Бесплатный фрагмент - Системы систем. Базовые сведения

Предисловие

В книге кратко рассматривается набор навыков специалистов, ученых, маркетологов, социологов, экологов, профессиональных инженеров и менеджеров, необходимых для проектирования, разработки, внедрения и эксплуатации сложных социально-технических структур. Сегодня каждого из жителей планеты окружают разнообразные системы. Это бизнес-системы (управление исследованиями и разработками, производством продуктов и услуг для использования на рынке), образовательные системы (обучение всех уровней), информационные компьютерные технологии, финансовые системы (поддержка личных, коммерческих и цифровых финансовых операций), общественные (связанные с управлением людьми на уровне государства, области, города), медицинские системы, обслуживающие потребности здравоохранения населения (больницы, врачи, терапевтические учреждения, службы скорой помощи), отрасли высоких технологий. Неотъемлемыми компонентами мировой инфраструктуры стали транспортные системы (наземные, морские, воздушные и космические перевозки людей и грузов, газо- и нефтеперекачивающие магистрали), городские (управление инфраструктурой района, города, области), социо-культурные системы (исполнительское искусство музыки и других развлечений, гражданские модели поведения), искусственный интеллект, и другие системы.

Термин «система систем» (далее в тексте СоС) появился сравнительно недавно. Так называют крупномасштабные интегрированные системы, которые включают набор составляющих систем, неоднородных и независимо работающих сами по себе, но объединенных в сеть для достижения общей цели. Система систем имеет следующие основные особенности. Она:

1) является результатом взаимодействия организационных и управленческих независимых компонентов, которые имеют свои индивидуальные задания и участвуют в объединенной структуре, осознавая или не осознавая выполнение ее целей верхнего уровня;

2) эволюционно развивается в результате прогресса компонентов, возможных изменений в среде;

3) представляет эмерджентное поведение, ожидаемое или не ожидаемое при проектировании, не принадлежащее к входящим системам, в результате взаимодействия компонентов во время эксплуатации;

4) зависит от программного обеспечения как технологии, обеспечивающей ее проектирование и эволюционное развитие;

5) формируется из набора существующих и вновь разрабатываемых составляющих систем;

6) может иметь или не иметь централизованное управление объединенной деятельностью.

Концепции и принципы СоС применяются в правительственных, гражданских и коммерческих областях, управлении природными ресурсами (глобальная окружающая среда, региональные водные ресурсы, лесное хозяйство и рекреационные ресурсы); реагировании на стихийные бедствия (включая лесные пожары, наводнения и террористические атаки); оборонных системах; в потребительских торговых сетях; и др.

Некоторые области применения СоС в РФ перечислены в следующем перечне.

• Трансформация ИТ-предприятия, включающего автономные бизнес-единицы.

• Развитие многоуровневых цепочек промышленных, сельскохозяйственных и товарных поставок.

• Электроэнергетика Внедрение распределенной и ветроэнергетики коммунального масштаба в существующую электросеть.

• Оценка надежности национальной банковской системы, цифровой рубль.

• Здравоохранение. Оценка готовности национальной системы здравоохранения к крупномасштабным эпидемиям.

• Министерство чрезвычайных ситуаций. Оценка реагирования на стихийные бедствия.

• Оптимизация стратегических инвестиций (газ, нефть, уран, и др.) в страны-партнеры.

• Развитие сети воздушных перевозок.

• Оптимизация региональных промышленных кластеров.

Для ускорения разработок систем внедряются новые способы управления проектами и их финансирования, более эффективные приемы мониторинга эффективности работ. Анализируются, оцениваются, верифицируются и сертифицируются новые продукты и услуги, применяются передовые технологии виртуального моделирования и анализа. Предлагаются и реализуются лучшие способы испытаний и процессы, которые удовлетворяют потребности все более сложных систем. Цифровые двойники и «умные производства» способствуют развитию новых продуктов и их выводу на рынок.

Излагаемый в этой книге системный подход доказал практическую эффективность его реализации, стал источником конкурентных преимуществ множества компаний во всем мире, от небольших частных организаций до гигантов бизнеса. Его приложения распространяются на социальные, технологические и экономические области, научную, предпринимательскую, военную, экономическую, социальную, административную и юридическую активности, используются для повышения социальной продуктивности и качества жизни. Системная инженерия является междисциплинарной деятельностью и имеет целью эффективное создание разнообразных систем для удовлетворения сложных потребностей ряда отраслей. Данная методология охватывает универсальные приемы, эффективна при обучении, в работе, для освоения собранных знаний, в жизненных ситуациях.

В тексте книги доступно изложены базовые сведения, необходимые для понимания, проектирования, планирования и анализа системы систем во время ее разработки, включая создание составляющих систем. Также представлены примеры эксплуатации отраслевых систем систем в части внедрения, управления и использования при обслуживании возможностей и потребностей заинтересованных сторон.

Применение принципов системно-инженерного подхода сегодня является самым мощным профессиональным навыком, которым могут обладать рядовые инженеры и менеджеры в современном мире. Методические материалы по теме формализованы в ряде российских ГОСТов. Реализация системного подхода существенно облегчена с внедрением информационных технологий.

Разнообразным категориям читателей книга поможет улучшить личные творческие навыки, обрести полезные знания в технической, управленческой, организационной сферах создания высокотехнологичных, социальных, экологичных систем систем.

Представителям заинтересованных сторон, клиентам и партнерам, участвующим в реализации СоС, даст понимание ролей, задач и ответственности пользователей, участников и менеджеров, способствующих их успеху.

Специалистам, инженерам, экологам, социологам позволит дополнить, обновить и освежить свои знания в излагаемой области.

Менеджерам всех уровней, руководителям подразделений поможет улучшить результаты, качество и эффективность работы.

Преподавателям образовательных учреждений, тренерам и академиям повышения квалификации представит материал для подготовки студентов, которые стремятся влиться в инженерные команды будущего.

