Инновации от идеи до рынка - читать онлайн

2.1 Системы и их жизненный цикл

Основными объектами создания инновационной продукции являются системы.

Системой называют интегрированный сплав людей, продуктов и процессов, обеспечивающий возможность удовлетворить требуемые нужды или цели.

Определение стандарта ISO/IEC/IEEE 15288 (2023 г.) уточняет это положение.

«Система – это совокупность частей или элементов (продукта или услуги), которые вместе демонстрируют поведение или значение, которых нет у отдельных составляющих».

Определение международного некоммерческого общества системной инженерии INCOSE (2019) дополняет формулировку.

«Спроектированная система разработана или адаптирована для взаимодействия с ожидаемой эксплуатационной средой для достижения одной или нескольких намеченных целей при соблюдении применимых ограничений. Может состоять из любого или всех следующих элементов: людей, продуктов, услуг, информации, процессов и натурных элементов».

Полноразмерная система включает все сопутствующее оборудование, средства, материалы, компьютерные программы, встроенное ПО, техническую документацию, услуги и персонал, необходимые для эксплуатации и поддержки в степени, необходимой для самостоятельного использования в предполагаемой среде.

Системы включают несколько типов:

• Физические системы, например смартфоны, планшеты, вертолеты, автомобили, поезда, самолеты, космические спутники, телевизоры, мосты, бытовая техника.

• Абстрактные системы, используемые людьми для понимания или объяснения идеи или концепции. Примеры: различные модели, уравнения, мысленные эксперименты, компьютерные игры.

• Системы общественной деятельности групп людей, взаимодействующих для достижения общей цели. Примеры: политическая система, социальные услуги, коммунальные службы, система здравоохранения, и т. д.

Можно выделить природные системы и системы, созданные человеком. Первые возникли в результате естественных процессов (например, животные организмы, природа, планетные системы). Созданные человеком системы управляются людьми или автоматизированными системами (например, системы муниципального энергоснабжения, компьютерные сети, лифтовое хозяйство, мобильная телефония, медицинские организации).

Системы удобно разбивать на части, называемые подсистемами. Подсистема также может являться системой, но функционирует как компонент более крупной системы. Самую маленькую часть системы часто называют элементом. Например, один из производственных отделов компании можно рассматривать как элемент системы. Он является частью подсистемы производства, с элементами планирования, изготовления и инвентаризации.

Набор инструментов специалиста завтрашнего дня опирается на пять базовых колонн.

1. Предметное направление, включает полученные в ВУЗе знания по электронике, робототехнике, автомобилям, самолетам, нефтехимии, здравоохранению, энергетике, общественным наукам, медицине, и т. д.

2. Система менеджмента качества, которую обычно изучают в организации, для обеспечения рыночного спроса и минимизации затрат.

3. Управление проектом, куда входит процесс получения сведений из ряда пособий типа PMBoK, курсов для менеджеров и руководителей.

4. Системная инженерия, на сегодня минимально доступная в РФ, «склеивает» вышеперечисленные ветви в единую стройную методологию, дополняет недостающие элементы в технической, управленческой и организационной частях, которая и является предметом данной книги.

5. Общее информационное пространство организации или проекта, включая цифровизацию процессов, управление большими объемами данных, цифровые потоки и цифровые двойники, искусственный интеллект, интернет вещей, и др.

На ближайшие десятилетия технологического развития владение перечисленным набором базовых знаний является необходимым и достаточным для исполнения любых отраслевых задач разработки новых систем и продуктов.

При реализации проектов и программ для управления разработкой, производством, сборкой и испытаниями в системном подходе широко используется принцип декомпозиции:

• Декомпозиция проблемы включает разделение сложной проблемы на более простые, позволяет легче найти решение и четко сформулировать задачи для каждого сотрудника.

• Декомпозиция времени реализует прием разбиения проекта на фазы с указанием конкретных результатов, чтобы эффективно контролировать процесс разработки, измерять достижения, и вовремя применять корректирующие меры.

• Декомпозиция продукта представляет разделение сложных продуктов на подсистемы, сборки и элементы, позволяет эффективно управлять конфигурацией и поставщиками.

• Декомпозиция действий проекта с последующей интеграцией определяет четкую последовательность необходимых действий, требования, спецификацию, разбиение работ, план, проект, интеграцию, верификацию, эксплуатацию, вывод из эксплуатации.

Подсистемы и работы удобно разделять по признаку специализации инженерных дисциплин. Для автомобиля, например, это проектирование кузова, шасси, конструкций, аэродинамики, электротехники и электроники, двигателя и трансмиссии, системы климат-контроля, и т. д. Бытовой холодильник будет включать следующие подсистемы: хранения охлажденных продуктов (температура выше точки замерзания), хранения морозильной камеры (температура ниже точки замерзания), подсистемы охлаждения (компрессор, двигатель, теплообменники и трубопроводы), электропитания и контроля температуры. Каждая система в продукте может быть дополнительно подразделена на подсистемы. Например, тормозная система в автомобиле может иметь следующие подсистемы: система педали тормоза, главного тормозного цилиндра, трубопроводы и шланги для тормозной жидкости, барабанные или дисковые тормоза в колесах, стояночная тормозная система. Каждая подсистема может быть дополнительно разделена на составные части.

Разделение сложного продукта на его системы, подсистемы и компоненты позволяет управлять работой, связанной с проектированием каждой системы, чтобы гарантировать, что продукт соответствует различным функциональным требованиям. Проектирование соединений или интерфейсов между различными системами, их подсистемами и компонентами требует выделения типов интерфейсов (глава 3.6), таких как физическое соединение деталей, потоки жидкостей, данных или энергии через интерфейс, компоненты, обеспечивающие функциональные возможности, включая передачу усилий между соприкасающимися частями (корзина сцепления для автомобиля).

Управление разработкой комплексного продукта с множеством подсистем и взаимодействием между ними нуждается в построении сложной управленческой и организационной структуры. Большую программу разработки продукта полезно разделить на множество отдельных проектов, каждый из которых включает интеграцию действий и результатов, чтобы гарантировать, что результат соответствует своей общей цели.

По аналогии с человеческой жизнью в технике используется понятие жизненного цикла продукта или системы.

Жизненным циклом (ЖЦ) называют совокупность взаимоувязанных последовательных изменений состояния изделия (системы), связанных с реализацией установленных процессов от начала разработки до вывода из эксплуатации. Некоторые продукты, например домашние компьютеры, имеют жизненный цикл длиной в несколько лет. Другие, как предметы одежды, могут иметь десятилетний или более жизненный цикл.

В стандарте ГОСТ 56136—2014 даны следующие определения:

Этап жизненного цикла. Это часть ЖЦ, где предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и физических характеристик экземпляров изделий.

Контрольный рубеж (КР) этапа жизненного цикла. Это момент завершения этапа ЖЦ, на котором реализуется процедура проверки результатов выполненных работ для принятия решений о переходе к следующему этапу ЖЦ.

Перечислим основные этапы ЖЦ системы.

• Концепция: выявление и определение потребностей системы. Сюда входит анализ заинтересованных сторон и определение критериев проверки потребностей, выбирается ведущая концепция для детального проектирования.

• Разработка: определение потенциальных вариантов решения проблемы, связанных с потребностями, и поиск предпочтительного решения. Системные требования уточняют и распределяют (каскадируют) на более низкие уровни, выбирают поставщиков, выполняют инженерный анализ для определения возможных конфигураций. Далее разрабатывают подробные чертежи или цифровые модели продукта и его частей, анализируют вопросы производства и сборки, варианты проверяют на соответствие требованиям, общим функциям и производительности, чтобы гарантировать, что продукт будет соответствовать потребностям клиентов.

• Производство: разрабатывают производственные технологические процессы, подбирают производственное оборудование, изготавливают пилотные образцы продукта. Проводят различные испытания, чтобы убедиться, что система построена правильно. Для серийного производства проверяют работу предприятия, проводят обучение сотрудников, производимую продукцию контролируют на соответствие требованиям, продукты отправляют в сектор продаж.

• Эксплуатация (использование): на этапе система используется конечными пользователями или операторами. Проводят обучение соответствующих сторон эффективному использованию системы. Продукты продают клиентам, собирают данные обратной связи с клиентами.

• Поддержка (послепродажное обслуживание): предоставление услуг, необходимых для эффективной эксплуатации системы, таких как ремонты, отчеты о неисправностях, периодическое обслуживание, и т. д.

• Вывод из эксплуатации: реализация плана, как и когда система должна быть выведена из эксплуатации, и утилизирована безопасным и надежным образом.

Этапы жизненного цикла позволяют упростить планирование и управление всеми основными событиями создания сложной высокотехнологичной системы или продукта. Разделение (декомпозиция) проекта на этапы жизненного цикла дробит процесс разработки на более мелкие и управляемые части. Переход фазовых границ между этапами определяется в пунктах КР путем оценки прогресса проекта и принятия решений по реализации следующей фазы. Так как решения на ранних этапах влияют на последующие активности, и более продвинутую систему труднее изменить по ходу проекта, в системном подходе сделанное на ранних стадиях ЖЦ имеет наибольшее влияние на успех проекта в целом.

2.2 Системный подход при разработке изделий

Особенности системного подхода определены использованием методологии системной инженерии (далее в тексте будет обозначаться СИ). Приведем формальное определение из стандарта ISO/IEC/IEEE 15288 (2023 г.).

«Системная инженерия – это междисциплинарный и интеграционный подход, позволяющий успешно реализовать, использовать и выводить из эксплуатации инженерные системы с использованием системных принципов и концепций, а также научных, технологических и управленческих методов».

СИ согласно справочнику INCOSE [12] фокусируется на:

• установлении, балансировании и интеграции целей, задач и критериев успеха заинтересованных сторон, а также определении их потребностей, операционных концепций и требуемых функций, начиная с ранних этапов цикла разработки;

• создании соответствующей модели жизненного цикла, процессного подхода и структур управления с учетом уровней сложности, неопределенности, изменений и разнообразия;

• разработке и оценке альтернативных концепций и архитектур решений;

• требованиях к базовому определению, моделированию и выбранной архитектуре решения для каждого этапа работы;

• выполнении синтеза проекта, а также верификации и валидации системы;

• при рассмотрении областей проблем и решений принятии во внимание необходимых обеспечивающих систем и услуг, определяя роль, которую части и отношения между ними играют в общем поведении и производительности системы, и балансировании всех этих факторов для достижения удовлетворительного результата.

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.

Архитектура не является единой структурой. Она определяет основные части системы и то, как эти части будут взаимодействовать друг с другом, чтобы удовлетворить общие системные требования. Определения архитектуры не уточняют, что представляют собой компоненты. При формировании архитектуры можно использовать диаграммы, наброски, рисунки, таблицы, и другие наглядные материалы для выражения пожеланий будущих пользователей. Например, в одном из стандартов имеется более 50 разделов по типам описаний архитектуры.

