Инновации от идеи до рынка
Виктор Юрьевич Николенко
Инновации сегодня являются ключевым способом возврата технологического суверенитета РФ в областях высоких технологий. Системный подход к созданию инновационных продуктов изложен в доступной форме автором, полвека успешно работавшим в России и за рубежом. Читатели найдут здесь полезную информацию для обучения передовым приемам создания инновационной продукции ОКР при разработке изделий и систем городской инфраструктуры, здравоохранения, транспорта, телекоммуникаций, ИТ-сектора, машиностроения.
Инновации от идеи до рынка
Виктор Юрьевич Николенко
© Виктор Юрьевич Николенко, 2024
ISBN 978-5-0062-2593-0
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Эта книга содержит набор практических сведений по шагам разработки и внедрения на рынок инновационных высокотехнологичных продуктов и систем. Перспективные разработки жизненно необходимы для общества, а также имеют существенное значение для бизнеса. Одним из самых важных достижений человечества является удвоение средней продолжительности жизни человека, в чем большую роль сыграли инженерные проекты создания крупномасштабных социальных систем. Например, водоподготовка и доставка, очистка сточных вод, виды моторизованного транспорта, включая сельскохозяйственные машины, крупномасштабное производство и поставка электроэнергии, доступное холодильное оборудование, консервирование и методы массового хранения пищевых продуктов, улучшение здравоохранения, включая оснащение разнообразными технологиями диагностики и лечения. Эти работы создают новые методы и новые продукты, улучшают инфраструктуру жизнедеятельности, приносят прибыль, и др.
Инновации активно меняют повседневную жизнь. Они лежат в основе высоких технологий, потому что разработчики должны постоянно вводить новшества для достижения заданных целей. Идеи инноваций являются ключом к реализации уникальных программ, они позволяют осуществить мечты, открывают новые пути развития. Человечество в разных областях деятельности стремится к успеху в исследованиях и открытиях, ищет новые способы взглянуть на планету, на экологию, на окружающую инфраструктуру, и на самих себя. Инновации также внедряются в процессы, изобретаются новые способы управления проектами и их финансирования, более эффективные способы мониторинга эффективности работ. Внедряются инновации еще и там, где анализируют, оценивают, верифицируют и сертифицируют новые продукты и услуги, применяют передовые технологии виртуального моделирования и анализа. Предлагаются и реализуются лучшие способы испытаний и процессы, которые удовлетворяют потребности все более сложных систем. Цифровые двойники и «умные производства» способствуют развитию инноваций и их выводу на рынок. Чтобы этот процесс продолжался в соответствии с целями и задачами организаций и участников работ, следует заниматься инновациями в процессах и технологиях, и по возможности активно продвигать их в условиях предприятия.
Используемые в инновациях методы существенно зависят от применения новых технологий для достижения успеха проекта. Важной составляющей работ также является управление инженерными проектами, где внимание сосредоточено на процессе и методе, с помощью которых создают НИОКР. Под управлением здесь понимаются планирование и организация действий, которые позволят создать желаемый конечный продукт или услугу.
В данной книге изложены практические рекомендации по реализации инновационных проектов и программ на основе высокоэффективного и проверенного многолетней практикой во всем мире системного подхода. Есть множество проектов, которые включают системы и ведут себя в соответствии с законами систем, что связано со спецификой инженерных программ. Новые подходы к поиску и разработке инноваций позволяют осуществить эффективное проектирование под заданную стоимость, разработку продуктов устойчивого развития, параллельного инжиниринга, учета человеческого фактора, и использовать другие способы сокращения интервала времени от замысла инновационной ОКР до выхода на рынок.
Методы традиционного управления проектом направляют общее планирование, организацию, контроль, управление ресурсами, однако не детализируют основное содержание управления программами разработки сложных технических систем. Управление сложными проектами в рамках системного подхода ликвидирует указанный пробел, предоставляет руководство и инструменты для отслеживания и управления техническими аспектами программной деятельности, отслеживает и контролирует технический прогресс проекта и адаптирует процессы, специфичные для инженерной программы, с целью оптимального удовлетворения потребностей заказчика. Сведения об управлении стоимостью жизненного цикла продукта или услуги подскажут читателю, как удержаться в рамках располагаемого бюджета проекта.
Понимание и применение принципов системного подхода при создании инноваций сегодня является самым мощным профессиональным навыком, которым могут обладать инженеры и менеджеры в современном мире. Системная инженерия оформилась на рубеже веков как организованный набор принципов, правил и процедур создания высокотехнологичных продуктов на основе опыта и достижений технических и управленческих наук. Данные материалы были формализованы, реализованы в стандартах (включая ряд российских ГОСТов) и инструкциях. Внедрение методологии многократно усилено за счет применения информационных технологий. В международном сообществе системных инженеров INCOSE недавно вышло 5-е издание справочника «Systems Engineering Handbook».
Книга построена в следующем порядке.
Первый раздел освещает вопросы поиска инноваций для использования в НИОКР.
Второй раздел включает краткое изложение основных положений системного подхода в ОКР.
В третьем разделе рассмотрены управленческие вопросы реализации инновационных программ.
Четвертый раздел книги посвящен повышению эффективности инновационных ОКР, включая вопросы стоимости жизненного цикла, параллельного инжиниринга, производства под заданную стоимость, создания систем для устойчивого развития, бережливого производства.
Пятый раздел содержит рекомендации по реализации в инновационных продуктах привлекательных потребительских свойств: качества, надежности, ремонтопригодности, безопасности, устойчивости, человеческого фактора.
Шестой раздел кратко излагает оценки коммерческой целесообразности цифровизации процессов для использования в ОКР.
В седьмом, заключительном, разделе суммированы итоги эффективности системного подхода и рекомендации по его применению в инновационных ОКР.
В конце книги для удобства читателей приведен сводный словарь терминов, встречающихся в тексте.
В основу текста книги положены фрагменты успешного многолетнего инновационного опыта автора, более 50 лет работавшего в первых рядах создателей советских и российских высокотехнологичных разработок. Кроме того, выполнявшего контракты ведущих иностранных компаний на трех континентах в Европе, Азии, Северной Америке, изобретателя СССР, имеющего около 40 авторских свидетельств.
Автором ранее опубликованы семь книг по теории и практике реализации системного подхода при создании инновационной продукции.
Книга [1], написанная совместно с доктором экономических наук, содержит сквозное изложение этапов разработки, производства, эксплуатации и модернизации высокотехнологичной продукции на примере авиационной отрасли.
В книге [2] дано популярное краткое введение в методологию системной инженерии, как наиболее эффективного инструмента создания сложных систем.
Книга [3] является методическим пособием на основе учебного курса, прочитанного в МФТИ, и включает пошаговое изложение основ системной инженерии для обучения практикующих специалистов.
В книге [4] основное внимание уделено специфике управленческих процессов системного подхода для менеджеров.
Книга [5] посвящена вопросам подготовки руководящих кадров различных уровней для высокотехнологичных отраслей с привязкой к системно-инженерной методологии.
Книга [6] содержит материалы для практического применения процессов и методов при реализации НИОКР в рамках системного подхода, в том числе, описание некоторых результатов, полученных под руководством автора на предприятиях СССР и РФ.
В книге [7] изложен ряд примеров применения системной инженерии в реальных проектах СССР, РФ и зарубежных контрактах, на фоне мемуаров 50-летнего профессионального пути автора.
В данной книге описаны процессы реализации инновационных ОКР, расширяющие и дополняющие материалы работы [6].
Все издания, перечисленные в приложенном списке рекомендуемой литературы, доступны в сети Интернет.
Книга будет полезна всем категориям читателей, интересующихся современными успехами человеческого разума, принимающих личное участие в разработке, управлении, продвижении на рынок, обслуживании в эксплуатации, доработках новой инновационной продукции, управленцам-практикам; менеджерам и инженерам по системам, производству и обслуживанию; молодым специалистам, ищущим точки приложения своих знаний; а также руководителям всех уровней в отраслях разработки и производства инновационной продукции и услуг (в авиации, космической, автомобильной, химической, нефтегазовой, атомной, транспортной, электронной, коммуникационной, машиностроительной отраслях, медицинской технике, службах развития городской инфраструктуры, других отраслях; в министерствах, ведомствах и государственных корпорациях). Ее также могут использовать студенты, аспиранты и сотрудники университетов, готовящих специалистов различных отраслей применения высоких технологий.
Глава 1. Поиск инноваций
1.1 Возвратить технологический суверенитет РФ
Успешная и оперативная реализация НИОКР является критически необходимым элементом развития нашей страны на фоне событий в мире, которые, как недавно казалось, невозможно было даже предположить. Российская Федерация снова, как 200 и 100 лет назад, борется с объединением стран-агрессоров за свое существование, за установление справедливого миропорядка на земле. С 2022 г., продолжая безудержную политику расширения агрессивного блока НАТО вокруг Российской Федерации, около 50 западных стран на фоне экономической рецессии и проблем поддержания капиталистического миропорядка под властью США провозгласили своей целью уничтожить Россию, русский мир. РФ сегодня мешает внедрению власти рабовладельческого по сути строя «золотого миллиарда» на фоне проблем перенаселенности Земли, нехватки минеральных, водных, продовольственных ресурсов, продолжающегося обнищания стран третьего мира. Специальная военная операция происходит на фоне бездействия ООН, односторонних нарушений заключенных ранее договоров между странами в торговле, здравоохранении, безопасности, стремления к распространению ядерного оружия, активной разработки биологических военных программ лабораториями США в ряде стран мира, внедрении сотен неправомерных санкций против неугодных гегемону стран, и др.
