Инновации от идеи до рынка

Обобщенной целью всей деятельности СИ является управление рисками, включая риск несвоевременной поставки или непоставки того, что хочет и в чем нуждается покупатель, риск чрезмерных затрат и негативных непредвиденных последствий. Одним из показателей полезности СИ является степень снижения такого риска. Конечной целью процессов СИ является формирование структуры, которая позволяет точно исполнить эксплуатационные требования заинтересованных сторон.

Напомним базовые термины, которые используются в системной инженерии.

• Требование: единое формальное заявление, содержащее определение потребности, которую система должна обеспечивать или выполнять. Например, «портативная система очистки воды должна очищать не менее десяти литров воды в минуту».

• Функция: конкретное действие, которое система выполняет или предоставляет, для которого система разработана или спроектирована. Функциональный анализ системы обычно предшествует анализу задачи.

• Компоненты: составляющие системы, элементы ее построения. Состоят из трех основных типов. Это физические компоненты оборудования для построения системы; электрические и компьютерные компоненты программного обеспечения, программы и коды, которые контролируют и регулируют работу системы; и человеческие компоненты.

• Входы и выходы: в динамике функционирования системы, системные компоненты нуждаются во входных данных для выполнения своих функций. Так как компоненты соединены друг с другом, некоторые из них могут одновременно генерировать выходные данные для других компонентов. Эти входы и выходы могут быть материалами, энергией, информацией или действиями.

• Базовая версия системы: документированная базовая версия является основой для оценки системного проектирования. На определенных этапах разработки системы необходимо провести тесты и оценки конкретной версии, чтобы убедиться, что проект соответствует системным требованиям и находится на правильном пути. Когда проект переходит к более подробной информации, разрабатываются производственная конфигурация, процесс производства и сборки, и базовая версия перечня используемых материалов.

• Жизненный цикл системы, от замысла до вывода из эксплуатации, прежде всего во времени, но также с учетом изменений по мере развертывания жизненного цикла.

• Ворота принятия решений (контрольные рубежи) предназначены для обеспечения безопасного продвижения по жизненному циклу проекта. На этих вехах проводят обзоры и контролируют базовые показатели системы, чтобы всесторонне оценить прогресс.

• Заинтересованные стороны (лица, имеющие законный интерес к системе), чьи различные точки зрения должны быть изучены.

• Компромиссы, или решение конфликтных ситуаций в разработке, необходимо разруливать путем достижения взаимных соглашений участников при добровольном отказе сторон от части требований, так как дизайн зависит от принимаемых решений (что делать, как делать, кто что делает).

• Эксплуатационная (операционная) эффективность важна для предоставления высококачественного продукта, который будет служить интересам заказчика с точки зрения требуемых задач.

Основные особенности системного подхода заключаются в следующем:

1. Мультидисциплинарность. СИ это деятельность, объединяющая дисциплинарные границы на протяжении всего процесса проектирования и разработки. В ней участвуют профессионалы из разных дисциплин, работающие вместе (одновременно и совместно расположенные под одной крышей), постоянно общающиеся и помогающие друг другу по всем аспектам продукта. Типы дисциплин конкретной разработки зависят от типа, характеристик и объема программы продукта.

Потребности, проблемы и компромиссы между различными междисциплинарными стыками должны быть рассмотрены и решены на раннем этапе, чтобы избежать дорогостоящих изменений или перепроектирования.

Например, в процессы СИ для автомобиля вовлечены машиностроение (механика, электрика, компьютерные и информационные науки, химия, производство, качество, промышленность, человеческий фактор, окружающая среда и техника безопасности, науки о жизнедеятельности водителя и пассажира), промышленный дизайн (внешний вид, звук внутренней и внешней части продукта), исследование рынка (определяющие потребности продукта, его рыночный сегмент, потребителей, цену и объемы продаж), менеджмент (например, программа и персонал управления проектом, включая специалистов по планированию продукции, бухгалтеров, контролеров и менеджеров), заводской персонал, занимающийся его производством и сборкой, страховщиков, дилеров продукции.

2. Ориентация на клиента. СИ уделяет постоянное внимание голосу клиентов, то есть дизайн продукта не должен отклоняться от потребностей пользователей, которые должны участвовать в определении характеристик продукта.

3. Приоритет на определении требований на уровне продукта в целом. Например, на уровне продукта требования к автомобилю будут опираться на базовые характеристики транспортных средств, такие как безопасность, экономия топлива, управляемость, удобство сидения, температурный комфорт, стиль и затраты на содержание.

4. Рассмотрение полного жизненного цикла разрабатываемого продукта на всех этапах от разработки концепции до утилизации, в том числе проектирование, производство, сборка, испытания и оценки, использование во всех возможных условиях эксплуатации, техническое обслуживание, а также утилизация.

5. Иерархия целей «сверху вниз». Сначала рассматривают продукт или всю систему как единое целое, а затем последовательно декомпозируют их на более низкие уровни, такие как подсистемы, модули и компоненты.

6. Включение технических и управленческих процессов. В техническом процессе СИ создается документация о требованиях к продукту, и реализуются технические усилия по разработке и верификации интегрированного и сбалансированного набора решений для жизненного цикла, включающих пользователей и продукт в разных сценариях (ситуациях) его использования. Процесс управления СИ включает оценку затрат и рисков, интеграцию инженерных специальностей и проектных групп, поддержание контроля конфигурации и аудит деятельности, чтобы гарантировать, что цели по стоимости, графику и техническим характеристикам удовлетворяют требованиям для продукта.

7. Ориентация на конкретный продукт. Реализация этапов СИ (т.е. методы, процедуры, структура команды, задачи и обязанности, достижение вех проекта) зависит от производимого продукта и его характеристик, а также компании-исполнителя, ответственной за результат.

В таблице 1 показаны процессы системной инженерии из ГОСТ Р 57193—2016, разделенные на четыре группы.

К основным техническим процессам относятся пункты.

Разработка требований. На этапе обрабатывают все входные данные от заинтересованных сторон и переводят их в технические требования.

Функциональный анализ. Включает процесс получения логических решений для улучшения реализации определенных требований и взаимосвязей между ними.

Проектные решения. Преобразуют результаты предыдущих процессов в альтернативные проектные решения и служат основанием выбора окончательного варианта системы.

Дизайн компонентов. Это процесс создания элементов самого низкого уровня в системной иерархии. Каждый компонент производится на базе оригинальной разработки, либо может покупаться или использоваться повторно.

Процесс интеграции обеспечивает включение системных элементов более низкого уровня в модули более высокого уровня в физической архитектуре.

Верификация подтверждает, что элемент системы соответствует проектным или сборочным спецификациям. Она отвечает на вопрос «Соответствует ли система требованиям?» Валидация отвечает на вопрос «Правильно ли вы построили систему?»

Внедрением называют процесс передачи конечной системы пользователю.

Процессы технического управления (см. главу 3) реализуются на протяжении всего жизненного цикла приобретения и обеспечивают исполнение и контроль, чтобы помочь менеджеру и техническому лидеру достичь целей по производительности, графику и стоимости разрабатываемого продукта. Они включают следующие активности.

Анализ решений, который обеспечивает основу для оценки и выбора альтернатив, учитываемых при принятии решения.

Техническое планирование обеспечивает правильное применение процессов СИ на протяжении всего жизненного цикла системы.

Технические оценки включают поэтапные измерения технического прогресса, эффективность выполнения планов и требований.

Управление требованиями обеспечивает отслеживаемость соответствия системных требований верхнего уровня требованиям к подсистемам и компонентам.

Управление рисками включает оценку достижения целей программы, графика и эффективности на каждом этапе жизненного цикла.

Управление конфигурацией отвечает за установление базовой версии продукта и поддержание согласованности его компонентов с требованиями.

Управление данными, включает обработку необходимой информации, связанной с разработкой и поддержкой продукта.

Управление интерфейсом (глава 3.6) обеспечивает определение и соответствие интерфейса между элементами, составляющими систему, а также с другими системами, с которыми система или ее элементы должны взаимодействовать.

Для удобства читателя в конце книги приложен словарь терминов СИ.

Системный подход помогает преодолевать критические тенденции ужесточения комплекса требований к инновационным разработкам. Системы становятся все более сложными как по количеству компонентов, так и по взаимосвязям. Это увеличивает количество появляющихся технологически продвинутых и мощных, но менее предсказуемых продуктов. «Системой систем» называют продукты наивысшего уровня сложности, когда совместное применение нескольких систем дает синергетический эффект новизны достигаемых целей по сравнению с отдельными частями. Растет применение киберфизических систем, от умных автомобилей до контроля окружающей среды и сетецентрических войн, развиваются сайты социальных сетей и массовые многопользовательские игры. Новый уровень взаимодействия систем, сервисов и пользователей фундаментально изменил способы создания, разработки, развертывания, управления и вывода из эксплуатации систем. Сочетание ожиданий клиентов и факторов конкуренции привело к значительному сжатию жизненных циклов разработки и внедрения продуктов и услуг. При том, что сложность и критичность новых систем растут в геометрической прогрессии, время на их разработку и развертывание сокращается. Сложность и взаимосвязанность систем значительно увеличили ценность их использования, но одновременно выросла их уязвимость от внешних угроз. Поэтому повысилось внимание к безопасности новых продуктов.

