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.