На 2022 г Россия занимала 9 место в мировом рейтинге стран, лидеров экономики, с суммой 2.1 трлн. $ США, или 2.1% совокупного мирового валового внутреннего продукта (ВВП). Причем 67,8% ВВП РФ приходится на сферу услуг (близко к показателям других развитых стран), 26,6% вырабатывает промышленность, 6,6% занимает сельское хозяйство. Напомним, что в 1992 г. Россия находилась по ВВП на 35 месте в мире, в 1999 г. поднялась на 22 место, в 2013 г. на 8-е. В 2023 г. экономика РФ выдвинулась на первое место среди стран Европы.
По итогам 2022 г. доля высоких технологий в ВВП РФ составила 21,5%. Лидерами здесь являются Северо-Западный (25.3%), Приволжский (24.1%) и Центральный (22.9%) округа. К высоким технологиям в экономике относят отрасли высокого и среднего технологических уровней, а также наукоемкие отрасли (по классификации Росстата):
• Высокий технологический уровень – производство компьютеров, электронных и оптических изделий; летательных аппаратов, включая космические, и соответствующего оборудования, и т. д.
• Средний технологический уровень – производство электрического оборудования; медицинских инструментов и оборудования, и т. д.
• Наукоемкие отрасли – деятельность воздушного и космического транспорта; образование; научные исследования и разработки, и т. д.
В 2020—2021 гг. доля экспорта наукоемких отраслей РФ составила 7%. В том числе:
• производство транспортных средств (кроме нефтегаза) – 2.1%,
• деятельность по архитектуре и инженерному проектированию – 1%,
• разработка программного обеспечения – 1%,
• производство компьютеров, электронных и оптических изделий – 0.3%,
• деятельность в области ИТ – 0.3%,
• деятельность в сфере телекоммуникаций – 0.3%,
• производство машин и оборудования (кроме нефтегаза) – 0.2%,
• производство электрического оборудования – 0.2%,
• производство автомобилей – 0.2%,
• научные исследования и разработки – 0.1%.
Нашей стране сегодня необходимо ускоренно развивать наукоемкие технологии. Напомним о некоторых потерях технологического сектора РФ за 30 лет после распада СССР. Исчезли различные направления электронной промышленности, резко свернулось станкостроение, где СССР был в пятерке мировых лидеров. Сдали ведущие позиции предприятия, активно работавшие над специализированным программным обеспечением, в том числе в рамках информационной поддержки жизненного цикла изделий. Не получили необходимого развития созданные пакеты прикладного и специального программного обеспечения. Рынок инженерных приложений захватили продукты «Autocad» и «Siemens». Область трехмерных расчетов прочностных, тепловых, газодинамических инженерных задач оккупировали западные программы ANSYS, ABAQUS, NASТRAN-PATRAN, MATLAB, и др. При этом стоимость лицензий на оснащение одного рабочего места в РФ в 5…15 раз превышала расценки, установленные для западных лидеров рынка (General Electric, Airbus), как плата за утерю собственных компетенций.
В ходе реформы высшего образования в ВУЗах РФ исчезло направление «системотехника», которое сегодня активно развивается в высокотехнологичных отраслях на западе под названием, переводимым в нашей прессе как «системная инженерия».
Основные надежды отечественного гражданского авиастроения вместо развития внушительных достижений эпохи СССР стали связывать с идеей возможности эффективной конкуренции с западными производителями на западных рынках путём продвижения продуктов, собранных из импортных комплектующих, на импортном оборудовании, с помощью импортированных технологий и программного обеспечения. Заявленные в автомобилестроении и энергетическом турбинном секторе программы локализации иностранной продукции не были доведены до выпуска собственной продукции на отечественных предприятиях (в отличие, например, от Ирана и Китая). Принятая в 2008 г. концепция созданной Объединенной Авиастроительной Корпорации (ОАК) ставила цель к 2025 г. обеспечить долю российских гражданских самолётов в 12…15% мирового рынка, с ежегодным производством 250…300 машин. На практике среднегодовые показатели ОАК в 2020—2021 гг. упали от заявленных в два десятка раз из-за невыполнения взятых обязательств. При этом были инвестированы огромные средства в разработку и производство самолетов SSJ, контроль за поставкой комплектующих к которым находился в руках прямых конкурентов. После новых санкций со стороны зарубежных поставщиков в РФ с 2022 г. стали срочно развертывать и наращивать выпуск собственных моделей самолетов, комплектующих, автомобильных изделий, обрабатывающих станков без иностранных компонентов недружественных стран.
Сокращение доступности ресурсов резко повысило цену ошибочных управленческих решений, которые в сложившихся условиях могут привести к утрате компетенций по разработке и серийному выпуску конкурентоспособной гражданской и военной продукции.
Руководством государства поставлена и активно поддерживается задача возвращения частично утраченных со времен СССР позиций технологического суверенитета в ряде отраслей промышленности, сельского хозяйства, здравоохранения, оборонных технологий, и др. В рамках реализации перечня поручений Президента Российской Федерации утверждена «Концепция технологического развития на период до 2030 года» (распоряжение правительства РФ от 20.05.2023 г. №1315-р).
В документе введен термин «высокотехнологичная продукция», куда включены товары, относящиеся к следующим продуктовым группам в соответствии со Стандартной международной торговой классификацией ООН: вооружение, измерительные инструменты, научные и оптические приборы, компьютерная и офисная техника, космические и иные летательные аппараты, включая беспилотные, неэлектрические машины и оборудование, лекарственные препараты и медицинские инструменты, химические продукты и материалы, электрические машины, электроника и телекоммуникационное оборудование. Также сформулировано понятие «проекты технологического суверенитета», куда входят проекты полного инновационного цикла по производству высокотехнологичной продукции на основе собственных линий разработки с использованием критических и сквозных технологий, охватывающие все стадии инновационного цикла и включающие, в том числе, кадровые и регуляторные аспекты.
Перечислены некоторые угрозы текущего момента. Первой из них названа недостаточная способность национальной экономики адаптироваться к глобальным трендам, имеющим системный характер:
• резкое ускорение процесса создания и распространения качественно новых технологий, в том числе цифровых, радикально меняющих рынки и производственные системы;
• усложнение технологий, особенно в области микроэлектроники, вычислений, новых материалов, системотехники, требующее развития соответствующих компетенций и глубокой кооперации исследований;
• системные нарушения баланса спроса и предложения на ряде глобальных товарных рынков, включая рынки энергоносителей, металлов, удобрений, продовольствия;
• формирование в наиболее развитых странах новых стандартов уровня и качества жизни, в том числе в сфере здравоохранения, образования, жилья и безопасности.
Отмечено, что Российская Федерация находится в первой десятке стран по патентной и публикационной активности в области технологий генерации и передачи энергии, квантовых технологий и новых материалов. В середине второго десятка в области цифровых технологий и искусственного интеллекта, новых производственных технологий, перспективных мобильных сетей связи, интернета вещей, а также медико-биологических и фармацевтических технологий.
Второй угрозой названо отставание от наиболее развитых стран в темпах инновационно ориентированного экономического роста, что обусловлено низкой мотивацией разработчиков технологических решений к созданию соответствующих производств в силу недостатка финансовых ресурсов и относительно небольшой емкости внутреннего рынка высокотехнологичной продукции. Компании и корпорации не мотивированы к исследованиям и технологическим инновациям, прежде всего в силу низкой конкуренции и возможности покупки готовых технологических решений за рубежом (до применения санкций).
Необходимо радикально менять условия деятельности бизнеса в сфере технологических инноваций с целью повысить мотивацию компаний и корпораций и обеспечить их требуемыми ресурсами для разработки и внедрения технологий как основного фактора роста прибыли и капитализации компаний и корпораций.
Также угрозой является разрыв производственных цепочек под воздействием санкционных ограничений в области технологий. Производство и потребление ряда жизненно необходимых товаров обеспечиваются в значительной степени импортируемой техникой и программным обеспечением, которые в Российской Федерации не производятся. Если же эта техника производится на территории страны, то по зарубежным технологиям (конструкторской и технологической документации), с критической долей импортируемых комплектующих и материалов, на импортируемом производственном оборудовании (включая компьютерные средства проектирования и обеспечения технологических процессов).
В документе отмечено, что Российская Федерация обладает значительным кадровым потенциалом и существенными научно-техническими заделами по важнейшим направлениям развития технологий, что определяет следующие ключевые возможности для ускорения технологического развития РФ:
• локализация производств в высокотехнологичных отраслях в условиях сокращения импорта и ухода иностранных компаний;
• использование и внедрение в отраслях экономики научных результатов благодаря имеющимся научно-технологическим заделам по ряду сквозных технологий и созданию опытных образцов, опытных и экспериментальных производств, масштабированию производства и выходу в серийное (массовое) производство;
• привлечение к масштабным задачам технологического развития профессиональных инженерно-технических кадров. В РФ имеются исторически сильные инженерные и естественно-научные школы, и высокий уровень базового физико-математического образования, что позволяет удерживать высокие позиции в сфере создания и развития программного обеспечения, в области физики и математики.
Согласно документу приоритетом технологической политики становится достижение технологического суверенитета: наличие в стране под национальным контролем критических и сквозных технологий собственных разработок. Объективно требуется формирование системы технологических приоритетов и их последовательной «сквозной» реализации на всех стадиях научно-технологического жизненного цикла.
Требование достижения технологического суверенитета предполагает формирование взаимовыгодного партнерства с дружественными странами в научной и технологической сферах, исходя из собственных технологических приоритетов.
Среди главных принципов реализации политики отмечены:
• принцип целостности инновационного цикла, предусматривающий в рамках экосистемы технологического развития предоставление и обеспечение «бесшовности» мер поддержки на всех стадиях создания и внедрения технологий от научных исследований и разработок до внедрения в реальный сектор экономики;
• принцип экономической целесообразности технологических разработок, предусматривающей сочетание экономичности (минимизации затрат времени и иных ресурсов на выполнение технологических разработок), продуктивности (экономической эффективности технологических разработок) и результативности (степени достижения конечных целей деятельности).
