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

6.Одна из наиболее часто допускаемых ошибок состоит в том, что инженерию требований считают обособленным этапом, который осуществляется и завершается на начальной стадии разработки продукции.

7.Требования существуют на каждом из иерархических уровней: перечень потребностей, требования заинтересованных сторон, требования к системе в целом, требования к подсистемам, требования к элементам подсистем.

8.Требования, порожденные одним процессом, становятся исходными требованиями для другого процесса.

9.При формулировании требований к объектупроектированиянеобходимопринимать вовниманиеособенности эволюции потребностей заинтересованных сторон, законы и закономерности развития технических систем на всех уровнях иерархии ЭРЭС, спецификустадий жизненногоцикла технических систем и уровней иерархии их описаний.

10.Одним из базовых механизмов структурирования при обсуждении требований к возможностям ТС является сценарий её функционирования или использования. Этот сценарий порождает структуру, которая иерархически упорядочена во времени.

11.Смысл принципиальной основы выбора ключевых требований заключается

втом, что, проектируя систему, нужно думать не о том, что может быть реализовано или пригодиться, а о том, без чего пользователь не сможет обойтись. При таком подходе ключевыми становятся только совершенно необходимые, обязательные требования.

12.Насколько это возможно, каждое ключевое требование должно быть выражено в количественной форме с помощью показателей, связанных с функциональными характеристиками системы.

13.Целесообразно вести проектирование 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.

14.Для каждого сформулированного требования должен существовать способ подтверждения его выполнимости в результате проектирования ТО.

15.Расширенная прослеживаемость позволяет повысить уверенность в том, что требования удовлетворены. В основе этой уверенности лежит установленный порядок сбора и определения обоснований, связанных с прослеживаемостью.

16.Прослеживаемость является богатым источником метрик для численных оценок процесса. Фактически, это формализация связей в процессе прослеживаемости и связанных с ней процессов, которая делает возможными подобные измерения.

17.Техническое задание – это первый и весьма важный технический документ для проектирования ТС с разработкой соответствующей документации, предназначенный для определения цели проектирования и обоснования направления поиска.

18.ТЗ составляется на основе результатов научно-исследовательских и экспериментальных работ, научного прогнозирования, анализа передовых достижений отечественной и зарубежной промышленности.

240

Контрольные вопросы

1.Как осуществляется постановка задачи формулирования требований к объекту проектирования?

2.Что такое инженерия требований?

3.Каковы требования, формулируемые к требованиям?

4.Как соотносятся требования и жизненный цикл технической системы?

5.В чем специфика формулировки требований с позиции эволюции потребностей стейкхолдеров?

6.В чем специфика формулировки требований с позиции законов развития технических систем?

7.В чем специфика формулировки требований с позиций участников стадий жизненного цикла технических систем?

8.В чем специфика формулировки требований с позиции уровней иерархии описания технической системы?

9.По каким основаниям осуществляется классификация требований?

10.Что такое свойство технической системы?

11.Как связаны понятия «свойство» и «признак» объекта?

12.Как соотносятся понятия «свойства», «характеристики»и «требования»для

объекта?

13.Что такое категории свойств технической системы?

14.Как расшифровывается аббревиатура KPI?

15.Как расшифровывается аббревиатура KUR?

16.Как соотносятся недостатки техническогообъекта стребованиями кегомодернизированной версии?

17.Что такое прослеживаемость требований?

18.В какой форме представляются требования к объекту проектирования?

19.Каковы критерии обоснования достижимости технических требований?

20.Как связаны понятия «технические характеристики» изделия и «технические требования» к объекту проектирования?

Упражнения

1.Сформулируйте общие требования к объекту проектирования с позиций участников разных этапов и стадий жизненного цикла технической системы (не менее 10 требований по каждой позиции): исследователя, системотехника, схемотехника, программиста, конструктора, технолога, специалиста по эксплуатации, специалиста по утилизации технического объекта.

2.Выберите из приложения 4 ЭРЭС и разработайте ТЗ на его проектирование. Докажите выполнимость каждого технического требования для конкретного ЭРЭС.

3.Выберите одноиз требований на рисунке2.16, проведитеисследованиеи выясните, как обосновать выполнимость этого требования.

241

4.Опишите свойства интересующего вас объекта искусственного или естественного происхождения и проведите их классификацию.

5.Используя метод интервью, проведитеопрос своихблизких, друзей и сокурсников, насколько их требования к бытовой технике удовлетворяются конкретными моделями используемых ими технических средств.

