Системная инженерия на раз-два

Системная инженерия используется человечеством с давних времен. Например, пирамиды в Древнем Египте, римские дороги и акведуки, каналы орошения азиатских полей являются примерами сооружения сложных систем, имеющих длинный жизненный цикл. Сегодня, когда постоянно растет сложность окружающей инфраструктуры и разрабатываемых систем, необходимо развивать строгие и надежные подходы, которые помогают справиться с заданными уровнями сложности решаемых задач.

Базовый для нашей книги термин некоммерческая международная организация сиcтемных инженеров INCOSE формулирует следующим образом (2018).

Системная инженерия – это междисциплинарный и интеграционный подход для обеспечения успешной реализации, использования и вывода из эксплуатации инженерной системы, используя системные принципы и концепции, а также научные, технологические и управленческие методы.

Система – это расположение частей или элементов, которые вместе демонстрируют поведение или значение, которого нет у отдельных компонентов. Системы могут быть физическими, концептуальными (абстрактными информационными), биологическими или их комбинацией.

Инженерная система – это система, разработанная или адаптированная для взаимодействия с ожидаемой эксплуатационной средой для достижения одной или нескольких предполагаемых целей при соблюдении применимых ограничений. Инженерные системы могут включать людей, продукты, услуги, информацию, процессы и природные элементы.

Системная инженерия (СИ) охватывает все стадии и детали жизненного цикла разработки продукта от замысла до внедрения, руководствуясь интересами конечного пользователя. Она отличается от предметной инженерии, ориентированной на конкретные дисциплины. Различные ответвления включают механическую, электронную, химическую, оптическую, ядерную, программную, социальную инженерию, и т. д. Хотя системная инженерия может определять требования, относящиеся к этим инженерным дисциплинам, она не диктует конкретные проекты или технологии, используемые в них.

Основной особенностью мультидисциплинарного подхода СИ является участие в проектах профессионалов из разных областей, которые работают вместе, постоянно общаются и помогают друг другу по всем аспектам продукта. В СИ рассматривают весь жизненный цикл проектируемого продукта. Уделяется постоянное внимание потребителям системы. СИ сочетает технический, управленческий и организационный сегменты. Рассматривается принятие технических решений, связанных с жизненным циклом продукта, а также управление полным кругом задач, которые должны быть своевременно выполнены для реализации процесса. В СИ применяется подход декомпозиции «сверху вниз». Сначала рассматривают систему в целом, а затем последовательно разбивают ее на более низкие уровни, такие как подсистемы, модули и элементы.

Системная инженерия помогает ликвидировать пробелы, имеющиеся в традиционных подходах к разработке систем, по трем указанным составляющим: технической, управленческой, организационной. Практические вопросы применения системного подхода для успешного выполнения высокотехнологичных проектов и программ, к сожалению, недооценены или отсутствуют в отечественной литературе. Во-первых, потому что среднее поколение успело забыть дисциплину, массово преподававшуюся много лет в ВУЗах СССР под названием «Системотехника». Во время реформы ВУЗов в РФ данная тема выпала, тогда как за рубежом системотехника стала активно развиваться в различных отраслях. Во-вторых, сказалось, что многим людям некомфортно изучать многочисленные новые дисциплины и подходы. В-третьих, потому что различные теоретики, системологи и онтологи, в том числе в INCOSE, сумели надежно отпугнуть отряды любознательных практиков накрученной сложностью и «избранностью» знаний по системной инженерии. Сегодня обучение системной инженерии проводят только в десяти ВУЗах РФ.

Важнейшей основой системной инженерии являются официальные международные стандарты, излагающие правила работы. Сегодня применение стандартов системной инженерии обязательно для контрактов военных ведомств развитых стран и государственных заказчиков сложных систем, таких как Министерство обороны США (DoD), Национальная аэрокосмическая ассоциация (NASA), компаний Boeing, Airbus, гигантов в сфере телекоммуникаций и информационных технологий (Siemens, IBM), и др. Основные стандарты системной инженерии РФ перечислены в разделе 1.10.

Системная инженерия приносит выгоду в проекте, при этом она относится к статье накладных расходов. В современных проектах на системно-инженерные процессы выделяется статья в бюджете, чтобы предотвратить возможные убытки и исключить последующую переделку готового изделия. То есть результат системной инженерии – не увеличение прибыли, а снижение вероятных убытков проекта. Эффект достигается за счет выполнения программы в заданные сроки, в рамках бюджета, согласно требованиям контракта, с высоким качеством. С 2016 г. отчетность по данной статье включена в обязательный перечень для подрядчиков государственных контрактов Министерства обороны США.

