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.).