6.Учитывая специфику эволюции потребностей стейкхолдеров, спрогнозируйте эволюцию требований к ноутбуку, мобильному телефону, телевизору, mp3плееру, беспроводным наушникам, домашней стереосистеме.

7.Учитывая законы развития технических систем, спрогнозируйте эволюцию свойств и технических характеристик радиотелефона, банкомата, игровой приставки, гитарной приставки «Overdrive», «умных» электронных часов, робопылесоса, автомобильного парковочного радара, системы GPS.

8.Проведите классификацию свойств технических систем.

9.Придумайтеи сформулируйтенескольконовых илинесуществующих, нополезных для пользователя свойств технических систем.

10.Выявите несколько вредных свойств технических объектов, которыми вы регулярно пользуетесь, и предложите способы их устранения.

11.Приведите к категориям свойств основные вопросы и примеры.

12.Сформулируйтенеменее10 общих вопросов опроектируемой технической системе с точки зрения разных заинтересованных сторон.

13.Приведите примеры каждого ЗРТС к разным РЭС. Проследите исторический путь развития конкретных классов РЭС.

14.Постройте генеалогическое дерево развития радиоприемников, начиная с первой разработки и заканчиваянастоящим временем, и сопроводитекраткой справкой по истории развития данного типа устройств. Проследите за эволюцией используемых физических принципов действия, технических решений и параметров (технических характеристик). Для этого используйте схему на рисунке 1.16. Подберите фотографии представителей каждого поколения радиоприемных устройств и оформите по аналогии с рисунком 1.10. Результаты зафиксируйте в doc-файле и выступите с докладом на семинаре.

15.Постройте генеалогическое дерево развития радиопередатчиков, начиная с первой разработки и заканчиваянастоящимвременем, и сопроводитекраткой справкой по истории развития данного типа устройств. Проследите за эволюцией используемых физических принципов действия, технических решений и параметров (технических характеристик). Для этого используйте схему на рисунке 1.16. Подберите фотографии представителей каждого поколения радиопередающих устройств и оформите по аналогии с рисунком 1.10. Результаты зафиксируйте в doc-файле и выступите с докладом на семинаре.

16.Постройтегенеалогическуюлиниюразвитияэлектронныхвычислительных машин (ЭВМ), начиная с первой разработки и заканчивая современными компьютерами и вычислительными системами, и сопроводите краткой справкой по истории развития данного типа устройств. Проследите за эволюцией используемых физических принципов действия, технических решений и параметров (технических харак-

242

теристик). Для этого используйте схему на рисунке 1.16. Подберите фотографии представителей каждого поколения ЭВМ и оформите по аналогии с рисунком 1.10. Результаты зафиксируйте в doc-файле и выступите с докладом на семинаре.

17.Постройте генеалогическую линию развития телефонов, начиная с первой разработки и заканчивая настоящим временем, и сопроводите краткой справкой по истории развития данного типа устройств. Проследите за эволюцией используемых физических принципов действия, технических решений и параметров (технических характеристик). Для этого используйте схему на рисунке 1.16. Подберите фотографии представителей каждого поколения телефонных аппаратов и оформите по аналогии с рисунком 1.10. Результаты зафиксируйте в doc-файле и выступите с докладом на семинаре.

18.Выберите ЭРЭС. Задайте условия его эксплуатации. Назовите 2–3 главных параметра, определяемых этими условиями. Свой выбор обоснуйте (например, в условиях длительного и автономного существования РЭС, устанавливаемых на автономных глубоководных аппаратах, главным параметром будет энергопотребление

иКПД).

19.Выявитенедостатки своих гаджетов и сформулируйтетребования кпревосходящим их по этим параметрам прототипам.

20.Проанализируйте сценарии использования технических средств из следующего списка:

– мобильный телефон;

– телевизор;

– радиоприемник;

– фотоаппарат;

– видеокамера;

– радиолокатор;

– приемник GPS;

– дозиметр;

– радиомаяк;

– робопылесос;

– аудиоплеер;

– акустическая система;

– электронные весы;

– рация;

– автомобильная сигнализация;

– монитор компьютера;

– ноутбук;

– стиральная машина.

Как можно усовершенствовать сценарий использования в каждом случае?

243

Рекомендуемая литература

1.Мизгулин В. Системный инженер. Как начать карьеру в новом технологическом укладе / В. Мизгулин. – ЛитРес: Издательские решения, 2017. – 109 с.

2.Акоф Р. Основы исследования операций / Р. Акоф, М. Сасиени ; пер. с англ. В.Я. Алтаева ; под ред. И.А. Ушакова. – М. : Мир, 1971. – 532 с.