Всем любознательным, студентам, бакалаврам, магистрам, старшеклассникам поможет пополнить багаж знаний полезной информацией по системам систем, терминам, понятиям и инструментам, универсальным для применения в различных сферах деятельности.

Книга включает шесть глав. В первой главе даны основные понятия системной инженерии, изложен порядок использования технических процессов системной инженерии при реализации этапов жизненного цикла изделия. Во второй главе детализированы особенности управленческого элемента системной инженерии. В третьей главе содержатся основные сведения по системам систем, а также информация по их разработке. Четвертая глава включает сведения по управлению и эксплуатации систем систем, а также примеры их использования в различных областях. В пятой главе раскрыты организационные вопросы системного подхода. В заключительной, шестой главе, даны рекомендации по применению полученных сведений в практической работе.

Учтен обширный опыт практического руководства автором пятью инженерными центрами, в деятельности которых использованы подходы системной инженерии (см. биографию в конце книги). Ранее переизданы «Базовый курс системной инженерии» [1] на основе опыта работы и курса лекций, прочитанных в 2013–2017 гг. в МФТИ, и монография по управлению высокотехнологичными программами [2]. Также доступны в Интернете воспоминания автора об инженерной карьере и примерах применения системной инженерии в ходе многолетней работы [3]. Классическая литература по предмету доступна на английском языке, в том числе по теме «системы систем» [4…10].

Мировой кризис 2022…2025 гг. открыл пространство возможностей реального замещения импорта важнейших технологий и систем, позволяющего снизить зависимость от западных достижений в критических областях. Системный подход является одним из самых эффективных инструментов для построения инфраструктуры будущей России.

Глава 1. Основные понятия системной инженерии

1.1. Системы, которые нас окружают

Прогресс развития технологического общества определяет потребность решать проблемы и открывать новые возможности. Сегодня высокотехнологичные предприятия создают системы высокой сложности вплоть до искусственного интеллекта, космических станций, «умных фабрик», и др. Многие приложения требуют перекрестного обмена знаниями или интеграции нескольких дисциплин. Например, аэрокосмическим инженерам требуются знания в области металлургии и материаловедения, электронных систем управления, компьютеров, производственных ограничений и возможностей, финансов, логистического планирования жизненного цикла и обслуживания клиентов. Все это необходимо для производства жизнеспособного коммерческого продукта, такого как гражданский авиалайнер или международная космическая станция. Определяющими становятся знание и использование современных эффективных инструментов и технологий. Требуется также умение общаться и сотрудничать с другими коллегами по проекту и вокруг.

Специалисты и управленческий персонал сегодня являются ключевым элементом компаний для сохранения технологического лидерства и здоровой экономики. Каждый профессионал должен быть вовремя готов к вызовам творческой и продуктивной жизни, должен работать над постоянным повышением своей квалификации и конкурентоспособности.

Основной задачей обучающих и обучаемых на сегодня является исполнение противоречивых требований к подготовке персонала:

• Существенно увеличился объем сведений для усвоения.

• Необходимо сократить сроки обучения и подготовки специалистов.

На этом фоне непрерывно появляются новые разделы знаний и колоссальный информационный шум вокруг «лучших опережающих знаний» в связи с развитием коммерциализации обучения. Важно понимать, что, с учетом российского и зарубежного позитивного опыта, задача подготовки специалистов решается реалистичными методами и в заданные сроки. Набор инструментов специалиста завтрашнего дня опирается на четыре базовые колонны.

A. Предметное направление, включает полученные в ВУЗе знания по электронике, робототехнике, автомобилям, вертолетам, нефтехимии, здравоохранению, энергетике, общественным наукам, медицине, и т. д.

B. Система менеджмента качества, которую обычно изучают в организации, для обеспечения рыночного спроса и минимизации затрат.

C. Управление проектом, куда входит процесс получения сведений из ряда пособий типа PMBoK, курсов для менеджеров и руководителей.

D. Системная инженерия, на сегодня минимально доступная в РФ, «склеивает» вышеперечисленные ответвления в стройную методологию, дополняет недостающие элементы в технической, управленческой и организационной частях, которая и является предметом данной книги.

Кроме того, каждая современная компания уже десятки лет работает в своем едином информационном пространстве, включая цифровизацию процессов, обработку и управление большими объемами данных. На ближайшие десятилетия технологического развития владение перечисленным набором базовых знаний является необходимым и достаточным для исполнения любых отраслевых задач разработки новых систем и продуктов.

Основным объектом приложения системной инженерии являются системы.

Системой называют интегрированный сплав людей, продуктов и процессов, обеспечивающий возможность удовлетворить требуемые нужды или цели.

Можно выделить природные системы и системы, созданные человеком. Природные системы возникли в результате естественных процессов (например, животные организмы, природа, планетные системы). Созданные человеком системы управляются людьми или автоматизированными системами (например, системы муниципального энергоснабжения, компьютерные сети, лифтовое хозяйство, мобильная телефония, медицинские организации). Природные системы могут быть переплетены с системами, созданными человеком. Пример: образование искусственного водохранилища путем строительства плотины на реке.

Среди искусственных систем можно выделить несколько типов.

1. Физические системы, например смартфоны, планшеты, вертолеты, автомобили, поезда, самолеты, космические спутники, телевизоры, мосты, бытовая техника.

2. Абстрактные системы, не имеющие физических артефактов, но используемые людьми для понимания или объяснения идеи или концепции. Примеры: различные модели, уравнения, мысленные эксперименты, компьютерные игры, и так далее.

3. Системы общественной деятельности групп людей, взаимодействующих для достижения общей цели. Примеры: политическая система, социальные услуги, коммунальные службы, система здравоохранения, и т. д.

Системы удобно разбивать на части, называемые подсистемами. Подсистема также является системой, но функционирует как компонент более крупной системы. Самую маленькую часть системы часто называют элементом. Например, один из производственных отделов компании можно рассматривать как элемент системы. Он является частью подсистемы производства, с элементами планирования, изготовления и инвентаризации.