Верхний уровень требований к системе формируют на базе обобщенных результатов маркетинговых исследований будущей инновации. Эти данные включают выбор концепции эксплуатации, архитектуры системы, требования, включая запросы заказчика и производные (альтернативы функций, распределение требований). Также учитывают пожелания возможного заказчика.

Требованием называют утверждение, которое идентифицирует эксплуатационные, функциональные параметры, характеристики или ограничения проектирования продукта или процесса, которое однозначно, проверяемо и измеримо, а также необходимо для приемки продукта или процесса, согласно стандарту ISO/IEC 29148 «Разработка требований».

Есть несколько причин, зачем нужны требования:

• Требования определяют цель программы, например, чтобы предложить хороший продукт на рынок и получить прибыль от реализации проекта.

• Требования определяют, что система должна делать, и управляют ее развитием.

• Требования определяют ограничения, связанные с реализацией проекта, а именно сроки, бюджет, персонал, применяемые технологии, соответствие требованиям законодательства, и т. д.

Требования не являются спецификациями. Они определяют функции, характеристики системы, и задачи в части окружающей среды. Распространенной ошибкой является чрезмерное ограничение проектирования путем указания ненужных барьеров для творчества архитекторов и инженеров при выполнении проекта.

Посредством требований уточняются формулировки или характеристики продукта или системы, которые разработчик хочет или должен получить. В системных требованиях учитывают запросы заинтересованных сторон, то есть производителей, поставщиков, операторов и других лиц. Сюда входят корпоративные клиенты, заинтересованные в рынке будущей системы, низких эксплуатационных и капитальных затратах; операторы системы, заинтересованные в ее производительности, долговечности, надежности, наличии запасных частей; пользователи, которые заботятся о комфорте, безопасности и удобстве использования. Эти стороны, в конечном счете, будут использовать систему, извлекать из нее выгоду, управлять, поддерживать в рабочем состоянии, влиять на нее или подвергаться ее воздействию.

Заявленные требования обычно формулируются на языке заказчика, зачастую в виде пожеланий. Требования заказчика недостаточны для проектирования системы. Обычно они неполные, нечетко сформулированы, а иногда и противоречивы по своему характеру. Далее начинается процесс формирования из системных требований верхнего уровня набора требований к системе в терминах, понятных разработчикам. Следует изложить, что должна делать новая система, и насколько хорошо она должна это делать, преобразуя внешние требования клиентов во внутренние требования разработчиков. Системные требования должны быть собраны, отфильтрованы, уточнены, декомпозированы и задокументированы. Вовлечение клиентов на как можно более раннем этапе определения требований способствует значительному сокращению циклов разработки и переделок, а также гарантирует, что требования, выданные клиентами, являются полными, последовательными и понятными для производителя. Документ формирует технический лидер, и он утверждается менеджером программы.

Далее выполняют преобразование требований заказчика в требования верхнего уровня проекта. Они сгруппированы по конкретным направлениям. Требования к системе и характеристикам формирует технический лидер. Промышленные требования верхнего уровня в части производственных и испытательных требований составляет управляющий производством. Требования к процессам и проектам верхнего уровня, где рассматривают процессы управления проектом, качество и требования к закупкам, входят в зону работы менеджера команды разработки.

На основе согласованных требований верхнего уровня инженерные группы каскадно формируют документы на требования, необходимые и понятные исполнителям рабочих пакетов и поставщикам. Для этапа разработки необходим полный, технически обоснованный и точный набор системных требований, которые необходимо реализовать в проекте или программе для удовлетворения потребностей клиентов, и корпоративных контрактов ОКР.

Требование определяет одну или несколько характеристик продукта и уровни их достижения, необходимые для достижения конкретной цели (например, функция, которую необходимо выполнить, уровень производительности, который должен быть достигнут, а также ограничения по максимальной массе или размеру продукта) для данного набора условий.

Спецификация системных требований определяет требования, которым должна удовлетворять система, подсистемы, аппаратное обеспечение, компонент или другой физический элемент. Обычно используется в качестве основы для приобретения, проектирования и разработки, верификации и валидации системы, подсистемы или другого элемента.

Спецификация требований к программному обеспечению определяет требования, которым должен удовлетворять каждый элемент ПО. Используется в качестве основы для закупки, проектирования, проверочного и приемочного тестирования элемента программного обеспечения.

Спецификация требований к интерфейсу (глава 3.6) определяет требования, которые должны быть удовлетворены на интерфейсе между двумя элементами (аппаратно-аппаратное, аппаратно-человеческое, аппаратно-программное или программное обеспечение). Используется для поддержки закупок, проектирования, проверочных и приемочных испытаний одного или обоих элементов интерфейса.

Удобно классифицировать требования по видам, для дальнейшего использования:

1. Требования потребителя определяют ожидания потребителя или заинтересованной стороны от продукта или системы с точки зрения их эксплуатации, целей, функций, производительности, среды и ограничений. Определяются согласно подтвержденным потребностям целевых клиентов в течение всего жизненного цикла продукта.

2. Функциональные требования определяют, какие функции необходимо выполнить для достижения целей продукта при его использовании. Они соответствуют основным функциям и сервисам функционального анализа, и полностью характеризуют необходимые операции или задачи, которые должен выполнять продукт (что, когда, и как).

3. Нефункциональные требования, не связаны с выполнением какой-либо задачи или конкретной функции, но определяют характеристики и свойства, которыми должна обладать система, например, технические требования безопасности ИТ (конфиденциальность, целостность), производительность и доступность в соответствии с определенными критериями. В них входят, такие особенности, как совместимость (способность подсистем интегрироваться в целую систему или среду), общность использования компонента взаимозаменяемо с существующим, но другим типом компонента, экономическая эффективность как общая стоимость системы для достижения заданного уровня выгоды, ремонтопригодность как легкость, с которой ее можно отремонтировать, тестируемость или как система может быть систематически испытана и измерена на предмет ее рабочих характеристик, готовность как статус ожидаемой готовности работы системы при обращении пользователя, удобство использования или оценка навыков, обучения или способностей, необходимых для работы и обслуживания системы, устойчивость как способность системы выжить в условиях воздействия возмущений и сбоев.

4. Требования к производительности определяют, насколько хорошо продукт или система должен выполнять свои функции, измеряемые с точки зрения количества, качества, охвата, сроков или готовности. Эти требования также назначаются системным элементам (подсистемам и компонентам) посредством процессов каскадирования и распределения сверху вниз. Например, функция тормозной системы автомобиля может быть определена как способность остановить транспортное средство на дистанции 35 м от начальной скорости 100 км/ч на ровной сухой дороге при внешней температуре 20° C и усилии нажатия на педали тормоза 30 кг.

5. Требования к интерфейсу определяют, что необходимо сделать на данном интерфейсе (глава 3.6) между различными системами, подсистемами или компонентами для работы продукта. Для физического интерфейса они будут определять, например, эксплуатационные или проектные характеристики физического соединения или соединения между двумя объектами (прочность соединения, давление, возникающее в соединении, несущем указанный поток жидкости или газа, размер и тип крепежных деталей), электрические характеристики (кодовый отраслевой номер разъема, допустимая нагрузка по току, сопротивление, емкость или скорость передачи данных через соединение).

6. Требования надежности, которую можно определить как вероятность того, что продукт, система, подсистема или компонент не откажут в течение заданного периода времени при определенных условиях эксплуатации.

7. Требования к окружающей среде предназначены для контроля неблагоприятного воздействия окружающей среды на людей, продукты или системы, в которых продукт или система предназначены для работы. Экологические проблемы включают эффекты вибрации, ударов, акустических шумов, термических, загрязнений, коррозии, общей дозы или пикового уровня радиации, погодных атмосферных воздействий, условия и качество воздуха (например, выбросы парниковых газов), магнитные поля, градиенты давления во время работы, микробный рост, и т. д.

8. Требования к человеческому фактору должны гарантировать, что люди в качестве операторов или специалистов по сопровождению продукта или систем могут выполнять назначенные им функции или задачи с безопасностью и комфортом.

9. Требования безопасности относятся к эксплуатации продукта или системы с точки зрения отсутствия несчастных случаев или опасных ситуаций, которые могут привести к неблагоприятным последствиям для здоровья, травмам, гибели людей или повреждению имущества и окружающей среды.

10. Требования безопасности данных для многих сложных продуктов должны гарантировать, что к продукту не смогут получить доступ никакие неавторизованные лица или лица, которые считаются угрозой для продукта или его систем. Они должны включать отказ в доступе, а также включение дополнительных защит в случае нарушения безопасности.

11. Ограничения в определенном смысле показывают границы развития продукта, например, тип операционной системы, с которой система должна работать, или того, какой язык кодирования использовать для настройки системы.

Сформулированный и утвержденный набор требований необходим для начала процесса проектирования продукта и обеспечивает:

• четкое представление различными группами команды проекта, отвечающими за разные подсистемы, как и почему распределяются требования, чтобы поддержать кросс-функциональные взаимодействия между всеми модулями в продукте;

• понятные обязанности проектных групп для выполнения требований;

• ранние гарантии того, что все требования верхнего уровня полностью удовлетворены в продукте, с прослеживаемостью до того места, где они выполняются;

• проверку предотвращения непреднамеренного добавления функций и затрат, чтобы избежать внеплановой «позолоты» (удорожания) проекта;

• быструю оценку влияния любых изменений, внесенных в требования;

• процедуры ранней верификации и подтверждения соответствия конструкции продукта заданным требованиям.

Требования определяют систему, но не уточняют ее проект. Они излагают, что желательно для системы, но не дают способов, как этого добиться. Далее системные требования необходимо перевести в технические спецификации, которые необходимы разработчикам, чтобы сконцентрироваться на наиболее критических факторах проекта, упростить ситуацию за счет игнорирования несущественных опций.

Требования к характеристикам обычно определяются в физических параметрах, таких как скорость, ускорение, вес, точность, мощность, время. Например, для легкового автомобиля требуется транспортировка 4 пассажиров на дистанцию 500 км со скоростью 80 км в час. Каждое требование к характеристикам нужно сопровождать набором требований к верификации, включая процедуры, измерения и испытания для проверки выполнения требований.

Атрибутом или свойством называют характеристику товара, которая должна обеспечить хорошие продажи. Предполагается, что клиенты покупают и используют продукты на основе совокупности свойств, которую можно разбить на ряд атрибутов. Полный набор атрибутов продукта должен покрывать все потребности покупателей. Основные атрибуты, связанные с каждым требованием, могут включать:

1) уникальный идентификатор;

2) краткий заголовок;

3) приоритетность;

4) критичность;

5) реализуемость;

6) риск;

7) источник требования;

8) тип;

9) объяснение;

10) историю появления (кем и когда);

11) отношение к другим требованиям (базовое, прослеживаемое, и др.).

