Методология системотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств (в двух частях)

написать картину, прежде всего необходимы бумага (холст и т.п.), краски и кисти, но не имеет значения, в каком порядке они будут подготовлены.

Это даёт возможность изменять последовательность или выполнять некоторые действия параллельно.

Внезависимости от того, в каком видевыделяются требования, важноуслышать и усвоить всё, что говорят заинтересованные стороны. В дальнейшем всегда будет существовать возможность доработки их высказываний. Часто возникает необходимость попросить заинтересованные стороны уточнить или более подробно рассказать о том, что они имеют в виду.

Сценарии описывают возможности, предоставляемые будущей системой (в терминах области проблем), в видеиерархической структуры без упоминания оспособе предоставления. Можно выделить следующие преимущества сценариев:

–пошаговое прохождение сценария использования;

–обнаружение пропущенных шагов;

–существования для разных заинтересованных сторон различных сценариев;

–возможность описания хронологии событий.

Характеристики сценариев использованиясистемы. На рисунке2.10показан пример сценария, описывающего использование беспилотного летательного аппарата (БПЛА) среднего класса, который можно перевозить на автомобиле к месту взлета и посадки. Сценарий охватывает всеподробности: погрузкуБПЛАна автомобиль, подготовку, полет и возвращение домой.

Рисунок 2.10 – Пример сценария использования беспилотного летательного аппарата

191

Кроме того, сценарий демонстрирует некоторые другие аспекты:

–хронологию событий в целом;

–узловые точки, в которых предоставляются ключевые возможности;

–возможные альтернативные варианты;

–периодически повторяющееся поведение;

–последовательности, которые не имеют существенного значения (параллельные ветви);

–исключительные ситуации.

Важное значение имеет хронологический порядок выполнения сценария. Это не только создаёт удобную основу для понимания заинтересованными сторонами, но и помогает поместить их требования в контекст процесса.

Важно, чтобы все узловые точки были обозначены как возможности на соответствующем уровне. Использование фразы «возможность…» помогает не думать о возможностях как о функциях (следовательно, избежать углубления в подробности реализации).

Сценарии дают изучать исключительные ситуации. Во многих системах функциональная часть обработки исключительных ситуаций болеесложна, чем требуется для представления основных возможностей заинтересованным сторонам. Заинтересованным сторонам можно задать следующие вопросы об исключительных ситуациях: «Что может пойти не так, как нужно в этом состоянии или что может пойти не так, как нужно при достижении этого состояния?». Восстановительные действия могут быть исследованы и описаны при ответах на вопросы о том, что следует предпринять (или что должно происходить), если всё пошло по неверному пути.

Цель создания сценария – обеспечение взаимопонимания и обмена информацией. Сам по себе сценарий не является требованием, скорее, это структура для получения требований. Сценарий помогает собрать полный комплект требований, охватывая каждый аспект использования в процессе эксплуатации. Ни одна методика моделированиянепретендует на отражениевсех возможных концепций и идей. В моделировании любого действия нет единственно правильного пути. Разные люди разрабатывают и используют различные модели.

2.3.3 Формулировка требований с позиции

уровней иерархии описания технической системы

Здесь речь идёт о необходимом и достаточном наборе требований, при выполнении которых изделие будет иметь допустимую (ожидаемую) работоспособность, эффективность, ремонтопригодность и т.п. Если в таком наборе не будет учтено и выполнено хотя бы одно требование, то в созданном ТО проявится хотя бы один существенный недостаток или данный ТО будет неработоспособен. Отсюда следует важность необходимого и достаточного списка требований, который в инженерных разработках составляет ядро технического задания [8].

192

Как отмечено выше, в процессе проектирования ТО задают и уточняют несколько иерархически взаимосвязанных списков требований, которые соответствуют определённым этапам разработки. При этом каждый последующий список больше предыдущего и включает его в себя.

На этапе разработки технических требований к объекту проектирования удобно ориентироваться на иерархиюописанийТО, каждомууровню которой соответствует свой список требований (СТ) (рисунок 2.11). Дадим краткую характеристику содержания списков требований для каждого типа задач (этапа разработки).

Рисунок 2.11 – Списки требований к уровням описания технической системы

Список требований 1 (СТ 1) включает функциональные требования, т.е. перечень количественных показателей производимого действия, количественных показателей объекта, на который направлено действие ТО, количественных показателей особых условий и ограничений, при которых выполняется действие. К ним в первую очередь относятся вид и показатели используемого преобразования объектов и процессов, особые воздействия окружающей среды и т.п.

СТ 2 может включать дополнительно перечень потоков веществ, энергии, сигналов на входе и выходе ТО или перечень требований и условий к выбору таких потоков; значения физических величин, характеризующих потоки; условия и ограничения на потоки, вызванные взаимодействием ТО с надсистемой и окружающей средой; условия и ограничения на потоки, связанные с их преобразованием внутри ТО. Уточнённый список требований в основном зависит от выбранных потоков на входе ТО.