Поставлена задача достижения к 2030 году трех ключевых целей:
1. Обеспечение национального контроля над воспроизводством критических и сквозных технологий.
2. Переход к инновационно-ориентированному экономическому росту, усиление роли технологий как фактора развития экономики и социальной сферы.
3. Технологическое обеспечение устойчивого функционирования и развития производственных систем.
При этом количественными ориентирами являются рост несырьевого неэнергетического экспорта (в сопоставимых ценах) в 1,5 раза, и увеличение доли высокотехнологичной промышленной продукции, произведенной на территории Российской Федерации, в общем объеме потребления такой продукции, до 75 процентов. Необходимо выстроить инфраструктуру трансфера технологий, обеспечивающую внедрение технологий в реальные производственные силы.
Указана необходимость реализации крупнейших проектов (мега-проектов) по производству линеек нового сложного оборудования, мобильной техники и лекарственных средств в ряде отраслей: авиа- и судостроение, электронная и радиоэлектронная промышленность, двигателестроение, железнодорожное и транспортное машиностроение, станкостроение, тяжелое машиностроение, фармацевтическая и медицинская промышленность, и др.
В качестве первоочередных мега-проектов названы производство линейки гражданской авиатехники, включая беспилотные авиационные системы, разработку и производство средне- и высокооборотных дизельных двигателей, станков и робототехники, оборудования для производства сжиженного природного газа, турбин, микроэлектроники, малотоннажной химии и фармацевтических субстанций.
Импортозамещение путем развертывания собственных производств конечных продуктов, комплектующих изделий и сырья по тем видам, которые попали под санкционные ограничения, широкой номенклатуры продукции и комплектующих изделий будет обеспечено за счет ряда мероприятий, в том числе:
• формирования и утверждения перечня продукции, комплектующих изделий и сырья, требующих локализации с учетом требований унификации и стандартизации;
• развертывания необходимых научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, в том числе в рамках обратного инжиниринга;
• предоставления льготных займов на развитие производств в соответствии с перечнем локализуемой продукции.
Комплексный подход к организации полного инновационного цикла будет осуществляться путем развертывания и поддержки приоритетных проектов технологического суверенитета в ключевых отраслях экономики, включая:
• охват всего цикла исследований и разработок, выпуск опытных образцов и создание серийного производства с использованием критических и сквозных технологий; создание сервисов для использования (эксплуатации) продукции на всем ее жизненном цикле;
• кадровое обеспечение разработки, производства и эксплуатации продукции в части научно-исследовательских, инженерных и рабочих профессий, с использованием лучших мировых практик при подготовке кадров.
В приложении к документу приведен предварительный перечень приоритетных сквозных технологий (технологических направлений), которым следует руководствоваться при выборе направлений НИОКР.
1. Технологии обработки и передачи данных.
• Искусственный интеллект, включая технологии машинного обучения и когнитивные технологии.
• Технологии хранения и анализа больших данных.
• Технологии распределенных реестров.
• Нейротехнологии, технологии виртуальной и дополненной реальностей.
• Квантовые вычисления.
• Квантовые коммуникации.
• Новое индустриальное и общесистемное программное обеспечение.
• Геоданные и геоинформационные технологии.
• Технологии доверенного взаимодействия.
• Современные и перспективные сети мобильной связи.
2. Технологии в сфере энергетики.
• Технологии транспортировки электроэнергии и распределенных интеллектуальных энергосистем.
• Системы накопления энергии.
• Развитие водородной энергетики.
3.Новые производственные технологии.
• Технологии компонентов робототехники и мехатроники.
• Технологии сенсорики.
• Микроэлектроника и фотоника.
• Технологии новых материалов и веществ, их моделирования и разработки.
4.Биотехнологии и технологии живых систем.
• Технологии управления свойствами биологических объектов.
• Молекулярная инженерия в науках о жизни.
• Бионическая инженерия в медицине.
• Ускоренное развитие генетических технологий.
5.Технологии снижения антропогенного воздействия.
6.Перспективные космические системы и сервисы.
Высокотехнологичные отрасли являются генератором развития сопредельных направлений машиностроения. Например, работа предприятий авиационной промышленности создаёт дополнительный спрос объёмом до 9% ВВП России. Помимо сотен тысяч человек, непосредственно занятых в авиапромышленности, она косвенно обеспечивает до 3 миллионов рабочих мест в металлургии, электронной промышленности, химии композитов и новых материалов, приборостроении, и т. п.
Среди слабых сторон российских инновационных НИОКР можно отметить:
• утрату стратегических идей из-за минимизации поисковых НИР, нехватки проектов для выявления и продвижения талантливых конструкторов, инженеров и управленцев;
• архаичные подходы к разработкам, препятствующие выполнению проектов вовремя и в рамках бюджета, применению современных технологий обучения персонала;
• старение кадров и угрозу утраты инженерных школ, в том числе с опытом современной реализации высокотехнологичных инженерных проектов, с обеспечением послепродажного обслуживания требуемого уровня;
• слабые позиции в сегментах гражданской продукции мирового рынка;
• неудачную реформу технического регулирования, что привело к выводу из обязательного оборота множества национальных стандартов;
• медленно продвигающееся импортозамещение базовых компонентов инновационной продукции (подшипники, электронная компонентная база, станкостроение, полимерные и металлокерамические материалы);
• монополию на высокотехнологичных продуктах комплектаторов 2…4 уровня, что рушит рентабельность инновационных проектов;
• устаревшую ценовую политику гособоронзаказа, неполное возмещение необходимых затрат при закупке изделий и систем, что влечет за собой привлечение значительной доли банковских кредитов при исполнении ОКР, отсутствие прибыльности поставок, требуемого качества перспективных видов продукции, демотивацию исполнителей.
Все это подрывает конкурентоспособность российских отраслей на мировом и национальном рынке, способствует развитию кризисных явлений в экономике, повышению стоимости кредита, снижению занятости населения, особенно молодежи и сотрудников предпенсионного возраста.
Напомним, что, например, стоимость продукции, произведённой за один час специалистами авиастроения, оценивается на мировом рынке на уровне в $250, тогда как в производстве технически сложных товаров широкого потребления не превышает $3…5. Современная стоимость 1 кг гражданского самолёта составляет примерно 2000 $/кг, а 1 кг автомобиля представительского класса в 15…20 раз меньше. Высокие технологии обеспечивают существенную добавленную стоимость в валовом национальном продукте, что делает их стратегически важным продуктом для выхода страны из бремени «сырьевой» экономики.
Чтобы достичь успеха инженерного проекта, необходимо соблюдать четыре ограничения:
1. В отведенное время.
2. В рамках запланированной стоимости.
3. При надлежащих возможностях и уровне производительности.
4. При этом риски находятся под контролем.
Дополнительно следует обеспечить, чтобы продукт был быстро выпущен на рынок, оказался удобен и понравился пользователям. Все работы должны выполняться при соблюдении применимых законов, нормативных актов и политики конкретной компании. Сегодня создатель инновационного продукта часто должен одновременно с проектированием новых свойств и функций технического комплекса проектировать и новую технологию его промышленного производства.
Реализация инновационных ОКР одновременно решает еще один важнейший на сегодня вопрос для молодого поколения: с каких примеров делать жизнь? Ускорение темпов создания новой высокотехнологичной продукции требует подготовки и пополнения предприятий современными профессиональными кадрами. При этом ВУЗы не очень поддерживают обучение персонала, который начнет давать отдачу через 5…8 лет, потому что предприятия не очень хотят платить авансы, так как не уверены в качестве подготовки. Поэтому наиболее реалистичным путем для молодого специалиста является обучение системному подходу в процессе реальной работы над инновационными проектами, рядом с профессионалами, овладевая опытом решения технических проблем, вооружаясь ИТ-инструментами, результатами прошлых уроков, используя систему управления знаниями. Системная инженерия помогла состояться миллионам специалистов во всем мире, в том числе и в нашей стране, где по-прежнему ценятся умельцы космоса, атомщики, авиаторы, создатели сельскохозяйственной техники, электроники, химических процессов, ИТ-специалисты и многие другие.
Провалы программ НИОКР говорят об управленческой несостоятельности назначенных менеджеров, неверном выборе рынка или продукта, ошибках в расчётах сроков разработки или окупаемости изделий, подборе и контроле партнёров или инвесторов и т. п.
Настоящая книга включает изложение всей цепочки вопросов эффективной реализации инноваций, практического решения задач, поставленных правительством РФ и жизнью.
1.2 Определение системного подхода
Инновации определяют как «итеративный процесс, инициированный восприятием нового рынка или новой возможности обслуживания для технологического вмешательства, которое приводит к задачам разработки, производства и маркетинга, для обеспечения коммерческого успеха продукта». Отсюда следует, что инновация должна появиться, и быть успешно внедрена и принята на рынке. Циклы инноваций повторяются, и их улучшенные версии могут постоянно выводиться на рынок.
Если сложность системы требует новых методологий, приходится вводить новшества в работе. По опыту, способность к инновациям не требует усилий для одних, но трудна для других. Она может быть поддержана извне и легче задействована, если есть среда, которая способствует инновациям внутри команды. Поддержка инноваций позволяет предлагать и внедрять альтернативные решения, приемы нестандартного мышления и экспериментирование. Она позволяет избежать разочарования со стороны недоброжелателей, отвергающих предложения просто потому, что они новы или не опробованы.
Инновации сегодня имеют ключевое значение для организаций, которым приходится выживать, адаптироваться к быстро меняющимся обстоятельствам, и возглавлять более широкие экономические и социальные изменения. Без инноваций компании подвергаются большому риску исчезновения в краткосрочной или среднесрочной перспективе. В то же время реализация инноваций затруднена из-за высокой степени неопределенности. Грамотное управление инновациями увеличивает шансы на успех. Излагаемая в книге методология системного подхода может быть эффективно применена к различным областям.
