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

Окончание таблицы 2.4

2.4.3 Ключевые требования

Многие проектные организации применяют концепцию главных (ключевых) требований, в особенности на уровне заинтересованных сторон [3, 10]. Эти требования, известные как ключевые требования пользователей (KUR – Key User Requirements) или ключевые показатели эффективности (KPI – Key Performance Indicators) [11], представляют собой небольшое подмножество требований, выделенных из общей совокупности требований, предъявляемых к системе в целом.

Смысл принципиальной основы выбора ключевых требований заключается в том, что, проектируя систему, нужно думать не о том, что может быть реализовано или пригодится, а о том, без чего пользователь не сможет обойтись.

Для каждого ключевого требования должен быть получен уверенный отрицательный ответ пользователя или заказчика системы на вопрос: «Если предлагаемое решение не предоставляет мне эту возможность, сохраняется ли моё намерение

200

заплатить за него?» или на вопрос: «Если система не выполняет эту функцию, сохраняется ли для меня необходимость в её приобретении?».

При таком подходе ключевыми становятся только совершенно необходимые, обязательные требования.

Насколько это возможно, каждое ключевое требование должно быть выражено в количественной формес помощью показателей, связанныхс функциональными характеристиками системы. В таком случае ключевые требования могут быть использованы в качестве KPI для предварительной оценки альтернативных предложений по требованиям или в качестве сводки важнейших статистических показателей, характеризующих развитие проекта.

2.4.4 Критерии развития, показатели качества и недостатки

технических объектов

Критерии развития. В настоящее время разработаны многие показатели оценки ТО [1, 8]. Показатели – это данные, по которым можно судить о развитии, ходе, состоянии чего-нибудь.

Примерами могут служить производительность, затухание во времени переходного процесса, силовой режим, характеристики напряженного состояния и виброустойчивость, мощность, долговечность, стабильность, надежность, быстродействие, частотный спектр, масса, коэффициент полезного действия, герметичность и т.д.

Среди параметров и показателей, характеризующих любой ТО, всегда есть один или несколько таких, которые на протяжении длительного времени (иногда всей истории существования рассматриваемого класса ТО) имеют тенденцию монотонного изменения (улучшения) до достижения предельного значения. Эти показатели всеми осознаются как мера совершенства вследствие прогрессивности, и они оказывают очень сильное влияние на развитие некоторых классов ТО и техники в целом. Такие параметры и показатели называются критериями развития ТО.

Поскольку любой ТО, как правило, имеет несколько критериев развития, то принцип прогрессивного развития для каждого нового поколения ТО заключается в улучшении одних и неухудшении других критериев.

Наряду с критериями развития существуют ещё показатели качества (критерии качества) ТО, к ним в первую очередь относятся критерии развития и параметры, определенное изменение которых может приводить к улучшению качества и эффективности этого ТО. Кроме того, показатель качества позволяет выбрать из двух альтернативных вариантов ТО или их описаний лучший вариант при равенстве или эквивалентности других показателей.

Наборы критериев развития для различных классов ТО в значительной степени совпадают, поэтому в целом развитие техники в большой мере подчинено, можно сказать, единому набору критериев, определяющих его [8, 12]. На рисунке 2.13

201

показана систематика основных критериев развития ТО, реализующих различные функции [1].

Рисунок 2.13 – Систематика критериев развития технических систем

Этот единый набор, как следует из рисунка 2.13, делится на четыре группы критериев:

1)функциональные критерии, характеризующие важнейшие показатели реализации функции ТО;

2)технологическиекритерии, связанныетолькос возможностью и простотой изготовления ТО;

3)экономическиекритерии, определяющиетолькоэкономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО;

4)антропологические критерии, связанные с оценкой степени соответствия и приспособления ТО к человеку(дискомфорт, эмоциональность, степень исключения вредных и опасных воздействий или, наоборот, воздействия положительных факторов ТО на человека).

В таблице 2.5 приведены примеры показателей производительности ТО [13].

Таблица 2.5 – Примеры показателей производительности технического объекта

202

В таблице 2.6 приведены примеры показателей эффективности ТО [13].

Таблица 2.6 – Примеры показателей эффективности технического объекта

Каждый ТО, особенно несколько объектов, составляющих сложную систему, оценивается комплексом показателей, которые в целом характеризуют процесс её жизнедеятельности [1].