СТ 3 дополнительно включает наборы требований, аналогичные СТ 1 и СТ 2, но относящиеся к функциональным элементам, из которых состоит ТО. Уточнённый СТ 3 зависит от принятой функциональной структуры.

СТ 4 в дополнение к СТ 1 – СТ 3 составляют для каждого выбранного физического принципа действия отдельно. В СТ 4 входят условия и ограничения, накладываемые на выбор основных материалов, используемых при реализации физико-тех- нических эффектов, а также условия и ограничения, вызванные сопутствующими (дополнительными) воздействиями реализуемых эффектов как на элементы ТО, так и на окружающую среду. Кроме того, СТ 4 может ещё включать ограничения по энергопотреблению, типам преобразований процессов или информации и т.д.

193

СТ 5 дополнительно содержит наборы требований и соответствующих количественных показателей по массе, форме, габаритным размерам и компоновке; выбору используемых элементов, материалов и комплектующих изделий; способам и средствам соединения и связи элементов между собой; управлению и регулированию; безопасности эксплуатации; патентоспособности; лимитной цене и т.д. СТ 5 в большой мере зависит от технического решения.

СТ 6 включает набор требований по выбору оптимальных параметров ТО, запасам прочности, устойчивости, надежности, серийности, технологическому оборудованию, взаимозаменяемости, стандартизации и унификации, условиям эксплуатации, транспортирования и хранения, сроку окупаемости на разработку и освоение и т.д.

Попытку составления общетехнического списка требований в 1950 г. предпринимал Ф. Кессельринг, который составил список, включающий более 700 требований [8]. Даже для того времени это был неполный список, а за прошедшее время число требований в полном списке увеличилось как минимум на порядок. Составление полного списка требований для техники в целом является важной задачей. Однако прежде чем приступить к такой работе, необходимо создать:

–грамматику и синтаксис описания требований для выделения их основных типов по форме описания;

–систематику и классификацию требований по их содержанию.

От решения этих задач в большой мере зависит создание эффективного искусственного интеллекта для автоматизации начальных стадий проектирования.

2.4 Классификация требований и их характеристика

2.4.1 Свойства технических систем

Требования к объекту проектирования – это описание желаемых свойств будущей ТС. Очевидно, что полнота знания свойств ТС системотехником и умение их формулировать являются главными условиями успеха его проектной деятельности на этаперазработки требований к объекту. Поэтомуважночеткоразбираться вовсем многообразии свойств ТС.

При обсуждении ТС часто приходится задавать вопросы, начинающиеся со слов типа «каков» («какой»), например: «Каков смартфон? Каково разрешение его дисплея? Каков объем встроенной памяти? Какова его надежность? Какой он внешне? Какого он цвета?» [9].

Ответ на некоторые из этих вопросов гласит: смартфон имеет разрешение дисплея 1600x900, объём встроенной памяти 256 Гбайт. Все, кто привык к количественным оценкам, согласятся с этим. Однако тот же ответ мог бы прозвучать и так: у смартфона маленькое разрешение экрана; у него большой объем памяти. Такая характеристика уже неоднозначна, она относительна, поскольку неизвестно, какое разрешение экрана понимается под словом «маленькое»: то ли 800 600, то ли

194

2532 1170. Чтобы избежать неопределённости, мы можем вопрос уточнить: «Сколько пикселей имеет экран смартфона?». Вопрос, начинающийся со слова «сколько», очень важен, так как, зная ответ, мы можем дать количественную оценку рассматриваемому свойству, т.е. определить его величину.

Труднее ответить на вопрос, какова надежность этого смартфона? Ответ может быть следующим: он надёжен или ненадёжен. Это, естественно, относительная характеристика, зависящая от того, какими соображениями руководствуется оценивающий. Человек, у которого смартфон в течение 6 месяцев отказал всего раз, будет считать его более надежным, чем смартфон, который он прежде отдавал в ремонт каждую неделю. Ясно, что можно сформулировать определение надежности и тем самым получить количественную оценку этого свойства, т.е. ответить на вопрос «сколько?».

Ещё труднее ответить на вопрос, каков смартфон внешне? В ответ мы услышим, что он красивый, некрасивый, элегантный и т.п. Это очень неопределённая оценка. Надо признать, что не так-то просто определить количественно этот параметр, изменяющийся во времени и обычно определяемый субъективно. Можно такую оценку сделать более определённой, если сравнивать с другим смартфоном. При этом оценка внешнегооблика другогосмартфона будетиметьзначениеобъективногокритерия.