Наши соотечественники оставили миру большое количество изобретений и открытий. В России и СССР были впервые в мире созданы угольный комбайн, гусеничный трактор, аппарат искусственного кровообращения, зерноуборочный комбайн, миномет, автомат, голография, телевизор, оптический прицел и артиллерийский дальномер, искусственный спутник Земли, бензиновый двигатель, атомная электростанция, искусственный каучук, лампа накаливания, порошковая металлургия, электрический трамвай, видеомагнитофон, радио, квантовый генератор, вертолет, фотоэлемент, сверхзвуковой пассажирский самолет, крекинг нефти, трансформатор, и многие другие новинки техники и науки.
Достижения человечества в области технологических инноваций предоставили фантастические возможности для построения инфраструктуры будущего. Напомним перечень великих инженерных достижений XX века:
1. Электрификация.
2. Автомобили.
3. Самолеты.
4. Водоснабжение и водораспределение.
5. Электроника.
6. Радио и телевидение.
7. Механизация сельского хозяйства.
8. Компьютеры.
9. Телефоны.
10. Кондиционирование воздуха и охлаждение (холодильные технологии).
11. Автомобильные дороги.
12. Космические корабли.
13. Интернет.
14. Изображения разных видов.
15. Бытовая техника.
16. Оздоровительные технологии.
17. Нефтехимические технологии.
18. Лазерная и оптоволоконная оптика.
19. Ядерные технологии.
20. Высокоэффективные материалы.
Поиск новых способов жить в условиях ограниченности ресурсов планеты, создание приемлемого будущего для энергетических и экологических потребностей общества требует изменений в транспорте, производстве, сельском хозяйстве и организации инфраструктуры обитания.
Здравоохранение объединяет множество заинтересованных сторон, систем и областей, куда вовлечены пациенты, врачи, медсестры и инженеры. Сфера здравоохранения имеет сложную инфраструктуру, включающую современные технологии доступа к врачам, диагностики и лечения, страхование, организацию больниц, человеческий фактор, социальные услуги и медицинское обслуживание на дому. Из-за их взаимовлияния при разработке решений для удовлетворения потребностей заинтересованных сторон необходимо учитывать комплексную перспективу.
Транспорт выставляет уникальные потребности, для обеспечения которых требуются новые инфраструктуры и системы, предоставление возможностей для интеграции с существующими системами. Необходимо удовлетворить потребности самых перегруженных городов и отдаленных сельских районов. По мере изменения способов транспортировки необходимо будет комплексно мыслить, проявлять творческий подход и приспосабливаться к изменениям. При развитии городской транспортной сети нужно синхронизировать потребности с доступной инфраструктурой и окружающей средой, с учетом возможного использования существующего природного ландшафта. В целях обеспечения безопасности гражданского населения необходимо будет улучшать отказоустойчивость и адаптацию деградации системы в ответ на природные и техногенные катастрофы для разработки надежной системы. При этом должен учитываться круг пользователей, услуг и условий эксплуатации.
Окружающая среда и критическая инфраструктура служат обществу в таких отраслях как энергетика, водоснабжение, связь, финансы и транспорт. Решение проблем в крупном масштабе (большой город или область) будет сложной задачей при моделировании, анализе и тестировании на городском уровне, уровне предприятия и отдельной системы. Включение взаимозависимостей между различными секторами может помочь системному мышлению в обнаружении будущих необходимых возможностей.
Роли Интернета вещей и кибербезопасности растут с развитием цифровизации процессов и услуг. Увеличение количества подключенных устройств в обществе может помочь улучшить качество жизни всех граждан. Однако улучшения в области безопасности должны идти в ногу с противодействием угрозам, чтобы гарантировать, что данные не будут повреждены и сохранена исходная информация. Системы, принимающие решения, должны учитывать системную, физическую, экономическую и социальную безопасность при разработке продуктов и услуг. Для большого количества взаимозависимых систем, соединенных вместе, которым требуются каналы питания и связи, необходимо решать проблемы с определением меняющихся требований, архитектуры и дизайна в крупных масштабах при ускорении времени развертывания в эксплуатацию.
Автономные интеллектуальные системы, к которым относятся беспилотные транспортные средства, робототехника, беспилотные летательные аппараты, заводские разработки и сборка, доставка лекарств человеком и системы интернет-торговли финансами, нуждаются в методических данных для решения сложных социальных и этических проблем, возникающих во время их разработки и эксплуатации. Этим системам необходимо реагировать на неожиданные, недетерминированные изменения в среде эксплуатации. Системный подход поможет безопасной реализации таких систем, меняющих окружающий мир.
Сегодня развивается внедрение «умных» производств, для соответствия растущим и меняющимся требованиям пользователей. Производственные организации и системы должны адаптироваться к идущим изменениям в скорости и масштабе для удовлетворения спроса. Новые продукты должны будут взаимодействовать с существующими системами, быть совместимыми, учитывать интерфейсы и обмен данными. «Умный цех» хранит, структурирует и анализирует большие объемы производственных данных, контролирует обеспеченность заказа перед запуском и сроки его исполнения. Система регистрирует оператора станка, выдает сменное задание, фиксирует состояние и загрузку оборудования, отображает текущее и расчетное время изготовления деталей или сборки узлов, наличие материалов и качество продукции. Комплекс позволяет анализировать причины простоя, фиксировать отклонения от расчетных технологических режимов и своевременно оповещать об этом ответственные службы производства. Кроме того, система помогает поддерживать исправное техническое состояние оборудования, следить за эффективностью работы персонала. Удается исключить человеческий фактор при получении и обработке информации от производственного ресурса (станок, материалы, персонал, качество). При этом на всех уровнях управления используются объективные данные, без человеческого фильтра в реальном масштабе времени.
Ностальгические предложения о возвращении в РФ советских управленческих структур, инженерных школ прошлого все еще находят место в средствах массовой информации, но прогресс диктует свои условия развития. Сегодня инженерная школа, как субъект технологического продвижения, должна подразумевать активно работающий коллектив, делающий реальную инновационную продукцию, исправляющий ошибки, набирающийся современного опыта и достигающий позитивных результатов. Процесс передачи опыта и способов решения проблем из поколения в поколение для становления инженерных школ существенно изменился и ускорился со временем. Интернет, системы управления знаниями, искусственный интеллект, цифровизация качественно изменили и продолжают трансформировать традиционные подходы к реализации высоких технологий. Растут скорости передачи информации, усвоения и передачи знаний, разработки новых продуктов, систем и услуг.
Сегодня в РФ набирает силу возвращение ведущей роли созидающих промышленных отраслей и специальностей, хотя недавно оставалось мало желающих терпеливо осваивать секреты творческой профессии участников создания инноваций. Разработка и внедрение на рынок высокотехнологичных изделий является коллективным интеллектуальным творчеством. Но нужно знать и понимать, что создание новой продукции включает только 5% творчества, на 95% это четко организованный труд команды «ремесленников» различной квалификации. Эти задачи подвластны каждому желающему. Конечно, будущие творческие успехи и высокие заработки даются непросто, ежедневным напряжением сил и упорным решением рутинных проблем, которые везде и всегда появляются в неожиданном количестве.
Инженеры и менеджеры высокотехнологичных отраслей занимаются разработкой продуктов, изделий или систем. Они строят инфраструктуру окружающего нас мира. Не существует волшебного решения или процесса для создания любого сложного продукта. Даже создание такого простого изделия, как отвертка, из двух компонентов (стального хвостовика и пластиковой ручки), потребует рассмотрения многих вопросов по определению формы и размеров, характеристик поверхности, материалов для ручки и хвостовика, производственных процессов, и др. Сложность заметно растет для многофункциональных продуктов, таких как компьютеры, автомобили, самолеты, производственная нефтеперерабатывающая линия, где на производственных и сборочных предприятиях используется множество различных материалов, производственных процессов, сотни рабочих мест, инструменты, машины и люди.
Для реализации инноваций предприятие должно разработать стратегию. Стратегия определяет, чего фирма хочет достичь и как она хочет это сделать. Этим документом фирма отличается от своих конкурентов и планирует создать конкурентные преимущества в будущем. Бизнес-модель определяет реализацию стратегии. Например, продажа продуктов через Интернет или аутсорсинг производства относятся к выбору бизнес-модели поведения компании. То есть, бизнес-модель и стратегия различны, но находятся в тесном взаимодействии.
В стратегии нужно указать критерии, которые будут использоваться для отбора инновационных идей. Важными критериями являются новизна и осуществимость. Фактически, они немного противоречивы, так как более новые и оригинальные идеи, как правило, будут менее осуществимыми. Поэтому удобно рассматривать осуществимость как граничное условие, которое не должно быть ниже определенного уровня. И еще одним важным критерием является ожидаемая ценность продукта, поскольку компаниям больше нравятся инновации, приносящие высокие доходы. При этом масштаб идеи должен быть в пределах досягаемости ресурсов и возможностей компании.
Различают ряд категорий инноваций:
• базовые инновации, то есть новые продукты для рынков;
• новые продукты начинающих предприятий для рынка, который уже обслуживается существующими продуктами;
• новые продукты для текущего рынка, предлагаемые существующим клиентам;
• расширение или улучшение существующих линеек продуктов;
• высокая заметность изменения стиля существующих продуктов.
Как правило, инноваторы часто создают неопределенность в начале проекта, но обычно стараются уменьшить ее как можно скорее. На этапе реализации фокус приходится на соблюдение сроков, управление проектами, рекламу и практический стиль управления, ориентированный на исполнение. Постепенные инновации означают, что фирма вносит небольшие изменения в существующие продукты, услуги или бизнес-модели. Радикальные инновации означают, что фирма выходит на совершенно новые рынки, применяет новые компетенции и более радикально отходит от существующих продуктов, услуг и бизнес-моделей. Уровень неопределенности относительно низок в первом случае и относительно высок при радикальных инновациях.