Для определения показателей сложной системы выясняется связь ее свойств с факторами, их вызывающими. Результатом измерения воздействий факторов являются значения параметров. Например, для определения показателя массы следует выяснить связь между объёмом и габаритами элементов системы. Параметрами здесь будут линейные размеры и конфигурация элементов.

Перечень параметров элементов сложных систем огромен, что связано с разнообразием элементов и самих систем. Вследствие этого они трудно поддаются классификации. Однако можно выделить наиболее часто встречающиеся типы параметров. Параметры делят на размерные и безразмерные (относительные), абсолютные

иудельные, традиционные и нетрадиционные.

Котносительным или удельным показателям можно отнести коэффициент полезного действия, коэффициент усиления, фактор обратной связи, коэффициент технологичности, удельную материалоемкость или энергоемкость ЭРЭС.

Ксамым распространенным относятся следующие параметры ЭРЭС:

–напряжение питания, В;

–ток питания, А;

–потребляемая мощность, Вт;

–масса, кг;

–габариты, м3;

–несущая частота, Гц;

–ширина частотного спектра сигнала, Гц;

–период импульсной последовательности, с;

–длительность импульса, с;

–начальная фаза сигнала, град;

–скорость передачи данных, бит/с.

203

Часть нетрадиционных параметров становится известна разработчикам в ходе испытаний ЭРЭС в экстремальных режимах или при измерении средствами повышенной точности.

Другая часть нетрадиционных параметров разработчикам неизвестна. Возможно, что они даже не подозревают об их существовании.

Сформулируем условия и требования, которым должны удовлетворять параметры, относящиеся к критериям развитияТО, т.е. определим условия и требования, с помощью которых для любого класса ТО можно выделить критерии развития.

Условие измеримости. За критерии развития могут быть приняты только такие параметры ТО, которые допускают возможность количественной оценки по одной из шкализмерений: шкале отношений, интервалов или порядка. Предпочтение отдается шкале отношений, но если она неприемлема, то шкале интервалов и в последнюю очередь шкале порядка.

Условие сопоставимости. Критерий должен иметь такие единицы измерения, которые позволяют сопоставлять ТО для разных времен и стран. Лучше всего подходят безразмерные и удельные величины, с помощью которых можно сопоставлять ТО соответственно с различными функциями и с одинаковой функцией или близкими функциями.

Условие исключения. За критерии могут быть приняты такие параметры ТО, которые в первую очередь характеризуют его эффективность и оказывают определяющее влияние на его развитие. Если эти параметры не принимать во внимание при создании новых поколений ТО, то может произойти:

–нежелательное направление развития рассматриваемого класса ТО;

–полное отсутствие развития;

–недостаточное удовлетворениепотребностей человека (пользователя) илиполное неудовлетворение.

Условие постоянства. За критерии могут быть приняты такие параметры ТО, для которых всегда имеет место условие исключения.

Условие минимальности и независимости. Вся совокупность критериев разви-

тия должна содержать только такие, которые не могут быть логически выведены из других критериев или не могут быть их прямым следствием.

После выделения набора критериев развития для интересующего класса ТО необходимо дать описание каждого критерия. Такое описание включает следующие сведения.

1. Сущность критерия, время и причины его возникновения.

2. Формулу или способ измерения критерия, включая указание шкалы или единицы измерения.

3. Диапазон и характер изменения значений критерия во времени. 4. Оценку степени общности критерия по трехбалльной шкале:

а) если критерий имеет отношение к рассматриваемому классу, то с одинаковыми или близкими функциями;

б) если критерий имеетотношениекнесколькимклассам, тосразличнымифункциями, но объединёнными общими свойствами;

204

в) критерий имеет отношение к ТО с любой функцией.

Оценка степени общности критерия указывает на возможности заимствования улучшенных технических решений из других областей техники.

5.Оценку изменения относительной значимости (актуальности) критерия в прошлом и обозримом будущем по трёхбалльной шкале:

а) актуальность возрастает; б) актуальность остается неизменной; в) актуальность снижается;

6. Основные способы и средства улучшения критерия.

Выбор критерия. Одним из центральных этапов проектирования является количественная оценка альтернатив, поэтому важно выбрать соответствующий критерий, выраженный в терминах цели системы. Назначение критерия состоит в том, чтобы установить предпочтительный вариант технического решения при решении многовариантных задач в процессе проектирования.