Широту областей, охватываемых набором атрибутов продукта, можно показать на примере легкового автомобиля:

a) дизайн и стиль кузова,

b) количество пассажиров и эргономика, включая емкость багажника,

c) доступность (включая затраты на приобретение, эксплуатацию и техническое обслуживание),

d) мощность двигателя и экономия топлива,

e) комфорт в салоне (уровень шумов, вибрация и климат-контроль),

f) плавность хода и управляемость (свойства динамики автомобиля, связанные поведением во время маневров),

g) безопасность и защищенность водителя и пассажиров (проверяемые краш-тестами),

h) экологические характеристики (выбросы вредных веществ в ходе эксплуатации),

i) система информации и развлечений для водителя и пассажиров.

Например, атрибуты требований для ноутбука должны быть отнесены к его следующим подсистемам:

1. Система шасси.

2. Система отображения.

3. Аудиосистема.

4. Система ввода.

5. Электронная система обработки данных.

6. Система памяти (оперативной и длительной).

7. Система питания.

8. Система беспроводной связи.

9. Система охлаждения.

В частности, атрибуты удобного для просмотра экрана дисплея будут включать: размер дисплея (например, 15 дюймов по диагонали с соотношением длины к ширине 16:9), разрешение экрана 1920*1080 пикселей, физическая яркость дисплея 600 кд/м2, цветопередача, видимость под большими углами обзора, элементы управления яркостью и контрастностью дисплея, отражательная способность поверхности дисплея.

Требования к системе наружного освещения легкового автомобиля вытекают из атрибута безопасности и защищенности транспортного средства, а именно:

a) все наружные фонари должны соответствовать применимым фотометрическим требованиям распределения интенсивности света и расположения ламп в автомобиле;

b) все подсистемы должны работать при номинальном напряжении 12 в;

c) все лампы должны иметь минимальный срок службы 2000 часов;

d) выключатели должны исправно работать не менее 1 000 000 циклов включения и выключения;

e) калибр жгута проводов должен быть рассчитан на электрическую нагрузку всех наружных ламп для обеспечения требуемых уровней освещенности;

f) лампы в сборе должны выдерживать удары камешками размером 1 см на скорости 100 км в час;

g) фонари в сборе должны крепиться к кузову транспортного средства не менее чем в 3 точках;

h) все фары и противотуманные фары должны иметь возможность горизонтального и вертикального наведения.

Вышеуказанные требования необходимо декомпозировать до систем, подсистем и компонентов. При этом автомобильная система наружного освещения обычно состоит из следующих подсистем:

1. Подсистема переднего освещения, состоящая из фар, стояночных огней, передних указателей поворота, противотуманных фар и дневных ходовых огней.

2. Подсистема заднего освещения, состоящая из задних фонарей, стоп-сигналов, задних указателей поворота, фонарей заднего хода, фонарей номерного знака и задних отражателей.

3. Подсистема габаритных огней, состоящая из боковых габаритных огней, боковых указателей поворота и боковых отражателей.

4. Подсистема пользовательского интерфейса, состоящая из переключателя фар, переключателя указателей поворота и дальнего света, переключателя аварийной сигнализации, дисплея указателей поворота с мигающими стрелками и контрольной лампы дальнего света.

5. Подсистема датчиков интеллектуального освещения, состоящая из датчика внешней освещенности, датчика угла поворота рулевого колеса, исполнительных механизмов положения кузова и регулировки угла наклона фар и переключения дальнего света фар.

6. Подсистема распределения электроэнергии, состоящая из жгутов проводов, реле и предохранителей.

7. Подсистемы механической поддержки, состоящие из передней облицовки, задней облицовки, винтов регулировки фар, крепежных элементов и зажимов.

При распределении требований необходимо учитывать возникающие компромиссы. Например, при проектировании подвески автомобиля ее характеристики можно улучшить введением системы противоскольжения при торможении, что увеличит затраты. Улучшение характеристик при добавлении элементов в конструкцию увеличит производственную сложность, усложнит задачи производства, сборки, тестирования и верификации.

При разработке сложного высокотехнологичного продукта каждому важному атрибуту назначается менеджер. Его задача гарантировать, что требования его атрибута распределены по надлежащему набору систем и компонентов более низкого уровня, и контролировать соответствие продукта требованиям его атрибутов. Например, менеджер, назначенный на атрибут «комфорт и удобство», должен рассмотреть все элементы конструкции разрабатываемого бизнес-самолета и проанализировать каждую систему, чтобы убедиться, что все аспекты атрибута, такие как эргономика интерфейсов пилотов, удобство сидений, входа и выхода, системы информации и развлечений, удобство загрузки багажа, простота обслуживания в полете, температурный комфорт соответствуют заданным требованиям.

Требования к атрибутам помогают всем участникам процесса разработки продукта на всех основных этапах контролировать прослеживаемость требований, когда любое требование верхнего уровня можно проследить до одного или нескольких атрибутов продукта.

Концептуальное проектирование является первым и наиболее важным шагом в процессе системного проектирования. На этом этапе основное внимание уделяется анализу и разработке требований. Основные действия по концептуальному проекту включают:

• Определение пользователей системы и потребностей системы. Перевод потребностей пользователей в формальное определение системных требований.

• Проведение технико-экономического анализа для определения технических, социальных, экологических и экономических проблем, связанных с проектированием системы, разработку возможного плана действий.

• Разработку эксплуатационных требований к системе, которые описывают системные функции и их информацию, концепции обслуживания и поддержки этих функций системы.

• Выполнение функционального анализа на системном уровне, на базе разработанной архитектуры определение иерархической структуры функций и рабочих отношений между функциями, с использованием методов и моделей системного анализа.

• Составление исходной функциональной базы конфигурации, с документированием результатов вышеуказанных действий.

• Проведение обзора результатов концептуального дизайна.

Распределение требований выполняется на самом раннем уровне создания концепции продукта. Функциональный анализ и распределение функций на разных уровнях продукта или системы обычно опираются на архитектуру системы и предшествуют распределению требований. Процесс установления и распределения требований при разработке продукта носит итеративный характер.

Характеристики хорошего требования (полезного, не вызывающего путаницы и реализуемого) включают множество позиций. Основные соображения при разработке хорошего требования перечислены далее:

• В формулировке требования должно быть указаны слова, что «продукт должен» (делать, выполнять, работать, обеспечивать, взвешивать), за которыми следует описание того, что должно быть сделано.

• Требование должно быть недвусмысленным, четко сформулированным и полным. В нем должно быть точно указано, что должно быть выполнено, уровень достижения и условия, в которых оно должно применяться. Формулировка должна свести к минимуму путаницу и различия в его интерпретации между разными специалистами.

• Требование должно использовать согласованную терминологию для обозначения продукта и его компонентов более низкого уровня.

• В требовании должна быть четко указана его применимость и необходимые детали: ситуация, среда, условия эксплуатации, продолжительность времени, приоритеты, характеристики пользователей, при которых продукт будет функционировать.

• Требование должно поддаваться верификации с помощью четко определенного испытания, испытательного оборудования, процедуры тестирования или независимого анализа.

• Требование должно быть выполнимым без чрезвычайного количества времени и затрат на разработку.

• Требование должно быть согласованным и прослеживаемым с другими требованиями выше и ниже в системной иерархии.

• Каждое требование должно быть независимым от других требований. Эта характеристика поможет контролировать и уменьшить изменчивость параметров продукта и, следовательно, его характеристик.

• Формулировка каждого требования должна быть краткой, с минимально полной информативностью.

После выявления требований проводят их анализ. Необходимо понять, что действительно нужно пользователям, и получить полную картину, как система будет использоваться, когда она будет построена. Избыточность системы или программного обеспечения является следствием того, что цели продукта и требования пользователей плохо определены. Часто не налажено взаимодействие между пользователями и разработчиками системы в ходе проектирования. При руководстве разработками новых продуктов необходимо при принятии каждого решения учитывать знания конечных пользователей, их желания, способности и уровни навыков, отраженные в документе «Концепция эксплуатации». Эти данные следует включать в требования верхнего уровня системы. Типовыми инструментами здесь являются сценарии использования, или описания применения системы пользователями. По ним можно представить действия пользователя и функции системы, изучить и обсудить потенциальные проблемы с предполагаемым использованием системы. Одним из важных аспектов этого этапа анализа является преобразование требований пользователей в количественные технические показатели эффективности. В процессе, который называют развертыванием функции качества (QFD1), выполняют преобразование голоса потребителя (требований и ожиданий) в технические характеристики продукции и рабочие инструкции. Потребности клиентов могут быть сформулированы расплывчатыми и качественными терминами, их нелегко измерить. QFD переводит эти требования с языка заказчиков на язык инженеров, перед которыми стоит задача разработки решений. Термин «развертывание» относится к распределению требований от верхнего уровня системы на подсистемы, модули, компоненты, программное обеспечение и материалы, а также на процессы их изготовления и сборки в производстве. Обширную литературу по использованию функции развертывания качества можно найти в интернете.

Например, выделяют три вида авиации, военную, коммерческую и авиацию общего назначения. Военная авиация руководствуется требованиями к производительности, то есть скорости, радарам, малозаметности, короткому или вертикальному взлету. Коммерческая авиация уделяет особое внимание безопасности, надежности и экономичности. В авиации общего назначения первостепенное значение придают снижению капитальных затрат, чтобы позволить небольшим компаниям и частным лицам летать, при этом требуется компромисс затрат с производительностью и эффективностью.

В основе каждой разновидности авиации также лежат сложные системы и процессы. Военным необходимо постоянно обучать, поддерживать и внедрять инновации таким образом, чтобы они соответствовали их стратегическим целям. Производителей коммерческих самолетов и коммерческие авиакомпании жестко регулируют национальные советы по безопасности, перевозчики также сталкиваются с постоянной конкуренцией на своих рынках. Авиация общего назначения зависит от многочисленных небольших аэропортов и компаний, которые поддерживают множество независимых участников таким образом, чтобы не мешать другим видам авиации.

Требования верхнего уровня далее распределяют по более низким уровням. Распределение требования верхнего уровня вниз по потоку включает присвоение элемента системы требованию или разделение требования и присвоение части требования каждому отдельному элементу более низких уровней (например, масса объекта, разделенная на части, распределение датчиков, назначенных для разных модулей).