Технологические инновации могут являться новыми, при этом выполнять ту же функцию, что и существующие продукты. Например, цифровые часы были технологической инновацией по сравнению с традиционными аналоговыми часами, они выполняли ту же функцию для тех же клиентов, но применяли другую технологию. Первый iPhone был радикальной инновацией, в частности, за счет объединения технологий, ранее не использовавшихся вместе, и создал новый рынок, поскольку клиенты приобретали продукт с совершенно новыми функциями. Архитектурные инновации радикально меняют интерфейсы. Например, лежачий велосипед является архитектурной инновацией по сравнению с традиционным, поскольку в нем используются те же компоненты, но они устроены по другому. Модульные инновации меняют компонент, не меняя при этом большинство интерфейсов. Например, вегетарианский бургер является модульной инновацией по сравнению с гамбургером, где мясо заменяется, а все остальное (хлеб, обслуживание) остается прежним.
Инновации в сфере услуг фундаментально отличаются от инноваций в продуктах. Основные факторы отличий услуг от продуктов:
• неосязаемость;
• неотделимость услуги от поставщика;
• неоднородность;
• скоропортящиеся (ограничения во времени);
• права собственности.
Приведем пример услуг, предоставляемых телекоммуникационными компаниями. Новый телефон является продуктом, а доступ к телекоммуникационным услугам посредством SMS и данных осуществляется через определенный тарифный пакет, который является нематериальной услугой. Услуга также неотделима от компании, поскольку потребитель должен стать подписчиком конкретного оператора мобильной сети, прежде чем он сможет пользоваться услугами. Качество услуги может различаться для разных типов мобильного телефона и пользовательского интерфейса. Услуги по своей природе являются скоропортящимися, производятся и потребляются одновременно. Право собственности на услугу не передается клиенту.
Услуги более уязвимы от конкуренции, чем товары. Их можно относительно легко скопировать, поскольку стоимость разработки услуг считается низкой, а содержание не защищено патентом. Радикально новый инновационный продукт копируется медленно. Технологическими барьерами, препятствующими быстрому копированию продуктов, могут стать новые операционные системы, потребность в значительных инвестициях, внедрение сложных продуктов, требующих специальных технологий ограниченного доступа.
Рассматривается ряд инновационных тем для реализации в XXI веке. Например:
• Гибридные солнечные элементы с повышенной эффективностью.
• Управление циклом использования азота, умные удобрения.
• Обеспечение доступа к чистой воде, опреснение, рекуперация воды, интеллектуальное орошение.
• Улучшение городской инфраструктуры, транспортных систем.
• Усовершенствованная информационная система здравоохранения, удаленный мониторинг пациентов, электронные медицинские карты.
• Разработка более эффективных лекарств, системы быстрой диагностики.
• Искусственный интеллект.
• Организация самовосстанавливающихся компьютерных систем, устойчивых к кибератакам.
• Обучающие образовательные системы открытого типа.
При этом следует понимать, что лидерство страны в области науки, техники и экономики не зависит от того, насколько интенсивно её граждане играют в компьютерные игры, заказывают еду по интернету или делают покупки онлайн.
Системным подходом называют комплексную методологию решения проблем разработки и управления системами. Он фокусирует внимание на общей картине и конечной цели, восприятии свойств системы в целом, а не ее отдельных частей. Системный подход поддерживает понимание того, что поведение любого элемента системы может влиять на другие элементы, и ни один элемент не может эффективно функционировать без помощи других.
Системный подход к решению сложной задачи рассматривает её как систему, в которой выделены компоненты, внутренние и внешние связи, наиболее существенным образом влияющие на исследуемые результаты функционирования, а цели каждого из компонентов определены, исходя из общего предназначения объекта. Реализация системного подхода осуществляется путём выполнения определённых действий при проведении исследований, однако в каждом действии этот подход должен присутствовать для представления всех внешних и внутренних факторов в виде единого интегрированного целого.
Системный подход определяет элементы системы. Это включает определение подсистем, компонентов и частей создаваемой конечной аппаратной или программной системы, а также рабочих задач, ресурсов, организации и процедур проекта. Проектирование новой системы требует знания не только ее элементов, но и понимания того, как они взаимодействуют. Модели системы используют, чтобы понять, как взаимодействуют элементы, и как изменение элементов и их отношений влияет на поведение и результаты системы.
Наконец, системный подход уделяет важное внимание управлению системой, той функции, которая учитывает все другие аспекты системы (цели, окружающую среду и ограничения, ресурсы и элементы) при планировании и контроле.
Комплексный взгляд на ситуацию позволяет результативно учесть следующие факторы:
1. Цели и критерии эффективности системы в целом.
2. Окружающая среда и ограничения системы.
3. Ресурсы системы.
4. Элементы системы, их функции, свойства и показатели эффективности.
5. Взаимодействие между элементами системы.
6. Управление системой.
В системном подходе часто используют два технических приема. Декомпозицией называют иерархическое деление сложной задачи на ряд частных подзадач, объединённых общей целью, для облегчения совместной обработки всей информации с требуемой степенью точности решения задачи. Разделение проектирования и производства системы на функции и подфункции гарантирует, что система будет спроектирована и построена для удовлетворения ее целей и требований. Разделение проекта на небольшие рабочие элементы или задачи лучше гарантирует, что проект будет спланирован и управляться для достижения целей проекта.
Итеративный подход к решению дает возможность избегать ошибок и добиваться требуемой точности решения задачи. То есть при решении задачи используют несколько итераций, или многократный повтор с внесением новой информации, полученной на предыдущих циклах.
Системное мышление выросло из системного подхода, согласно которому системы рассматривают как открытые; чтобы увидеть, как они действуют в едином целом в своей среде и контексте (содержимом).
Выделяют две части системного мышления:
• Системное мышление, которое означает думать о системе в целом, чтобы понимать ее. Система, которая должна быть понята, объясняется с точки зрения ее роли или функции в содержащей системе. Большая картина включает содержание для системы, окружающей среды и предположений. Оперативность отражает, что делает система, как описано в сценариях.
• Систематическое мышление дополняет предыдущее методичным, шаг за шагом, обдумыванием задач. Например, понимание проблемной ситуации, определение причины нежелательности ситуации, предложение вероятного решения проблем, связанных с устранением такой ситуации.
С функциональной точки зрения системное мышление, и умственные способности индивида вообще, можно декомпозировать на четырех уровнях:
1. Восприятие: способность наблюдать и использовать внимание.
2. Сохранение: способность запоминать и вспоминать.
3. Рассуждение: умение анализировать, визуализировать, сравнивать и решать.
4. Креативность (творчество): способность предвидеть и генерировать идеи.
Ключевые точки системного мышления включают:
• осознание зависимостей инженерного проекта, то есть ограничений дизайна и то, как продукт будет использоваться;
• непрерывное взаимодействие с заинтересованными сторонами для сопоставления входных данных и последствий принятия решений проекта;
• учет неопределенности, ее последствий, использование информации, когда возникают проблемы, оценку сопутствующих рисков на уровне технологии, уровне интеграции и системном уровне;
• управление процессами и людьми, и взаимодействием между ними, чтобы сбалансировать обратную связь, рассматривая систему в ее широком окружении и среде эксплуатации;
• использование итераций и обратной связи, циклический подход с суммарными результатами;
• инженерную культуру как нормы поведения команды «я могу это сделать», приоритет доверия к участникам команды, и эффективные каналы связи с возможностью признания лучшего решения;
• документирование управления знаниями, результатов верификации и валидации;
• устойчивость к неудачам, адаптацию фактов и размышления о причинах неудачи, вместо того, чтобы тратить время на поиск виноватых.
В системе есть много мест, где можно вмешаться, используя системное мышление при исправлении ситуации. Вмешательства более низкого уровня могут быть привлекательными, однако не обязательно приводят к изменениям в структуре системы, то есть не меняют ее характер поведения с течением времени. Вмешательство на самых высоких уровнях системы является более трудным, поскольку для этого требуются более высокие уровни сложности и сопутствующие способности. Такой путь с большей вероятностью приведет к системным изменениям с течением времени.
Для решения сложных проблем на уровне организации и высоких систем крайне важно, чтобы команды могли учиться вместе. Именно команды, а не отдельные люди, являются фундаментальной единицей обучения организационных систем. Чтобы успешно ориентироваться в сложных условиях, людям необходимо иметь возможность отказаться от своих привычных моделей отстаивания того, во что они верят, и поиска единственного правильного ответа в пользу коллективного исследования и совместного мышления. Хотя обучение на системном уровне может оказаться трудным, оно жизненно важно для процесса воздействия на устойчивые изменения.
Продукт можно определить как аппаратное обеспечение, программное обеспечение, или их интегрированную комбинацию, которые люди используют для выполнения одной или нескольких функций. Выполняя свои функции, изделие расширяет возможности людей по выполнению определенных задач. Например, швейная игла помогает сшивать и шить одежду. Гаечный ключ позволяет затянуть гайку. Холодильник позволяет хранить продукты для продления срока их хранения и замораживать продукты. Автомобиль позволяет путешествие на дальние расстояния. Таким образом, любой продукт должен удовлетворять потребности своих клиентов, клиенты должны любить его и получать удовольствие от его использования.
Для удобства разработки сложных изделий их можно разложить на компоненты по функциям. Молоток представляет простое изделие, которое состоит из двух компонентов: головки молотка и рукоятки. Более сложный продукт, бытовой холодильник, состоит из десятков модулей: корпус (с отделениями, дверцами и уплотнениями, ручками, изоляцией и колесами); система охлаждения (хладагент, компрессор, трубки, теплообменник); электрическая система (проводка, электродвигатель, лампочки и выключатели); и система управления (термостат, датчики температуры и исполнительные механизмы). Легковой автомобиль обычно состоит из примерно 10 тысяч компонентов и содержит множество систем, таких как система кузова, система трансмиссии, система шасси, электрическая система, топливная система, система климат-контроля, система освещения, и т. д. Вертолет может насчитывать до 70 тысяч деталей.