При решении несложных задач обычно стремятся использовать один критерий (надежность, стоимость, КПД, ресурс и т.п.). Однако многие реальные задачи, возникающиепри проектировании, являются многокритериальными. В этихслучаях состояние одних и тех же структурных составляющих одной и той же системы оценивают несколькими критериями.

Например, РЭС оценивают по критериям надежности, массы и стоимости. В этом случае, стремясь к обеспечению требуемой надежности, делают многократное резервирование отдельных компонентов и подсистем, что приводит к возрастанию массы и стоимости всего РЭС. В то же время, стремясь к снижению массы и стоимости, делают выбор соответствующей электронной компонентной базы, что может привести к уменьшению надежности РЭС.

Многокритериальную задачу можно привести к однокритериальной путем выделения главного критерия. При этом возникают два основных затруднения: во-первых, необходимо выделить главный критерий, по которому будут определять оптимальные значения параметров; во-вторых, перевести остальные критерии в класс ограничений. Такой путь приводит к снижению точности решения задачи, поэтому выбор главного критерия необходимо провести с минимально возможным ущербом для точности решения исходной задачи.

Известны и другие методы решения многокритериальных задач, которые базируются на оценке значимости каждого критерия для оценки состояния структурных составляющих и всей системы в целом. Значимость каждого критерия можно оцениватьна основебалльногометода, который неотличается высокой точностью, нодаёт возможность получить обобщённую оценку состояния системы. На рисунке 2.14 приведена схема оценки состояния системы разными характеристиками.

Выбрать одну из них для оценки состояния системы не представляется возможным, так как все являются важными. По этой причине используют метод приведенного обобщённого критерия. Основой этого метода является принцип взвешенных

205

характеристик, который предусматривает введение коэффициентов, отражающих значимость каждой характеристики. Сложность метода заключается в установлении значений этих коэффициентов.

Рисунок 2.14 – Оценка состояния технической системы

Впрактике проектирования одну из главных характеристик объекта выбирают

вкачестве критерия оптимальности. Затем выбирают варьируемые параметры,

внаибольшей степени влияющие на характеристики оптимизируемого объекта, после чего устанавливают пределы значений остальных характеристик ТО.

При проектировании обычно стремятся найти такие параметры, которые обеспечат желаемые значения сразу нескольких характеристик. В первую очередь интересуются не поиском экстремума одной целевой функции, а достижением решения, удовлетворяющегосразунесколькимтребованиям.Поэтомуприпроектированиицелесообразно вести работу в два этапа. На первом этапе определяют параметры, обеспечивающие заданные характеристики объекта. На втором этапе улучшают конструкцию по отдельным характеристикам или по одной характеристике, принятой за критерий оптимальности.

Например, при проектировании системы GPS, устанавливаемойнакосмических спутниках связи и навигации, прежде всего решают вопросы обеспечения точности определения местоположения наземных прием- никовGPS-сигнала. После обеспечения этойхарактеристики переходят к оптимизации конструкции по массогабаритным показателям бортовой системы GPS, которые стремятся привести к минимуму, или по энергетическому КПД системы, который стремятся максимизировать.

Показатели качества. Согласно ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения» под качеством продукции понимается совокупность её свойств, обусловливающих степень пригодности удовлетворять определённые потребности применительно к назначению. Техническая эффективность (качество) характеризуется рядом показателей, которые выступают

206

как мера совершенства и прогрессивности и в обобщённом виде называются критериями развития.

К показателям качества, кроме критериев развития, относятся параметры, изменение которых может приводить к улучшению качества и эффективности ТО. Показатель качества позволяет выбрать из двух альтернативных вариантов ТО или их описаний лучший вариант при равенстве или эквивалентности других показателей. Показатели технической эффективности – это реализованные критерии развития. Показатели качества представлены на рисунке 2.15. Сравнение критериев развития и показателей качества свидетельствует, что они во многом накладываются друг на друга.

Рисунок 2.15 – Показатели качества технического объекта

Назовем основные группы показателей, которые учитываются при проектировании ТО или ТС.

Геометрические: длина, ширина, высота, площади, занимаемые конструкцией в плане, и площади сечений, объем, форма.

Физико-механические: масса конструкции и отдельных её элементов, материалоемкость, прочностныеи иныекачества используемых материалов (в том числе новых), коррозионная стойкость и т.д.

