Системный инжиниринг, моделирование в системном инжиниринге и системное мышление – как применить новые методы для разработки инновационных изделий?

Системный инжиниринг – это относительно новая дисциплина, которая появилась как результат технического прогресса. Стремление человечества поскорее воспользоваться плодами такого прогресса привело к стремительному усложнению проектируемых изделий, а как следствие, и усложнению процессов проектирования и производства. Это потребовало новых подходов, поскольку традиционным путём уже не получалось вывести инновационные изделия на рынок в сколь-нибудь разумные сроки и в заданных рамках бюджета. В двадцать первом веке благодаря сегодняшнему развитию вычислительных средств в системном инжиниринге стали широко применяться имитационные модели изделия, а такой подход получил определение «Системный инжиниринг, основанный на моделировании» (MBSE). В чем заключается основной принцип MBSE и как инженеры применяют его на практике?

Системный инжиниринг

Пока, например, в автомобилях самым сложным узлом оставался карбюратор, в машиностроительном проектировании прекрасно работали методы традиционной инженерной школы. Впервые необходимость менять традиционный подход стала заметна в авиационной и космической отраслях, где потребовалось решать всё более сложные технические задачи. И большинство из них возникали впервые в истории человечества. Необходимо было создавать именно комплексные системы, что дало почву для развития Системного инжиниринга в применении именно к авиации и космосу. Однако одновременно с развитием авиационно-космических систем возрастала сложность изделий и в других отраслях. Так постепенно условия для применения Системного инжиниринга стали складываться повсеместно.



В условиях открытой конкуренции производители стремились максимально использовать плоды технического прогресса конструкции своих продуктов, что неумолимо вело также к значительному усложнению процессов их проектирования и производства. И тут проявились ограничения традиционной школы, где фактически на одного человека – главного конструктора – возлагалась задача обеспечения целостности проекта. Однако стало ясно, что отдельно взятому человеку уже не под силу удержать в голове всю информацию и обеспечить слаженную работу разнородных систем, разрабатываемых специалистами разных дисциплин или разными коллективами.

Эти ограничения привели к тому, что на поздних этапах разработки и испытаний стали проявляться нестыковки и коллизии в конструкции. В свою очередь, поздние изменения требуют и значительное время на их реализацию, а также ведут к новым издержкам. При этом, некоторые разработчики, понимая всю сложность реализации некоторых функций продукта, отказывались от них в самом начале разработки. Таким образом, они оказывались в заведомо проигрышной позиции относительно своих конкурентов. Одним словом, либо это не нужно потребителю, либо это дорого, либо выведено на рынок слишком поздно. Такая картина нашла своё отражение в статистике - начиная с 80-х годов прошлого столетия, до половины (35-49%)  новинок так и не находили своего потребителя, а их вывод на рынок оканчивался провалом.



В традиционном цикле разработки наибольшее количество изменений в машиностроительное изделие вносится в двух временных точках. Первая из них - вывод изделия в опытное производство – момент, когда все огрехи проектирования выражаются в нестыковках и нетехнологичности прототипа изделия. Второй пик внесения изменений наблюдается во время испытаний, когда выявляются несоответствия опытного образца требуемым характеристикам.



Кроме того, стоимость изменений, вносимых в конструкцию, на поздних этапах проектирования значительно выше стоимости подобных доработок на ранних этапах. Если же приходится перерабатывать продукт уже после вывода в серию, это обходится уже на три порядка дороже и может вывести из равновесия экономику любого проекта. 

Таким образом, неудачи сводят к двум факторам: не хватает запланированного времени и средств для доведения изделия до соответствия требованиям. По этим причинам приходится либо отказываться от реализации некоторых функций и желаемых характеристик, либо бороться за соответствие требованиям в ущерб срокам и стоимости. Тем временем, современный высоко-конкурентный рынок насыщен инновациями, так что потребитель может выбирать.

Изменения назрели, и инженеры обратились к первопричинам поздних изменений. Именно это и послужило почвой для развития MBSE в условиях прогресса информационных технологий.