Определённую трудность представляет выбор свойства для характеристики той или иной ТС. О том же самом объекте

– смартфоне – можно, например, спросить: «Какова его операционная система? Каково разрешение фронтальной камеры? Каков его процессор?». По-видимому, подобные вопросы могут возникнуть в разговоре специалистов, так как упомянутые параметры определены для них. Им известно, хорошо это или плохо, если, например, операционнаясистема iOS 14, разрешение фронтальной камеры 6 Мп, процессор Apple A14 Bionic (рисунок 2.12).

Эти примеры лишь в общих чертах обрисовывают проблему свойств ТС и их оценки.

По сути, свойство есть признак объекта (в нашем случае технической системы). Признаком может служить, к примеру, способность вести себя определённым образом или удовлетворять какому-либо тре-

бованию. Через те или иные свойства даётся характеристика ТС. Для объективного анализа важно, чтобы оцениваемые свойства и критерии оценки можно было определить количественно.

Вероятноширокоетолкованиепонятия «свойство», включающеефункцию, производительность, размеры, удобство обслуживания, транспортабельность, технологичность и т.п., вначале будет представлять известные трудности для инженера, однаков процессеболееглубокогоизученияи использованиятакоетолкованиеэтого понятия становится естественным и привычным.

195

Далее следует твердо уяснить, что самое важное, чем можно охарактеризовать ТС, – это наличие у неё желаемых свойств, поскольку ТС является лишь исполнителем необходимой рабочей функции и соответственно предполагаемого поведения.

Во взаимосвязи с функцией находится ряд других свойств: удобство эксплуатации и обслуживания, ремонтопригодность и т.д. Наряду с этим имеется множество свойств, которыми должна обладать ТС, чтобы обеспечивалось желаемое функционирование (например, определённые прочность, габариты, форма).

Заказывая ТС, мы определяем не только то, что она должна делать, но одновременно устанавливаем её желаемые свойства. Как говорилось ранее, на этапе постановки задачи желаемые свойства технической системы называются требованиями.

Такимобразом, чтобы отвечатьпредъявляемымтребованиям,ТС должнавыполнятьжелаемую рабочую функцию и обладать определёнными свойствами.ТС всегда является носителем самых различных свойств, но только мера этих свойств (ценность) имеет решающее значение. Совокупная ценность системы, обладающей многочисленными и разнообразными свойствами, определяется сочетанием оценок все этих свойств.

Для облегчения работы по составлению перечня требований при постановке задачи или проведении сравнительного, оценочного или контрольного анализа мы постараемся классифицировать все свойства по наиболее важным аспектам. Уже здесь необходимо подчеркнуть важность корректной постановки задачи по конструированию ТС. Далее конструктору необходимо понять отношения между свойствами, так как сущность процесса конструирования заключается в выяснении и формировании желаемых свойств системы и отношений между ними [9].

2.4.2 Категории свойств технических систем

Все многочисленные и разнообразные свойства ТС можно классифицировать по различным категориям: по способу установления свойств, по причинной связи, по функциональной зависимости, по возможности количественного определения свойств, по значимости свойств, по физической сущности свойств, по потребности в конструкторской работе. Рассмотрим их подробнее.

Классификация свойств по способу их установления. Различают внешние и внутренние свойства ТС.

Внешние свойства ТС легко установить либо посредством органов чувств, либо с помощью различных вспомогательных средств. К внешним свойствам относятся, например, форма, размеры, цвет. Внутренниесвойствавнешненикакнепроявляются и для их установления приходится прибегать к специальным мерам.

Однако различение свойств ТС только с таких позиций приводит к неточным и относительным результатам. Для более точного определения указанных свойств необходимо исходить из системного принципа, тогда внешние свойства превратятся в отношения системы к её окружению. Внутренние свойства предстанут в качестве отношений между элементами системы и свойствами элементов. Отношения на более низких уровнях принимать во внимание не будем; это свойства отдельных

196

элементов, например свойства материала или электрическиесвойства, которыеопределяются структурой элемента. Пользователя ТС интересуют главным образом внешние свойства.

Классификация свойств по причинной связи. В соответствии с этой классифика-

цией различают входные воздействия (причина) и функции (следствие).

Между входными воздействиями и функциями существуют причинные отношения. Способность разработчика тонко чувствовать различие между причиной и ее следствием относится к числу главных творческих способностей. Ему приходится «конструировать» причины для получения требуемых следствий.

Примеры причинных отношений в ТС: наличие помех на входе радиотракта приемника является причиной малой чувствительности приемного устройства; наличие боковых лепестков диаграммы направленности антенной системы является причиной приема помеховых сигналов с второстепенных направлений; нелинейность амплитудной характеристики усилителя является причиной возникновения нелинейных искажений сигнала и т.д.

Временная последовательность причины и действия проявляется в виде процесса.

