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 561362014 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.