Повышение стоимости развития новых продуктов «с нуля» повлияло на увеличение количества модификаций существующих систем. Системы предыдущего поколения часто плохо подходят для модернизации под выполнение новых задач, так как их будущее развитие не рассматривалось во время проектирования. Продление срока службы системы, превышающее исходный план из-за значительного увеличения стоимости и времени замены, еще больше усугубляет проблемы. Например, продление срока службы самолета B-52 до 100 лет вместо 30…40 плановых. Преодолевать эти тенденции призвана современная рабочая сила, которая развивается, адаптируясь к окружающей технологической среде, чтобы разрабатывать, создавать и управлять этими сложными системами.

Системный подход является основой, с помощью которой можно при создании новых или усовершенствованных продуктов выбирать наиболее подходящие практики на основе заданных тенденций.

Процесс реализации системного подхода при разработке продукта включает следующие основные задачи:

a) определить цели продукта (или продуктовой программы);

b) установить требования к характеристикам продукта (анализ требований);

c) установить функциональность продукта (функциональный анализ);

d) разработать альтернативные концепции дизайна продукта (архитектурный синтез);

e) выбрать базовый дизайн продукта (сбалансированный дизайн);

f) убедиться, что базовый дизайн продукта соответствует требованиям (верификация);

g) подтвердить, что базовый дизайн продукта удовлетворяет пользователей (валидация);

h) повторить вышеописанный процесс на более низких уровнях (каскадирование требований к продукту на декомпозированные уровни посредством распределения функций и синтеза дизайна).

Процесс разработки можно представить в виде следующих четырех петель (циклов). Схема этих циклов разработки показана на рис.1.

1. Цикл требований: помогает уточнить определение требований, которые используются при анализе функций, путем распределения функций по системам, подсистемам и компонентам на различных уровнях.

2. Цикл проектирования: включает итеративное применение результатов функционального анализа и распределения для разработки продукта таким образом, чтобы весь продукт с интерфейсами между различными подсистемами и компонентами мог работать в соответствии со всеми его требованиями.

3. Цикл управления: обеспечивает рассмотрение и анализ вопросов в нужное время и принятие правильных решений для управления тремя основными задачами (анализ требований, функциональный анализ и распределение и синтез проекта). Коммуникации и обзоры проекта помогают достичь баланса между характеристиками продукта. Контур управления облегчает своевременную передачу всех необходимых задач в соответствии с системно-инженерным планом управления проектированием и помогает выполнять бюджетные и временные требования программы продукта.

4. Цикл верификации: включает проведение испытаний разработанного продукта, его подсистем и компонентов, чтобы верифицировать выполнение всех требований на каждом уровне. Тестирование может быть выполнено посредством компьютерного моделирования, лабораторных, стендовых или полевых испытаний в зависимости от наличия испытательного оборудования, аппаратного и программного обеспечения, подлежащего тестированию. Процесс верификации повторяется до тех пор, пока принятый проект будет соответствовать всем применимым требованиям.

Эти задачи выполняются итеративно, причем в каждой последующей итерации вопросы проектирования продукта рассматриваются с увеличивающейся глубиной. Общий дизайн продукта с его системами оценивается (измеряется, корректируется или уточняется) в каждой итерации, до достижения заданных целей получения приемлемого продукта.

2.3 Архитектура системы и требования

Выявление свойств и характеристик будущей системы начинается с задачи маркетингового исследования рынка. Типовая постановка задачи маркетинга описывает потребности клиента, заявляет цели проекта, очерчивает предмет проблемы, определяет концепцию эксплуатации. Необходимо оценить требования заинтересованных сторон, характеристики системы, стоимость, примерный график выхода на рынок, потребное вспомогательное оборудование, технологические риски, структуру декомпозиции работ, вплоть до наличия исходных запчастей и готовности к ремонту.