Затем выполняют анализ осуществимости создания продукта, который дает ответ на вопросы «Выгодно ли проектировать систему?» и «Сможем ли мы это сделать?» Необходимо принимать во внимание три взаимосвязанных типа осуществимости: техническую, экономическую и эксплуатационную.

Техническая осуществимость рассматривает практичность конкретного технического подхода к предлагаемой системе и доступность технических ресурсов, включая уровень готовности технологий.

Эксплуатационная (операционная) осуществимость связана с оценками, насколько хорошо предлагаемая система будет работать (решать проблемы), и насколько ее возможности удовлетворяют определенным ранее требованиям клиентов. Нужно оценить потенциальные плюсы и минусы эксплуатационной эффективности системы, и понять, есть ли в инфраструктуре организации необходимые ресурсы для разработки такой системы.

Экономическая осуществимость, также называемая анализом затрат и выгод, измеряет рентабельность предлагаемой системы в течение предполагаемого срока службы, чтобы оценить, перевешивают ли выгоды затраты. В качестве основного требования к экономике проекта ожидается, что анализ затрат и выгод покажет положительную чистую прибыль над затратами. Включает определение факторов стоимости; прогнозирование денежных результатов затрат и выгод в течение периода времени жизненного цикла; применение соответствующей модели для интеграции всех значений из разных периодов времени в один масштаб измерения; сравнение затрат и выгод; расчет чистой выгоды от системы; и выполнение анализа чувствительности от принятых допущений. Параметр сроков окупаемости считается наиболее важным для принятия решения о проектировании системы, поскольку конечной целью организации-разработчика является получение прибыли.

При формировании набора требований приходится учитывать отраслевые стандарты дизайна, существующие для многих продуктов. Система государственных стандартов РФ сегодня включает ряд переведенных на русский язык полезных международных документов. Несмотря на реформу системы нормативных документов РФ, в результате которой стандарты серии ГОСТ из разряда обязательных к исполнению переведены в разряд добровольных, настоятельно рекомендуется на уровне предприятий директивно использовать в разработках отраслевые национальные стандарты по принадлежности. Система стандартов ГОСТ впитала многолетний отечественный и международный опыт разработки продукции.

2.4 Функциональный анализ и синтез

Цель функционального анализа состоит в том, чтобы определить функции каждой подсистемы или компонента продукта. Чтобы данная система, подсистема или компонент соответствовали заданным требованиям к производительности, следует постепенно идентифицировать и анализировать системные функции и подфункции, чтобы определить альтернативы для удовлетворения системных требований. Идентификация функций выполняется в сочетании с действиями по их распределению и синтезу проекта, которые обычно включают в себя предположения относительно возможных конфигураций проекта продукта и его систем. Рассматривают все указанные режимы работы и ситуации (нормальные, нештатные или аварийные), а также идентифицируют функции и подфункции всех систем, подсистем и компонентов. Процесс распределения функций включает назначение требования функции, назначение элемента системы к этому требованию и разделение требования между элементами системы. Требование верхнего уровня к общей массе системы может быть каскадно распределено вниз путем присвоения целевой массы каждому отдельному компоненту.

В данном процессе подробно распределяют производные требования к производительности и дизайну для каждой системной функции и подфункции. Следует выделить одну или несколько функций таким объектам, как аппаратное обеспечение, программное обеспечение, процедурные данные или персонал. Следует поддерживать прослеживаемость назначенных системных требований для каждой функции системы.

Функции, назначенные системе, подсистеме и компоненту, будут зависеть от типа технологий, выбранных для продукта. Например, для автомобиля выбор технологии для системы силовой передачи повлияет на функции многих других систем, их подсистем и компонентов. Если выбран бензиновый двигатель, то топливная система и элементы двигателя будут сильно отличаться от тех, которые нужны при выборе электротрансмиссии. Поэтому на этапе функционального анализа следует учитывать множество различных технологий и уровень их готовности.

Синтез системы (проект) переводит ее функциональную архитектуру в физическую. Он открывает требования «как» для каждого «что» и «почему хорошо». Команда разрабатывает финальную архитектуру продукта, конструктивный проект для удовлетворения требований к характеристикам и дизайну. Проектирование архитектуры продукта происходит одновременно с выделением требований и анализом функций продукта и системы.

Для каждой функциональной подсистемы обдумывают альтернативные физические решения, выполняется маркетинг и подбирается преимущественное решение. Используют инженерные модели для проектирования системы, определения системных требований, элементов системы, верификации и валидации соответствующих проектных работ, для поддержки структур и коммуникаций в процессе разработки на протяжении всего жизненного цикла системы.

Основные особенности этапа синтеза:

• Синтез системы является итерационным процессом рассмотрения разных физических архитектур. При этом распределение характеристик может измениться для подбора сбалансированного решения, где обсуждены общие риски системы, стоимость, техническая зрелость и надежность для каждой комбинации подсистем.

• Продукция синтеза системы включает базовую физическую архитектуру (база «как спроектировано») и результаты, отражающие маркетинг подсистем.

• Должны быть разработаны спецификации на подсистемы и компоненты, куда входят технические показатели производительности компонентов, спецификации продукта и материалы, связанные с закупкой или производством этих компонентов. Также проводят подготовку предварительных конфигураций для физических моделей системы.

• Выполняют анализ проекта системы для подтверждения соответствия результатов предварительного проектирования системным требованиям.

Итеративный процесс разработки начинается с декомпозиции на уровне продукта и продолжается на уровнях функциональных подсистем, аппаратных и программных конфигураций компонентов на более низких уровнях. По завершении разработки каждого уровня деятельность по функциональному анализу, распределению и синтезу должна переходить к следующему более низкому уровню.

В рамках системного подхода к разработке важно раннее рассмотрение всех целей и ограничений:

• Функция. Функциональность является наиболее очевидным фактором реализации требований, при этом она должна быть сбалансирована с другими целями проекта.

• Стоимость. Напомним, что дизайн определяет более трех четвертей стоимости продукта.

• Серийный выпуск. Дизайн и стандартизация определяют, насколько сложно будет изготовить и собрать продукт. Выбор деталей фиксирует, насколько сложно будет их закупить и насколько уязвимым будет производство из-за сбоев в поставках.

• Качество и надежность. Эти потребительские свойства определяются конструкцией, количеством и конфигурацией деталей. Разработчики несут ответственность за чувствительность допусков. Качество и надежность обсуждаются далее в главах 5.1 и 5.2 соответственно.

• Простота сборки. Представленные в главе 4.3 рекомендации по ПЗС оптимизируют простоту сборки благодаря конструкции, независимо от объемов производства.

• Простота обслуживания и ремонта. Конструкция должна допускать, чтобы было легко обслуживать и ремонтировать продукт. ТОиР в полевых условиях могут потребовать проектирования дополнительного оборудования. Подробности изложены в главе 5.4.

• Управление цепочками поставок. Его можно значительно упростить за счет стандартизации деталей и заготовок, выбора деталей на основе их адекватной доступности с течением времени.

• Доставка и распространение. Распространение продукции зависит от прогнозов спроса рынка. Хранение запасов стоит денег, иногда до 25% от их стоимости в год. Экологически чистые упаковочные материалы и переработанная упаковка становятся все более важными.

• Безопасность продукта для пользователей. Необходимо использовать моделирование, чтобы предотвратить проблемы безопасности до того, как они проявятся. Детали можно посмотреть в главе 5.5.

• Модернизация. Разработчики должны проектировать продукцию массового спроса так, чтобы в дальнейшем ее можно было легко улучшить путем модернизации. Это позволит компании увеличить прибыль за счет продления срока службы продукта. Планирование продления срока службы продукта за счет простых обновлений может оказаться очень полезной целью, которую следует учитывать на начальных этапах проектирования продукта.

На все эти факторы на раннем этапе работ команде разработчиков продукта следует обратить особое внимание. Изменения и модернизация отнимают инженерное время и деньги. Ответственность за включение всех соображений в проект на ранних стадиях лежит на каждом участнике разработки.

Проект обычно документируют с использованием блок-схем, диаграмм, инженерных чертежей или трехмерных моделей автоматизированного проектирования, а также технических отчетов. Эти электронные документы будут отображать расположение элементов, составляющих базовый проект, идентифицировать их с методами испытаний, поддержки и эксплуатации, включать внутренние и внешние интерфейсы, разрешать прослеживаемость до исходных требований на каждом уровне декомпозиции, и обеспечивать процедуры контроля изменений. Полученные технические данные становятся основным источником для разработки, обновления и завершения спецификаций продукта, систем и подсистем, документации по управлению интерфейсом, деревьев спецификаций и требований к тестированию. По завершении этапа появляются результаты эскизного проекта (в отечественной формулировке), дополненные особенностями системного подхода.

Выполненный дизайн должен быть верифицирован и валидирован. Верификация обеспечивает уверенность в том, что система или услуга соответствуют спецификациям. Валидация обеспечивает соответствие потребностям и ожиданиям конечных пользователей. Понятия верификации и валидации подробно обсуждаются в главе 2.6.

Верификация выполняется на ранних этапах процесса для подтверждения соответствия спецификациям перед процессом валидации и окончательным выпуском продукта. Результаты и сертификаты всех верификаций представляются группе валидаторов как часть представления, обеспечивающего соответствие заявленным и рассчитанным спецификациям.

Процесс валидации завершает испытания системы или продукта, включая его верификацию в производственном процессе. Он означает завершение процесса испытаний и разработки в целом путем подтверждения следующих параметров:

1) что окончательный проект соответствует требованиям и общей намеченной цели проекта;

2) что окончательный проектный пакет документов завершен, и находится под контролем управления конфигурацией, включает инструкции по эксплуатации и техническому обслуживанию, вспомогательную документацию, чертежи и список деталей, и продукт готов к выпуску на рынок;

3) что окончательный проект соответствует всем нормам, стандартам и руководствам по безопасной эксплуатации в предполагаемых условиях.

В ходе верификации требований проводят запланированные испытания, чтобы убедиться, что готовый продукт и его системы соответствуют всем требованиям, содержащимся в спецификациях. Верификационные тесты выполняют с использованием аппаратного и программного обеспечения, или приемлемого компьютерного моделирования как аппаратного, так и программного обеспечения.

Спецификация требований к верификации описывает качества доказательств, необходимых для удовлетворения набора требований, определяющих элемент. Элемент может иметь любую природу, например, физический объект, программное обеспечение, интерфейс, элемент данных, материал или услугу. В этот документ включены характеристики, требуемые для верификации.

