Глава 2. База системной инженерии

2.1. Определение системной инженерии

Основным объектом приложения системной инженерии являются системы. Системой кратко называют интегрированный сплав людей, продуктов и процессов, обеспечивающий возможность удовлетворить требуемые нужды или цели.

Перечислим некоторые типы систем. Это бизнес-системы (управление исследованиями и разработками, производством продуктов и услуг для использования на рынке), образовательные системы (обучение и аттестация), финансовые системы (поддержка личных, коммерческих и других финансовых операций), правительственные системы (связанные с управлением людьми как обществом на уровне государства, области, города и т.д.), медицинские системы (больницы, врачи и терапевтические учреждения, управляющие потребностями здравоохранения населения), транспортные системы (наземные, морские, воздушные и космические перевозки людей и грузов), газо- и нефтеперекачивающие трубопроводные системы, городские системы (управление инфраструктурой и транспортом района, города, области), культурные системы (исполнительское искусство музыки и других развлечений, гражданские модели поведения) и др.

Примеры систем (по возрастанию сложности):

•двигатель самолета по сравнению с набором деталей;

• самолет с двигателями и авионикой;

• авиатранспортная система (АТС) с самолетами, пассажирами, грузами, тренажерами и др.;

• система систем, включая АТС, аэропорты, инфраструктуры обслуживания и наземного наблюдения.

Приведем определения из стандарта ГОСТ 56136—2014.

У каждой системы имеется жизненный цикл (ЖЦ). Это совокупность явлений и процессов, повторяющаяся с периодичностью, определяемой временем существования изделия (системы), от начала разработки до вывода из эксплуатации (утилизации).

Этапом жизненного цикла называют часть ЖЦ, выделяемую по признакам моментов контроля (контрольных рубежей), в которых предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и (или) физических характеристик экземпляров изделий.

Жизненный цикл проекта можно разбить на отдельные фазы, отделенные контрольными рубежами (воротами принятия решений). У NASA 7 фаз ЖЦ, в GE их 10, у Airbus 14 последовательных этапов. Пример ЖЦ системы показан на рис. 2.

Контрольный рубеж (КР) этапа жизненного цикла является моментом завершения этапа ЖЦ, на котором предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и (или) физических характеристик экземпляров изделий.

Перечислим основные фазы ЖЦ продукта и типовые контрольные рубежи (КР), или ворота принятия решений, на различных этапах модельного ЖЦ программы создания изделия, показанные на рис. 2.

1. Предварительный анализ изделия (КР 0).

2. Маркетинг для определения бизнес-возможности создания разрабатываемого продукта (КР 1).

3. Концептуальное проектирование и оценка выполнимости (КР 2).

4. Определение облика изделия, эскизный проект (КР 3).

5. Изготовление опытных образцов (КР 4).

6. Утверждение («замораживание») конструкции (КР 5).

7. Испытания и сертификация продукта (КР 6).

8. Производство и эксплуатация (КР 7).

9. Вывод из эксплуатации и закрытие программы (КР 8).

Декомпозиция проекта на этапы ЖЦ переводит организацию процесса разработки на более мелкие и управляемые части. Переход фазовых границ определяется в пунктах оценки прогресса проекта и решений типа «идти / не идти». То есть на контрольном рубеже следует принять решение, продолжать ли проект на следующем этапе, вернуться к чертежной доске и переделать текущую работу завершаемой фазы, или прекратить проект.

Этапы жизненного цикла используют, чтобы помочь планировать и управлять всеми основными событиями разработки высокотехнологичной сложной системы или продукта. Разделение на фазы дает менеджерам возможность контролировать и направлять действия осознанно, упорядоченно и методично, что позволяет реагировать на изменения. Это увеличивает прозрачность и упрощает контроль для успешного завершения проекта.

ЖЦ проекта представляет собой важный управленческий инструмент, который используется для распределения ресурсов, обеспечения доступности ключевых лиц, интеграции действий, поддержки своевременного принятия решений, снижения рисков и создания механизмов контроля и руководства. Так как ранние решения влияют на последующие деятельности и «более зрелую» систему труднее изменить по ходу проекта, в системной инженерии сделанное на ранних стадиях имеет наибольшее влияние на успех проекта в целом.

В истории человечества следы системно-инженерного подхода заметны при сооружении египетских пирамид, римских дорог, азиатских ирригационных каналов и других известных объектов, дошедших до наших дней. Например, «подушку» под римской дорогой для колесниц укладывали по правилам того времени из различных материалов до 5 метров толщиной. Спустя столетия эти дороги заасфальтированы и используются для современных автомобилей. Каменные мосты через реки в некоторых голландских городах используются без ремонта на протяжении 300…400 лет. Т.е. выполнено условие, когда действия на каждой фазе ЖЦ системы были направлены на улучшение жизненного цикла на последующих этапах.