Рыночная привлекательность продукта определяется набором его преимуществ. Например, для системы гражданского самолета это дальность, грузоподъемность, стоимость пассажиро-километра, вес, надежность, наличие послепродажного обслуживания, стоимость владения, и др. Критерии принятия решений на рынке могут быть назначены на основе качественных мер эффективности, которые учитывают голос клиента, и количественных показателей, которые оценивают голос инженеров. У новой системы могут быть также нематериальные преимущества, которые нелегко измерить. К ним относятся улучшение экологичности, повышение лояльности клиентов, лучшее качество, лучшее обслуживание, большее удовлетворение работой сотрудников, и так далее. Эти факторы могут влиять на экономическую осуществимость системы.

Необходимым стартовым компонентом для формирования финального пакета требований является документ «Концепция эксплуатации». В стандартах РФ документ не фигурирует, однако полезен для разработчиков, а также при разрешении последующих возможных конфликтов исполнителя с заказчиком. В нем количественно и качественно описывают ожидаемые характеристики разрабатываемой системы с точки зрения пользователя. Система представлена в виде «черного ящика», без деталей. Задачей концепции является наглядное описание целей создания системы, «что» она должна делать, а не «как». Это не техническое задание, где изложен детальный набор требований к системе, подсистемам и элементам. По мере разработки и проверки концепции потребности заинтересованных сторон преобразуют в эксплуатационные требования.

Концепция эксплуатации излагает для системы, подсистемы, аппаратного и программного обеспечения, компонента или другого элемента системы, кто является пользователями системы, как и где она будет использоваться, а также репрезентативный набор сценариев эксплуатации. Эти сценарии, каждый из которых связан с конкретным предполагаемым применением, выбраны для представления как типичных, так и предельных условий работы системы. Концепция эксплуатации обеспечивает прямую проверку требований и пригодности решения для предполагаемого использования.

Важно преодолеть разрыв между концепцией эксплуатации и общим набором требований. Основные требования должны напрямую сопоставляться с концепцией эксплуатации. Вспомогательные требования должны просто предоставлять количественные данные, чтобы можно было получить общий результат, как описано в концепции эксплуатации, которая является связующим звеном между желаемыми и финальными требованиями для создания и тестирования решения по продукту.

В Интернете можно найти несколько версий шаблонов концепции эксплуатации. Основные разделы, которые охватывают продукт и процесс (здесь пропущены заголовок и постановка задачи), могут включать описания:

1. Текущей системы или ситуации.

1.1 Предпосылки, цели и область применения.

1.2 Операционную политику и ограничения.

1.3 Описание текущей системы или ситуации.

1.4 Режимы работы для текущей системы или ситуации.

1.5. Классы пользователей и другой задействованный персонал.

1.6 Поддержку среды.

2. Концепции для предлагаемой системы.

2.1 Предпосылки, цели и область применения.

2.2 Операционную политику и ограничения.

2.3 Описание предлагаемой системы.

2.4 Режимы работы.

2.5. Классы пользователей и задействованный персонал.

2.6. Среду поддержки.

3. Эксплуатационных сценариев.

4. Анализа предлагаемой системы.

4.1 Краткое изложение улучшений.

4.2. Недостатки и ограничения.

4.3 Альтернативные рассмотренные варианты и компромиссы.

Наличие четко определенной концепции эксплуатации является ключевым исходным основанием для успеха системы. Нельзя начинать работу с ожиданиями, что можно спроектировать что-то сейчас, а исправить позже.

После уточнения концепции эксплуатации переходят к определяющему действию системной инженерии, которое включает разработку архитектуры новой системы (не путать с архитектурой зданий).

Архитектурой системы называют структуру компонентов, их отношений, а также принципов и руководств, регулирующих их проектирование и развитие во времени.

Системная архитектура отражает утвержденные системные требования. Она содержит наиболее важные стратегические реализационные решения, изобретения, инженерные компромиссы. В процессе разработки архитектуры формируется набор представлений, как система будет удовлетворять системным требованиям, все основные логические, физические, статические и динамические структуры, альтернативные решения, допущения и обоснования. Архитектура системы может включать функции, характеристики, технологию, оценку стоимости, риски, ограничения, границы системы, и т. д. Перечень функций затрагивает используемые в эксплуатации входные и выходные данные, сценарии использования, циклические процессы, функциональные требования, приоритеты. Поведение компонентов является частью архитектурного описания.