Пример иерархии систем по возрастанию уровня сложности.

A. Двигатель самолета по сравнению с набором входящих деталей.

B. Самолет с двигателями и навигационной системой.

C. Авиатранспортная система (АТС) с самолетами, пассажирами, грузами, тренажерами, и др.

D. Система систем (СоС), как наивысший уровень сложности, когда совместное применение систем дает синергетический эффект новизны достигаемых целей по сравнению с отдельными частями: АТС с аэропортами, маршрутной сетью, инфраструктурой обслуживания и наземного наблюдения (подробности см. в главах 3,4 и [9]).

Системы, подсистемы и элементы имеют отличительные характеристики, называемые атрибутами или свойствами. Они описывают состояние объекта в терминах качества или количества. Скоординированное взаимодействие элементов системы определяет ее свойства. Время и стоимость являются универсальными атрибутами для конкретного проекта и обязательно контролируются для оценки его эффективности.

Системным подходом называют комплексную методологию решения проблем разработки и управления системами. Он фокусирует внимание на общей картине и конечной цели, восприятии свойств систем в целом, а не отдельных частей. Комплексный взгляд на ситуацию позволяет учесть следующие факторы:

1) цели и критерии эффективности системы в целом;

2) окружающую среду и ограничения системы;

3) ресурсы системы;

4) элементы системы, их функции, свойства и показатели эффективности;

5) взаимодействие между элементами;

6) управление системой.

Созданные человеком системы реализуют поставленные цели путем преобразования входных данных в выходные данные. Входными данными могут являться сырье, ресурсы, информация или действия, требуемые для работы системы и достижения целей. Сюда могут входить контролируемые факторы, такие как труд, материалы, информация, капитал, энергия, а также неконтролируемые факторы, например, погода и характеристики окружающей среды. Выходные данные представляют собой конечный результат работы и цель использования системы.

Система преобразует входные данные в выходные посредством процессов. Важным действием системного подхода является создание и использование процессов, которые эффективно производят желаемые результаты и отвечают целям системы.

Все системы имеют те или иные ограничения, которые препятствуют их способности достижения заданных целей. Например, ограничения при создании легкового автомобиля включают топливную эффективность, соответствие стандартам, безопасность, экологичность, надежность, ремонтопригодность, удобство и комфорт для водителя и пассажиров. Как правило, цели исполняемого проекта должны быть достигнуты в рамках заданных ограничений сроков и бюджета.

Система имеет также границы, которые определяют область ее существования и взаимодействия с другими системами, физические, концептуальные, географические, и др.

В разрабатываемых системах возможны конфликты между целями входящих подсистем, что снижает вероятность реализации целей системы в целом. Устранение такого конфликта для достижения целей системы в целом называют системной интеграцией.

Системный подход как способ мышления включает несколько принципов:

• целостность (фокус на частях и их взаимодействиях);

• синергия (характеристики, полученные в результате взаимодействий между частями);

• иерархия (для организации структуры сложности);

• поведение (фокус на связи между выходом и входом на основе модели «черного ящика»);

• учет окружающей среды (система влияет на окружающую среду и подвергается ее влиянию);

• прогнозирование производительности (посредством моделирования и имитации).

Он помогает понять, как взаимодействуют элементы, и как изменение элементов и их отношений влияет на поведение и результаты системы. В нем также уделяется внимание управлению системой, то есть функции, которая учитывает цели, окружающую среду, ограничения, ресурсы и элементы системы. Например, двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать с точки зрения эффектов, которые его появление вызвало на земном шаре. Ускорилось развитие экономик, связанных с производством и распределением нефти. Новые виды транспорта изменили картину жизни мира посредством распространения путешествий, торговли, рынков и миграции населения. Изменение химического состава атмосферы вследствие работы миллионов двигателей, возможно, влияет на глобальное потепление погодных условий в районах мира.

Одной из ключевых составляющих системного подхода являются заинтересованные стороны, связанные с системой. Ими являются любой человек или группа, которые в том или ином отношении влияют на систему. Среди них могут быть финансисты, заказчики, покупатели или агенты по закупке продукта или услуги, лица, ответственные за надзор и регулирование продуктов или услуг, их сертификации, акционеры компании, и так далее. Заинтересованные стороны находятся за пределами системы.

У заинтересованных сторон нужно различать их роли. Например, владелец легкового автомобиля может играть несколько ролей заинтересованных сторон, таких как владелец, водитель, пассажир, кредитор, и так далее. Заинтересованные стороны будут по разному смотреть на одну и ту же систему в зависимости от роли, которую они играют.

1.2. Основные определения

Системы меняются с течением времени. Для живых организмов характерный цикл включает рождение, рост, возмужание, старение и смерть. По аналогии введено понятие типового жизненного цикла развития систем. Он включает замысел, проектирование, изготовление, испытания, производство, эксплуатацию и утилизацию после износа.

Жизненным циклом (ЖЦ) называют совокупность взаимоувязанных последовательных изменений состояния изделия (системы), связанных с реализацией установленных процессов от начала разработки до вывода из эксплуатации. Некоторые продукты, например домашние компьютеры, имеют жизненный цикл длиной в несколько лет. Другие, как предметы одежды, могут иметь десятилетний или более жизненный цикл.

Этапом жизненного цикла называют часть ЖЦ, где предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и физических характеристик экземпляров изделий.

Контрольный рубеж (КР) этапа жизненного цикла является моментом завершения этапа ЖЦ, на котором реализуется процедура проверки результатов выполненных работ для последующего принятия решений о переходе к следующему этапу ЖЦ.

Перечислим основные этапы ЖЦ продукта.

• Концепция: выявление и определение потребностей системы. Сюда входит анализ заинтересованных сторон и определение критериев проверки потребностей.