Великий российский инженер XIX—XX веков Владимир Шухов за годы профессиональной деятельности реализовал со своими подрядными коллективами более 700 проектов. При этом уровень работ находился на вершине тогдашних инженерных знаний, оформлены патенты мирового уровня: горизонтальный и вертикальный паровые котлы, форсунка для мазута, нефтеналивная баржа, стальной цилиндрический резервуар, висячее сетчатое покрытие для зданий, арочное покрытие, нефтепровод, промышленная крекинг-установка, ажурная гиперболоидная башня (телецентр на Шаболовке в Москве). Всего построено около 200 башен, около 500 мостов, зерновые элеваторы, доменные печи, плавучие ворота сухого дока, вращающаяся сцена МХАТ.

План ГОЭЛРО в послереволюционной России был утвержден в декабре 1921 г. и к 1930 г. перевыполнен. В результате Россия вышла на 3-е место в мире по производству электроэнергии.

Причинами возникновения системной инженерии в ее сегодняшнем виде стали факторы, появившиеся в мире после Второй мировой войны. Активизировалась реализация больших программ, в первую очередь военно-промышленного направления, и основными приводами развития управленческой мысли стали:

1) развитие затратных высокотехнологичных программ с учетом управления рисками и информационных технологий;

2) активизация рыночного соревнования между странами и компаниями (развитие маркетинга);

3) углубление специализации разрабатываемых систем, что выявило важность типовой декомпозиции элементов, управления требованиями, интерфейсами, верификации и валидации;

4) нарастание кадровых проблем для высокотехнологичных отраслей.

Появились книги, справочники и стандарты по теме: H. Good, R. Machol, Системотехника. Введение в проектирование больших систем (1957 г.), справочник Военно-воздушных сил США по системной инженерии (1966 г.), первый СИ стандарт MIL-STD 499 (1969 г.). В СССР один из первых курсов СИ был издан в 1976 г., В. Дружинин, Д. Конторов «Вопросы военной системотехники».

Примененные технологии системной инженерии облегчили успешное получение конкурентоспособных разработок. Переход на командные методы работы по ролям упростил создание результативных коллективов с эффективными лидерами. Для реализации этих задач необходимо было обучить многочисленный персонал. Вследствие необходимости создания новых изделий и освоения высоких технологий ряду стран удалось стандартизовать подготовку творческих инженеров и менеджеров на основе подходов СИ. Сегодня все компании высокотехнологичного сектора имеют справочники системной инженерии в открытом доступе в сети интернет, адаптированные под нужный профиль (в перечне указан год актуального издания).

• Некоммерческое общество системных инженеров INCOSE, 5 изд., 2023 [10].

• Космическое агентство NASA, 3 изд., США, 2017 [7].

• Администрация гражданской авиации США FAA, 2015.

• Компания-интегратор интеллектуальных транспортных систем ITS, 3 изд., 2009.

• Министерство обороны США, DoD, 2006.

• Компания-интегратор авиатехники Airbus, 2004.

• Производитель авиационной техники Boeing, 2003.

При этом перечисленные документы включены для обязательного исполнения в требования для подрядчиков и поставщиков, чем обеспечивается скорость и глубина внедрения методологического подхода.

Приведем актуальные определения предмета книги от общества сиcтемных инженеров INCOSE (2019) и стандарта ISO/IEC/IEEE 15288 (2023).

Системой называют совокупность расположения частей или элементов, которые вместе демонстрируют поведение или значение, которого нет у отдельных компонентов. Системы могут быть физическими, концептуальными (абстрактными информационными), или их комбинацией.

Системной инженерией называют трансдисциплинарный и интегративный подход, позволяющий успешно реализовывать, использовать и выводить из эксплуатации спроектированные системы с использованием системных принципов и концепций, а также научных, технологических и управленческих методов.

СИ фокусируется на:

• установлении, балансировке и интеграции целей заинтересованных сторон, целей и критериев успеха, а также определении фактических или ожидаемых потребностей заинтересованных сторон, операционных концепций и требуемой функциональности, начиная с раннего цикла разработки;

• установлении соответствующей модели жизненного цикла, процессного подхода и структур управления с учетом уровней сложности, неопределенности, изменений и разнообразия;

• создании и оценке альтернативных концепций и архитектур решений; базовых требований и моделирования выбранной архитектуры решения для каждого этапа проекта;

• выполнении синтеза проекта, верификации и валидации системы;

• принятии во внимание проблемных и решающих областей, необходимых систем и служб обеспечения, определении ролей и отношений между частями системы для ее общего поведения и производительности, и балансировке всех этих факторов для достижения удовлетворительного результата.