Программный продукт содержит набор строк кода (инструкции для компьютера). Сложные программные продукты также можно разделить на различные модули, подпрограммы для выполнения определенных функций и вычислительных задач, а также для управления их разработкой, отладкой и работой. ПО может храниться во внутренней памяти компьютера или в жестком изделии, типа карты флэш-памяти. Существуют и другие виды востребованной продукции, такие как продукты питания, химикаты, энергоносители, сопутствующие товары (например, бензин, электрогенераторы) и сложные произведения искусства (например, предметы декора зданий и помещений).
Клиентами называют людей, которые покупают и используют продукты. Каждый участник цепочки производства, получающий компонент от поставщика, может считаться покупателем. Затем система поставляется следующему покупателю, который собирает ее в свой продукт и продает конечному пользователю. В некоторых случаях покупатель может отличаться от фактического пользователя продукта. Например, грузовой автомобиль приобретается владельцем автопарка, который, в свою очередь, предоставляет грузовик для вождения сотруднику, как конечному пользователю. Лица, которые работают с продуктом для ремонта или обслуживания, также являются клиентами. Следовательно, продукт может включать множество поставщиков и клиентов, и при разработке продукта необходимо учитывать потребности всех клиентов. Основная цель разработчиков продукта должна состоять в том, чтобы тщательно определить своих клиентов и заинтересованные стороны, чтобы обеспечить удовлетворение их требований и проблем.
Процессом называют последовательность событий выполнения работ. Он обычно состоит из серии шагов или операций, которые выполняются с деталью (или заготовкой) или продуктом (или оборудованием) одним или несколькими операторами, такими как оператор-человек, робот, компьютер или оборудование. Операторы также могут использовать один или несколько инструментов (например, ручной инструмент, электроинструмент или программное приложение) при выполнении любой из задач.
Например, процессы разработки автомобильного продукта и последующей поддержки в эксплуатации включают следующие этапы:
1. Определение потребностей клиентов.
2. Планирование продукта, определение характеристик автомобиля и подготовка бизнес-плана.
3. Дизайн, создание концепции продукта.
4. Исследование рынка.
5. Выбор поставщиков и их интеграция в команды разработчиков продукта.
6. Доработка дизайна и подготовка плана верификации (проверки) продукта.
7. Проектирование автомобиля.
8. Детальный инжиниринг и тестирование.
9. Производственные (изготовительно-сборочные) процессы и проектирование технологической оснастки.
10. Создание прототипов для проверки.
11. Адаптация сборочного производства.
12. Проведение верификационных тестов на производственных прототипах.
13. Серийное производство и сборка автомобилей для продажи.
14. Испытания продукции для проверки качества.
15. Обучение дилеров и продажа автомобилей в автосалоны.
16. Маркетинговые акции, выпуск брошюр о продуктах, реклама и обучение дилеров.
17. Продажи клиентам.
18. Обслуживание, ремонт, гарантийные расходы и опросы клиентов.
19. Планирование обновлений модели или вывода продукта из эксплуатации.
Очень важно для выполнения работы спроектировать каждый процесс таким образом, чтобы он был эффективным для достижения наилучшей возможной производительности.
Разработка продукта (его конфигурация, размеры, компоненты, материалы, обработка поверхности, метод сборки, и т.д.) определяет процесс его производства. Затраты на производственное оборудование и инфраструктуру, как правило, намного превышают затраты на разработку продукта. Поэтому очень важно спроектировать продукт так, чтобы его можно было легко изготовить и собрать с наименьшими затратами и разбросом характеристик, которые влияют на его клиентов.
Одной из важных характеристик сложного продукта массового исполнения является большое количество общих компонентов, подсистем и даже систем с другими подобными продуктами (или семействами продуктов). Этот подход называют стандартизацией и унификацией. Например, шины, сиденья, двигатели, подвески, тормозные системы, электрические системы, источники освещения или даже автомобильные платформы в ряде автомобильных продуктов могут быть общими для многих моделей одного и того же производителя автомобилей и его компаний-партнеров. Аналогично поступают в конструкциях гражданских самолетов, компьютерной техники, и др.
Совместное использование компонентов и систем позволяет снизить затраты во всех категориях (например, проектирование и разработка продукта, производство, эксплуатация, ремонт и техническое обслуживание) в течение жизненного цикла продукта. Стандартизованные компоненты выигрывают от экономии затрат, поскольку они могут использоваться во многих продуктах многими производителями продуктов и во многих отраслях. Снижение затрат достигается за счет увеличения объемов производства общих компонентов и систем, и распределения постоянных затрат на большее количество производственных единиц.
1.3 Рождение замысла инновации
Каждый процесс разработки нового продукта начинается с генерации идеи инновации. Это процесс, в котором творческое мышление используется для создания замыслов различных новых продуктов. Исследования и разработки (далее НИОКР) в высокотехнологичных отраслях могут привести к созданию интеллектуальных прав, оформлению патентов, товарных знаков, или прорывным открытиям с долгосрочными преимуществами для компании.
Существуют различные варианты реализации НИОКР. Например, многопрофильная компания General Electric организовала единый исследовательский центр, где первичные НИР финансируются из прибыли управляющей компании. Далее результаты демонстрируют подразделениям бизнеса по принадлежности, и, в случае достижения соглашения, ОКР финансирует заинтересованный сектор компании. Например, владельцы интернет-магазина Amazon потратили значительные суммы на разработки в сегменте облачных вычислений (https://tyulyagin.ru/texnologii/oblachnye-vychisleniya.html) и своего магазина без кассиров.
Модель, часто применявшаяся в СССР, подразумевала создание и деятельность в компании так называемого перспективного отдела. Он состоял из инженеров, которым поручались прикладные опережающие исследования в технических или промышленных областях по принадлежности бизнес-интересов компании. В отделе проводили собственные разработки и поиски во внешнем мире подходящих идей для создания будущих продуктов или улучшения уже выпускаемых изделий.
Сегодня существуют бизнес-инкубаторы и акселераторы, где корпорации инвестируют в стартапы (https://tyulyagin.ru/biznes/profili-company/startups/startap.html) (начальные этапы реализации инновации), предоставляют финансовую помощь и рекомендации предпринимателям (https://tyulyagin.ru/biznes/osnovi-biz/predprinimatel.html) в надежде, что в результате появятся инновации, которые они смогут использовать в своих интересах. Также возможны слияния и поглощения (https://tyulyagin.ru/investicii/chto-takoe-korporativnye-dejstviya-i-ix-vidy.html#6), или партнерства корпораций с малым и средним бизнесом, чтобы объединить усилия в использовании удачных разработок.
Руководителю проекта или программы необходима позиция по поводу инновационности принимаемых решений. Статистическое исследование, насколько разработчик должен быть изобретателен при создании системы, провел советский инженер Г. Альтшуллер, автор теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Сделан вывод, что большинство концепций и проектов есть модификации предыдущих с относительно малой новизной. Их следует разыскивать первыми. В качестве одного из ярких сегодняшних примеров можно привести появление в 2010 г. на рынке планшетного устройства компании Apple, стремительно завоевавшего умы покупателей в возрасте от 3 до 90 лет. В его конструкции не было использовано ни одного нового компонента. Планшет был собран с учетом правильно определенных требований будущих пользователей из известных на тот момент времени модулей.
Различают фундаментальные и прикладные НИР. Первые направлены на изучение фундаментальных основ явлений и идей. Прикладные исследования включают получение специфических знаний с определенной целью. Результатами могут стать определение и разработка новых продуктов, систем, эксплуатационных процессов, для последующей реализации. Успехи в области инноваций могут привести к повышению производительности продукции компании, что поможет увеличить прибыли на рынке, создавая дополнительное преимущество в опережении конкурентов, предвосхищая потребности или тенденции клиентов. В данной книге рассматриваются только задачи ОКР создания новых продуктов и систем с выходом на рынок.
Процесс генерации идей должен быть непрерывным, иметь конкретную цель, вовлекать всю компанию, включая ее клиентов, использовать различные методы, и не оценивать собранные идеи. На этом этапе нельзя критиковать идеи других, нужно быть свободным от шаблонов и генерировать как можно больше идей. Идеи для новых продуктов часто могут исходить от клиентов компании путем сбора информации об их потребностях и предпочтениях. Для этого следует задавать правильные вопросы, которые могут дать полную картину их предпочтений. Процесс сбора идей нужно дополнить исследованием рынка. Поставщики компании, дилеры, посредники или партнеры также могут быть бесценным источником идей для новых продуктов, поскольку именно они ежедневно сталкиваются с клиентами и могут получать от них информацию о продуктах компании и ее конкурентов.
По принципу отношения к конкурентной продукции инновации могут быть замещающими (предполагают полное вытеснение устаревшего продукта новым и тем самым обеспечение более эффективного выполнения соответствующих функций); либо прорывными (создают средства или продукты, не имеющие сопоставимых аналогов или функциональных предшественников). В части глубины замысла инновационный потенциал можно оценивать как радикальный, либо улучшающий (модифицированные продукты или услуги).
Часто создание оригинальных продуктов основано на появлении новых технологий. Стратегия компании должна определить, какие технологии развивать (определяется их влиянием на конкурентное преимущество продуктов), стремиться ли к технологическому лидерству или учиться у других, и следует ли использовать лицензионные (заимствованные) технологии, разработанные конкурентами. Управление технологическими инновациями включает набор установленных процессов и процедур, ориентированных на жизненный цикл использования товара или услуги для конечного пользователя или покупателя в среде, которая создается в результате разработки продуктов и услуг. Используют существующие требования для улучшения, изменения или иного продления жизненного цикла данных активов или находят альтернативные более дешевые товары и услуги, которые будут реализовать требования с похожей или аналогичной формой, соответствием и функциями. Инновации ориентированы на использование, а не на разработку, и цели поиска должны быть применимы к эксплуатации и техническому обслуживанию, а также продлению срока службы.
