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

последовали другие страны, активно осваивающие новые технологии. Термин «Индустрия 4.0» стали использовать как синоним четвертой промышленной революции [4].

Цифровая трансформация неразрывно связана с реализацией концепции «Индустрия 4.0». В товремя как концепция «Индустрия 3.0»направлена на автоматизацию отдельных машин и процессов, «Индустрия 4.0» предусматривает сквозную цифровизацию всех физических активов и их интеграцию в цифровую экосистему вместе с партнерами, участвующими в цепочке создания стоимости. Достижение эффекта от воплощения концепции «Индустрия 4.0» возможно только при наличии хорошо налаженных процессов получения и анализа данных, а также обмена ими.

Концепция «Индустрия 4.0» включает соответствующие цифровые технологии:

–Интеллектуальные датчики;

–Дополненная реальность (Augmented Reality, AR);

–Роботизация бизнес-процессов (RPA);

–BigData;

–Облачные сервисы, Интернет вещей (IoT);

–Виртуальная реальность (Virtual Reality, VR);

–Мобильные устройства;

–3D-печать.

Концепция «Индустрии 4.0» непосредственно опирается на понятие цифровых двойников. Цифровой двойник (digital twin) определяется как виртуальное представление физического объекта или системы на протяжении их жизненного цикла

сиспользованием в реальном времени данных интеллектуальных датчиков.

Врамках технологии цифровых двойников для физического объекта, единицы оборудования или целого процесса создается математическая модель, которая используется для анализа поведения объекта. Цифровая модель постоянно обновляется, чтобы максимально полно соответствовать текущему рабочему режиму реальной установки. Это дает возможность выявить непредусмотренные изменения в процессах, оптимизировать режимы работы оборудования, предотвращать поломки и аварии, что в итоге существенно повышает надежность и эффективность эксплуатации.

Цифровая копия пространств, активов, оборудования и процессов позволяет удаленно управлять объектами, дистанционно эксплуатировать и устранять неполадки в системах. Поданным EutechCybernetics, компании могут сократить расходы более чем на 30 %, перейдя на интеллектуальную эксплуатацию и управление.

«Индустрия 4.0» – это новый актуальный вызов для современных системотехников.

Автономные системы и искусственный интеллект. По мере развития интеллектуальных автономных систем их адаптация и сложность потребуют сопоставимого уровня системного проектирования. Такие системы включают в себя беспилотные транспортные средства, робототехнику, аэрокосмические объекты (включая дроны), разработку и сборку производственных технологических комплексов и системы финансовой торговли. Потребуются тщательно выверенные

166

методические подходы к системному проектированию для решения сложных социальных и этических проблем, возникающих в процессе разработки и эксплуатации таких систем. Автономные системы могут функционировать в условиях, в которых не могут работать люди. Они должны реагировать на неожиданные изменения в окружающей среде. Системная инженерия должна предложить способы реализации этих систем.

Промышленность и производство. Системная инженерия должна внести свой вклад в развитие технологий промышленности и производства. По мере того как изменяются потребности общества, производственныеорганизации и системы должны быть более гибкими, чтобы адаптироваться к этим изменениям по скорости и масштабу для удовлетворения спроса. Поскольку новые продукты будут взаимодействовать с существующими системами и иметь обратную совместимость, в этих системах необходимо учитывать дополнительные сложность, интерфейсы и особенности обмена данными. Использование междисциплинарных методов для учета технических, социальных и пользовательских потребностей при разработке системы будет задачей системотехников, особенно на этапах концептуального проектирования, интеграции, тестирования и развертывания.

6.3 Образование для системотехников будущего

Чтобы опередить спрос на улучшенные продукты и услуги системной инженерии и повыситьценность образованияв этой области, потребуется егопереоценка. Проверенные временем концепции, процессы и подходы системной инженерии являются основой, которой должны следовать системотехники. Рассмотрим направления, которые необходимо изучить для разработки качественных продуктов системной инженерии [2].

Основные предметные области системотехники. Системные инженеры должны совершенствовать свои компетенции в области определения проблем, разработки требований, построения архитектуры, маркетингового анализа, а также тестирования и оценки. Повышение мастерства использования инструментария системногопроектированиянеобходимо для взаимодействия с другими клиентами и отраслевыми партнерами. Однако стоит помнить, что инструментарий системотехника позволяет расширить влияние и совместимость мышления системного инженера, но не заменяет его мышления. Дополнительные знания в фундаментальных предметных областях, таких как системы систем и комплексный адаптивный системный анализ [2], могут помочь выйти за рамки единой системы мышления.