3.Быков В.В. Исследовательское проектирование в машиностроении / В.В. Быков, В.П. Быков. – М. : Машиностроение, 2011. – 256 с.

4.Новиков А.М. Методология / А.М. Новиков, Д.А. Новиков. – М. : Синтег, 2007. – 668 с.

5.Меерович М.И. Теории решения изобретательских задач / М.И. Меерович, Л.И.Шрагина.–Минск:Харвест,2003.–428с.(Библиотекапрактическойпсихологии.)

6.Шпаковский Н.А. ОТСМ-ТРИЗ: подходы и практика применения : учеб. пособие / Н.А. Шпаковский. – М. : ИНФРА-М, 2020. – 504 с.

7.ЗангерГ. Электронныесистемы:теорияи применение/ Г. Зангер; пер. сангл. Е.А. Афанасьевой, В.Л. Саввина, О.А. Соболевой ; под ред. М.Д. Карасева. – М. :

Мир, 1980. – 392 с.

8.Конструкторско-технологическоепроектированиеэлектронной аппаратуры : учеб. для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева [и др.] ; под общ. ред. В.А. Шахнова. – 2-еизд., перераб. и доп. –М. : Изд-воМГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.

–568 с.

9.Справочникпоприкладной эргономике/ пер. сангл.Т.П. Бурмистровой ; под ред. В.М. Мунипова. – М. : Машиностроение, 1980. – 216 с.

10.Бобнева М.И. Техническая психология / М.И. Бобнева. – М. : Наука, 1966.

–127 с.

11.Тьялве Э. Краткий курс промышленного дизайна / Э. Тьялве. – М. : Машиностроение, 1984.

12.Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование / О.П. Глудкин [и др.]. – М. : Радио связь, 1987. – 270 с.

13.Маквецов Е.Н. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры / Е.Н. Маквецов, А.М. Тартаковский. – М. : Радио и связь, 1993. – 200 с.

14.Норман Д.А. Дизайн привычных вещей : пер. с англ. / Д.А. Норман. – М. : Издательский дом «Вильямс», 2006. – 384 с.

15.Ханзен Ф. Основы общей методики конструирования (Систематизацияконструирования) / Ф. Ханзен. – Л. : Машиностроение, 1969. – 164 с.

16.ХиллП. Наука и искусствопроектирования. Методы проектирования,научное обоснование решений / П. Хилл ; пер. с англ. Е.Г. Коваленко ; под ред.

В.Ф. Венды. – М. : Мир, 1973. – 265 с.

17.Джонс Д. Методы проектирования / Д. Джонс. – М. : Мир, 1986.

18.Холл А.Д. Опыт методологии для системотехники / А.Д. Холл ; пер. с англ. под ред. Г.Н. Поварова. – М. : Советское радио, 1975. – 448 с.

19.Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств : учеб. для радиотехнич. спец. Вузов / А.П. Ненашев. – М. : Высшая школа, 1990. 432 с.

20.ISO/IEC/IEEE 29148:2011. Системная и программная инженерия. Процессы жизненного цикла. Инженерия требований.

244

Список литературы

1.Ярушин С.Г. Проектирование нестандартного оборудования : учеб. / С.Г. Ярушин, А.Г. Схиртладзе. – 2-е изд, перераб. и доп. – Пермь : Пермский гос.

техн. ун-т, 2004. – 440 с.

2.Конструкторско-технологическоепроектированиеэлектронной аппаратуры : учеб. для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева [и др.] ; под общ. ред. В.А. Шахнова. – 2-еизд., перераб. и доп. –М. : Изд-воМГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.

–568 с.

3.Dick J. Requirements engineering / J. Dick, E. Hull, K. Jackson. – 4-th ed. – Springer International Publishing Switzerland, 2017. – 252 p.

4.Шамие К. Системная инженерия для «чайников» / К. Шамие. – John Wiley & Sons, 2014. – С. 55.

5.IEEE-STD-1220-1998 (Стандарт IEEE 1998).

6.Кривин Н.Н. Введение в методологию системо- и схемотехнического проектирования электронных и радиоэлектронных средств : учеб. пособие для бакалавриата, специалитета и магистратуры / Н.Н. Кривин. – Томск : Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2020. – 250 с.

7.Хорошев А.Н. Основы системного проектирования технических объектов /

А.Н. Хорошев. – М., 2011. –125 с.