• Разработка: определение потенциальных вариантов решения проблемы, связанных с потребностями, и поиск предпочтительного решения.

• Производство: на этапе создается собственно система. Проводятся различные испытания, чтобы убедиться, что система построена правильно.

• Эксплуатация (использование): на этапе система используется конечными пользователями или операторами. Сюда включают обучение соответствующих сторон эффективному использованию системы.

• Поддержка (послепродажное обслуживание): предоставление услуг, необходимых для эффективной эксплуатации системы, таких как ремонты, отчеты о неисправностях, обслуживание, и т. д.

• Вывод из эксплуатации: реализация плана, как и когда система должна быть выведена из эксплуатации, и утилизирована безопасным и надежным образом.

Этапы жизненного цикла используют, чтобы упростить планирование и управление всеми основными событиями создания высокотехнологичной авиационной, космической, инфраструктурной или другой сложной системы или продукта. Разделение (декомпозиция) проекта на этапы жизненного цикла делит процесс разработки на более мелкие и управляемые части. Переход фазовых границ между этапами определяется в пунктах КР путем оценки прогресса проекта и принятия решений по реализации следующей фазы. Так как решения на ранних этапах влияют на последующие активности, и более продвинутую систему труднее изменить по ходу проекта, в системном подходе сделанное на ранних стадиях ЖЦ имеет наибольшее влияние на успех проекта в целом.

Пример ЖЦ системы, включающего девять контрольных рубежей, показан на рис.1.

Согласно стандарту ГОСТ Р 57193—2016 на очередном контрольном рубеже ЖЦ должны быть выполнены главные задачи проекта на предыдущей стадии:

• обоснованы гарантии, что процесс разработки приведет к удовлетворительной верификации и валидации продукта;

• обеспечена приемлемость риска перехода на следующую стадию.

Успешная разработка системы будет зависеть от технологий, которые используются на протяжении жизненного цикла системы. В случаях, когда система имеет длительные стадии эксплуатации и обслуживания, важно учитывать жизненный цикл примененных технологий. Требуется, чтобы используемая технология оставалась доступной в течение всего жизненного цикла продукта, даже если она устареет. Это важно, например, для информационных технологий, где версии программных продуктов обновляются каждые 5—10 лет. Другим примером являются музыкальные носители. В 1960-х годах это были грампластинки, в 1980-х на смену пришли кассеты. В 1990-х годах их вытеснили компакт-диски, в 2000-х появились телефоны и карманные плееры с внутренней твердотельной памятью, и т. д.

Системная инженерия используется человечеством с давних времен. Например, пирамиды в Древнем Египте, римские дороги и акведуки, каналы орошения азиатских полей являются примерами сооружения сложных систем, имеющих длинный жизненный цикл. Сегодня, когда постоянно растет сложность окружающей инфраструктуры и разрабатываемых систем, необходимо развивать строгие и надежные подходы, которые помогают справиться с заданными уровнями сложности решаемых задач.

Базовые для нашей книги термины некоммерческая международная организация сиcтемных инженеров INCOSE формулирует следующим образом [10].

Системная инженерия — это междисциплинарный и интеграционный подход для обеспечения успешной реализации, использования и вывода из эксплуатации инженерной системы, используя системные принципы и концепции, а также научные, технологические и управленческие методы.

Система — это расположение частей или элементов, которые вместе демонстрируют поведение или значение, которого нет у отдельных компонентов. Системы могут быть физическими, концептуальными (абстрактными информационными), биологическими или их комбинацией.

Инженерная система — это система, разработанная или адаптированная для взаимодействия с ожидаемой эксплуатационной средой для достижения одной или нескольких предполагаемых целей при соблюдении применимых ограничений. Инженерные системы могут включать людей, продукты, услуги, информацию, процессы и природные элементы.

Системная инженерия (СИ) охватывает все стадии и детали жизненного цикла разработки продукта от замысла до внедрения, руководствуясь интересами конечного пользователя. Она отличается от предметной инженерии, ориентированной на конкретные дисциплины. Различные ответвления включают механическую, электронную, химическую, оптическую, ядерную, программную, социальную инженерию, и т. д. Хотя системная инженерия может определять требования, относящиеся к этим инженерным дисциплинам, она не диктует конкретные проекты или технологии, используемые в них.

Основной особенностью мультидисциплинарного подхода СИ является участие в проектах профессионалов из разных областей, которые работают вместе, постоянно общаются и помогают друг другу по всем аспектам продукта. В СИ рассматривают весь жизненный цикл проектируемого продукта. Уделяется постоянное внимание потребителям системы. СИ сочетает технический, управленческий и организационный сегменты. Рассматривается принятие технических решений, связанных с жизненным циклом продукта, а также управление полным кругом задач, которые должны быть своевременно выполнены для реализации процесса. В СИ применяется подход декомпозиции «сверху вниз». Сначала рассматривают систему в целом, а затем последовательно разбивают ее на более низкие уровни, такие как подсистемы, модули и элементы.

Системная инженерия помогает ликвидировать пробелы, имеющиеся в традиционных подходах к разработке систем, по трем указанным составляющим: технической, управленческой, организационной. Практические вопросы применения системного подхода для успешного выполнения высокотехнологичных проектов и программ, к сожалению, недооценены или отсутствуют в отечественной литературе. Во-первых, потому что среднее поколение успело забыть дисциплину, массово преподававшуюся много лет в ВУЗах СССР под названием «Системотехника». Во время реформы ВУЗов в РФ данная тема выпала, тогда как за рубежом системотехника стала активно развиваться в различных отраслях. Во-вторых, сказалось, что многим людям некомфортно изучать многочисленные новые дисциплины и подходы. В-третьих, потому что различные теоретики, системологи и онтологи, в том числе в INCOSE, сумели надежно отпугнуть отряды любознательных практиков накрученной сложностью и «избранностью» знаний по системной инженерии. Сегодня обучение системной инженерии проводят только в десяти ВУЗах РФ.