Поиск инноваций можно разделить на три фазы. Этап разведки включает в себя планирование и сбор данных, их обзор и интеграцию. Технический анализ часто опирается на несколько источников информации, чтобы создать надежную картину достижений в науке, технологиях и инновациях. Полезно провести первичную очистку собранных данных, использовать списки и таблицы для создания кратких полезных сводок собранных данных.
Этап технологического анализа включает получение знаний из данных, собранных для решения конкретных проблем инноваций или управления технологиями. Патенты включают много общего с другими источниками технологической информации, но имеют некоторые особенности и ограничения.
Этап выбора включает выдвижение вариантов на основе анализа технологий, а затем выбор правильных инновационных возможностей для организации. Ключом к выбору является создание конкретных метрик или оценочных карт для оценки доступных вариантов с использованием критериев, которые наиболее важны для целевых пользователей.
Области поиска можно сужать, конкретно выбирая, например, новый продукт (его конструкция или устройство, система и механизм), технологию (методы, способы); материалы, вещества; информационный продукт; постройку здания или сооружения; услуги различного типа.
Эмпирически обоснованное результатами поиска управление технологиями и выбор направлений работ лучше, чем исключительно интуитивное принятие решений. Выбор технологий опирается на сетевые источники НИОКР и пользователей, включая публикации по патентам. Эффективный анализ технологий достигается за счет целостного рассмотрения продукта, процесса, прогноза развития.
Основные результаты выполненных анализов включают дорожные карты; технологические индикаторы; исследования перспектив развития технологий; конкурентную разведку; прогнозирование и оценку технологий. В процессе поиска и отбора инноваций должны участвовать все заинтересованные лица:
• Специалисты по стратегическому планированию, для отбора новых технологий, имеющих ключевое значение.
• Руководители ОКР и спонсоры, для выявления пробелов в портфеле проектов, оценки достоинств новых предложений, информирования и взаимодействия.
• Разработчики и проектировщики новых продуктов, для помощи в выборе технологических альтернатив.
• Служба закупок, для помощи в оценке альтернативных продуктов и поставщиков.
• Менеджеры процессов, для консультирования по внедрению технологий.
• Менеджеры по поддержке эксплуатации продуктов, для выявления причин, лежащих в основе вероятных проблем с ППО.
• Маркетологи, для выявления новых возможностей использования продуктов и услуг.
• Специалисты по интеллектуальной собственности, для помощи в оценке возможностей патентования.
Для обеспечения конфиденциальности полученной информации технологический поиск должен выполняться собственными силами организации.
При рассмотрении вариантов предложений важно обращать внимание на ключевые моменты отбора технологий:
A. Решение «сделать или купить» технологию или ее компонент.
B. Оценку риска и его возможного снижения с точки зрения результата, а также стоимость, объем работ, сроки (позволит ли рентабельность инвестиций сделать что-то лучше, быстрее, дешевле конкурентов).
C. Приобретение технологии, как она закупается, доставляется, передается для использования, включая юридические ограничения, и требования к ресурсам для эксплуатации.
D. Эксплуатацию и техническое обслуживание, например, необходимость ежедневного технического обслуживания, объемы и интервалы ТОиР для поддержания товара или услуги в рабочем состоянии.
E. Общие критерии оценки инновации: потенциальную прибыль, существующую и потенциальную конкуренцию, размер и темпы роста рынка, уровень инвестиций, уровень неопределенности и степень риска.
F. Маркетинговые критерии: соответствие маркетинговым возможностям, маркетинговые коммуникации, привлекательность существующих рынков, анализ новых рыночных ниш, жизненный цикл продукции, устойчивость к сезонным воздействиям спроса.
G. Производственные критерии: соответствие производственным возможностям, время до начала коммерческой реализации, простоту и стандартизацию производства, доступность трудовых и материальных ресурсов, выбор технологических процессов, возможность производства по конкурентоспособным ценам.
Хорошие новые продукты не продаются сами по себе. Интегрированный успешный выход на рынок является результатом точного и умело выполненного маркетингового плана. Работы должны быть надлежащим образом обеспечены людьми и деньгами. Часто отличный новый продукт не достигает своих целей по продажам из-за нехватки достаточного количества ресурсов для запуска. Решающее значение имеет также эффективное послепродажное обслуживание. Участники этапа запуска инновационного продукта (отдел продаж, специалисты технической поддержки) должны быть членами проектной команды для понимания плана стартовых усилий, доступности ресурсов, критически важных для успешного запуска.
Чтобы новые продукты пользовались спросом, полезно ставить следующие цели:
1. Уникальный продукт должен обладать существенными преимуществами и ценностным предложением для клиента, а также фактором прибыльности.
2. Важен учет мнения клиентов и надежный маркетинговый план для ориентированного на рынок процесса создания нового продукта.
3. Выполнение предварительной проработки проекта является ключом к успеху, окупается комплексная проверка возможности реализации концепции до начала разработки.
4. Скорость выхода на рынок является важным фактором прибыльности. Нужно использовать способы ускорить разработку проектов, при сохранении качества исполнения.
5. Обеспечить хорошее соотношение цены и качества для клиента, снизить его общие затраты (стоимость владения или высокая ценность использования).
6. Получить превосходное качество продукции по сравнению с конкурентами. Быстро реагировать на меняющиеся потребности клиентов, при необходимости адаптировать исходный план действий. Продукт здесь означает не только физический продукт, но и весь набор связанных преимуществ, включая систему, сервис и поддержку продукта.
7. Реализация функций продукта относится к вопросам стоимости для разработчика. За преимущества продукта клиенты платят деньги. Часто эти два направления не совпадают. Полезно при определении преимуществ продукта учитывать те, которые клиенты считают ценными для себя.
Важным конкурентным преимуществом компании при продвижении на рынок высокотехнологичной продукции являются ссылки на ранее поставленную компанией на рынок продукцию, или референции. Это служит гарантией технологической готовности и надежности конструкции, подтверждая способность производителя создавать серийные модели сложных систем, выпускаемой в установленные сроки серии оборудования на высоком качественном уровне, обеспечивать монтаж и обслуживание продукции в течение всего жизненного цикла по конкурентоспособным ценам.
Иногда в моей практике инновационные решения обнаруживались в неожиданных местах. В 1990-е годы довелось решать задачу обеспечения электромагнитной совместимости при работе агрегатов авиадвигателя и самолетного борта. Встреча с представителями кабельного космического предприятия дала возможность решить задачу путем применения в конструкции готовой экранированной кабельной проводки. Несколько лет назад при создании системы нейтрального газа для самолета нам понадобился датчик измерения процента содержания кислорода в топливном баке. Требования осложнялись труднодоступным местом в баке для установки датчика, специфической атмосферой вокруг него, высокой точностью измерений и высокой надежностью в работе. Объявили тендер на инновацию. Две организации предложили некие решения, стоимостью выше всей системы в целом. Работа затормозилась из-за отсутствия ключевого датчика. На очередной выставке технического творчества молодежи нашли на стенде похожий по функциям датчик в виде керамической пуговицы с клеммами для вывода проводов. Коллектив кружка инноваций студентов Московского технологического университета во главе с преподавателем кафедры через месяц преподнес под ключ готовое решение нашего датчика, с комплектом нужной документации и материалами испытаний в заданной среде. Короткие сроки, скромная стоимость проведенной ОКР и цена датчика как продукта позволили успешно завершить важный контракт. Здесь сказалось, что прошлые конкурсанты брались за новую для них работу. Повезло, что удалось точечно попасть к профильным специалистам, да еще с готовым аналогом.
Для стратегической оценки высокотехнологичного проекта желательно прояснить несколько ключевых вопросов.
A. Защита прав интеллектуальной собственности, чтобы организация могла получить свои выгоды в виде ренты. Источником защиты могут быть патенты, торговые марки, коммерческие секреты, авторские права для доминирования на рынке.
B. Эволюционный или революционный дизайн. Во втором варианте нужно иметь возможность наблюдать довольно резкие изменения в предпочтениях клиентов.
C. Стоимость и скорость прототипирования. Чем быстрее фирма может экспериментировать с образцами новой продукции, тем выше ее шансы остаться впереди конкурентов или захватить большую часть рынка.
D. Важность наличия достаточных активов при реализации преимуществ, предоставляемых проектом, которые обеспечивают проникновение на рынок.
Как только преимущества продукта будут определены, можно инвестировать с опережением конкурентов, предпочтительно реализуя стратегическую ориентацию на поиск новой территории, а не на конкуренцию за установившийся сегмент рынка. Конечно, разработка продуктов с новыми идеями и технологиями рискованна, требует экспериментов и может потерпеть неудачу.
Одним из многих примеров инноваций в моей практике явилась разработка авариестойкой топливной системы для вертолетов. Большинство аварий вертолетов происходит на небольших высотах, и главную опасность для пассажиров представляет возникновение пожара из-за разлива топлива. Согласно международным правилам авиаперевозок конструкция топливных баков при заданной величине аварийной перегрузки не должна иметь разрушений, которые могли бы вызвать течь топлива и его возгорание. Задача ОКР состояла из нескольких частей: собственно разработка системы с заданными требованиями и необходимыми конструктивными особенностями, подбор соответствующих отечественных материалов, интеграция всех компонентов и испытания авариестойкой топливной системы. Были проведены поиски стойких к разрыву и проколу резиноподобных материалов, которые обеспечат работоспособность топливного бака при заданных условиях нагружения, и в широком диапазоне температур окружающей среды. Новые требования для агрегатов, расположенных вне баков, заключались в том, что они не должны были допускать разлива топлива при повреждении трубопроводов. При превышении рабочей нагрузки агрегат должен разрушиться только в заданном конструктором месте. Провели испытания разрушаемых узлов, фитингов и различных клапанов на герметичность, течи при открытом и закрытом положении клапанов. В различных климатических условиях проводили виброиспытания и испытания на разрушение конструкции. После интеграции провели испытания системы в целом путем сброса с заданной высоты на бетонную площадку. Работы были завершены успешно.