Активный интерес в мире к преподаванию системной инженерии подтверждается тем, что предмет системной инженерии входит в учебные планы всех ведущих зарубежных университетов и нескольких российских вузов. Также компании активно содействуют повышению квалификации в этой области своих сотрудников.

Сегодня в реальной отечественной практике ряда организаций получены следующие результаты.

• Обучение системно-инженерному подходу приносит заметный эффект для специалистов различных категорий.

• Освоение происходит в оперативном режиме, через 3…6 месяцев сотрудники выходят на удовлетворительные темпы и качество работ, скачкообразно растет понимание системного подхода применительно к практическим задачам.

• Заметно снижаются потери рабочего времени в проекте.

• Возрастает качество работ и получаемых результатов.

• Рост производительности труда после периода обучения составляет от 20 до 100%, далее обеспечивается стабильный прирост не менее 15—25% в год.

Примененные в практической работе технологии системной инженерии ускорили и облегчили получение конкурентоспособных разработок. Переход на командные методы работы по ролям упростил создание результативных коллективов. Подготовку персонала также удалось ускорить при использовании принципов системной инженерии.

1.3 Основные этапы системно-инженерного подхода

При создании новых высокотехнологичных систем набор требований стал существенно сложнее, чем три десятилетия назад. Прошлые достижения инженеров и менеджеров не обеспечивают успех в условиях вызовов будущего. Инновационные разработки компаний направлены на решение следующих задач.

– Удовлетворить желания клиентов в отношении новых продуктов и услуг.

– Улучшить экономику компании в долгосрочной перспективе.

– Научиться быстро реагировать на изменения на рынке.

– Стремиться стать признанным лидером в своей отрасли.

– Улучшить бизнес-модель, стратегию и процессы организации.

– Воспитывать творческих сотрудников путем организации эффективной работы.

Ниже перечислены пункты блока «Технологический рывок» из решения правительства РФ по реализации федеральных проектов от 2021 г. Перечень инициатив включает разработку технологий, позволяющих производить соответствующее оборудование.

• Чистая энергетика (водород и возобновляемые виды энергетики).

• Новая атомная энергетика, в том числе малые атомные реакторы для удаленных территорий.

• Развитие производств новых материалов.

• Круглогодичный Северный морской путь.

• Беспилотные логистические коридоры для транспорта.

• Автономное судовождение.

• Беспилотная аэродоставка грузов.

• Персональные медицинские помощники.

• Электроавтомобиль и водородный автомобиль.

• Цифровая экосистема «Одно окно» экспортера.

• Платформа университетского технологического предпринимательства.

• Взлет – от стартапа до размещения акций на бирже.

• Передовые инженерные школы.

Успех будущих поколений специалистов, инженеров и менеджеров будет напрямую зависеть от их способности эффективно работать в этом новом мире.

Уточним основные понятия системы и их роли.

• Цели: формулируют потребности заинтересованных сторон и определяют общую задачу создания системы. Каждая цель формулируется в виде набора требований.

• Жизненный цикл: определяет, как система будет построена или произведена, ее испытания, продажи, финансирование, эксплуатацию, обслуживание и утилизацию по завершению эксплуатации.

• Режимы работы: предусматривают функционирование системы в различных средах и условиях (сценариях). Самолет, например, используется для перевозки пассажиров и грузов, и для обучения экипажа. Его также нужно обслуживать, ремонтировать и испытывать.

• Ограничения: каждая конкретная система ограничена законодательством, процедурами и стандартами, имеющимися материалами, знаниями и технологиями, заданным временем проекта, финансированием, людскими и материальными ресурсами.

Управление жизненным циклом системы включает все действия для выполнения программы или проекта в различных фазах, разделенных точками принятия ключевых решений или контрольными рубежами (КР). В стандарте «Процессы жизненного цикла систем» ISO 15288:2015 (ГОСТ Р 57193—2016) перечислены 30 базовых процессов жизненного цикла систем, рис. 2.

Рис. 2. Базовые процессы жизненного цикла систем

Указанные процессы разделены на четыре основные группы.

• Группа технических процессов, объединяет процессы, которые связаны с повседневной деятельностью по проектированию систем.

• Группа процессов технического управления, объединяет процессы, которые отражают специфику управления инженерными проектами.

• Группа организационных процессов, объединяет бизнес-процессы в целом, управление предприятием, инвестициями и процессы управления жизненным циклом системы.

