью вентилятора;
3. трассы подачи горячей воды из системы охлаждения двигателя;
4. подачи хладагента от насоса кондиционера;
5. термостата;
6. системы воздуховодов и трубок для воздушных и жидкостных потоков;
7. электрической системы питания компонентов.
В результате процесса разработки формируется набор детальных требований к системе, который должен быть выполнен разработчиками при создании продукта. Он содержится в документах контракта, спецификациях или технических заданиях на выполнение работ. Набор должен быть исчерпывающим по требуемой информации. Входящие в него требования не должны содержать противоречий, дублирований, и др.
Для реализации сформулированных требований при разработке новой системы или продукта важно, чтобы проектное решение соответствовало сегодняшним возможностям организации. Вводится понятие зрелости технологии как меры готовности запуска нового продукта для конкретного технического решения. По существу, зрелость технологии также является мерой риска, ассоциированного с конкретным проектом. Уровень зрелости технологии связан с часто используемым уровнем технической зрелости производства нового продукта. Основной целью использования уровней технологической готовности является помощь управленческому персоналу в принятии решений, касающихся перехода на следующие стадии развития инфраструктуры компании или использования технологии. Расшифровки уровней зрелости технологий приведены в ГОСТ Р 58048—2017 «Трансфер технологий. Методические указания по оценке уровня зрелости технологий».
На этапе разработки требований необходимо определить методы их верификации и валидации (см. раздел 1.7). С целью безусловного выполнения требований проекта необходимо организовать поэтапную верификацию исполнения требований к системе, начиная с появления предварительного облика разрабатываемой системы на контрольном рубеже эскизного проекта системы.
В процессе валидации требуется проверить, что системные требования полны, непротиворечивы, и что каждое требование достижимо и проверяемо. Валидацию требований проводят эксперты по конкретным вопросам, организация-разработчик и уполномоченные представители заказчика.
1.5 Функциональный анализ и синтез системы
После того, как определена архитектура системы и ее примерный состав, можно переходить к функциональному анализу системы, с описанием того, что система должна делать для выполнения требований. В него входит определение функций системы, их иерархической структуры и последовательности операций. Результаты анализа гарантируют, что все необходимые компоненты перечислены и исключены ненужные элементы.
Процесс проектирования сложных систем включает концептуальное проектирование, эскизный и технический проект (детальный дизайн). Функциональный анализ применяется к каждому этапу процесса проектирования. Процесс сфокусирован на том, что делает решение, а не на том, как оно это делает. В процессе функционального анализа исследуют функции, подфункции и интерфейсы, которые выполняют работу или задачи системы. Функция выполняется одним или несколькими элементами системы, состоящими из оборудования (аппаратного, программного обеспечения), людей и процедур для обеспечения работы системы. Элементы системы можно разделить на три основные типа:
1. Аппаратные или физические элементы для построения системы, статические или динамические, такие как объект, рама системы, детали, провода, и так далее.
2. Программные элементы, включая компьютерные коды и программы, которые служат для управления физическими компонентами системы. Результатом разработки является конфигурация программного обеспечения для каждого компонента.
3. Человеческие элементы, куда входят системные операторы, пользователи и специалисты по обслуживанию. Результатами распределения функций системы по человеческим элементам являются процедуры эксплуатации и технического обслуживания, включая взаимодействие человека с системой, а также требования к навыкам и обучению персонала.
При анализе разлагают системные функции на функции более низких уровней, которым будут удовлетворять элементы конструкции системы. Полезно использовать некоторые принципы функциональной декомпозиции системы.
• Разбиение системы на компоненты, сформированная архитектура и инженерные идеи имеют решающее значение для успеха проекта.
• При разбиении характеристик и ресурсов системы принцип равномерного нагружения подсистем исполнением основных требований продукта позволяет заметно улучшить общие характеристики системы.
• В процессе разбиения для каждой функциональной подсистемы выбор и принятие альтернативных решений основываются на маркетинговых исследованиях и прогнозе конкурентоспособности разрабатываемой системы.
Аналогичные функции группируются или разбиваются на логические подразделения или пакеты. Например, все блоки потребляемой мощности можно сгруппировать вместе, имея общий источник питания на все блоки. Моделирование функций системы имитирует, какие функции необходимо выполнять и как эти функции соответствуют целям эксплуатации системы.
Основными результатами анализа являются функциональное дерево и дерево компонентов. Первое определяет основные функции, которые должна выполнять система. Второе выделяет все физические компоненты системы, которые могут выполнять основные функции. При определении количественных целевых значений основных параметров системы, ее характеристики являются функцией двух типов переменных.
• Независимые от конструкции параметры, которые включают внешние атрибуты или переменные, не зависящие от проекта системы. Например, условия окружающей среды и ограничения для работы систем, такие как стоимость ресурсов, предпочтения клиентов, процентная ставка, стандарты напряжения электроэнергии, и т. д.
• Параметры, зависящие от проекта, включают переменные, которые проектировщики могут выбирать и изменять для достижения оптимальной производительности системы. Например, стоимость жизненного цикла, выходную мощность, скорость, вес, среднее время наработки на отказ системы, размеры, цвет, и т. д.
Процедура синтеза включает проектирование верхнего уровня системы, и основана на функциональной архитектуре и определенных подсистемах. Разрабатываемая система должна быть представлена в виде конструкции, которая позволит конкретно реализовать сформулированные требования. Например, будет ли машина использовать бензиновый, дизельный или электродвигатель. Конструкция выстраивается по иерархическому принципу. Сначала для системы в целом, далее для основных подсистем и компонентов, узлов и деталей. Решение разрабатывают снизу вверх на основе интегрируемых компонентов. Для обоснования выбора решений определяют соответствующие затраты, графики, показатели эффективности и риски.