Важнейшей основой системной инженерии являются официальные международные стандарты, излагающие правила работы. Сегодня применение стандартов системной инженерии обязательно для контрактов военных ведомств развитых стран и государственных заказчиков сложных систем, таких как Министерство обороны США (DoD), Национальная аэрокосмическая ассоциация (NASA), компаний Boeing, Airbus, гигантов в сфере телекоммуникаций и информационных технологий (Siemens, IBM), и др. Основные стандарты системной инженерии РФ перечислены в главе 1.10.

Системная инженерия приносит выгоду в проекте, при этом она относится к статье накладных расходов. В современных проектах на системно-инженерные процессы выделяется статья в бюджете, чтобы предотвратить возможные убытки и исключить последующую переделку готового изделия. То есть результат системной инженерии — не увеличение прибыли, а снижение вероятных убытков проекта. Эффект достигается за счет выполнения программы в заданные сроки, в рамках бюджета, согласно требованиям контракта, с высоким качеством. С 2016 г. отчетность по данной статье включена в обязательный перечень для подрядчиков государственных контрактов Министерства обороны США.

Активный интерес в мире к преподаванию системной инженерии подтверждается тем, что предмет системной инженерии входит в учебные планы всех ведущих зарубежных университетов и нескольких российских вузов. Также компании активно содействуют повышению квалификации в этой области своих сотрудников.

Сегодня в реальной отечественной практике ряда организаций получены следующие результаты:

a) обучение системно-инженерному подходу приносит заметный эффект для специалистов различных категорий;

b) освоение происходит в оперативном режиме, через 3…6 месяцев сотрудники выходят на удовлетворительные темпы и качество работ, скачкообразно растет понимание системного подхода применительно к практическим задачам;

c) заметно снижаются потери рабочего времени в проекте;

d) возрастает качество работ и получаемых результатов;

e) рост производительности труда после периода обучения составляет от 20 до 100%, далее обеспечивается стабильный прирост не менее 15–25% в год.

Примененные в практической работе технологии системной инженерии ускорили и облегчили получение конкурентоспособных разработок. Переход на командные методы работы по ролям упростил создание результативных коллективов. Подготовку персонала также удалось ускорить при использовании принципов системной инженерии.

1.3. Основные этапы системно-инженерного подхода

При создании новых высокотехнологичных систем набор требований стал существенно сложнее, чем три десятилетия назад. Прошлые достижения инженеров и менеджеров не обеспечивают успех в условиях вызовов будущего. Новые разработки компаний направлены на решение следующих задач.

• Удовлетворить желания клиентов в отношении новых продуктов и услуг.

• Улучшить экономику компании в долгосрочной перспективе.

• Научиться быстро реагировать на изменения на рынке.

• Стремиться стать признанным лидером в своей отрасли.

• Улучшить бизнес-модель, стратегию и процессы организации.

• Воспитывать творческих сотрудников путем организации эффективной работы.

Уточним основные понятия системы и их роли.

Цели: формулируют потребности заинтересованных сторон и определяют общую задачу создания системы. Каждая цель формулируется в виде набора требований.

Жизненный цикл: определяет, как система будет построена или произведена, ее испытания, продажи, финансирование, эксплуатацию, обслуживание и утилизацию по завершению эксплуатации.

Режимы работы: предусматривают функционирование системы в различных средах и условиях (сценариях). Самолет, например, используется для перевозки пассажиров и грузов, и для обучения экипажа. Его также нужно обслуживать, ремонтировать и испытывать.

Ограничения: каждая конкретная система ограничена законодательством, процедурами и стандартами, имеющимися материалами, знаниями и технологиями, заданным временем проекта, финансированием, людскими и материальными ресурсами.

Управление жизненным циклом системы включает все действия для выполнения программы или проекта в различных фазах, разделенных точками принятия ключевых решений или контрольными рубежами (КР). В стандарте «Процессы жизненного цикла систем» ISO 15288:2015 (ГОСТ Р 57193—2016) перечислены 30 базовых процессов жизненного цикла систем, рис. 2.

Указанные процессы разделены на четыре основные группы.

1. Группа технических процессов, объединяет процессы, которые связаны с повседневной деятельностью по проектированию систем.

2. Группа процессов технического управления, объединяет процессы, которые отражают специфику управления инженерными проектами.

3. Группа организационных процессов, объединяет бизнес-процессы в целом, управление предприятием, инвестициями и процессы управления жизненным циклом системы.

---

4. Группа процессов соглашения, объединяет вопросы отношений между заказчиками и поставщиками, заказа, поставки и приобретения систем.

Данный стандарт устанавливает общую структуру процессов и описаний для объяснения жизненного цикла систем, созданных людьми, и определяет набор процессов и связанной терминологии с инженерной точки зрения. Предоставляет процессы для облегчения коммуникации между приобретателями, поставщиками и другими заинтересованными сторонами в жизненном цикле системы. Может применяться к уникальным системам, системам массового производства и настраиваемым, адаптируемым системам для выгоды группы разработки систем.

Для описания инструментов системной инженерии в последующем тексте будут использоваться еще несколько терминов.

• Требование: определяет, что должна делать система. Например, «портативная система очистки воды должна очищать не менее двух литров воды в минуту». Требования верхнего уровня должны включать цели системы, жизненный цикл, режимы работы, ограничения, интерфейсы с другими системами.

• Функция: конкретное действие, которое система выполняет, или значимая цель, для которой система разработана или спроектирована. Функции не надо путать с задачами. Например, в системе кофейного автомата «подача кофейной капсулы» и «дозировка горячей воды» являются функциями автомата. Однако действия «вставить чашку» и «выбрать напиток нажатием кнопки» являются задачами пользователя, а не функциями.