2.5 Технический (детальный) проект

Основной целью детального проектирования системы является интеграция всех компонентов в единую систему. Ранее при создании систем собирали все части вместе и затем проводили испытания системы. Часто оказывалось, что система с множеством отдельных частей и большим объемом программного обеспечения слишком сложна для успешного объединения всего и сразу. Постепенно была внедрена фаза между сборкой и испытаниями, которую сегодня называют системной интеграцией. Так называют процесс, при котором проектирование, внедрение и эксплуатация системы достигают своих заданных целей и требований посредством согласованного функционирования ее элементов и подсистем. В процессе пошагово объединяют все компоненты и подсистемы в одну систему и обеспечивают их работу и функционирование как единое целое. Интеграция определяет координацию усилий по сборке функционирующей системы.

На основе данных, полученных на предыдущих этапах разработки, должны быть окончательно сформированы все компоненты системы, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение, сборки, системные компоненты, которые необходимо развить до самого нижнего уровня. Закупают ПКИ и интегрируют компоненты системы в окончательную конфигурацию. Разработчикам систем необходимо итеративно выполнять анализ распределения и декомпозиции элементов, чтобы вывести требования и связанные метрики для самого нижнего уровня компонентов. Это нисходящий процесс «сверху вниз». Он обычно сочетается с восходящим, чтобы получить полное представление о том, что необходимо и что доступно для интеграции, для получения наиболее эффективных проектных решений. Конечной целью интеграции является обеспечение функционирования системных элементов в соответствии с указанными требованиями, конфигурационной документацией, требованиями к интерфейсу, применимыми стандартами, порядком и процедурами интеграции.

При разработке подсистем и компонентов выполняется распределение требований с более высокого уровня на более низкий уровень (например, от системы к подсистемам и от подсистем к компонентам). Этот процесс требует основательных знаний о возможных конфигурациях, технологиях и компромиссах между характеристиками продукта при разработке его базовой архитектуры. Термин «каскадирование требований» означает передачу или распределение требования высокого уровня компонентам на нижеследующие уровни. Это означает, что элемент более низкого уровня должен быть спроектирован так, чтобы выполнять функцию, возложенную на компонент более высокого уровня. Процесс каскадирования требований «сверху вниз» включает следующие пункты:

• детальное использование функционального анализа и декомпозиции продукта, чтобы гарантировать, что никакие требования не будут пропущены или распределены неправильно;

• указание подсистем с минимальными интерфейсами с другими подсистемами для удовлетворения требований с меньшими затратами и меньшей изменчивостью;

• определение требований к каждой подсистеме с четко определенными целями, процедурами тестирования, мерами оценки и критериями приемлемых характеристик.

Например, требование к системе климат-контроля легкового автомобиля состоит в том, чтобы его пассажиры чувствовали себя комфортно, регулируя температуру внутри салона до предпочтительного для клиента уровня в пределах 20—29° C. когда температура наружного воздуха колеблется от -20° C до +35° C. Требования к системе климат-контроля можно обеспечить посредством следующих функциональных подсистем:

1) отопления, включающей теплообменник горячего воздуха, вентилятор, регулятор скорости вентилятора, термостат и систему подачи горячего хладагента;

2) подачи холодного воздуха, включающую теплообменник холодного воздуха, воздуходувку, регулятор скорости вентилятора, термостат и систему подачи сжатого хладагента;

3) элементов, которые через внешние поверхности отводят из салона тепло в зависимости от температуры наружного воздуха и подводят лучистое тепло от солнечной нагрузки (окна, стекла и кузов автомобиля);

4) подсистемы подогрева и теплопередачи обивки сидений.

На основе функциональной структуры системы и ее базового уровня выполняется поиск компонентов (включая ПКИ) и построение системы. Обычно соблюдают следующую цепочку выбора:

• Используют в проекте стандартный покупной элемент, с магазинной полки (ПКИ). Преимущества использования унифицированных деталей заключаются в том, что большинство поставщиков специализируются на производстве деталей, которые соответствуют установленным государственным и промышленным нормам и спецификациям, таким как ISO9001. Эти детали часто производятся в больших объемах по относительно низкой цене за единицу. Цель выбора правильных компонентов ПКИ состоит в том, чтобы вывести подробные требования к этим компонентам посредством анализа конструкции системы, и выбрать подходящего поставщика для деталей.

• При необходимости, изменяют существующий элемент ПКИ в соответствии с системными требованиями. Если элемент ПКИ не может полностью удовлетворить требования к конфигурации, модификации могут включать добавление монтажного устройства, переходного кабеля или предоставление программного модуля. Для выполнения доработок необходим доступ к документации элемента ПКИ, в котором внешний поставщик может отказать.

• Если не найдены доступные ПКИ, и невозможно изменить стандартную деталь в соответствии с потребностями системы, потребуется спроектировать и разработать уникальный компонент. Желательно использовать стандартные инструменты, оборудование и сборочные детали для простоты и экономии установки, эксплуатации и обслуживания.

Компоненты ПКИ улучшают дизайн системы за счет сокращения времени разработки, позволяют внедрять новые технологии в рамках допустимого графика и экономически эффективно управлять затратами в течение жизненного цикла за счет использования доступной современной коммерческой промышленной базы.

Однажды наша команда инженеров выиграла тендер зарубежной компании на проект турбины воздушного цикла. Ее устанавливают на нефтяной платформе для выработки энергии путем утилизации тепла выхлопных газов основной энергетической газовой турбины. В ходе разработки нами вместо заданного заказчиком набора параметров было предложено скорректировать распределение нагрузки по модулям турбины, для получения выигрыша по коэффициенту полезного действия установки. Увы, в полученном ответе было написано, что нашу идею использовать не получится. Промежуточный воздухоохладитель являлся покупным агрегатом, и разделение нагрузки между контурами определялось его пропускной способностью. Для нашего варианта воздухоохладителя с другими характеристиками на рынке не оказалось. Так мы познакомились с дилеммой выбора конструктора «сделать или купить».

При реализации инноваций может пригодиться база проверенных эмпирических правил для нового проекта:

1. Полезно держать на виду перечень показателей эффективности, ПЭ, см. главу 3.7.

2. Активно использовать располагаемое моделирование для проектирования систем.

3. Рекомендуется сначала выполнять работу с высокорисковыми компонентами.

4. Следует уделить нужное внимание конструированию интерфейсов системы.

5. Свои ошибки инженеры должны находить сами.

6. Стараться выделить каждую функцию для только одного компонента.

7. Применять, где можно, быстрое прототипирование (аддитивные технологии).

8. Следует проектировать компоненты с возможностью их изолированного испытания.

9. Оценивать влияние альтернативных вариантов на характеристики конструкции.

10. Убедиться, что задачи понятны сотрудникам, контролируются и выполняются.

11. Поощрять подчиненных задавать вопросы по любому пункту приказов или указаний менеджера, которые они не понимают.

12. Мотивировать сотрудников решать каждую задачу, как их собственную.

13. Проявлять осторожность в наблюдении за процессом. Чрезмерный надзор вредит инициативе, под навязчивым присмотром сотрудники работают хуже.

Приведем примеры состава основных систем нескольких известных продуктов.

A. Стиральная машина: система корпуса, бак для белья и система привода, система управления водой и моющими средствами, система управления циклом стирки, система управления и индикации.

B. Ветряная турбина: система фундамента, система конструкции башни, система гондолы ветряка, система турбины (лопасти и ротор), система коробки передач, система генератора, система повышающего трансформатора, система определения направления воздушного потока и скорости ветра, система управления турбиной, электрическая система, системы безопасности и обслуживания, включая ступени, поручни и лестницы.

C. Парогазовая электростанция, работающая на природном газе: система хранения природного газа, система подачи и контроля топливного газа, система внешнего корпуса станции, система газотурбинной установки, система электрогенератора, система управления электростанцией, система освещения установки, системы трубопроводов, котел-утилизатор, вторичная паровая турбина и система электрогенератора, система распределения электроэнергии, система управления водными потоками, аварийная система питания и система безопасности и защиты персонала.

Когда фактическая разработка продукта выполнена правильно, это оптимизирует сроки, общую стоимость, бюджет разработки и время до стабильного производства. Полезно помнить некоторые организационные положения:

• Рекомендуется сместить акцент с проекта (когда стоимость сборки скрыта в более крупных затратах проекта) на фокус на продукте, где стоимость сборки имеет значение.

• Кроме проектирования ради функциональности и веса, следует принимать во внимание стоимость, качество и возможные задержки графика, вызванные проблемами технологичности и минимизации стоимости.

• По мере роста объемов темпы и процессы производства должны корректироваться под увеличение серийности.

• Следует исключать «авторское сопровождение» выпуска продукции (кое-где осталось под видом исторического наследия), чтобы компенсировать трудности, вызванные непроизводительной конструкцией продукта или процесса. Нужно ясно и понятно документировать техпроцессы проекта на уровень квалификации и опыта работников производственной линии. При этом приходится как можно раньше начать адаптировать конструкцию под производственные технологии выбранного предприятия—изготовителя.

• Рекомендуется назначать разумные допуски в пределах технологических возможностей обычного производственного оборудования. Чрезмерно жесткие допуски являются дорогостоящим способом гарантировать получение характеристик разработчиками, однако это увеличивает затраты, может удлинять время обработки, и последствия очень трудно исправить в дальнейшем.

• Вопросы технологичности и стоимости следует решать как можно раньше. Девиз проектирования под заданную стоимость: «Сделай это правильно с первого раза».

• Перечни стандартных деталей должны быть созданы или приняты с заранее определенными целями и ожиданиями относительно их соблюдения. Эти стандартные детали должны быть легко доступны в течение всего срока службы продукта.

• Проектирование на основе стандартных материалов и заготовок может сэкономить много денег и повысить доступность оборудования на заводе. Стратегию использования готовых деталей следует оптимизировать заранее. Включение в проект готовых деталей на раннем этапе значительно упростит проектирование и усилия по проектированию.

• Интересно, что основной процент жалоб и сбоев в эксплуатации больше связан с шаблонными функциями, которые должны быть основаны на проверенных конструкциях, деталях и модулях. Например, в автомобильной промышленности наиболее серьезные проблемы и последствия отказов связаны с топливными системами, ремнями безопасности, рулевым управлением, тормозами, подвеской, шинами, то есть подсистемами, для которых все компании повторно используют проверенные узлы.

На всех этапах разработки в процессе необходимо учитывать обязательные инженерные функции, такие как инженерия человеческого фактора, инженерия безопасности, инженерия качества, и так далее. Они обеспечивают надежность, ремонтопригодность, тестируемость, производственные возможности, управление качеством, участие человеческого фактора, безопасность системы и проектирование для достижения целей по стоимости.