Инвестирование финансов в ОКР само по себе не гарантирует коммерческого успеха. Фирмы определяют, куда направить свои ресурсы, чтобы обеспечить коммерческую отдачу от своих инвестиций, какие соображения необходимо учитывать при формулировании продуктовой стратегии. Для решения таких вопросов руководству компании требуется найти баланс между следующими соображениями:
• Организация должна иметь представление о рыночных возможностях нового продукта, на каких конечных пользователей можно ориентироваться, и с какими конкретными преимуществами.
• Организация должна оценить возможности создания нового продукта, направленного на использование данной рыночной ниши. Существует рыночная неопределенность, воспримут ли потребители существенные преимущества, которые новый продукт может предоставить. Техническая неопределенность связана с тем, что проблемы разработки могут привести к увеличению расходов или задержке сроков внедрения. По статистике примерно 45% новых продуктов терпят неудачу на стадии создания работающего продукта. Еще 35% новых продуктов, которые были технически завершены, терпят неудачу из-за отсутствия признания на рынке.
• После преодоления двух вышеприведенных барьеров новый продукт компании столкнется с конкуренцией на рынке. Присутствие или потенциальная угроза со стороны конкурентов может существенно повлиять на решения фирмы по использованию и стоимости нового продукта.
На пути развития инноваций существуют различные риски. Определенные преимущества, но повышенные риски в прогнозировании принятия рынком влечет применение в новых продуктах радикальных инноваций. Под ними понимают решения, которые включают существенно отличную основную технологию, и обеспечивают прорывные потребительские преимущества по сравнению с предыдущими продуктами в отрасли. Например, компания General Electric (GE) активно занялась созданием новых бизнес-направлений, связанных с разработкой и выводом на рынок собственных цифровых решений, а также их использованием для повышения эффективности традиционного бизнеса. Было создано подразделение GE Digital, насчитывавшее несколько тысяч работников. Основными цифровыми продуктами компании стали системы, предназначенные для сбора данных в производстве и управления производственными процессами, и платформа промышленного интернета для сбора и анализа больших данных с выходом на многокритериальную предиктивную аналитику. Многомиллиардные инвестиции в создание и развитие цифровых продуктов ухудшили результаты компании значительно ниже ожиданий акционеров, что привело к негативным последствиям для менеджмента компании. Основными причинами неудачного опыта стали излишняя сфокусированность GE на масштабировании цифрового направления, а не на его качестве; необоснованно большие инвестиции в развитие; не оправдавшая себя ставка на расширение продуктовой линейки вместо повышения эффективности и ценности традиционного бизнеса за счет применения цифровых технологий.
Другой пример относится к семейству новых авиадвигателей, в которых компания Pratt-Whitney применила радикальную инновацию с расположением редуктора между вентилятором и турбиной внутри двигателя. Наряду с очевидными техническими преимуществами реализации такого решения (выше топливная эффективность, ниже шум), в эксплуатации компания столкнулась с многочисленными проблемами досрочного выхода из строя двигателей из-за нового компонента. Это повлекло большое количество внеплановых ремонтов и задержки поставок двигателей в авиакомпании, с выплатой штрафных санкций.
Предложение по созданию или разработке нового продукта обычно делают в формате бизнес-плана для получения согласия высшего руководства на утверждение программы продукта. Бизнес-план описывает детали предлагаемого продукта, временного плана реализации продукта, и потребностей в корпоративных ресурсах для его создания. В разработке участвуют отделы планирования продукции, проектирования, маркетинга и финансов компании.
Можно рекомендовать примерный набор шагов для выбора оптимальной позиции нового продукта:
1. Определить параметры продукта, наиболее важные для выбора потребителя в данном сегменте рынка.
2. Оценить предпочтения потребителей, чтобы понять, как каждый атрибут нового продукта влияет на общую полезность для покупателя, и важность компромисса между характеристиками и ценой.
3. Определить конкурентную среду, т.е. какие бренды и их продукты находятся в группе внимания потребителей.
4. Оценить долю рынка в текущих условиях для каждой конкурентной альтернативы. То есть, подсчитать в процентах число потребителей в выборке предпочтений продукта каждого конкурента, деленное на общую выборку.
Концепция нового продукта может быть нацелена в область, где он доминирует, или в область, где не доминирует ни одна из существующих альтернатив. При этом следует учесть, что потребители будут выбирать разные марки изделий, даже если цены на все марки будут равны.
Во многих случаях преимущества для конечных пользователей очевидны из физических свойств или характеристик продукта (например, более высокая скорость процессора компьютера экономит время и повышает производительность, больший объем памяти на жестком диске обеспечивает удобство хранения). В других случаях это не столь очевидно. Тогда может потребоваться изобретательность инженеров, чтобы преобразовать полученные выгоды в привлекательные физические атрибуты или функции. Например, желание, чтобы программное обеспечение было «более удобным для пользователя», чтобы автомобиль был «более безопасным», ноутбук был более легким или «эстетически привлекательным».
Занять выгодное положение на рынке могут внедренные продукты, которые воплощают в себе превосходные характеристики или качество по определенной шкале; или наиболее благоприятны с точки зрения потребительских вкусов; или которые продаются по более низкой цене. Примером является завоевание рынка корейскими автомобилями 2000-х годов за счет высокого качества и низких цен. Сегодня цены на корейский автопром поднялись, а по пятам шагают китайские поставщики с той же стратегией.
Следует уделять внимание следующим принципам обеспечения стратегического развития инноваций:
1. Разработка идентификации приоритетных отраслей с высокими показателями инновационной емкости;
2. Разработка и контроль системы материального стимулирования авторов инноваций;
3. Разработка создания пакетов инноваций, полученных на разных стадиях жизненного цикла изделий;
4. Разработка и контроль оценки конкурентоспособности планируемых, создаваемых и используемых инноваций;
5. Разработка системы ценообразования и капитализации инноваций.
Эти направления будут способствовать повышению конкурентоспособности экономической деятельности в высокотехнологических компаниях.
Часто преодолеть препятствие на пути создания объекта помогало очередное изобретение. В СССР на предприятиях под руководством всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов всех желающих обучали теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). После обучения автор книги получил свидетельства почти на 40 изобретений. В разы больше заявленных идей оказались ранее запатентованы, но удовольствие от изобретательства было ощутимым мотиватором деятельности многих моих коллег.
В 1970-е годы при разработке двигателя для крылатой ракеты первого поколения не получалось решить задачу быстрого запуска двигателя при сбросе объекта. Из-за подачи большого количества топлива двигатель попадал в помпаж (аварийный режим), а при снижении порции пускового топлива запуск не успевал произойти до падения объекта на землю. Решить задачу помогло изобретение. Его идея заключалась в применении саморегулирования потоков воздуха между контурами компрессора в нужном направлении. Внутри двигателя в кольцевой разделительной перегородке между потоками воздуха на расчетном расстоянии от входа были выполнены отверстия определенного размера. В полете давление в потоках с обеих сторон отверстий было одинаковым, воздух протекал, не реагируя на отверстия. На режиме запуска давление в контуре внутри перегородки было выше, чем снаружи. «Лишний» воздух теперь не приводил к помпажу компрессора, а перетекал наружу перегородки по отверстиям в заданном размерами количестве, реализуя перепуск воздуха с авторегулированием, без движущихся частей.
В другой ОКР, по созданию мощного авиационного газодинамического лазера, нашей группе удалось реализовать ряд улучшений, важных для обеспечения работы системы, и оформить более десятка изобретений. В одном посредством оригинальной конструкции козырьков на выходе резонатора получилось защитить оптические зеркала от высокотемпературного потока газа, чтобы снизить их тепловую деформацию и повысить точность фокусировки мощного лазерного луча на выходе. В другом случае лопатки решетки диффузора при каждом запуске сильно подгорали на входе. На передних кромках лопаток температура торможения набегающего гиперзвукового потока при скорости в пять чисел Маха составляла 1400° С. Лопатки имели угол раскрытия входного клина всего 12°, чтобы уменьшить аэродинамические возмущения. С учетом прошлого опыта было принято решение обрезать клин на входе диффузорной лопатки. Набегающий поток «ощущал» через поле давлений геометрию последующей части тракта и самостоятельно перестраивался с минимальными потерями. Клинья лопаток перестали перегреваться, дефект был ликвидирован без применения охлаждения.
Многие корпорации расширяют традиционный круг инновационных интересов, в попытках найти новые прибыльные направления бизнеса. Например, европейский авиационный гигант Airbus интересуется следующими направлениями НИОКР:
• беспилотные летательные аппараты,
• спутниковая фотосъемка,
• телекоммуникации,
• технологии блокчейна и анализ данных,
• искусственный интеллект,
• кибербезопасность,
• системы виртуальной и дополненной реальности,
• робототехника,
• хранение и преобразование электроэнергии,
• новые производственные технологии,
• сенсоры и датчики,
• новые материалы,
• космические и спутниковые технологии.
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.
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 (QFD[1 - QFD: Разработка продукции и технологических процессов на основе требований и ожиданий потребителей, Ю. А. Вашуков, А. Я. Дмитриев, Т. А. Митрошкина. – Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та, 2012. – 32 с.]), 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.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/chitat-onlayn/?art=70354237) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
QFD: Разработка продукции и технологических процессов на основе требований и ожиданий потребителей, Ю. А. Вашуков, А. Я. Дмитриев, Т. А. Митрошкина. – Самара: Изд-во Самарского гос. аэрокосм. ун-та, 2012. – 32 с.