• Компонент: элемент построения системы. Физические компоненты представляют оборудование для построения системы. Электрические и компьютерные компоненты программного обеспечения контролируют и регулируют ее работу. Человеческие компоненты взаимодействия людей с аппаратным и программным обеспечением необходимы для выполнения системных функций.

• Входы и выходы. Динамические объекты системы и ее компоненты нуждаются во входных сигналах для выполнения своих функций. Внутри системы некоторые компоненты могут генерировать выходы для других компонентов. Эти входы и выходы могут быть материалами, энергией, информацией или действиями.

• Базовая версия системы. Это задокументированная точка отсчета для оценки результатов системного проектирования. На определенных этапах проектирования системы предыдущая базовая версия сменяется на более проработанную или зрелую.

Типовое описание процессов жизненного цикла включает стандартные блоки компонентов. Каждый процесс состоит из входа, действия и выхода, дополненных функциями управления и обеспечения, рис. 3.

Процессы имеют важные полезные свойства. Они должны быть повторяемыми. Если процессы могут выполняться по-разному, то их результаты нельзя сравнивать. Процессы должны быть измеримыми, чтобы можно было контролировать их эффективность. Процессы могут быть сложными для понимания, в них используют язык конкретной предметной области.

Основными задачами управления жизненным циклом являются:

a) управление процессом проектирования и разработки системы;

b) управление процессом технологической подготовки производства;

c) управление процессом производства продукции;

d) управление процессами закупки комплектующих изделий, материалов, заготовок, запчастей;

e) управление процессом испытаний системы, ресурсных, приемо-сдаточных, сертификационных, и др.;

f) управление процессом послепродажного обслуживания;

g) управление процессами обучения пользователей и обслуживающего персонала;

h) обеспечение качества на всех этапах ЖЦ;

i) достижение заданной трудоемкости разработки и изготовления системы;

j) управление информационной поддержкой всех процессов.

Процесс проектирования системной инженерии переводит системные потребности в структурированные системные требования. Далее посредством моделирования, анализа и синтеза общие требования преобразуют в количественные системные спецификации и параметры. Система развивается от общих концепций к конкретной проектной конфигурации, может быть легко сконструирована и изготовлена.

Для реализации проектов и программ в системной инженерии широко используется принцип декомпозиции:

• Декомпозиция проблемы — разделение сложной проблемы на более простые, позволяет легче найти решение и четко сформулировать задачи для каждого сотрудника.

• Декомпозиция времени — прием разбиения проекта на фазы с указанием конкретных результатов, чтобы эффективно контролировать процесс разработки, измерять эффективность и вовремя применять корректирующие меры.

• Декомпозиция продукта — разделение сложных продуктов на подсистемы, сборки и элементы, позволяет эффективно управлять конфигурацией и поставщиками.

• Декомпозиция действий проекта с последующей интеграцией — определяет четкую последовательность необходимых действий, требования, спецификацию, разбиение работ, проект, интеграцию, верификацию, эксплуатацию, вывод из эксплуатации.

Один из вариантов представления процесса разработки в системной инженерии в виде взаимосвязанных итерационных петель обратной связи показан на рис. 4. Он включает несколько итерационных (повторяющихся) циклов.

• Цикл требований помогает уточнить определение требований путем распределения функций по подсистемам и компонентам на различных уровнях.

• Цикл проектирования включает итерационные приложения результатов функционального анализа и распределения для проектирования продукта, чтобы система в целом могла работать в соответствии со всеми заданными требованиями.

---

• Цикл верификации включает проведение испытаний спроектированного продукта, его подсистем и компонентов для контроля того, что все требования выполняются на всех уровнях.

• Цикл управления обеспечивает рассмотрение и анализ вопросов в нужное время, и принятие правильных решений. Контур управления обеспечивает обмен информацией со всем персоналом, участвующим в программе разработки продукта.

Циклы повторяются для изменения архитектуры и конфигурации продукта, чтобы достичь сбалансированного дизайна продукта (т.е. удовлетворительно отвечающего всему набору требований с компромиссными решениями между различными конструктивными соображениями).

В ходе разработки системы должны быть спланированы действия на последующих этапах жизненного цикла. Планируются этапы производства или строительства готовой продукции, эксплуатации и послепродажной поддержки, а также вывода из эксплуатации и утилизации. Это важно для скорейшей передачи системы потребителям и организации процесса возврата инвестиций.

Для ускорения освоения методологии системной инженерии полезно развивать системное мышление. Оно выросло из системного подхода, согласно которому системы рассматривают как открытые; чтобы увидеть, как они действуют в едином целом в своей среде и контексте (содержимом).

Выделяют две части системного мышления.

A. Системное мышление, которое означает думать о системе в целом, чтобы понимать ее. Система, которая должна быть понята, объясняется с точки зрения ее роли или функции в содержащей системе. Большая картина включает содержание для системы, окружающей среды и предположений. Оперативность отражает, что делает система, как описано в сценариях.

B. Систематическое мышление дополняет предыдущее методичным, шаг за шагом, обдумыванием задач. Например, понимание проблемной ситуации, определение причины нежелательности ситуации, предложение вероятного решения проблем, связанных с устранением такой ситуации.

Участникам команд необходимо прививать навыки системного мышления для улучшения коммуникации в коллективе. Основными целями здесь должны являться (список не исчерпывающий):

1. стремление понять общую картину и цели проекта;

2. наблюдать изменение элементов в системе с течением времени, генерацию моделей и тенденций;

3. признать, что структура системы (элементы и их взаимодействия) порождает ее поведение;

4. определять связную природу сложных причинно-следственных связей;

5. уточнить поверхности (границы системы) и допущения для испытаний;

6. рассматривать проблему в целом, сопротивляясь стремлению быстро прийти к выводу;

7. использовать понимание структуры системы для определения возможных рычагов воздействий;

8. рассматривать как краткосрочные, так и долгосрочные последствия действий;

9. находить, откуда возникают непреднамеренные последствия изменений;

10. проверять результаты и изменять действия при необходимости в процессе «последовательных приближений».