Классификация свойств по функциональной зависимости. По функциональной зависимости свойства подразделяются на зависимо изменяющиеся и независимо изменяющиеся.

Вобластях естествознания и техники существует много формул, выражающих взаимозависимости свойств. Так, например, существует зависимость между давлением и уровнем жидкости; прочностью и температурой материала; скоростью движения объекта и его кинетической энергией; плотностью тока и поперечным сечением проводника. Все эти свойства находятся между собой в функциональной зависимости, которая может быть выражена аналитически. Свойства, на которые оказывается влияние, называются зависимымипеременными (например, прочность). Свойства, которые оказывают влияние на другие свойства, называются независимыми переменными (материал, форма, габариты). Одни и те же свойства в различных ТС могут выступать как зависимые или независимые.

Классификация свойств по возможности их количественного определения. По возможности количественного определения свойства ТС могут быть подразделены на определяемые легко; определяемые с трудом; не определяемые количественно.

Втех случаях, когда невозможно оценить свойства количественно, применяется балльная система оценки, т.е. с использованием определенных критериев проводится оценка свойств по возрастающим уровням (классам). Такой метод, бесспорно, дает более точные результаты, чем некая субъективная, большей частью продиктованная эмоциями «оценка», заканчивающаяся обычно выводом «хорошо» или «плохо». Однако и здесь возникает множество неопределённостей, обусловленных,

содной стороны, трудностью определения «цены» балла, а с другой – субъективностью эксперта, дающего оценку.

197

Классификация свойств по их значимости. В этом отношении свойства подраз-

деляются на очень важные (незаменимые), например, функция, безопасность; важные, например надежность, срок службы, цена; менее важные, например отсутствие необходимости в упаковке, возможность длительного хранения; не существенные для функционирования ТС, например внешний вид, цвет.

Не все свойства ТС легко определить с точки зрения их значимости. Кроме того, необходимо учитывать относительность значимости, поскольку значимость тех или иных свойств зависит от обстоятельств. Порой важнейшим свойством оказывается быстрота поставки системы или легкость её демонтажа.

Масса, не имеющая существенного значения, например, для радиолокатора обзора летного поля, является важнейшим параметром для бортового радиолокатора системы предупреждения столкновений. Поэтому значимость различных свойств нужно тщательно анализировать в каждом конкретном случае.

Классификация свойств по их физической сущности. Свойства можно класси-

фицировать по их физической сущности следующим образом:

а) геометрические (ширина, высота, длина, симметрия, форма, межосевое расстояние, угол и т.д.);

б) кинематические (скорость, ускорение и т.д.); в) механические(прочность, упругость, прогиб, герметичность и т.д.);

г) тепловые (нагрев, теплопроводность, тепловые потери, теплоизоляция и т.д.); д) электрическиеи магнитные(ёмкость, напряжение, сопротивление, электриче-

ская проводимость и т.д.); е) оптические (фокусное расстояние, преломление, отражение, поляризация и

т.д.)

ж) акустические (поглощающая способность, эхо, шум, звуковая частота); з) химические (химическая активность, концентрация, коррозия, химическое

сродство и т.п.).

Классификация свойств по их физической сущности соответствует структуре технических наук. Приведенный перечень категорий свойств наглядно иллюстрирует пестроту и многообразие свойств ТС.

Прежде чем перейти к следующим способам классификации, посмотрим, помог ли описанный подход достичь поставленной цели – облегчить деятельность разработчика. Наиболее существенное, что можно выделить в приведённой до сих пор классификации свойств, – раскрытие отношений между свойствами. Прежде всего это касается первых трёх способов классификации. Классификация свойств по их физической сущности демонстрирует многообразие свойств ТС.

Разумеется, ни одного из приведённых способов классификации недостаточно для полной характеристики свойств, что необходимо для методической работы проектировщика. Нельзя забывать, что такая характеристика должна не только быть применимой к свойствам любых ТС (от детали до системы систем (предприятия)), но и учитывать технический, экономический, эргономический, манипуляционный, социальный, психологический, физиологический, юридический и другие аспекты. В [9] приводится следующий перечень групп возможных свойств:

198

1)количественные (параметры);

2)геометрические;

3)механические;

4)тепловые;

5)электрические и магнитные;

6)оптические;

7)акустические;

8)химические;

9)производственные и монтажные;

10)эксплуатационные.

Группы 2–8 соответствуют областям знаний, а группы 1, 9 и 10 сформированы по другим принципам. Хотя этот перечень охватывает далеко не все свойства, он свидетельствует о широком спектре свойств технических систем.

Классификация свойств по потребности в конструкторской работе. Пример-

ный перечень свойств соответствующих категорий дан в таблице 2.4, где вопросы призваны помочь выявлению содержания категории, а примеры – облегчить понимание.

Таблица 2.4 – Классификация свойств технических систем по потребности в конструкторской работе

199