8.Половинкин А.И. Основы инженерного творчества : учеб. пособие для студентов втузов / А.И. Половинкин. – М. : Машиностроение, 1988. – 368 с.

9.Хубка В. Теория технических систем / В. Хубка ; пер. с нем. В.В. Ачкасова, Н.И. Зуек, Е.Б. Матвеевой ; под ред. К.А. Люшинского. – М. : Мир, 1987. – 209 с.

10.ISO/IEC/IEEE 29148:2011. Системная и программная инженерия. Процессы жизненного цикла. Инженерия требований.

11.Марр Б. Ключевые показатели эффективности. 75 показателей, которые должен знать каждый менеджер / Б. Марр. – М. : Бином. Лаборатория знаний, 2014.

–340 с.

12.Мюллер И. Эвристические методы в инженерных разработках : пер. с нем. / И. Мюллер. – М., 1984.

13.Алексеев В.П. Системная технология инженерного проектирования РЭС в дипломировании: учеб. пособие/ В.П. Алексеев, Д.В. Озёркин. –Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2012. – 97 с.

14.Федоров В.К. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств / В.К. Федоров, Н.П. Сергеев, А.А. Кондрашин. – М. : Тех-

носфера, 2005. – 504 с.

15.Системная инженерия. Принципы и практика / А. Косяков, У. Свит [и др.] ; пер. с англ. под ред. В.К. Батоврина. – М. : ДМК Пресс, 2014. – 624 с.

16.Якокка Л. Карьера менеджера / Л. Якокка. – М. : Попурри, 2007. – 544 с.

17.Николенко В.Ю. Базовый курс системной инженерии : учеб. пособие / В.Ю. Николенко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М., 2018. – 330 с.

245

3 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДЕЛЬЮ «ЧЕРНОГО ЯЩИКА»

Системой является все, что мы хотим различать как систему.

Б. Гейне

3.1 Постановка задачи

После того как общие требования к объекту проектирования сформулированы, системотехник должен определить границу мира вещей, интересных в данной задаче, и границу между проектируемой системой и её окружением. С этой точки зрения всю работу, рассмотренную в предыдущем разделе, можно назвать определением граничных условий. Кроме того, существуют граничные условия, именуемые

ограничениями [1].

Ограничения включают все остальные пределы, сужающие область осуществимых, приемлемых или допустимых решений и фиксирующие многие внешние

ивнутренние свойства системы.

Вобширную область граничных условий входят:

–тип ситуации: требует ли она новой физической системы, нового или видоизмененного метода эксплуатации, ремонта, проектирования или производства физических систем;

–направление проектирования, вытекающее из потребности: расширение функции, улучшение технических характеристик, снижение стоимости, улучшение внешних качеств или какая-либо комбинация этих задач;

–грубая оценка степени риска, с которой может согласиться руководство: желаетли оноболеетесногоприспособленияксуществующемуокружениюилипрорыва к новым возможностям;

–ожидаемое воздействие создаваемой системы на другие области или на весь бизнес;

–современные знания относительно совокупного окружения, в частности наличие технологии;

–точка зрения всех классов потребителей относительно желательных свойств системы, стоимости и т.п.;

–знания и опыт системотехников и разработчиков систем;

–вид потребности, изолирована ли она или взаимодействует с другими потребностями;

–частота потребности: можно ли удовлетворить клиента раз и навсегда или его потребность периодическая;

–острота потребности и пределы времени для принятия решения;

–физические пределы или допуски на габариты, вес, скорость и пропускную способность.

246

На данном шаге необходимо проанализировать, какие связи имеются у ТС со средой, исследовать их, описать и формализовать. Лучшим инструментом для этого является модель «черного ящика».

Перейдемк описаниюобъекта проектированияна уровнецелевой функции (ЦФ) и технической функции (ТФ) согласно иерархии его описаний (см. рисунок 1.2).

Исходными данными для представления объекта проектирования моделью «черного ящика» являются общие требования технического задания на проектирование ЭРЭС.

Результатом выполнения данного шага алгоритма системотехнического проектирования ЭРЭС будет всестороннее описание «черного ящика» (тип задачи, определение количества входов и выходов «черного ящика» и их характеристика, описание целевой и технической функций «черного ящика»), а также дополненные при необходимости требования технического задания.

3.2 «Черный ящик» как элементарная модель

технической системы

3.2.1Определение «черного ящика»

Впроцессе разработки технической системы проектировщику важно на основе имеющихся требований к объекту проектирования создать точный образ будущего изделия. Первым шагом на этом пути является построение простейшей модели технической системы в виде образа «черного ящика» [1].