Завершение технического проекта фазой выпуска рабочей конструкторской документации (РКД) означает, что все компоненты во всех системах сложного продукта спроектированы:

a) инженерные чертежи, 3-Д виды и размеры твердотельной модели для каждого компонента или системы проверены на моделях сборочных узлов;

b) расчетный анализ и оценка, с использованием цифровых двойников;

c) спецификация и характеристики материалов, которые будут использоваться для производства каждого компонента, включая специальные технологические процессы, термообработку и применение покрытий поверхности;

d) выполнены оценки и верификационные испытания, включая испытания цифровых двойников, и физические испытания, проводимые для подтверждения соответствия каждого компонента заявленным функциональным, производственным, сборочным, безопасным и стоимостным требованиям.

В целом процесс системного подхода к разработке может быть представлен в виде V-диаграммы, рис. 2. Левая, нисходящая, ветвь относится к проектированию. Правая, восходящая, включает процессы прототипирования, испытаний, производства.

Процесс разработки РКД на основе технического проекта обычно включает следующие типовые шаги:

1. Документирование, уточнение и передача спецификаций продукта членам команды. Спецификации продукта включают его характеристики, размеры, функции, производительность для выполнения требований.

2. Формирование набора требований регуляторов (государственных и отраслевых), применимых к продукту в течение всего его жизненного цикла.

3. Уточнение конфигурации продукта для подсистем более низкого уровня вплоть до уровня компонентов.

4. Определение всех интерфейсов (между системами и их нижестоящими системами и компонентами) и разработка требований ко всем интерфейсам (глава 3.6).

5. Создание чертежей и пространственных моделей деталей, узлов и сборочных единиц. На практике приходилось проверять 3-Д сборочные узлы объемом до пятидесяти тысяч входящих единиц деталей.

6. Проведение подробного инженерного анализа, включающего выбор материала, оценку функциональных возможностей с использованием доступных моделей, а также создание прототипов деталей и тестирование для проверки того, что конструкция каждого компонента соответствует заявленным требованиям.

7. Выполнение анализа видов и последствий отказов перед запуском проекта в производство.

8. Сборка проверенных компонентов в модули и подсистемы более низкого уровня и проведение испытаний для проверки соответствия собранных подсистем и компонентов заданным требованиям.

9. Выполнение финальной сборки для создания продукта в целом.

10. Проведение валидации продукта, чтобы убедиться, что он соответствует всем заявленным требованиям, прежде чем будет запущен в производство.

11. Документирование набора технических данных продукта.

Отметим, что документация является основным компонентом любой системы. Документ служит для информирования о том, кто должен делать (или делал) что, почему, когда, где и как. Качество документа зависит от стиля, формата, дефектов и содержания. Часто процесс подготовки технической документации просто фиксирует имеющиеся знания. Основные требования к документам проекта можно сформулировать следующим образом:

• Документ должен быть написан на языке заказчика или пользователя.

• Информация в документе должна быть уместна и полезна для читателя.

• Информация в документе должна быть упорядочена в соответствии с утвержденным общим шаблоном.

• Информация в документе должна быть полной, не должно быть нераскрытых ссылок, типа «будет определено позже».

• Все определения должны быть однозначными.

• Все формулировки должны быть четкими и краткими.

• Изложение в документе должно быть единообразным по терминологии. Это означает, что одно и то же слово должно использоваться для одного и того же понятия каждый раз, когда оно упоминается.

• Документ не должен содержать избыточной или копируемой информации.

• Должны быть указаны источники данных, для возможности их верификации.

В процессе разработки необходимо выдерживать важный принцип «Сделай это правильно с первого раза» потому, что низкое качество исполнения обычно приводит к большим потерям проекта из-за необходимости последующих исправлений. Еще один практический принцип гласит, что ошибаются все инженеры, но профессионалом становится только тот, кто обнаруживает свои ошибки самостоятельно. Среди причин неудач новых продуктов отмечены отсутствие маркетинговых исследований, плохо реализованные проекты разработки, интерфейс, слабое экономическое обоснование, недостаточный объем испытаний. Большинство недостатков возникает на начальной стадии инновационного процесса. При дефектах качества очевидны провалы управления.

2.6 Верификация и валидация

Важными звеньями процесса инновационных ОКР являются верификация и валидация результатов.

На основе технического проекта выполняют документирование разработанной системной архитектуры нижнего уровня элементов системы, проверку сборочных моделей, и передачу в производство опытных образцов. Для подтверждения требований к характеристикам системы используют процесс верификации, или подтверждения того, что требование или система соответствует входным данным. Верификация требования отвечает на вопрос: действительно ли система удовлетворяет этому определенному требованию? Это процесс снижения рисков перед переходом к следующему этапу, чтобы выявить отклонения, несоответствия или дефекты во всех элементах путем интеграции системы, чтобы избежать превышения бюджета из-за ненужной доработки.

Верификация ориентирована на компоненты и подсистемы, и проводится:

• в процессе разработки;

• чтобы убедиться, что утвержденные требования будут выполнены;

• как правило, в лабораторных условиях.

Задачи процесса верификации:

• демонстрация соответствия конструкции и характеристик установленным требованиям на заданных уровнях;

• обеспечение соответствия продукта разработанному проекту, отсутствия дефектов производства и пригодности к применению;

• подтверждение способности компонентов системы выполнять требования для интеграции;

• документирование результатов проверки, в том числе анализа рисков, результатов испытаний, отклонений и проверенных решений проекта в хранилище данных.

Перечислим основные методы верификации:

A. Инспекция (осмотр). Визуальное исследование реализованного продукта для верификации физических параметров или конкретной идентификации производителя. Например, визуальный осмотр на отсутствие следов износа, или ударов и повреждений при транспортировке изделия.

B. Анализ. Применение математического моделирования и аналитических методик с целью прогнозирования соответствия конструкции системным требованиям на основании расчетных данных или результатов верификации компонентов нижестоящих уровней системной структуры.

C. Демонстрация. Это базовое подтверждение рабочей характеристики, которое отличается от испытания отсутствием сбора детальных данных. Показывает, что применение конечного продукта выполняет установленное индивидуальное требование. Например, требование об обеспечении доступа водителя ко всем органам управления автомобилем может быть проверено экспертом на макете кабины или тренажере.

D. Испытания. Это проверки на стенде работы конечного продукта или подсистемы с целью получения детальных характеристик. Проводятся на готовых конечных продуктах, функциональных макетах, экспериментальных образцах или прототипах. При испытаниях измеряют различные технические характеристики в сравнении с их целевыми значениями, чтобы убедиться, что система соответствует заявленным требованиям.

В заключение разработки проводится валидация системы или продукта, с участием заказчика. Валидация представляет процесс подтверждения того, что набор требований, проект или система соответствует предназначению заказчика. Отвечает на вопрос: построили ли вы правильную систему для решения проблемы? Как правило, проводится с привлечением внешних инстанций, регулирующих органов, представителей заказчика, межведомственных комиссий, и др. Продукт тестируют во всех типах ситуаций (сценариев использования), ожидаемых в течение срока службы продукта, и проводят валидационные оценки работы системы или ее элементов в эксплуатационной среде. Они включают операционную эффективность, пригодность, устойчивость, нейтральность к окружающей среде и живучесть. В процессе можно использовать любую динамическую модель, макеты и прототипы продукта, чтобы непредвзято доказать, что разрабатываемый дизайн соответствует потребностям пользователя. Результаты испытаний используются для доказательства того, будет ли продукт приемлемым для потребителей. Обнаруживаемые дефекты валидации системы могут включать чрезмерную чувствительность модели к определенному параметру или требованию, несоответствия между моделью и реальной системой, и неудачный дизайн.

Целями процесса валидации продукта является подтверждение того, что:

• был реализован нужный продукт, который необходим заказчику;

• обеспечены заданные показатели эффективности;

• созданный продукт пригоден для целевого применения в заданной среде.

Необходимо различать процессы верификации и валидации продукта. Эти процессы могут быть схожими по содержанию, но их цели существенно различаются. Различие между верификацией и валидацией можно лучше понять, исходя из уровня применения. Валидация обычно выполняется на уровне продукта. Цикл верификации обычно оценивает системы, подсистемы или компоненты, которые содержат функции более низкого уровня (по сравнению с уровнем продукта).

Ответы на оба традиционных вопроса: «Правильно ли мы строим систему?» (верификация) и «Правильную ли систему мы построили?» (валидация) будут нужны на протяжении всего жизненного цикла.

Верификация требований нужна как доказательство того, что каждое требование было удовлетворено. Она может осуществляться путем логических аргументов, инспекции, моделирования, динамического моделирования, анализа, экспертной оценки, испытаний или демонстрации. Для целей верификации или валидации могут использоваться различные виды испытаний. Процесс испытаний и оценки системы включает проверку работы подсистем при объединении в целостную систему; оценку обоснованности проектных допущений; и проверку работы системы в различных условиях и режимах работы. Чтобы свести к минимуму необходимость перепроектировать всю систему из-за неисправных компонентов, на испытаниях следует двигаться «снизу вверх», сначала исследовать компоненты, затем подсистемы, и в финале работу всей системы. Собранные данные анализируют, чтобы определить, соответствуют ли продукт, или его компоненты заявленным требованиям.

На этапе интеграции системы или продукта выполняется верификация модулей и сборок нижних уровней, чтобы убедиться, что утвержденные требования будут выполнены. Она проводится, как правило, в лабораторных условиях, и ориентирована на компоненты и подсистемы. Необходимо документировать результаты испытаний, корректирующих действий, отклонений и проверенных решений проекта. Успешная верификация системы или ее компонента подтверждает, что синтез системы выполнен правильно, и она соответствует требованиям. При так называемых стресс-тестах к системе прилагается дополнительная испытательная нагрузка, чтобы определить ее способность работать в более тяжелых, чем это планировалось, условиях.

Валидация требований означает обеспечение того, что набор требований является правильным, полным и последовательным; может быть создана модель, удовлетворяющая требованиям; может быть построено и протестировано реальное решение, чтобы доказать, что оно удовлетворяет требованиям. Если обнаружится, что заказчик запросил вечный двигатель, проект следует остановить.

Дефекты валидации требований включают:

1) неполные или противоречивые наборы требований или вариантов использования;

2) требования, которые не соответствуют требованиям верхнего уровня или концепции эксплуатации;

3) чрезмерную чувствительность модели к определенному параметру или требованию;

4) несоответствия между результатами динамического моделирования и реальной системой;

5) тестовые примеры, которые не отслеживают полный набор сценариев (вариантов использования).

Валидация обычно выполняется в реальных или смоделированных условиях эксплуатации, в процессе или после процедуры интеграции системы. Выявленные недостатки, а также рекомендуемые корректирующие действия и результаты должны быть документированы. По результатам валидации требуется обеспечить устранение выявленных проблем до поставки реализованного продукта.