С функциональной точки зрения системное мышление, и умственные способности индивида вообще, можно декомпозировать на четырех уровнях.

1. Восприятие: способность наблюдать и использовать внимание.

2. Сохранение: способность запоминать и вспоминать.

3. Рассуждение: умение анализировать, визуализировать, сравнивать и решать.

4. Креативность (творчество): способность предвидеть и генерировать идеи.

Ключевые точки системного мышления включают:

• осознание зависимостей инженерного проекта, то есть ограничений дизайна и то, как продукт будет использоваться;

• непрерывное взаимодействие с заинтересованными сторонами для сопоставления входных данных и последствий принятия решений проекта;

• учет неопределенности, ее последствий, использование информации, когда возникают проблемы, оценку сопутствующих рисков на уровне технологии, уровне интеграции и системном уровне;

• управление процессами и людьми, и взаимодействием между ними, чтобы сбалансировать обратную связь, рассматривая систему в ее широком окружении и среде эксплуатации;

• использование итераций и обратной связи, циклический подход с суммарными результатами;

• инженерную культуру как нормы поведения команды «я могу это сделать», приоритет доверия к участникам команды, и эффективные каналы связи с возможностью признания лучшего решения;

• документирование управления знаниями, результатов верификации и валидации;

• устойчивость к неудачам, адаптацию фактов и размышления о причинах неудачи, вместо того, чтобы тратить время на поиск виноватых.

Детальное описание особенностей реализации процесса разработки систем можно найти в представленном в конце книги рекомендательном списке литературы [1,2,4,5,10]. Далее будут представлены некоторые особенности этапов разработки системы.

1.4. Формирование требований к системе

Выявление свойств и характеристик будущей системы начинается с задачи маркетингового исследования рынка. Типовая постановка задачи маркетинга описывает потребности клиента, заявляет цели проекта, очерчивает предмет проблемы, определяет концепцию эксплуатации. Необходимо оценить требования заинтересованных сторон, характеристики системы, стоимость, примерный график выхода на рынок, потребное вспомогательное оборудование, технологические риски, структуру декомпозиции работ, вплоть до наличия исходных запчастей и готовности к ремонту.

Рыночная привлекательность продукта определяется набором его преимуществ. Например, для системы гражданского самолета это дальность, грузоподъемность, стоимость пассажиро-километра, вес, надежность, наличие послепродажного обслуживания, стоимость владения, и др. Критерии принятия решений на рынке могут быть назначены на основе качественных мер эффективности, которые учитывают голос клиента, и количественных показателей эффективности, которые оценивают голос инженеров.

У новой системы могут быть также нематериальные преимущества, которые нелегко измерить. К ним относятся улучшение экологичности, повышение лояльности клиентов, лучшее качество, лучшее обслуживание, большее удовлетворение работой сотрудников, и так далее. Эти факторы могут влиять на экономическую осуществимость системы.

Полезно на этапе замысла выполнить анализ осуществимости идеи. Он включает оценку жизнеспособности реализации предлагаемого проекта путем анализа технических, экономических, юридических, эксплуатационных и календарных факторов осуществимости. Оценивают наличие потребных технологий для достижения целей проекта, доступность людей, инструментов и ресурсов, как в эксплуатации будет поддерживаться проект. Разрабатывают альтернативные подходы и выбирают наилучший с учетом технологических ограничений, ресурсов, финансов, политических соображений. Также необходимо определить роли персонала, необходимые знания, навыки, способности, помещения и инфраструктуру.

Ожидаемые результаты маркетинговых исследований включают выбор концепции эксплуатации системы, архитектуры системы, производные требования (альтернативы функций, распределение требований). На их основе формируют верхний уровень требований к системе.

Требованием называют утверждение, которое идентифицирует эксплуатационные, функциональные параметры, характеристики или ограничения проектирования продукта или процесса, которое однозначно, проверяемо и измеримо. Необходимо для приемки продукта или процесса (ГОСТ Р 59194—2020 «Разработка требований»).

Есть несколько причин, зачем нужны требования:

a) требования определяют цель программы, например, чтобы предложить хороший продукт на рынок и получить прибыль от реализации проекта;

b) требования определяют, что система должна делать, и управляют ее развитием;

c) требования определяют ограничения, связанные с реализацией проекта, а именно сроки, бюджет, персонал, применяемые технологии, соответствие требованиям законодательства, и т. д.

Требования не являются спецификациями. Они определяют функции, характеристики системы, и задачи в части окружающей среды. Распространенной ошибкой является чрезмерное ограничение проектирования путем указания ненужных барьеров, ограничивающих творчество архитекторов и инженеров при выполнении проекта.

Посредством требований уточняются формулировки или характеристики продукта или системы, которые разработчик хочет или должен получить. В системных требованиях учитывают запросы заинтересованных сторон — производителей, поставщиков, операторов и других лиц. Сюда входят корпоративные клиенты, заинтересованные в рынке системы, низких эксплуатационных и капитальных затратах. Операторы системы, заинтересованные в ее производительности, долговечности, надежности, наличии запасных частей, и т. д. Пользователи, которые заботятся о комфорте, безопасности и удобстве использования. Эти стороны, в конечном счете, будут использовать систему, извлекать из нее выгоду, управлять, поддерживать в рабочем состоянии, влиять на нее или подвергаться ее воздействию.

Необходимым стартовым компонентом для продвижения по этапам разработки является документ «Концепция эксплуатации». В стандартах РФ документ не фигурирует, однако полезен для разработчиков, а также при разрешении последующих возможных конфликтов исполнителя с заказчиком. В нем количественно и качественно описывают ожидаемые характеристики разрабатываемой системы с точки зрения пользователя. По мере разработки и проверки концепции потребности заинтересованных сторон преобразуются в эксплуатационные требования. Задачей концепции является наглядное описание целей создания системы, «что» она должна делать, а не «как». Это не техническое задание, где изложен детальный набор требований к системе, подсистемам и элементам.