MBSE

MBSE (системный инжиниринг на основе моделей – Model Based Systems Engineering) позволяет выявить те самые нестыковки и коллизии и внести большую часть необходимых изменений в изделие уже на ранних этапах разработки. Такая возможность появляется благодаря широкому использованию виртуальной среды для моделирования изделия, начиная с самых ранних стадий разработки. При этом, начинать можно с этапа определения требований заинтересованных сторон, когда сами очертания изделия ещё не определились, и далее на всех фазах разработки - эскизного, технического и рабочего проектирования.

Цифровая среда позволяет в разумные сроки и без издержек на материалы и производство создать множество вариантов виртуальных прототипов изделия для всестороннего изучения. Такой подход помогает выявить большую часть ошибок проектирования и нестыковок, а виртуальные испытания – рассмотреть множество вариантов конструкции, отмести нерелевантные и выбрать наиболее перспективные с точки зрения достижения требуемых характеристик. И всё это без издержек на материалы, производство натурных прототипов и натурные испытания. Более того, инженеры получают возможность внести необходимые изменения в конструкцию еще пока оно только виртуально. Такие изменения не потребуют ни закупки материалов для изготовления новых прототипов, ни производства, ни повторного проведения натурных испытаний.



Применение методов MBSE нацелено, прежде всего, на достижение требуемых технических характеристик изделия. Не менее важным эффектом MBSE является сокращение сроков и стоимости разработки. Именно поэтому применение MBSE позволило снизить технические и управленческие риски, с которыми пришлось иметь дело разработчикам в условиях повышенных требований рынка и соответствующего усложнения изделий. 

Еще одним результатом перехода на MBSE стала возможность накопить, систематизировать и в дальнейшем использовать научно-технические знания (ноу-хау) для улучшения изделий и создания новых проектов. Традиционная конструкторская школа в большой степени полагалась на способности отдельно взятых специалистов и руководителей. С применением MBSE информация о конструкторских решениях становятся доступны заинтересованным лицам по ходу разработки новых изделий.



Часто приходится сталкиваться с мнением, что MBSE предназначено для концептуального проектирования. Возможно, такое представление связно с тем, что системный инжиниринг действительно меняет ход и содержание начальных фаз проекта. В то время как в традиционном подходе формализуются технические требования заказчика, в системном инжиниринге задействованы все заинтересованные стороны и их требования к системе, а также рассматриваются условия эксплуатации системы. Опираясь на понимание всевозможных, в т.ч. неформализованных требований к системе, начинается определение её архитектуры. В результате может получиться архитектура весьма далёкая от привычных нам изделий. Так и появляются в современном мире инновационные решения. Во многом именно применение системного инжиниринга обеспечило стремительное развитие техники буквально во всех отраслях – от бытовой электроники до сельского хозяйства.

Несмотря на бытующее мнение MBSE не ограничивается начальными фазами программ и проектов разработки и вывода на рынок новой техники. Подход MBSE охватывает весь цикл такой разработки – от требований до испытаний, обеспечивая и процессы разработки техники, и процессы подтверждения соответствия требованиям. Кроме того, системный инжиниринг сегодня применяется как для проектирования отдельных систем и даже отдельных компонентов, так и для проектирования модульных платформ и семейств изделий. Тут стоит упомянуть, что в системном инжиниринге есть понятие Интересующей системы (System of Interest). Это и есть объект разработки. Например, в случае создания отдельно взятого продукта, в состав которого входит несколько систем, такое изделие в системном проектировании рассматривается как единая «система систем».



Практическое применение принципов MBSE в проектировании основывается на одновременном применении трёх основных практик: управление требованиями, архитектура системы (рекомендуемый метод – RFLP) и имитационное моделирование. Ниже кратко пройдёмся по каждой из этих трёх составляющих.

Управление требованиями

По данным ISCN (International Software Consulting Network), больше 60% ошибок появляется в связи с ненадлежащим управлением требованиями. В свою очередь, управление требованиями чаще всего страдает недостаточной полнотой требований (37.5%) и неудовлетворительным представлением требований (34.7%). Именно в стремлении исключить такого рода недостатки, системный инжиниринг ставит управление требованиями «во главу угла». 