Процесс СИ завершается интеграцией трех основных активностей:

1) фаза разработки, которая контролирует процесс проектирования и обеспечивает базовые результаты, увязывающие проектные усилия;

2) системная инженерия процесса, обеспечивающего структуру для решения проектных проблем и отслеживающего поток требований через проектные усилия;

3) интеграция жизненного цикла, которая вовлекает заказчиков в проектный процесс и обеспечивает жизнеспособность разработанной системы на всех стадиях ЖЦ.

Инженерной называют систему, разработанную или адаптированную для взаимодействия с ожидаемой эксплуатационной средой для достижения одной или нескольких предполагаемых целей при соблюдении применимых ограничений. Инженерные системы могут включать людей, продукты, услуги, информацию, процессы и природные элементы.

Инженерный менеджмент, как часть процессов системной инженерии, включает искусство и науку планирования, организации, распределения ресурсов, а также управления и контроля деятельности, имеющей технологический компонент.

Отметим, что в определении СИ сделан упор именно на управленческую часть системно-инженерного подхода. Применение СИ на практике позволяет вовремя выполнять решение сложнейших задач, сокращать сроки и стоимость разработок в 1,5…2 раза, снижать количество ошибок в конструкторской документации от 2 до 5 раз. Системная инженерия демонстрирует эффективность разработанных подходов, является выгодным инструментом создания новых изделий, ведет к уменьшению затрат путем оптимизации процессов и исключения переделок (из-за увеличения глубины проработки и исправления ошибок на ранних стадиях проекта). Подход СИ снижает коэффициент экспоненты убытков на масштабе бюджета проекта, причем чем крупнее проект, тем выше эффект применения СИ. Статистика NASA показала, что можно снизить перерасход бюджета на 20…90% (от мелких до очень крупных проектов). При этом оптимальная доля затрат на деятельность системных инженеров составит от 5 до 35% соответственно [7].

В стандарте «Процессы жизненного цикла систем» ISO 15288:2015 (ГОСТ Р 57193—2016) сегодня перечислены 30 базовых процессов жизненного цикла систем (рис. 3). Эти процессы разделены на четыре основные группы.

При разработке систем, продуктов или услуг необходимо найти ответы на несколько фундаментальных вопросов.

1. Что такое система?

2. Что входит в границы системы?

3. Какую роль играет система в организации пользователя?

4. Какие действия в эксплуатации выполняет система?

5. Какие ориентированные на результаты выходы дает система?

При разработке нового продукта требуется организовать структуру, которая оптимизирует управление и руководство, облегчает внутренний обмен информацией, принятие решений и потоки поставок. Рынки высоких технологий требуют от нового продукта удовлетворения уровня качества при запланированных расходах и, что критично, в заданные сроки. Координация инжиниринга, производства, обеспечения качества, маркетинговых функций в процессе разработки нового продукта является жизненно важной. Необходимость использования подходов системной инженерии обусловлена несовершенством устаревших процессов разработки новых изделий. Результатом применения системной инженерии будет повышение качества исполнения программ (выполнение проектов в заданные сроки, в рамках бюджета, согласно требованиям, с высоким качеством).

Для реализации проектов и программ в системной инженерии используют основные варианты декомпозиции.

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

• Декомпозиция времени: разбиение проекта на фазы с указанием конкретных результатов позволяет эффективно контролировать процесс разработки, измерять эффективность и вовремя применять корректирующие меры.

• Декомпозиция продукта: разделение самых сложных изделий на системы, подсистемы, сборки и узлы позволяет эффективно управлять конфигурацией и поставщиками.

• Декомпозиция действий с последующей интеграцией: определяет четкую последовательность необходимых действий (требования, спецификация, декомпозиция, проект, интеграция, верификация, эксплуатация, вывод из эксплуатации).

СИ учитывает деловые и технические потребности приобретателей с целью предоставления качественного решения, которое отвечает требованиям заинтересованных сторон, подходит для достижения цели в эксплуатации и позволяет избежать или минимизировать неблагоприятные непреднамеренные последствия.

Целью всех видов деятельности СИ является управление рисками, включая степень снижения рисков непредоставления того, что хочет приобретатель, риска несвоевременной поставки, риска избыточных затрат и риска негативных непреднамеренных последствий.