Любая деятельность человека носит целенаправленный характер. Если цели, которые ставит перед собой человек, не достигаются только за счет его собственных возможностей или внешних средств, имеющихся у него в данный момент, то такое стечение обстоятельств называется проблемной ситуацией.

Проблемность существующего положения осознается в несколько стадий: от нужды, т.е. смутного ощущения, что что-то не так, к осознанию потребности, затем

квыявлению проблемы и, наконец, к формулировке цели.

Цель – это субъективный образ (абстрактная модель) не существующего, но желаемого состояния среды, которое может решить возникшую проблему. Система есть средство достижения цели, средство решения проблемы (таблица 3.1). Без проблемы нет системы. Однако соответствие цели и системы неоднозначно: в чем-то разные системы могут быть ориентированы на одну цель; одна система может иметь (и, как правило, имеет) несколько разных целей.

Согласно определению «чёрный ящик» представляет собой модель, характеризующую назначение (целевую функцию)10 системы и игнорирующую ее внутреннее

10 В общем случае у «черного ящика» несколько входов и несколько выходов. Функция, преобразующая главный вход в главный выход, называется целевой функцией «черного ящика» ихарактеризует назначение (целевую функцию или главную полезную функцию) ТС.

247

устройство, т.е. состав и структуру этой системы (рисунок 3.1). Слово «черный» подчеркивает полное отсутствие сведений о внутреннем содержании «ящика», так как заранее проектировщик не может знать эти сведения. Если описывать степень информационной осведомленности проектировщика относительно технических свойств объекта проектирования в оттенках серого (черный – отсутствие информации, белый – знание всех свойств объекта проектирования), то можно сказать, что процесс проектирования направлен на превращение «чёрного ящика» в «белый ящик» (или, как ещё говорят, прозрачный).

Таблица 3.1 – Примеры целей технических систем

Рисунок 3.1 – Изображение элементарной модели «черного ящика» с одним входом и одним выходом

«Чёрный ящик» – термин, используемый в системном подходе для обозначения системы, внутреннее устройство и механизм работы которой очень сложны, неизвестны или неважны в рамках данной задачи.

Метод «чёрного ящика» – метод исследования систем, когда вместо свойств и взаимосвязей составных частей системы изучается реакция (выход) системы как целого на изменяющиеся условия (вход).

Эта максимально простая модель имеет важные для проектировщика свойства наглядности, образности и по-своему отражает еще два важных свойства системы: целостность и обособленность от среды. Однако хотя «ящик» и обособлен от среды, он не является полностью от неё изолированным.

Особенность модели типа «черный ящик» состоит в том, что она отображает только связи системы со средой в виде входов и выходов, а проектировщику надо решить, какие из многочисленных реальных связей включать, а какие – не включать в состав модели. Это является главной трудностью построения «черного ящика». Крометого, всегда существуюти такиесвязи, которыенеизвестны, ноони-тои могут оказаться существенными.

248

На рисунке 3.1 стрелки обозначают связи системы со средой. Их ориентация показывает направление воздействия. Связи, показанные стрелками от системы в среду, называются выходами системы. Они соответствуют целям из вышеприведенного определения системы.

Любая техническая система является средством, поэтому должны существовать возможности её использования, воздействия на неё. Связи, показанные стрелками от среды к системе, называются входами этой системы.

Таким образом, компонентами рассматриваемой модели являются среда, входы, выходы, «черный ящик».

Общий вид модели технической системы типа «черный ящик» изображен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Общая модель «черного ящика»

Во многих случаях достаточно содержательного словесного описания входов и выходов; тогда модель «черного ящика» является просто их списком (дескриптивная модель).

Например, бытовая модель телевизора такова: входы – шнур электропитания, антенна, кнопки управления и ИК-порт для пульта дистанционного управления; выходы – экран монитора и звуковые динамики.

В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов. Пытаясь максимально формализовать модель «черного ящика», мы приходим к заданию множеств X и Y входных и выходных переменных, но никаких других отношений между этими двумя множествами фиксировать нельзя (иначе это будет уже не «черный», а «белый», или прозрачный, ящик).

Как правило, дескриптивная модель «черного ящика» может быть получена на основе результатов опроса представителей заинтересованных сторон, не владеющих точными профессиональными техническими и формальными языками.Такаямодель позволяет описать самые общие функциональные и экономические требования потенциальных пользователей.

Теперь рассмотрим принципиально важный вопрос об обманчивой простоте модели «черного ящика». Казалось бы, так просто: перечислить входы и выходы

249