Некоторые современные цифровые платформы способны обеспечивать все подпроцессы управления требованиями, такие как сбор, анализ, распределение, изменение, валидация и верификация требований посредством планирования и выполнения совокупной программы испытаний – как виртуальных, так и натурных. 

Однако следует понимать, что не существует универсальных стандартных инженерных платформ. Каждая из представленных на рынке обладает определенным набором характеристик модулей. Преимущества, которые они дают предприятию, заключаются в объединении функций и процессов в единую прозрачную среду, которая позволяет обмениваться информацией и отслеживать, а также прогнозировать процессы в масштабах всего предприятия. Такой подход повышает эффективность работы всех подразделений и облегчает выстраивание стратегических планов.

RFLP

RFLP (Requirements — Functional — Logical – Physical) – это рекомендованный INCOSE (Международный Совет Системной Инженерии) последовательный подход к определению системы (системы систем), начиная с определения требований, затем через определение функционального состава системы, через определение логики конструктива и лишь затем – проектирование конструктива в виде цифрового макета (двойника) изделия.



Иногда RFLP справедливо называют процессом определения архитектуры изделия, хоть последний шаг, строго говоря, уже не архитектурный, а конструкторский. Конечно же, в современных условиях все четыре фазы выполняются с применением специализированного программного обеспечения для управления требованиями, определения архитектуры изделия и САПР. Как правило, это разные программные средства, что делает интеграцию их в рамках единого процесса непростой задачей для «внедренцев» и всерьёз затрудняет дальнейшее взаимодействие в рамках такого процесса мультидисциплинарных специалистов. 

Существуют такие программные решения как, например, САПР Catia®, которые позволяют решать такие задачи в единой среде, объединяя специалистов разных функциональных направлений вокруг общей модели данных. Модель данных платформы 3DEXPERIENCE® позволяет управлять в непосредственной связи друг с другом и спецификациями требований, и элементами состава изделия, как и самим составом – функциональным, логическим, физическим.  Если заглядывать дальше, то платформа управляет и программой испытаний, и их результатами, и подготовкой доказательной документации, и составом работ в программе разработки, графиком, заданиями, изменениями, конфигурациями и многими другими сущностями, которые требуют организации и контроля при реализации программ и проектов разработки и вывода новой техники на рынок.

Имитационное моделирование

Имитационное моделирование нацелено на выверку поведения проектируемой системы ещё в виртуальной среде, исключая издержки на создание натурных прототипов и проведение натурных испытаний. При этом, имитационное моделирование благодаря современным образцам программного обеспечения может выполняться уже в ходе определения требований к системе или на его логической модели. Иными словами, когда физические очертания системы (изделия) могут быть ещё весьма туманны. 

Однако основной объём имитационного моделирования приходится на «виртуальные испытания» цифрового прототипа (двойника) изделия или системы. Здесь на сцену выходят работающие на конкретной платформе расчётные модули для структурного анализа, электромагнетизма, гидродинамики, автоматизации комплексных расчётных процессов и многого другого. Цифровая платформа при этом предоставляет высочайшую прозрачность в управлении программой испытаний. Помимо планирования программы и плана испытаний в любой момент видно, что и почему испытывается, когда и по какой методике, кем и где производятся испытания – и не только виртуальные, а весь комплекс испытаний, включая, например, наземные и лётные. 



Все это обеспечивает необходимую слаженность работы всех участников процесса, что положительным образом сказывается на сроках и стоимости создания изделия. Применение платформы дает возможность сократить число испытаний до 50%, соответствующим образом уменьшить количество испытуемых прототипов.

Системное мышление как подход к внедрению MBSE

Применение MBSE вкупе с современными цифровыми решениями позволяет производителям выявить большинство ошибок в проектировании технологически сложной продукции и комплексных систем уже на ранних стадиях проектирования. Соответственно, количество поздних изменений конструкции также падает драматическим образом. Это неминуемо ведет к снижению стоимости программы и сокращению сроков вывода новой продукции на рынок. Ещё на ранних стадиях обеспечивается соответствие системы требуемым характеристикам, за счёт чего заказчик получает желаемое изделие, а производитель – конкурентное преимущество на рынке.