Также в процессе валидации проверяют работоспособность системы в так называемых нерасчетных условиях эксплуатации (аварийные ситуации, устойчивость к внешним воздействиям, и др.). Иногда необходимо оценить ряд специфических вопросов. Например, могут ли использовать систему люди, которые находятся в стрессовых ситуациях (например, операторы электростанций, полиция, диспетчеры скорой помощи), допустив разумное количество ошибок.

В нашей практике подрядчикам поручили спроектировать и изготовить поворотный дроссель для перекрытия входного участка трубопровода на испытательном стенде. На сборке дроссель работал нормально, а после установки на стенд при прокачке потока воздуха дроссель заклинило. Усилий гидравлического привода не хватало для поворота сектора заслонки. Пригласили экспертов и начали задавать вопросы:

• Какие материалы были выбраны при анализе поворотной части дросселя?

• Подходят ли допустимые пределы прочности деталей для этого использования?

• Какие допущения приняты при моделировании работы поворотного сочленения для учета условий окружающей среды?

• Что потребуется, в части времени и ресурсов, для изменения механизма?

• Существуют ли прототипы механизма, которые можно было бы включить в проект, даже если они не совсем отвечали заданным требованиям?

Причина заклинивания поворотной заслонки при работе стенда оказалась в том, что при прокачке скоростного потока воздуха на дроссельной заслонке возникал перепад давлений, который прижимал поворотную часть к неподвижной с большим усилием. Для доработки дросселя было предложено снизить возникающую силу трения путем разделения поворотной заслонки и неподвижного диска шариковыми шарнирами. Через неделю стенд был введен в строй.

При валидации сложного продукта также требуется заранее сформировать комплексный план. Он включает согласованный набор испытаний и оценок результатов с входными данными и целевыми ожиданиями продукта соответственно утвержденным требованиям заинтересованных сторон (пользователей, экспертов, заказчиков, инвесторов, а также регуляторов, ответственных за разработку и обеспечение соблюдения нормативных требований к продукту).

Задача оценки результатов верификации и валидации может состоять из множества шагов или подзадач. Например, задача посадки в транспортное средство будет включать в себя выполнение пользователем ряда подзадач, таких как отпирание двери, открытие двери, вход в транспортное средство, посадка на сиденье водителя, и закрытие двери.

При валидации план испытаний системы в целом может быть достаточно объемным. Типичная высокотехнологичная система насчитывает от 1000 до 10 000 требований. Какие-то из них можно проверить одновременно, с помощью набора связанных действий. При этом снижается стоимость программы испытаний. Планирование процедур верификации и валидации узлов и компонентов осуществляется еще на ранних стадиях проекта с учетом потребных сроков на проектирование и изготовление стендов и моделей. В ходе верификационных процедур удобно использовать типовые вопросники (чек-листы), составленные и пополняемые с учетом традиций компании и накапливающегося опыта. На этапе валидации завершается процесс разработки системы.

Типы оценок результатов испытаний можно разделить на объективные и субъективные. К объективным данным относят такие, на которые не влияет человек. Субъективные измерения обычно основаны на восприятии и опыте оценщика во время выполнения задач по использованию продукта. Объективные показатели более точны и беспристрастны. Удовлетворенность клиентов, вероятно, является наиболее важной субъективной мерой проверки продукта, которую можно оценить, общаясь непосредственно с пользователями.

Субъективными методами измерения, используемыми в процессе разработки продукта, являются, например, оценка по шкале и методы, основанные на парном сравнении. Для определения рейтинга по шкале оценщику сначала дают инструкции по процедуре оценки продукта, включая пояснения по шкалам оценки, которые должны использоваться для масштабирования каждого свойства. Шкалы интервалов могут различаться по определению конечных точек шкал, количества используемых интервалов. При этом для сравнения продуктов используют следующие варианты оценки:

• число предпочтительных оценок, то есть сумма испытуемых, которые оценили продукт в интервале выше среднего;

• количество непредпочтительных оценок, то есть сумма испытуемых, которые оценили продукт в интервале ниже среднего;

• отношение числа предпочтительных оценок к числу непредпочтительных;

• среднее значение оценок;

• стандартное отклонение оценок.

В методе парного сравнения каждого испытуемого просят сравнить два продукта в выбранной паре с использованием заранее определенной процедуры и определить лучший продукт на основе заданного свойства (например, комфорта или удобства использования). Задача оценки здесь проще по сравнению с оценкой по шкале, поскольку эксперт должен сравнивать только два продукта в каждом испытании, и определять лучший продукт в паре. Основное преимущество метода парного сравнения заключается в том, что он делает задачи оценки субъекта простыми и более точными. Однако, если необходимо оценить несколько продуктов, то оценщик должен пройти через каждую комбинацию из возможных пар и определить лучший продукт в каждой паре, что делает процесс оценки очень трудоемким.

Некоторые примеры типов оценки, проводимой для верификации и валидации продукции, приведены далее:

1. Функциональные оценки состоят из испытаний отдельных компонентов, узлов и агрегатов, чтобы убедиться, что они будут выполнять требуемые функции или задачи в выбранных условиях окружающей среды, и удовлетворять заданным уровням спецификации по производительности.

2. Испытания на долговечность. Компоненты, подсистемы и продукты испытывают в самых сложных реальных условиях (например, при минимальных и максимальных рабочих температурах, высоких рабочих нагрузках, высоких скоростях и максимальных электромагнитных полях) в течение максимума требуемых рабочих циклов в течение срока эксплуатации, например, 10 лет или 250 000 км для легковых автомобилей.

3. Оценка сборки, выполняется и оценивается в реальных рабочих или модельных ситуациях (например, с использованием 3-Д моделей сборочных рабочих мест, с продуктом, инструментами и операторами), чтобы проверить, что компоненты и подсистемы могут быть собраны в изделия с минимальным количеством перемещений деталей в заданные сроки.

4. Тесты с участием клиентов или пользователей. Некоторые продукты могут эксплуатироваться или использоваться одним человеком-оператором, тогда как другие сложные продукты, например, коммерческие самолеты и корабли, требуют многочисленного экипажа для эксплуатации.

5. Оценка после продажи продукта. Отслеживание того, как продукт воспринимается покупателями на основе их опыта использования продукта, является очень важным элементом маркетинга, чтобы определить степень удовлетворенности клиентов.

Несмотря на то, что испытания и оценка результатов проекта занимают всего 5% графика проекта, эти 5% отражают этап жизненного цикла, наиболее важный для успеха программы. Здесь изменения в требованиях и проектных решениях в результате испытаний являются наиболее трудоемкими, дорогими и технически сложными.

Испытания и оценка результатов входят в периметр управления ОКР, обеспечивая испытания системы на протяжении всего ее жизненного цикла. Эти работы можно рассматривать как меру снижения риска, обеспечивающую высокую степень уверенности на ранних этапах жизненного цикла системы в том, что проект в конечном итоге будет работать в соответствии с требованиями. Тестирование может быть дорогостоящим, трудоемким, а иногда и опасным мероприятием, которое требует использования специализированного персонала, испытательного оборудования и инфраструктуры. Испытания позволяют получить данные в дискретных точках по каждому установленному требованию в заданном диапазоне контролируемых условий. Испытуемый образец дополнительно оснащается набором датчиков давлений, температур, напряжений, вибраций для измерения параметров в разных точках системы, и их последующего сравнения с расчетными данными.

Выделяют три основные категории испытаний и оценки результатов:

• Испытания и оценка разработки. Процесс относится к действиям по тестированию и оценке для поддержки усилий по проектированию и разработке.

• Приемочные испытания и оценка. Процесс представляет собой формальное приемочное тестирование системы, которое позволяет заказчику принять систему от подрядчика. Приемочные испытания, как правило, представляют собой дискретную деятельность (с определенными началом и концом).

• Эксплуатационные испытания и оценка. Испытания системы и ее компонентов проводятся оперативным персоналом в реальных условиях эксплуатации.

Испытания и оценки на этапе разработки направлены на выявление недостатков в конструкции системы как можно раньше, тем дешевле и проще их устранять. С одной стороны, выполняют тестирование и оценку элементов самого низкого уровня в системе. С другой стороны, прототипы полных систем проходят верификацию и валидацию для подтверждения успешности интеграции и соответствия проекта требованиям, до того, как система будет производиться. Основная деятельность по испытаниям и оценке заключается в планировании общего подхода к верификации и последующем исполнении плана испытаний согласно требованиям контракта.

Приемочные испытания и оценку обычно разделяют между подрядчиком и заказчиком. Заказчик утверждает конкретные процедуры приемочных испытаний, которые должны быть выполнены. Подрядчик и заказчик могут проводить испытания совместно. Данные испытания сосредоточены на верификации требований системного уровня, содержащихся в контракте. Результаты испытаний и любые несоответствия документируются и при необходимости исправляются до завершения процесса. При успешном завершении приемочных испытаний заказчик принимает систему от подрядчика, и система официально вступает в фазу эксплуатации своего жизненного цикла.

Эксплуатационные испытания ориентированы на подтверждение эксплуатационной функциональности для оценки способности системы и ее компонентов удовлетворять заданные потребности заинтересованных сторон в желаемых операционных средах. Эти испытания должны проводиться в реалистичном окружении, включая использование реальных операторов, вспомогательного персонала и материально-технической поддержки. Оперативный и вспомогательный персонал должен пройти обучение и выполнять свою работу в соответствии с процессами, процедурами и целями заказчика.

Испытания используют как при верификации, так и при валидации. Верификационные испытания связаны с проверкой утвержденного набора требований и могут проводиться на различных этапах жизненного цикла продукта. Включают инженерные испытания, направленные на верификацию технического статуса, минимизацию проектных рисков, подтверждение технической реализации контракта и готовности к валидации системы. Для испытаний сложной техники разрабатывают комплексные программы, с применением наземных стендов и виртуального моделирования подсистем и компонентов.

Примеры некоторых испытаний, относящихся к этому этапу проекта, могут включать:

• Функциональное тестирование, которое проверяет, могут ли указанные функции выполняться системой с требуемым уровнем производительности в определенных условиях.

• Тестирование интерфейса, обеспечивающее правильную работу внешнего и внутреннего интерфейсов.

• Экологические испытания, при которых система помещается в ряд сред для обеспечения приемлемой работы во всех заданных условиях. Экологические испытания обычно включают испытания в условиях различной температуры, влажности, рельефа местности и количества осадков, на влияние пыли, вибрации, стресса и т. д.

• Технологические испытания, на соответствие продукта требованиям модульности, взаимозаменяемости и доступности.

• Проверку качества, включающая удобство использования, надежность, ремонтопригодность и доступность.

Валидационные испытания отличаются тем, что их проводят для конечного продукта в натурных или смоделированных условиях эксплуатации. Согласованы программа и методика оценки результатов данных испытаний. Близким аналогом являются сертификационные испытания. На них требуется подтвердить соответствие декларируемого уровня безопасности и потребительских качеств товара или системы.

