Архитектурное проектирование
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.
Предпосылки архитектурного проектирования
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:
Окружение системы
Пример описания окружения системы по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Сценарии использования
Пример сценария взаимодействия операционных активностей для реализации задачи «Обеспечение комфортных условий» по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Необходимые функции системы и способы их реализации
Пример описания функций, функциональных цепей и аллокаций функций на логические компоненты по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Связь требований с функциями и конструкцией
Пример визуализации связи требований конструкцией в рамках слоя физической архитектуры по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Компоненты системы и их взаимосвязи
Пример описание компонентов и их взаимосвязей на уровне физической архитектуры по методу ARCADIA в инструменте ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование
Ключевые аспекты, раскрывающие суть архитектурного проектирования
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) и
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.
Что дает архитектура?
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.
Внедрение процесса определения архитектуры критически важно при разработке сложных, мехатронных систем.
Группа компаний "ПЛМ Урал" предлагает свои услуги во внедрении процесса определения архитектуры, включающие:
- Формирование предложений по реинженирингу процесса проектирования с учетом внедрения процесса определения архитектуры;
- Внедрение необходимых инструментов и методик;
- Разработка стандарта предприятия по процессу определения архитектуры;
- Обучение персонала;
- Обеспечение взаимодействия инструментов архитектурного проектирования с инструментами детального проектирования (CAD, ECAD, 1D CAE) и управления данными (PDM, ALM).