Концепция эксплуатации должна ответить на ряд вопросов пользователя.

1. Что требуется от системы с функциональной точки зрения?

2. Какие основные и второстепенные функции должна выполнять система?

3. Что ограничивает ее возможности?

4. Что пользователи ценят в ожидаемом продукте?

5. Когда необходимо построить и поставить систему?

6. Каков запланированный жизненный цикл системы?

7. Какова предполагаемая стоимость жизненного цикла системы?

8. Где предполагается использовать систему?

Наличие четко определенной концепции эксплуатации является ключевым исходным основанием для успеха системы. Нельзя начинать работу с ожиданиями, что можно спроектировать что-то сейчас, а исправить позже.

Далее начинается процесс формирования из системных требований верхнего уровня набора требований к системе в терминах, понятных разработчикам. Следует изложить, что должна делать новая система, и насколько хорошо она должна это делать. Заявленные требования предоставляются заказчиками систем, например, через часто используемые запросы контрактных предложений и рабочие задания. Эти требования обычно формулируются на языке заказчика, зачастую в виде пожеланий. Требования заказчика недостаточны для проектирования системы. Обычно они неполные, нечетко сформулированные, а иногда и противоречивы по своему характеру. Системные требования должны быть собраны, отфильтрованы, уточнены, декомпозированы и задокументированы. Для этапа разработки необходим полный, технически обоснованный и точный набор системных требований, которые необходимо реализовать.

Чтобы сформировать хорошие требования к системе, сначала нужно обратиться к заинтересованным сторонам. Это пользователи системы, операторы и специалисты по обслуживанию системы. Кроме того, это люди, которые косвенно влияют на пользователей системы, администраторы, вспомогательный персонал и разработчики системы. В обсуждениях с заинтересованными сторонами определяются потребности, которые должна удовлетворять система. Далее на основе этих запросов формируют системные требования, которые определяют, что будет делать система.

При сборе и анализе системные требования удобно классифицировать по типам.

• Функциональные требования, отвечающие на вопрос «что система должна делать?»

• Требования к рабочим характеристикам, отвечающие на вопрос «как хорошо система исполняет нужные функции?»

• Экологические, нефункциональные требования и сценарии использования, отвечающие на вопрос «при каких условиях экологии, надежности и доступности система должна работать для удовлетворения данного требования?»

• Ограничения системы. Они могут зависеть от предлагаемых решений. Необходимо учитывать внешние интерфейсы, налагаемые другими системами, например, габариты входной двери на объекте, условия хранения, транспортировки, эксплуатации, и др. Сюда же отнесены известные возможности потенциального конкурента, что ограничивает диапазон практических решений проекта.

• Политика и публичные законы, которые вносят ограничения по безопасности, экологии и шуму.

• Требования к качеству, включая требования к безопасности.

• Бизнес-требования, в том числе цена продукта, стоимость жизненного цикла, конкурентоспособность, и так далее.

• Требования к процессам жизненного цикла продукта, включающие скорость выхода на рынок, послепродажное обслуживание, и др.

Функциональные (эксплуатационные) требования к системе должны решать следующие основные проблемы.

1. Сформулировать общую цель создания системы и перечислить основные функции, которые должна выполнять система. Для этого удобно определить набор эксплуатационных сценариев.

2. Определить рабочие характеристики предполагаемых функций системы.

3. Определить требования к жизненному циклу и использованию системы, включая предполагаемый срок службы системы. Задать режим использования системы, например, часы в день, дни в неделю, месяцы в году.

4. Определить факторы эффективности системы, то есть стоимость жизненного цикла, доступность системы, средние интервалы времени между обслуживанием, логистическую поддержку, уровень квалификации обслуживающего персонала, и так далее.

5. Определить факторы воздействия окружающей среды на работу и обслуживание системы, включая физические условия, климатическую зону, температуру, влажность, экологичность влияния системы на окружающую среду.

Требования являются ключом к успеху проекта. Хорошие требования к системе или продукту должны быть:

A. Специфичны, должны отражать только один аспект конструкции или характеристик системы. Кроме того, должны быть выражены в терминах потребности (что и как хорошо), а не решений (как).

---

B. Измеримы, характеристика выражается объективно и количественно, может быть проверена при испытании.

C. Достижимы, технически реализуемы при доступных затратах, параметры элементов должны соответствовать законам физики и современным технологиям.

D. Прослеживаемы, требования нижнего дочернего уровня должны четко вытекать из требований более высокого родительского уровня. Требования, не имеющие «родителей», должны быть оценены для необходимости включения на данный уровень.

Написание хороших требований требует инженерных знаний системы, навыков общения с людьми и, прежде всего, способности мыслить критически и творчески. Сначала требование выражают в качественной форме. Например, «Автомобиль должен иметь возможность двигаться в прямом направлении и задним ходом, а направление движения должно выбираться водителем». Далее добавляют количественные оценки. Например, «Автомобиль должен проезжать в среднем 150 км с заправкой десяти литров топлива при следующих условиях: X, Y и Z» или «Уровень шума внутри автомобиля не должен превышать 55 децибел на скорости ниже 120 км в час, при движении по стандартному асфальтовому покрытию». Качественные и количественные требования заносят в документ, называемый техническим заданием (ТЗ). Выполнение требований, указанных в ТЗ, является обязательным для результата проекта.

Для сбора потенциальных требований можно использовать разные источники.

1. Интервью с пользователями для уточнения дизайна продукта и улучшения качества.

2. Опрос и анкетирование, которые широко используются в социальных исследованиях и анализе рынка.

3. Наблюдение, которое включает фиксацию выполнения определенных функций и задач.

4. Изучение документов для сбора информации о том, как системы использовались, что необходимо добавить или улучшить в следующей версии системы.