Системное мышление и целостная перспектива. В будущем системная инженерия может помочь в разработке комплексного подхода к проектированию систем за счет более широкого использования системного мышления в целостном ракурсе для изучения взаимозависимостей системы. Принимая во внимание различные точки зрения: пользователей, других систем, политик, культур или сред,

167

можно лучше понять значимые факторы, влияющие на производительность системы. Это приведет к ряду более строгих требований и может помочь системе стать более устойчивой в таких ситуациях, как бедствия или устаревание (деградация).

Трансдисциплинарные разработки и разнообразная командная работа.

Системные инженеры должны иметь возможность беспрепятственно работать в разных группах, чтобы учитывать интересы и потребности разных пользователей, разные перспективы. Командная работа позволяет создать надежный набор требований для полного описания необходимых функций и интерфейсов. Включение различных дисциплин в проектирование может дать дополнительное понимание требований и интерфейсов во время разработки.

Работа в команде особенно важна для программно насыщенных продуктов и сервисных систем. Системная инженерия должна эффективно включать разработчиков программного обеспечения в процесс системного проектирования, особенно будущих систем, имеющих элементы программного обеспечения.

Моделеориентированная системная инженерия и цифровая инженерия.

Разработка систем в моделеориентированной среде (MBSE) облегчает труд команды системотехников, предоставляя средства для быстрой визуализации продуктов при моделировании экосистемы вместо статического подхода на основе документов. Такое динамическое взаимодействие идей и продуктов может сократить продолжительность жизненного цикла системной инженерии, устранить ошибки из-за несинхронизации документов и позволит провести быстрый анализ воздействия для поддержки принятия решений. Возможность сравнивать варианты системы и оценивать процедуры тестирования и обслуживания с помощью цифровых двойников может помочь предвидеть проблемы до их возникновения и продлить работу систем.

Интернет вещей и комплексный адаптивный системный анализ. Сис-

темотехник должен быть знаком с подключаемыми и встраиваемыми системами, устройствами, а также с организациями и пользователями в более широком масштабе, чтобы понимать, как эти объекты могут работать. Поскольку все объекты работают и взаимодействуют в среде, могут возникать различные типы поведения, которые не были запланированы или предсказаны в ходе разработки, что предоставляет системотехнику возможность для понимания и формирования новых моделей поведения и правил, необходимых для успешной работы систем.

Образование за пределами традиционных методов. Системная инженерия должна учитывать образование, выходящееза рамки традиционныхформатов, таких как очное или интерактивное обучение. Технологии дополненной реальности и / или виртуальной реальности – это две области, которые могут помочь специалистам и студентам увидеть работу системы с точки зрения различных заинтересованных сторон, что позволит получить более полное представление о разработке целостных и реалистичных требований. Глобальное сотрудничество и сотрудничество, которое охватывает традиционные академические границы, может стать новой нормой, а не исключением.

168

Гибкая системотехника. Методы гибкой системной инженерии (Agile SE) можно рассматривать как новый подход к разработке систем. В отличие от традиционного построения систем, база пользователей и пространство проекта становятся более гибкими и требуют большего количества изменений. Поскольку все больше систем разрабатывается с использованием этого подхода, системная инженерия может сформировать разработку и организацию усилий и взаимодействия как внутри, так и за пределами границы системы.

6.4 Перспективы развития теоретической системотехники

6.4.1Организация комплексного теоретического исследования

всистемотехнике

При обсуждении проблемы синтеза научных знаний в методологии науки исследуются, как правило, процессы интеграции и дифференциации наук, междисциплинарные научные области, целостность и системность знания, теоретический синтез знаний «внутри» научных дисциплин [5, 6]. Решение проблемы синтеза системотехнических знаний в конечном счете должно способствовать преодолению практических трудностей, возникающих при создании сложных систем. Однако в данном случае классические естественные и традиционные технические науки вряд ли могут служить образцом. Их развитие увенчалось построением более или менее стройных теорий. Разнородность этих дисциплин, неизбежная на начальных этапах развития, была преодолена в соответствующих теориях. Комплексность системотехнического знания является его нормальным состоянием. Она обусловлена в первую очередь необходимостью решения комплексных инженерных задач в процессе системотехнической деятельности. Поэтому исследование проблемы синтеза системотехнических знаний связано с анализом системотехнической деятельности.