• Группа процессов соглашения, объединяет вопросы отношений между заказчиками и поставщиками, заказа, поставки и приобретения систем.

Для описания инструментов системной инженерии в последующем тексте будут использоваться еще несколько терминов.

• Требование: определяет, что должна делать система. Например, «портативная система очистки воды должна очищать не менее двух литров воды в минуту». Требования верхнего уровня должны включать цели системы, жизненный цикл, режимы работы, ограничения, интерфейсы с другими системами.

• Функция: конкретное действие, которое система выполняет, или значимая цель, для которой система разработана или спроектирована. Функции не надо путать с задачами. Например, в системе кофейного автомата «подача кофейной капсулы» и «дозировка горячей воды» являются функциями автомата. Однако действия «вставить чашку» и «выбрать напиток нажатием кнопки» являются задачами пользователя, а не функциями.

• Компонент: элемент построения системы. Физические компоненты представляют оборудование для построения системы. Электрические и компьютерные компоненты программного обеспечения контролируют и регулируют ее работу. Человеческие компоненты взаимодействия людей с аппаратным и программным обеспечением необходимы для выполнения системных функций.

• Входы и выходы. Динамические объекты системы и ее компоненты нуждаются во входных сигналах для выполнения своих функций. Внутри системы некоторые компоненты могут генерировать выходы для других компонентов. Эти входы и выходы могут быть материалами, энергией, информацией или действиями.

• Базовая версия системы. Это задокументированная точка отсчета для оценки результатов системного проектирования. На определенных этапах проектирования системы предыдущая базовая версия сменяется на более проработанную или зрелую.

Типовое описание процессов жизненного цикла включает стандартные блоки компонентов. Каждый процесс состоит из входа, действия и выхода, дополненных функциями управления и обеспечения, рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема типового процесса

Процессы имеют важные полезные свойства. Они должны быть повторяемыми. Если процессы могут выполняться по-разному, то их результаты нельзя сравнивать. Процессы должны быть измеримыми, чтобы можно было контролировать их эффективность. Процессы могут быть сложными для понимания, в них используют язык конкретной предметной области.

Основными задачами управления жизненным циклом являются:

1. Управление процессом проектирования и разработки системы.

2. Управление процессом технологической подготовки производства.

3. Управление процессом производства продукции.

4. Управление процессами закупки комплектующих изделий, материалов, заготовок, запчастей.

5. Управление процессом испытаний системы, ресурсных, приемо-сдаточных, сертификационных, и др.

6. Управление процессом послепродажного обслуживания.

7. Управление процессами обучения пользователей и обслуживающего персонала.

8. Обеспечение качества на всех этапах ЖЦ.

9. Достижение заданной трудоемкости разработки и изготовления системы.

10. Управление информационной поддержкой всех процессов.

Процесс проектирования системной инженерии переводит системные потребности в структурированные системные требования. Далее посредством моделирования, анализа и синтеза общие требования преобразуют в количественные системные спецификации и параметры. Система развивается от общих концепций к конкретной проектной конфигурации, может быть легко сконструирована и изготовлена.

Для реализации проектов и программ в системной инженерии широко используется принцип декомпозиции:

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

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

• Декомпозиция продукта – 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, проект, интеграцию, верификацию, эксплуатацию, вывод из эксплуатации.

Можно выделить 12 последовательных этапов системно-инженерного процесса создания системы или продукта:

1. Маркетинговая оптимизация – информация по принятию решений на основе анализа и отбора наиболее сбалансированных решений по требованиям рынка.

2. Комплексное техническое планирование – формирование планов процессов и продуктов.

3. Управление требованиями – определение и управление требованиями, которые описывают желаемые характеристики системы.

4. Функциональный анализ – описание функциональных характеристик (что система должна делать), которые используются для получения требований.

5. Синтез – этап преобразования требований в физические решения верхнего уровня системы.

6. Управление интерфейсами – определение и управление взаимодействиями между компонентами в рамках системы или с другими системами.

7. Специализированная (тематическая) инженерия – анализ системы, требования, функции, решения с использованием специальных навыков и инструментов. Помощь в получении требований, синтезе решений, выборе альтернатив.

8. Верификация интеграции – проверка, что интеграция системы обеспечила требуемый уровень точности и идентичности.

9. Управление рисками и возможностями – определение, анализ и управление неопределенностями достижения требований программы.

10. Управление конфигурацией – установление описания и поддержка базовой версии системы, управление изменениями функциональных и физических свойств.