Развиваются численные методы модельных испытаний объектов. Для этого используют цифровые двойники (ЦД) и виртуальное моделирование динамических сценариев работы системы. Следует стремиться к замене существенной части натурных испытаний системы (как правило, длительных и дорогостоящих) результатами моделирования статических и динамических режимов эксплуатации, а также нерасчетных случаев, включая частичные отказы узлов и агрегатов, нештатные условия применения, и др.

Для сокращения плановых сроков процессов интеграции и испытаний системы используют:

a) математические модели, ЦД и виртуальное моделирование;

b) проведение ускоренных эквивалентно-циклических испытаний;

c) эмулятор аппаратного оборудования для непроверенного программного обеспечения, или проверенное программное обеспечение для непроверенного оборудования; и др.

Пример выбора необходимого количества испытаний. Во время эксплуатации на серийном изделии произошла авария с разрушением вращающейся части конструкции газотурбинного двигателя. Был собран совет экспертов отрасли для установления причин разрушения конструкции и выработки мер по искоренению дефекта на изделии. В ходе обсуждения один из приглашенных экспертов высказал мнение, что имеющиеся данные по измерениям напряжений и термометрированию изделия неполны, и нужно повторить эксперимент. Затратный процесс термометрирования газовой турбины (измерение максимальных температур деталей по внутреннему тракту двигателя) совместно с тензометрированием (измерение максимальных рабочих напряжений в ответственных деталях) на рабочих режимах проводится на наземном испытательном стенде один раз в истории изделия для верификации использованных в проекте максимальных расчетных температур и напряжений их действительным значениям. Все ответственные детали неподвижной и вращающейся частей изделия препарируют термопарами и тензодатчиками. Сверлят множество отверстий в деталях для прокладки проводов от датчиков. Используют специальное устройство для вывода сигналов от датчиков с вращающихся деталей на пульт управления. В труднодоступных местах наносят специальные термокраски, меняющие цвет в зависимости от температуры детали. Затраты включают, кроме стоимости натурного изделия, датчиков и времени работы стенда по программе испытаний, также оплату усилий по препарированию объекта (по срокам иногда от полугода до года) и последующей расшифровке экспериментальных данных. Все это сложилось в вопрос «Давайте представим, что прошел год с лишним, все работы завершены, уточненные данные получены. Какие выводы по причинам обсуждаемой аварии мы сможем тогда сделать?» Эксперт после небольшой паузы чистосердечно ответил: «Будем думать!» Вопрос по дополнительным испытаниям был снят с повестки.

Первый экземпляр системы, произведенный серийным процессом, проходит полное тестирование. Если производится более одной системы, каждая последующая единица продукции должна быть протестирована так, чтобы убедиться, что производство и технологические процессы продолжают оставаться эффективными. Часто этот процесс называют приемо-сдаточными испытаниями, чтобы принять систему как отвечающую первоначальным требованиям.

Периодическое наблюдение за продуктом продолжается на этапе эксплуатации и преследует две основные цели. Во-первых, защитить от непредвиденных, но неизбежных возникающих последствий разрушительного характера, во-вторых, обеспечить непрерывный поток информации в семейство моделей, лежащих в основе структуры, чтобы обеспечить постоянные улучшения системы и информировать проектировщиков. Для продукции, выпускаемой большим тиражом, регулярно проводятся испытания случайно выбранного изделия для проверки стабильности качества изготовления.

⠀

2.7 Проведение технических обзоров проекта

Фазы жизненного цикла (ЖЦ) проекта или программы разделены, что позволяет команде разработчиков пошагово оценивать прогресс, характеристики системы и проекта, планировать следующий этап работ, облегчает принятие решений руководителям проекта. Структура управления ЖЦ включает все работы для выполнения программы или проекта в различных фазах, разделенных контрольными рубежами (КР). Для контроля хода проекта и утверждения решений на каждом КР проводят технический обзор, который включает критический разбор результатов участниками работ, планирование и реализацию корректирующих действий перед переходом к следующему этапу проекта. На обзоре рассматривают доказательства соответствия результатов проведенного этапа выставленным критериям. Промежуточные результаты проектирования просматриваются, тестируются и оцениваются, чтобы уточнить текущий статус работ и принять решения о дальнейших действиях.

КР являются основными вехами, на которых лицо, принимающее решение, определяет готовность проекта к переходу на следующий этап жизненного цикла. Для каждого КР программы устанавливаются входные критерии, необходимые до начала обзора, и выходные критерии успешного завершения обзора. Процесс обзора проекта должен подтвердить:

• обеспечение планового выполнения технических работ;

• функциональную интеграцию;

• обеспечение решения проблем в кратчайшие сроки и до самых низких уровней;

• поддержку решений на основе событий;

• сроки и бюджет проекта;

• готовность к исполнению следующего этапа;

• контроль рисков.

При прохождении контрольного рубежа имеется набор вариантов решения:

1. Принято: можно переходить к следующей стадии проекта.

2. Принято с оговорками: переходить и выполнить затребованные действия, устранив замечания, причем проверка исполнения замечаний проводится, как правило, на следующем КР.

3. Не принято: не переходить, дополнить работы этапа и повторить КР по готовности.

4. Не принято: вернуться на предыдущую стадию.

5. Не принято: заморозить (временно остановить) мероприятия проекта.

6. Невосстановимо: закрыть проект.

Количество требуемых обзоров и их соответствующий объем зависят от сложности и размера рассматриваемой системы. Технический риск, связанный с системой, также влияет на количество запланированных проверок. Например, система, в которой широко используется покупаемое оборудование ПКИ, может рассматриваться как проект с низким уровнем риска по сравнению с проектом, разработанным заново. Ожидается, что для системы с большим процентом ПКИ будет проведено меньше обзоров на более низком уровне, чем для оригинального проекта развития.

На рис. 3 показаны основные обзоры в ключевых точках проекта, привязанные по срокам и фазам жизненного цикла коммерческого самолета.

Рис. 3. Набор обзоров программы ЖЦ самолета

На этапе разработки системы минимальный набор обзоров должен включать обзор системных требований, анализ эскизного проекта, критический анализ технического проекта, анализ готовности к интеграционным испытаниям, обзор готовности производства, анализ эксплуатационной готовности, обзор возможностей эксплуатации, а также обзор вывода из эксплуатации и утилизации.

Эти обзоры отражают основные этапы разработки системы, должны иметь четко определенные критерии входа и выхода. Аудит физической конфигурации системы должен использовать ту же концепцию определения достижений и критериев успеха. Каждый обзор на соответствующем КР содержит новую, актуализированную базовую версию системы. Она включает согласованный набор требований, проектов или документов, относящихся к системе или продукту.

Последовательное прохождение системы технических обзоров является важным элементом верификации результатов разработки проекта системы. Формальные обзоры проекта запланированы на всех ключевых этапах ЖЦ системы. Иногда в них участвуют приглашенные внешние эксперты, чтобы гарантировать, что функциональный дизайн удовлетворяет требованиям, срокам и бюджету проекта. На этапе проектирования могут потребоваться изменения ранее принятых решений из-за появления новых технологий, технических проблем или добавленных требований заинтересованных лиц. Руководитель проекта несет ответственность за мониторинг изменений, определение их воздействия на планы, графики, бюджеты проекта и процесс рассмотрения и утверждения изменений.

Обзор системных требований должен демонстрировать прогресс в достижении жизнеспособных, прослеживаемых системных требований, сбалансированных по стоимости, срокам и рискам, путем подтверждения того, что:

а) требования клиентов (включая среду, режимы использования и другие соответствующие факторы) проанализированы и переведены в функциональные требования, в том числе, к производительности, для конкретной системы;

б) планы верификации технологий завершены;

в) выявлены и оценены критические технологии для людей, продуктов и технологических решений;

г) риски идентифицируются и количественно оцениваются, предусмотрены меры по снижению рисков;

д) был определен общесистемный подход к удовлетворению требований (включая интерфейсы) для основных системных функций.

Критический анализ проекта должен подтвердить, что детальный проект всей системы завершен, соответствует требованиям, и вся система готова к производству и кодированию. А именно:

• решены плановые вопросы по системе, функциональным областям и подсистемам;

• полностью определены требования к проектированию системы, в том числе по стоимости, графику, производительности и риску для жизненного цикла, а физическая архитектура системы представляет интегрированный детальный проект для удовлетворения требований, включая функциональную совместимость и интерфейсы;

• установлена совместимость дизайна системы с внешними интерфейсами;

• план управления рисками уточнен для следующего этапа работ;

• готовность планов производства и обслуживания;

• актуализированы планы приобретения и развертывания системы;

• критические вехи, критерии успеха и показатели действительны для продолжения технических усилий.

Изменения в конструкции, как правило, увеличивают стоимость проекта. На стадии разработки проведение изменений обычно намного дешевле, чем устранение обнаруженных проблем на этапах производства и эксплуатации. Так как стадия проектирования не может продолжаться бесконечно, руководство проекта устанавливает дату «заморозки» результатов, после которой никакие изменения конструкции системы не допускаются.

Менеджер проекта НИОКР должен проводить регулярные текущие проверки постановки и исполнения задач в соответствии с плановыми сроками. При каждом рассмотрении исполнители должны:

1) иметь возможность объяснить компромиссные решения техническими деталями и соответствующим обоснованием;

2) обеспечить надлежащее участие в дискуссии, в том числе субподрядчиков, продавцов и поставщиков;

3) предоставить отчетную информацию и элементы, необходимые для демонстрации и подтверждения того, что плановые вехи, связанные с проверкой, были достигнуты;

4) документировать ход разбирательства, включая ключевые моменты, решения и вопросы с соответствующим обоснованием; открытые и нерешенные вопросы с их требованиями по закрытию и указанием ответственных лиц.

Исполнители должны проводить обзоры подсистем, чтобы гарантировать, что требования, включая требования к интерфейсу (глава 3.6), для подсистем определены, сбалансированы по сегментам и интерфейсам, задокументированы и выполнены. Эти обзоры должны подтвердить решение проблем и оценить прогресс разработки каждой подсистемы в контексте жизненного цикла. Анализ подсистемы должен учитывать воздействие на другие элементы системы, а также взаимодействие с ними, документацию, риски и, если применимо, готовность к верификации и документацию. Как правило, проверка подсистемы должна подтвердить, что при рассмотрении требований к подсистеме требования, выделенные для КЭ, полны и включены в спецификацию, соответствующая документация по управлению интерфейсом установлена, требования, выделенные для КЭ, являются реализуемыми, разработаны необходимые спецификации процессов и материалов.