Инновации от идеи до рынка

Глава 2.Особенности системного подхода в ОКР

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.