Поскольку каждая часть инженерной системы создается определенным специалистом, то целостность конечного продукта зависит от координации этих специалистов, организации единого процесса системотехнической деятельности.

Вработах теоретиков системотехники намечаются попытки целостного описания системотехнической деятельности [5]. На уровне методологического анализа понятие целостности выступает в качестве инструмента исследования и предполагает направленность не на объекты как таковые, а на деятельность, в которую они включаются [7]. Поэтому целостное описание сложного инженерного объекта непосредственно зависит от результатов целостного описания системотехнической деятельности.

В[5]разработан один из возможных вариантов такого представлениясистемотехнической деятельности (рисунок 6.1). В верхней части схемы приводятся типы системотехнических задач, решаемых на каждой фазе деятельности определенными специалистами. Эти задачи предопределяют в основном тип синтеза системо-

169

170

Рисунок 6.1 – Схема системотехнической деятельности (начало, продолжение см. на с. 171)

172

Рисунок 6.1 – Окончание (начало см. на с. 170)

технических знаний на каждой фазе. В нижней части изображены этапы разработки сложной системы: функциональной (I), поточной (II) и структурной (III) схем. Каждый этап распадается на два основных подэтапа:

1)проектирование окружающей среды системы (или системы в целом, решение задачи внешнего проектирования или представления системы моделью «черного ящика»);

2)разбивка системы на подсистемы и проектирование подсистем.

Эти этапы и подэтапы соответствуют функциональному, процессуальному, микроскопическому, макроскопическому, иерархическому представлениям системы.

На каждом этапе системотехнической деятельности выполняется фактически одна и та же последовательность обобщенных операций:

а) анализ проблемной ситуации; б) синтез решения; в) оценка и выбор альтернатив; г) моделирование; д) корректировка;

е) реализация решения.

Однако для определенной фазы главными являются не все операции и этапы, а только некоторые (эти операции обозначены буквами, а этапы закрашены серым цветом). Системотехнический цикл представляет собой итерационный процесс: возможны многократные возвращения на предыдущие фазы и этапы.

Рассмотрим более подробно фазы системотехнической деятельности и типы задач и синтезов, выполняемых на каждой из них.

I. Подготовка технического задания. В основном осуществляется проек-

тирование окружающей среды системы этапа разработки функциональной схемы (этап I, подэтап 1), остальные этапы имеют второстепенное значение (не закрашены). Проводится анализ проблемной ситуации, синтез решений, а также оценка и выбор изальтернативныхвариантов функциональной схемы (операции а, б, в). Для этапов разработки поточной и структурной схем системы (II, III) осуществляется только анализ проблемной ситуации и синтез решений (а, б). Остальные операции либо не выполняются на этой фазе вообще, либо выдается предварительное возможное их решение (но не окончательное).

На данной фазе решаются следующие системотехнические задачи.

1.Анализ требований заказчика и потребителя, изучение их выполнимости – осуществляется системотехником-координатором.

2.Формулировка основного замысла (т.е. внешних требований к системе и примерногосодержания подсистем) и обоснование необходимости новизны и эффективности системы – выполняется системотехником-универсалистом.

3.Планирование исследований, оценка разработанности темы, имеющихся знаний и возможности их синтеза, координация и проведение исследований – проводятся соответственно универсалистом, координатором и исследователем.

4.Прикидка состава бригады проектировщиков, грубая оценка времени, денежных и людских ресурсов, необходимых для создания системы, – осуществляется системотехником-координатором.

173

Перечисленные системотехнические задачи определяют тип синтеза системотехнических знаний на данной фазе – предварительное системное решение проектной проблемы, определение общей идеи синтеза.

II.Подготовка эскизного проекта. Проектирование внешней среды системы этапа разработки функциональной схемы в основном уже выполнено (этап I, подэтап 1). Осуществляются только операции г, д — моделирование и корректировка первоначального решения (подэтап 1). Главным для этой фазы является разбивка системы на подсистемы и проектирование подсистем на функциональной схеме, а также проектирование окружающей среды на поточной схеме системы (этап I, подэтап 2 и этап II, подэтап 1). Выполняются операции а, б, в, г: анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценка и выбор из альтернатив, моделирование проектного решения (этап I, подэтап 2 и этап II, подэтап 1). По остальным операциям выдаются только предварительные решения. При разбивке системы на подсистемы

ипроектировании подсистем для поточной схемы (этап II, подэтап 2) выполняются операции а, б, в – анализ проблемной ситуации, синтез решений и оценка и выбор альтернатив. Структурная схема на этой фазе, так же, как и на фазе подготовки ТЗ, доводится только до синтеза первоначальных решений (этап III, операции а, б). По остальным операциям (в, г) нет окончательных решений.

На этой фазе решаются следующие системотехнические задачи. 1. Описание прототипа системы:

а) деталировка системы (т. е. представление ееосновных звеньев и их взаимосвязи) с выдачей заданий разработчикам подсистем, что является задачей систе- мотехника-универсалиста;

б) описание подсистем (выполняется системотехниками-разработчиками компонентов);

в) создание альтернативных вариантов будущей системы, их анализ и выбор наиболее оптимального варианта, обоснование выбора и предполагаемые способы реализации (решается системотехниками-разработчиками компонентов системы).

2. Организация процесса проектирования:

а) составление программы проектировочной деятельности системотехникомкоординатором;

б) проектирование подсистем проектировщиками; в) их координация системотехником-координатором.

Главной задачей является синтез системотехнических знаний с точки зрения организации проектировочной деятельности. Системотехник должен на основе системных представлений согласовать знания и действия проектировщиков подсистем. Кроме того, осуществляются текущие синтезы на уровне подсистем.

III.Разработки технического проекта. Эта фаза связана с проектированием подсистем на поточной схеме и окружающей среды системы на структурной схеме (этап II, подэтап 2 и этап III, подэтап 1). На данных подэтапах осуществляются анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценка и выбор из альтернатив, моделирование решения (операции а, б, в, г). Корректировка и реализация не являются окончательными. Этап разработки функциональной схемы считается

174

завершенным (завершенные этапы закрашены серым цветом – этап I и этап II, подэтап 1), производится только корректировка этой схемы и реализация в виде поточной схемы (этап I, операции д, е). Проектирование окружающей среды системы на поточной схеме также в основном завершено, но его результаты могут еще корректироваться (этап II, подэтап 1, операция д). Разбивка на подсистемы и проектирование подсистем для структурной схемы является второстепенным подэтапом (этап III, подэтап 2) и включает на этой фазе операции а, б, в: анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценку и выбор из альтернатив.

Решаются системотехнические задачи:

1)анализ прототипа системы;

2)увязка частных проектов и их интеграция в единый технический проект. При решении первой задачи системотехником-универсалистом совместно с

системотехниками-разработчиками компонентов (а) уточняются и детализируются всеузлы и блоки, ихпараметрыи связи,а разработчики различныхаспектов системы (б) дают ее полное описание. Вторая задача решается координатором и системо- техниками-проектировщиками. Осуществляется объектный синтез системотехнических знаний описание целостного функционирования системы на уровне процессов.

IV. Разработка рабочего проекта. На этой фазе завершается проектирование подсистем на структурной схеме (что обозначено заливкой серым цветом — этап III, подэтап 2). Осуществляется только корректировка и реализация поточной схемы, а также корректировка проекта окружающей среды на этапе структурной схемы (этап II, операции д, е и этап III, подэтап 1, операция д).

На данной фазе решаются две задачи:

1)координатор и инженер-изготовитель составляют координационный план организации процесса изготовления;

2)универсалист и разработчики компонентов осуществляют увязку «морфологических» блоков системы.

Эти задачи определяют объектный «морфологический» синтез системотехнических знаний, который является здесь основным, а также синтез знанийпо организации деятельности изготовления.

V. Изготовление и внедрение. Все схемы разработаны (на рисунке 6.1 все этапы закрашены серым цветом). Проводится корректировка и реализация только структурной схемы (этап III, операции д, е). Системотехник-конструктор в содружестве с изготовителями и специалистами по внедрению осуществляет:

1)авторский надзор за изготовлением и внедрением системы и консульта-

ции;

2)перепроектирование системы в целом, отдельных ее аспектов или подсистем

впроцессе внедрения (если это, конечно, необходимо).

Эта задача решается системотехником-универсалистом совместно с разработчиками компонентов системы. Осуществляется пересмотр синтеза системотехнических знаний всех предыдущих фаз.

175