Архитектуры можно классифицировать в соответствии с отношениями между функциональными и физическими компонентами инновационных продуктов:

• Интегральная архитектура характерна функциональной взаимозависимостью между компонентами, при этом каждая функция может выполняться несколькими компонентами, а также компонентами, исполняющими несколько функций. Она плохо подходит для поддержки разнообразия продуктов. Но для простых изделий, которые производятся в больших объемах, интегральная архитектура может позволить упростить спецификацию (например, шариковые ручки, одноразовые бритвы, и т.д.) и тем самым способствовать разнообразию продуктов.

• Модульная архитектура отличается функционально независимыми компонентами, каждый из них отвечает за реализацию одной функции, и каждая функция выполняется одним компонентом. Модульная архитектура будет секционной, если интерфейс между каждой парой взаимосвязанных компонентов стандартизован. В модульной архитектуре компоненты могут соединяться друг с другом не напрямую, а через общий компонент (называемый шиной) и с использованием стандартного интерфейса.

На базе модульной архитектуры фирмы разрабатывают «платформенные системы», в которых общая платформа позволяет быстро разрабатывать производные продукты, отвечающие конкретным потребностям рынка. Компоненты, специфичные для производных, могут быть разработаны без необходимости перепроектирования основных и «внутриплатформенных» компонентов. Так создают семейства автомобилей, смартфонов, и др.

Вариант реализации гибкости заключается в глубокой цифровизации продукции. При этом продукт сформирован в виде «компьютера с периферией», поведение и функции которого зависят от программного обеспечения, которое будет запускаться на той же аппаратной платформе. Для этого производителю нужно оценить выбор между стоимостью продукта и гибкостью, поскольку изделие со встроенными функциональными резервами обеспечит большую гибкость, но будет более дорогим в производстве.

Архитектурное разнообразие открыто для обновлений с целью улучшения локализованных характеристик (например, установка жесткого диска большей емкости в компьютерную систему); надстроек или дополнений компонентов, придающих продукту новые функции (например, добавление внешнего источника освещения на видеокамеру); замены компонентов с целью расширения спектра действий продукта (например, сменные объективы в фотоаппаратах); адаптации компонентов для работы продукта в различных условиях (например, адаптер для питания устройства от сети переменного тока или в автомобиле).

Примером универсального модуля многочисленных электронных гаджетов может служить разъем для смартфонов USB-C, где объединен ряд функций:

A. Симметричный овальный разъем можно подключать в любой ориентации, для удобства применения функций интерфейса USB.

B. Имеются альтернативные режимы для объединения нескольких интерфейсов, включая стандартные спецификации передачи данных USB, и множество технологий и спецификаций работы в альтернативных режимах, когда контакты разъема передают данные по другим протоколам.

C. Реализована двунаправленная зарядка, которая может передавать энергию до 100 Вт. При этом устройство с портом USB-C может питать подключенное устройство, либо получать энергию от подключенного устройства для собственной зарядки.

D. Добавлено преобразование цифрового сигнала в аналоговый. В ряде смартфонов нового поколения отказались от разъемов для наушников, чтобы разместить другое аппаратное обеспечение. Пользователи могут использовать наушники со штатным разъемом 3,5 мм на своих смартфонах, подключив их через адаптер порта USB-C.

Модульная архитектура также упрощает использование стандартных компонентов, что приводит к очевидным преимуществам за счет экономии масштаба производства и снижения сложности. Иногда эти преимущества будут уравновешены дополнительными затратами, поскольку необходимость выбора среди ограниченного набора стандартных компонентов может приводить к завышению размеров по отношению к потребностям конкретного применения.

В зависимости от степени разделения работ между производителями конечного продукта и поставщиками принято различать уровни разработки продуктов «черного» и «белого ящика». В первом случае производитель конечной системы вообще не затрагивает внутреннюю работу компонентов, а ограничивается определением и тестированием значимых функций и характеристик. При разработке «белого ящика» производитель имеет прямое влияние на разработку компонентов и владение соответствующей технологией.

При проектировании архитектуры системы нужно учитывать сложную сеть взаимоотношений между функциональными элементами. Разработчику придется объединять компоненты в модули, которые относительно независимы друг от друга, и внутри которых могут проявляться существенные взаимозависимости. Варианты могут включать функциональные элементы, объединяемые одним потоком (без разветвления на другие функциональные элементы), либо организовать ветвление в потоке, когда каждая ветвь должна быть назначена отдельным модулям. Элементы, функцией которых является преобразование и передача материала, энергии или информации, обычно размещают в одном и том же модуле.