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 2029° 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 предприятияизготовителя.
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: