Архитектурное проектирование
Архитектурное проектирование — это один из ключевых процессов MBSE, который помогает описывать сложные мехатронные системы не как набор разрозненных механических, электрических, электронных и программных компонентов, а как единую модель с понятными функциями, интерфейсами, сценариями работы, требованиями и взаимосвязями. Такой подход позволяет сформировать единый источник истины о том, как изделие задумано и как оно должно работать, обеспечить прослеживаемость от требований до реализации, заранее выявлять риски на стыках систем, оценивать влияние изменений и снижать количество дорогостоящих доработок на поздних этапах проектирования.
Одним из важнейших процессов MBSE является процесс Определения архитектуры.
В широких инженерных кругах, Архитектура до сих пор воспринимается как термин используемый в промышленном и гражданском строительстве, однако Архитектура уже давно вышла из этой области и имеет более широкое значение и применение.
Современные системы перестали быть просто набором гаек и болтов, теперь это сложные программно-интенсивные системы, которые, как правило, состоят из механических, электрических электронных и программных компонентов. И традиционных подходов к организации и реализации инженерных процессов уже недостаточно для того, чтобы гарантировать, что все части будущей системы объединятся в интегрированную систему, которая будет работать так как она была задумана.
Для примера, ни электронный макет ни электронная структура изделия не способны описать сценарии работы системы и ее компонентов, описать путь электрического сигнала от датчика к системе управления, логику его обработки и дальнейший путь к исполнительным органам оборудования. Такие сведения могут содержаться в текстовых документах или схемах, но они как правило не связанных друг с другом и не имеют однозначной нотации описания, а значит не обеспечивают актуальность информации и ее машиночитаемость.
В результате, значительная часть информации об изделии остается слабоформализованной, и у инженеров нет единого источника истины, описывающей каким изделие задумано и как оно устроено, со всеми вытекающими от сюда последствиями.
Именно в этом контексте моделе-ориентированная системная инженерия (MBSE) в общем и архитектурное проектирование в частности, становится ключевым подходом, позволяющим привнести структуру, ясность и адаптивность к организации и реализации инженерных процессов проектирования и разработки сложных технических систем.
В системной инженерии Архитектура системы – это принципиальная организация системы, воплощенная в её элементах, их взаимоотношениях друг с другом и со средой, а также принципы, направляющие её проектирование и эволюцию. В MBSE результатом процесса определения архитектуры как правило является описание архитектуры в виде мульти-доменной модели, которая может включать следующие данные:
Пример описания окружения системы по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Пример сценария взаимодействия операционных активностей для реализации задачи «Обеспечение комфортных условий» по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Пример описания функций, функциональных цепей и аллокаций функций на логические компоненты по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Пример визуализации связи требований конструкцией в рамках слоя физической архитектуры по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Пример описание компонентов и их взаимосвязей на уровне физической архитектуры по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Цель процесса определение архитектуры - создать архитектуру системы, которая сможет удовлетворить требованиям заинтересованных сторон, а также сформулировать критерии для её реализации.
Суть архитектурного проектирования как метода заключается в системном, интеграционном и модельно-ориентированном подходе к преобразованию требований в детальную структуру системы, где механические, электронные и программные компоненты рассматриваются не по отдельности, а как единое целое, предназначенное для достижения общей цели.
Цель процесса определение архитектуры - создать архитектуру системы, которая сможет удовлетворить требованиям заинтересованных сторон, а также сформулировать критерии для её реализации.
Суть архитектурного проектирования как метода заключается в системном, интеграционном и модельно-ориентированном подходе к преобразованию требований в детальную структуру системы, где механические, электронные и программные компоненты рассматриваются не по отдельности, а как единое целое, предназначенное для достижения общей цели.
1. Функционально-ориентированный подход (От функции к реализации)
Суть: Проектирование начинается не с физических компонентов, а с анализа контекста системы и того, что система должна делать (её функций)
Процесс:
- Определяется контекст (окружение) системы и ее взаимодействие с контекстом
- Выявляются все функции системы ("обеспечить движение", "обработать данные датчика", "обеспечить безопасность").
