О системной инженерии
Процесс создания современных изделий (систем) состоит из множества стадий, в рамках которых, к изделию определяются требования и функции, разрабатывается конструкция и технология изготовления, происходит процесс изготовления и испытаний. Чем сложнее изделие, тем длиннее путь от замысла до его передачи эксплуатацию.
Для поддержки процессов ЖЦИ (жизненного цикла изделия) применяются различные информационные системы, в частности, для поддержки процессов проектирования применяется широкий набор САПР - систем автоматизированного проектирования и управления инженерными данными (CAD/CAM/CAE/PDM).
Предпосылки Cистемной инженерии
Различные исследования показывают, что несмотря на всеобщее использование САПР, проблемы при реализации процессов ЖЦ изделия остаются:
- Только 28% проектов отвечают запланированным срокам и бюджету.
- Более 45% бюджета на разработку может «уйти» на исправления и переделки.
- До 50% общего объема работ тратиться на исправление ошибок в конструкции.
К сожалению, автоматизация процессов проектирования, в общей массе, свелась к трем задачам:
- Автоматизация разработки конструкторской документации (чертежи, схемы, 3D-модели) с применением набора CAD/ECAD-систем;
- Управления результатами проектирования, как правило в рамках электронной структуры изделия в PDM-системе;
- Автоматизация инженерных расчетов на базе компьютерного инженерного анализа, основанного преимущественно на 3D-моделях (3D CAE).
Обозначенные задачи важны, но только их одних их не достаточно для поддержки процесса проектирования сложных технических систем:
- 3D-моделирование и 3D CAE анализ, в полную силу, начинаю работать только на поздних стадиях проектирования (если говорить о классических этапах проектирования – это стадия "технический проект" или стадия "рабочая конструкторская документация"). Ошибки, которые обнаруживаются на этих стадиях потребуют больших ресурсов на исправление.
- Данные размещаемые в PDM-системе (Электронный макет изделия, электронная структура изделия) не позволяют понять принцип работы сложной, мехатронной системы, например, увидеть как датчик получает сигнал, передает его по электрической сети в систему управления, как происходит обработка сигнала, выдается команда на управляющие действия и как в итоге это привод к движению механических компонентов.
При этом важные процессы ЖЦ изделия остаются фокуса применения или процесса автоматизации:
- Недостаточно внимания уделяется процессам выполняемым на ранних стадиях проектирования (выявление требований, валидация требований, проработка принципиальных решений), что ведет к ошибкам и дорогостоящим изменениям на поздних стадиях ЖЦИ.
- Процессы выявления требований основаны на экспертном методе и не поддерживаются специализированными методиками и инструментами, что приводит к неполноте требований и к их выявлению на поздних стадиях, и соответственно ведет к дорогостоящим изменения).
- Используемых инструментов и способов документирования проектных данных не достаточно чтобы сформировать целостное представление о работе проектируемой системы (что ведет к ошибкам проектирования).
- Часть данных о проектируемом изделии (интерфейсы, функциональные цепочки, сценарии работы и др.) не документируется (что ведет к недостаточности данных и ошибкам проектирования).
- Описание принципов работы проектируемой системы разбросано по различным, не увязанным между собой документам и электронным моделям (что приводит к неактуальности и несогласованности денных, и ведет к ошибкам).
Подробнее о проблемах проектирования при использовании традиционных методов и инструментов
Системная инженерия
Для проектирования сложных изделий (систем) стал критически важным пересмотр используемых подходов, методов и инструментов. В связи с чем, в международным инженерном сообществе стал развиваться и использовать такой подход как Системная инженерия.
Системная инженерия — это междисциплинарный и интеграционный подход, позволяющий успешно реализовывать, использовать и выводить из эксплуатации /сложные/ инженерные системы, используя системные принципы и концепции, а также научные, технологические и управленческие методы (INCOSE).
Системная инженерия описывает процессы жизненного цикла, необходимые для успешной системы, а также инструменты и методики их поддерживающие.
Опыт применения процессов, методик и инструментов позволяет сформировать лучшие практики - описывающие практические рекомендации по реализации отдельных задач процессов жизненного цикла системы.