Но как действовать отдельно взятому предприятию, стремящемуся освоить принципы MBSE в проектировании - насколько это сложно, дорого, как долго и с чего начать? Тут нет и не может быть единого рецепта – все предприятия разные, и каждое требует выработки собственного проекта трансформации для перехода на передовые принципы разработки техники.

Компания Dassault Systèmes выработала методику внедрения комплексных проектов трансформации деятельности предприятий под названием «Value Engagement». Методика обеспечивает подход к проекту «сверху вниз», то есть обеспечивает последовательное развитие проекта от целей и задач, поставленных на уровне предприятия, через организационное и процессное устройство предприятия – к уровню технологических решений. Благодаря всесторонней проработке проекта с точки зрения текущей деятельности компании и перспектив ее развития обеспечивается достижение трансформационным проектом инвестиционных целей предприятия.



Методика Value Engagement основана на широко известном подходе, имеющем название «Системное мышление» (System Thinking). Системное мышление направлено на обеспечение навыка решать комплексные задачи. Именно такой комплексной задачей становится любой проект трансформации деятельности предприятия. 

При применении Системного мышления к развитию предприятия в качестве объекта разработки (Интересующей системы) рассматривается предприятие и его деятельность в целом. Соответственно, такая трансформация будет в комплексе охватывать и цели, и процессное устройство предприятия, а также технологии, на которых основана его деятельность.



На первом этапе методики Интересующая система не рассматривается вовсе, а исследуется операционное окружение системы заинтересованными специалистам, которым придётся работать с системой, их требования и ожидания от системы, а также цели, направления и приоритеты в реализации системы. На этом шаге устройство системы неважно. Более того, любая попытка обрисовать устройство системы заранее ограничивает круг возможных технических решений на последующих фазах проектирования системы, что негативно сказывается на результатах разработки и достижении целей.

На втором этапе, благодаря достигнутому ранее пониманию о требованиях к системе, можно переходить к разработке ее архитектуры. Здесь система рассматривается уже как прозрачный ящик, где проглядывается его внутреннее устройство. На этом этапе определяются основные архитектурные принципы построения, то есть подсистемы, их функции, принципы взаимодействия друг с другом и с внешним миром. 

Третий этап, основываясь на выполненном целеполагании и архитектурных принципах, позволяет продумать наполнение архитектуры предприятия как Интересующей системы конкретными компонентами. Одновременно с этим происходит определение необходимого состава и объёма работ на проекте внедрения целевой архитектуры и формируется досье проекта.



Таким образом, применение методики обеспечивает необходимую степень проработки проекта внедрения целевой архитектуры предприятия к моменту запуска такого проекта. Прежде всего, мы запускаем внедрение с полным пониманием того, зачем мы это делаем, какие результаты рассчитывают получить заинтересованные лица, какие инвестиционные цели преследует предприятие и в какой последовательности необходимо двигаться к достижению этих целей. Затем мы последовательно определяемся с целевой архитектурой и её технической реализацией, тем самым минимизировав организационные и технические риски проекта внедрения.

Что в итоге?

Подводя итог, можно утверждать, что прогресс и высококонкурентный рынок заставляет компании адаптироваться и находить новые способы работы. Это, в свою очередь, ведет к переводу большинства процессов в цифровую среду, и только от предприятий зависит, насколько быстро они смогут перейти к формату новой цифровой реальности и не отстать от своих конкурентов. На сегодняшний день рынок может предложить весь спектр цифровых решений, необходимых для реализации подхода MBSE. Более того, ряд компаний, специализирующихся в данной области, готовы предложить методику, которая позволит расставить обоснованные приоритеты среди возможных путей развития предприятия, проработать архитектурные решения и проект внедрения и вывести предприятие на новый технологический уровень. Результатом станет не только возврат инвестиций. Главным эффектом внедрения MBSE является конкурентное преимущество за счёт сокращения сроков и стоимости вывода новой продукции на рынок, и – главное – в силу соответствия наиболее актуальным требованиям рынка и стейкхолдеров.