11. Проверка (верификация) и сертификация (валидация) системы. Верификация определяет, что требования к системе являются правильными. Валидация определяет, что реализованное решение отвечает утвержденным требованиям.

12. Инженерия жизненного цикла – включает управление разработкой продукта, передачу работ в производство, интегрированную поддержку логистики, технологическую производственную часть и вывод из эксплуатации. Используется стандартизация для постоянного улучшения эффективности процессов и инструментов СИ, включая документирование и изучение уроков проектов.

Процесс разработки СИ включает несколько итерационных (повторяющихся) циклов: цикл требований, цикл проектирования, цикл верификации (проверки), цикл управления.

1. Цикл требований помогает уточнить определение требований путем распределения функций по подсистемам и компонентам на различных уровнях.

2. Цикл проектирования включает итерационные приложения результатов функционального анализа и распределения для проектирования продукта, чтобы система в целом могла работать в соответствии со всеми заданными требованиями.

3. Цикл верификации включает проведение испытаний спроектированного продукта, его подсистем и компонентов для контроля того, что все требования выполняются на всех уровнях.

4. Цикл управления обеспечивает рассмотрение и анализ вопросов в нужное время, и принятие правильных решений. Контур управления обеспечивает обмен информацией со всем персоналом, участвующим в программе разработки продукта.

Один из вариантов представления процесса разработки в системной инженерии в виде взаимосвязанных итерационных петель обратной связи показан на рис. 4.

Циклы повторяются для изменения архитектуры и конфигурации продукта, чтобы достичь сбалансированного дизайна продукта (т.е. удовлетворительно отвечающего всему набору требований с компромиссными решениями между различными конструктивными соображениями).

В ходе разработки системы должны быть спланированы действия на последующих этапах жизненного цикла. Планируются этапы производства или строительства готовой продукции, эксплуатации и послепродажной поддержки, а также вывода из эксплуатации и утилизации. Это важно для скорейшей передачи системы потребителям и организации процесса возврата инвестиций.

Детальное описание особенностей реализации процесса разработки систем можно найти в представленном в конце книги рекомендательном списке литературы [2,3,8,9]. Далее будут представлены некоторые особенности этапов разработки системы.

1.4 Формирование требований к системе

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 эффективности, 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.

Ожидаемые результаты маркетинговых исследований включают выбор концепции эксплуатации системы, архитектуры системы, производные требования (альтернативы функций, распределение требований). На их основе формируют верхний уровень требований к системе.

Требование – это утверждение, которое идентифицирует эксплуатационные, функциональные параметры, характеристики или ограничения проектирования продукта или процесса, которое однозначно, проверяемо и измеримо. Необходимо для приемки продукта или процесса (стандарт 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, ограничивающих творчество 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 – производителей, поставщиков, операторов и других лиц. Сюда входят корпоративные клиенты, заинтересованные в рынке системы, низких эксплуатационных и капитальных затратах. Операторы системы, заинтересованные в ее производительности, долговечности, надежности, наличии запасных частей, и т. д. 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.

Необходимым стартовым компонентом для продвижения по этапам разработки 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. По мере разработки и проверки концепции потребности заинтересованных сторон преобразуются в эксплуатационные требования. 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.

Концепция эксплуатации должна ответить на ряд вопросов пользователя.

• Что требуется от системы с функциональной точки зрения?

• Какие основные и второстепенные функции должна выполнять система?

• Что ограничивает ее возможности?

• Что пользователи ценят в ожидаемом продукте?

• Когда необходимо построить и поставить систему?

• Каков запланированный жизненный цикл системы?

• Какова предполагаемая стоимость жизненного цикла системы?

• Где предполагается использовать систему?

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.

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. Заявленные требования предоставляются заказчиками систем, например, через часто используемые запросы контрактных предложений (RFP) и рабочие задания (SOW). Эти требования обычно формулируются на языке заказчика, зачастую в виде пожеланий. Требования заказчика недостаточны для проектирования системы. Обычно они неполные, нечетко сформулированные, а иногда и противоречивы по своему характеру. Системные требования должны быть собраны, отфильтрованы, уточнены, декомпозированы и задокументированы. Для этапа разработки необходим полный, технически обоснованный и точный набор системных требований, которые необходимо реализовать.

Требования являются ключом к успеху проекта. Хорошие требования к системе или продукту должны быть:

• Специфичны, должны отражать только один аспект конструкции или характеристик системы. Кроме того, должны быть выражены в терминах потребности (что и как хорошо), а не решений (как).