Как работает Системная инженерия
Системная инженерия — это не просто набор инструментов, это дисциплина и образ мышления, которые целенаправленно ведут к созданию востребованного продукта.
Вместо того чтобы начинать проект с идеи «давайте сделаем крутое устройство с функцией Х», системная инженерия начинает проект с вопросов:
- Кто наши потенциальные пользователи и какие их проблемы мы решаем?
- Какую потребность мы удовлетворяем?
- В каком контексте (окружении) будет использоваться продукт?
Для этого применяются техники выявления и анализа требований заинтересованных сторон. Заинтересованными сторонами являются не только конечные пользователи, но и менеджеры, отдел поддержки, инженеры по ремонту, регуляторные органы и т.д.
Результат: продукт, который решает реальную боль пользователя, а значит будет востребован.
Подробнее, смотрите раздел «Описание области проблем»
Системная инженерия превращает разрозненные пожелания и потребности в строгий, структурированный набор исходных и проектных требований.
- Требования должны быть измеримыми («время запуска приложения не более 2 секунд», а не «приложение должно быть быстрым»).
- Требования должны иметь прослеживаемость (Traceability) — каждое требование связано с конкретной потребностью пользователя и реализацией в конструкции.
Результат: все участники проекта имеют однозначное и непротиворечивое понимание того, что нужно сделать.
Подробнее, смотрите раздел «Инженерия требований»
Продукт рассматривается как система, существующая в определенной среде и взаимодействующая с другими системами.
- Умные часы взаимодействуют со смартфоном, зарядным устройством, сетью Bluetooth, здоровьем пользователя и т.д.
- Холистический подход помогает выявить скрытые проблемы на ранних этапах.
Результат: более надежный и совместимый продукт, корректно работающий в реальных условиях.
Подробнее, смотрите раздел «Архитектурное проектирование»
Архитектурный подход основан на системном, интеграционном и модельно-ориентированном преобразовании требований в детальную структуру системы.
Сначала принимаются ключевые междисциплинарные решения о структуре, функциях, интерфейсах и технологиях системы, а затем создаются чертежи и модели.
Результат: архитектура становится единым источником истины о системе и обеспечивает междисциплинарную координацию.
Подробнее, смотрите раздел «Архитектурное проектирование»
Системная инженерия использует V-модель, подчеркивающую непрерывную верификацию и валидацию:
- Верификация (Verification): «Мы построили систему правильно?» — соответствие техническим требованиям.
- Валидация (Validation): «Мы построили правильную систему?» — соответствие потребностям пользователя.
Оценка соответствия реализуется параллельно с разработкой требований, архитектуры и документации.
Результат: снижение дорогостоящих ошибок на поздних стадиях разработки.
Подробнее, смотрите раздел «Верификация и валидация»
Системная инженерия предусматривает:
- Проактивное выявление рисков — что может пойти не так?
- Планирование действий по предотвращению или смягчению последствий рисков.
Результат: предсказуемость проекта и управляемость изменений.
- Минимизация изменений на поздних стадиях проектирования.
- Контролируемое управление изменениями с анализом влияния на стоимость, сроки и риски.
- Управление конфигурацией для обеспечения целостности данных и соответствия требованиям.
Результат: минимизация дорогостоящих переделок.
Подробнее, смотрите раздел «Управление конфигурацией»
Современные продукты — это сочетание механики, электроники и программного обеспечения.
Методы системной инженерии обеспечивают интеграцию CAD-моделей, электронных компонентов и программного обеспечения в единую работающую систему.
Результат: все части сложного продукта работают как единое целое, а не как набор разрозненных компонентов.
Взаимодействие классических инструментов поддержки процессов проектирования и инструментов MBSE
В мире информационных технологий системная инженерия нашла свое развитие в форме моделе-ориентированной системной инженерии (MBSE). Для поддержки практик MBSE, в современных PLM-решения необходимо внедрение и использование новых инструментов Для перехода к процесса MBSE, уже традиционным инструментами создания ЭСИ, ЭМИ и CAE необходимо добавить новые компоненты:
Описание эксплуатирующей системы для проектируемого изделия в виде модели позволяет глубже понять сценарии использования, окружение изделия и его взаимодействия с другими системами.