Энергетические: вид энергии и мощность, КПД и т.д. Конструкторско-технологические: технологичность изготовления ТО, его

транспортабельность, жесткость, а также соотнесение к техническому решению таких факторов, как защищенность от вредных воздействий среды, сложность или простота изготовления и др.

207

Надёжность и долговечность: данные чисто технического характера – техническаянадежность, долговечность, нечувствительностьквреднымвоздействиямсреды (все, что связано с участием человека в работе, вынесено в группу показателей).

Эксплуатационные: производительность, точность и качество работы ТО, стабильностьегопараметров, степеньспециализации (универсальности), степеньготовности к работе, эргономичность, степень комфорта и т.д.

Экономические: себестоимость ТО и отдельных его элементов, трудозатраты на производство и эксплуатацию, расходы, потери и т.д.

Степень стандартизации и унификации.

Удобство обслуживания ибезопасность: все, чтосвязанос охраной труда и тех-

никой безопасности, эргономикой и инженерной технической психологией, удобством работы, контролем и ремонтом, требованиями комфорта (шум, вибрации, влажность, температура, запыленность, освещенность); сюда же входит все, что связано с участием человека в обслуживании ТО.

Художественно-конструкторские: все показатели, которые, с одной стороны, придают ТО высокие художественно-конструкторские достоинства (тектоничность, масштабность, цельность, гармоничность, пропорциональность и др.), а с другой – позволяют рассматривать ТО как промышленный образец.

Последняя группа показателей дополнительно разворачивается для ЭРЭС в классификационную карту оценки их художественно-конструкторских качеств. В карте с целью облегчения и систематизации процесса анализа критерии оценки можно объединить в три группы: композиционное совершенство, показатели товарного вида и эргодизайнерские показатели (таблица 2.7) [2].

Таблица 2.7 – Критерии оценки художественно-конструкторских качеств ЭРЭС

208

На каждом этапе проектирования и производства ЭРЭС проводится оценка ху- дожественно-конструкторских показателей. При этом используются четыре вида оценки:

–правовая защита оригинальности конструкции ЭРЭС;

–количественная оценка эстетических и эргономических показателей;

–качественная оценка;

–приёмка опытных образцов и установочных партий на этапе авторского надзора.

Оригинальность художественно-конструкторскогорешения ЭРЭС дает правона авторскую защиту его в качестве промышленного образца, что учитывается при аттестации и сертификации изделия. Патентованию подлежит аппаратура, которая обладает новым конструкторско-художественным решением, определяющим ее вид, соответствующий требованиям технической эстетики, пригодный к изготовлению промышленным способом и дающий положительный эффект.

Художественно-конструкторское решение признается новым, если по совокупности своих определяющих признаков оно отличается от известных решений. Худо- жественно-конструкторское решение признается соответствующим требованиям технической эстетики, если оно обладает художественной и информационной выразительностью, целостностью композиции, рациональностью формы.

Качество композиции ЭРЭС характеризуется соотношением красоты и пользы (формы и содержания), т.е. гармоничностью. Эстетические показатели качества оцениваются уровнем стилевогорешения формы, еёфундаментальностью и композиционной законченностью, качеством отделки поверхности.

Эргономические показатели качества ЭРЭС оцениваются по удобству обслуживания, его оперативности и безопасности. При качественной оценке художественноконструкторского уровня ЭРЭС в случае сертификации принимают во внимание карты технического уровня, в которых, кроме эстетических и эргономических показателей, учитываются и технико-экономические(функциональные) показатели. Считается, что весомость эстетических и эргономических показателей в комплексном показателе качества составляет около 10%.

Следует отметить, что показатели и их изменения реальны, объективны, а приёмы улучшения субъективны и по своей сути отражают работу человеческого мозга, мышление проектировщика. Конечно, одинаковое решение может быть принято

иобъяснено различными приёмами. Об этом говорит то, что часто независимо друг от друга появляются одинаковые изобретения.

Недостатки ТО. У любого ТО в процессе изготовления и эксплуатации сразу или со временем появляются определенные недостатки (дефекты). Из закона прогрессивной конструктивной эволюции ТО следует, что каждый используемый объект обычно имеет недостатки, устранение которых обеспечивает получение новой улучшенной модификации ТО. Недостатки могут изменяться или появляться вновь с учетом технического прогресса.

Наиболее частые причины появления недостатков заключаются в следующем:

209