- Эти функции логически группируются и распределяются по будущим компонентам.
- Только затем принимается решение, какая технология (механика, электроника, ПО) лучше всего подходит для реализации каждой функции.
Результат: Архитектура, оптимально отвечающая задачам системы, а не навязанная устаревшими или узко-дисциплинарными решениями.
2. Сквозная прослеживаемость (Traceability)
Суть: Каждое архитектурное решение должно быть обосновано и связано с конкретным требованием или функцией.
Практика: Используются методы MBSE (Model-Based Systems Engineering) и инструменты (например, ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование), чтобы обеспечить связи между:
Требованием -> Функцией -> Логическим компонентом -> Физическим компонентом (механика/электроника/ПО) -> процедурой оценки соответствия.
Выгода: Позволяет проверить полноту архитектуры, оценить влияние изменений и доказать, что система удовлетворяет всем заявленным потребностям и требованиям заинтересованных сторон.
3. Фокус на критически важные интерфейсы
Суть: Главная сложность сложных технических систем кроется не в самих компонентах, а в стыках между различными физическими доменами. Метод архитектурного проектирования уделяет первостепенное внимание проектированию интерфейсов.
Что описывается:
- Энергетические интерфейсы: Как передается и преобразуется энергия (например, электрическая -> механическая в приводе).
- Информационные интерфейсы: Как передаются данные и сигналы (протоколы обмена между датчиком, контроллером и приводом).
- Механические интерфейсы: Как компоненты крепятся и взаимодействуют физически (посадочные места, допуски).
Результат: Четко определенные интерфейсы позволяют командам разных специальностей (механиков, электронщиков, программистов) работать параллельно, минимизируя риски несовместимости на поздних этапах.
4. Итеративный анализ и верификация через моделирование
Суть: Архитектура не просто "рисуется", а анализируется и проверяется на ранних этапах с помощью формальных и математических моделей и их симуляций.
Примеры:
Кинематическое и динамическое моделирование (например, в Pradis): Проверка работы механической части под управлением алгоритмов.
Моделирование электрических цепей: Анализ нагрузок, помех и энергопотребления.
Анализ производительности и надёжности: Выявление "узких мест" и единых точек отказа до создания железа.
Выгода: Снижение количества дорогостоящих итераций с изготовлением прототипов.
5. Принятие решений на основе компромиссов (Trade-off Studies)
Суть: Ключевые архитектурные решения (например, выбор между централизованной и распределенной архитектурой управления, тип привода) принимаются на основе системного анализа альтернатив.
Процесс: Альтернативные варианты оцениваются по заданным критериям (стоимость, масса, быстродействие, надежность, потребляемая мощность). Выбор обосновывается количественно.
Результат: Объективное, задокументированное и оптимальное для проекта решение, а не выбор, основанный на интуиции или прошлом опыте.
Процесс определения архитектуры и результат в виде описания архитектуры позволяют:
- Поддержать процесс выявления требований.
- Получить описание функций (например, для оценки функциональной безопасности и функционально-стоимостного анализа).
- Описать процесс трансформации требований в конструкцию через функции и логику работы.
- Описать принципы работы изделия в целом, включая механику электрику, электронику, систему управления, в виде единой модели.
- Предоставить всем участникам разработки единую информационную модель из которой можно получать необходимую информацию в виде отчетов (эта модель доступна всем, а не только голове гениального конструктора).
- Предоставить данные для раннего контроля выполнения требований (например на базе 1D-анализа или инструментов оценки безопасности)
- Получить основу для реализации детальных процессов проектирования (требования к составным частям, описание интерфейсов, описание взаимодействия составных частей).
- Не упустить из вида важные нюансы технической реализации.
Для разработки архитектуры технических систем применяются специализированные инструменты, например ЛОЦМАН:PLM Aрхитектурное проектирование или АрхиП.
Для обозначения класса таких систем могут использоваться следующие аббревиатуры:
- MBSE
- CASE