Модель эксплуатации помогает:
- Определить входные данные для начала проектирования;
- Выявить ограничения и возможные риски;
- Сформировать исходные требования;
- Предотвратить дорогостоящие ошибки на поздних стадиях проектирования.
Такая модель является основой для разработки исходных требований к изделию (при отсутствии внешнего заказчика) либо служит источником дополнения требований заказчика.
Примеры инструментов: программный продукт «АрхиП» или «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» (в составе комплекса решений АСКОН).
Инструменты управления требованиями делают требования частью формальной модели проектируемого изделия.
- Трассировка требований с объектами модели системы эксплуатации (обеспечение прослеживаемости и валидации источника требования);
- Трассировка требований с объектами реализации (конструкторские и проектные данные);
- Определение метода оценки соответствия для каждого требования;
- Автоматизация контроля выполнения требований.
Пример инструмента: система «ЛОЦМАН:PLM».
Подробнее — раздел «Инженерия требований».
Инструменты архитектурного моделирования позволяют:
- Выявлять неочевидные исходные и проектные требования;
- Валидировать требования относительно источника их возникновения;
- Описывать реализацию требований через функции и системные компоненты различной физической природы;
- Уравновешивать интересы заинтересованных сторон;
- Закладывать основу для ранней верификации и валидации;
- Управлять сложностью через декомпозицию системы.
Примеры инструментов: «АрхиП» или «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» (комплекс решений АСКОН).
Подробнее — раздел «Архитектурное проектирование».
Принцип постоянной верификации и валидации позволяет минимизировать дорогостоящие ошибки.
Верификации и валидации подлежат:
- Требования;
- Архитектурные решения;
- Проектные и конструкторские данные.
Специализированные инструменты:
- 1D-моделирование (например, Pradis) — проверка архитектурных решений и требований без 3D-геометрии; поддержка MIL/SIL/HIL;
- Инструменты оценки безопасности;
- 2D CAE-анализ;
- 3D CAE-анализ;
- Инструменты формирования расчетных цепочек;
- Системы цифровых прототипов и цифровых двойников.
MIL — Model in the Loop
SIL — Software in the Loop
HIL — Hardware in the Loop
Результаты процедур оценки соответствия сохраняются в PDM-системе и обеспечивают прослеживаемость выполнения требований.
Подробнее — раздел «Верификация и валидация».
Ключевым условием реализации MBSE является управление всеми моделями жизненного цикла изделия в едином репозитории.
- Управление версиями, хранением, согласованием и доступом к моделям;
- Управление связями между моделями и их элементами;
- Связь требований с параметрами 3D-моделей и CAE-моделей;
- Интеграция расчетных данных в управляемую конфигурацию изделия.
Верифицированная архитектурная модель является основой для последующих процессов детального проектирования, на ее основе формируются требования к составным частям изделия и реализуется процесс детального проектирования в рамках отдельных инженерных специальностей (механика, электрика, электроника).
Компания «ПЛМ Урал» реализует проекты по построению PLM-решений с поддержкой MBSE на базе комплекса решений АСКОН.
Результаты применения практик системной инженерии
Системную инженерию можно описать как структурированный путь от идеи до успешного изделия (системы). Она действует как компас, который постоянно держит курс на истинные потребности клиента, и как штурман, который предупреждает о рисках и рифах на пути.
С системной инженерией вы целенаправленно создаете продукт, который:
- Решает правильную проблему (востребованность).
- Решает ее хорошо (качество и надежность).
- Решает ее в условиях реального мира (жизнеспособность).
- Быстро адаптируется к новым требованиям (конкурентоспособность).
Без системной инженерии высок риск создать продукт, который:
- Соответствует предъявленным требованиям, но никому не нужен.
- Полон "крутых" функций, но не решает основную проблему пользователя.
- Имеет массу скрытых дефектов из-за плохого взаимодействия компонентов.
- Крайне дорог для покупателей, из-за высокой себестоимости.
Подробнее об результатах применения системной инженерии
Наибольшая эффективность от применения системной инженерии достигается при ее использовании начиная с самых ранних стадий жизненного цикла.
