Модель жизненного цикла системы, с точки зрения системного инженера

При построении модели жизненного цикла, которая отражала бы существенные переходы от одного вида деятельности системного инженера к другому на протяжении существования системы, удобнее всего разбить жизненный цикл на три больших стадии, а их, в свою очередь, - на восемь этапов. Эта структура показана на рисунке и рассматривается далее. Названия стадий выбраны с тем расчётом, чтобы в них отражалась принципиально важная деятельность, имеющая место на каждом этапе процесса. Некоторые названия неизбежно совпадают или, во всяком случае, коррелируют с названиями аналогичных частей в других существующих моделях жизненного цикла.

Эти стадии отмечают наиболее важные переходы в жизненном цикле системы, а также изменения типа и предмета деятельности системного инженера. В этой книге мы будем называть стадии следующим образом: 

1. Стадия разработки концепции - она охватывает начальный период, когда формируется и выбирается концепция системы, реализация которой позволяет наилучшим образом удовлетворить установленные потребности;

2. Стадия разработки инженерно-технических решений - она охватывает переход от концепции системы к прошедшему успешную проверку проекту физической реализации системы, отвечающей эксплуатационным, стоимостным и временным требованиям

3. Постразработеская стадия - она включает производство, развертывание, эксплуатацию и сопровождение системы на протяжении всего срока ее службы. Названия стадий выбраны в соответствии с основным типом деятельности.

На стадии разработки концепции, как следует из самого названия, производятся анализ и планирование с целью установить, действительно ли есть потребность в новой системе, существует ли техническая возможность ее реализации и какая архитектура сможет наилучшим образом удовлетворить нужды пользователя. Системная инженерия играет ведущую роль в переводе с языка практических нужд на язык технически и экономически реализуемой концепции системы. Майер и Рехтин (Maier, Rechtin, 2009) называют этот процесс «разработкой системной архитектуры» (systems arcbltecting), используя аналогию с архитектором здания, который переводит нужды заказчика на язык планов и спецификаций, благодаря чему подрядчик может принять участие в тендере и приступить к строительству. Объем работы на этой стадии обычно гораздо меньше, чем на последующих.

Основные цели стадии разработки концепции таковы:

1. Убедиться в том, что потребность в новой системе, равно как и рынок для нее, действительно существуют, а также в том, что имеются технические и экономические возможности ее создания

2. Исследовать возможные концепции системы, сформулировать и одобрить совокупность требований к ее поведению

3. Выбрать наилучшую концепцию системы, определить ее функциональные характеристики и составить детальный план последующих этапов разработки, производства и ввода системы в эксплуатацию

4. Разработать новые технологии, необходимые для реализации принятой концепции, и убедиться в их способности удовлетворить требованиям

Стадия разработки инженерно-технических решений соответствует процессу разработки системы с целью воплощения функций, специфицированных в концепции системы, в физической конструкции, производство которой экономически целесообразно, а успешная эксплуатация и техническое обслуживание и ремонт в предполагаемых условиях возможны. Основная задача системной инженерии здесь - руководство разработкой инженерно-технических решений и проектированием, определение интерфейсов и контроль над ними, разработка программ и методик испытаний и принятие решений о наиболее подходящих способах устранения несоответствий в работе системы, выявленных в процессе испытаний и аттестации. Именно на этой стадии на долю системного инженера выпадает наибольшая нагрузка.

Основные цели стадии разработки инженерно-технических решений таковы:

1. Осуществить инженерно-техническую разработку системы-прототипа, которая удовлетворяет функциональным требованиям, а также требованиям по надежности, ремонтопригодности и безопасности

2. Создать систему, экономичную в производстве и использовании и продемонстрировать её пригодность к эксплуатации.

Постразработческая стадия включает виды деятельности, которые не относятся собственно к разработке, но тем не менее нуждаются в существенной поддержке со стороны системного инженера, особенно в ситуации, когда возникают непредвиденные проблемы, требующие срочного решения. Кроме того, непрекращающийся технический прогресс нередко вызывает необходимость в модернизации системы без вывода из эксплуатации, а для решения этой задачи системная инженерия может понадобиться не в меньшей степени, чем на стадиях разработки концепции и инженерно-технических решений.

Постразработческая стадия для новой системы начинается после того, как система успешно пройдет процесс испытаний и аттестации, который иногда называют приемочными испытаниями и будет одобрена для производства и последующей эксплуатации. Хотя основная разработка уже завершена, системная инженерия продолжает играть важную обеспечивающую роль в этой работе.

Для иллюстрации применения этой модели жизненного цикла рассмотрим эволюцию нового пассажирского самолета. На стадии разработки концепции происходит осознание факта существования рынка для нового самолета, исследуются различные конфигурации, в частности количество, размер и расположение двигателей, размеры фюзеляжа, форма крыла в плане и т. д., что позволяет выбрать вариант конфигурации, оптимальный с точки зрения производственных затрат; оценивается общий КПД, комфорт пассажиров и другие рабочие характеристики. В основе принимаемых решений лежат анализ, моделирование и функциональное проектирование, а результатом должно стать технико-экономическое обоснование выбранного подхода.

Стадия разработки инженерно-технических решений в жизненном цикле самолета начинается с одобрения предложенной концепции и решения компании приступить к разработке. Усилия в процессе разработки должны быть направлены на обоснование использования новых технологий, воплощение функционального проекта системы в аппаратные и программные компоненты и подтверждение того, что сконструированная система удовлетворяет нуждам пользователя. Для этого создаются прототипы компонентов, из них собирается действующий образец, который испытывается в реальных условиях.

Постразработческая стадия включает закупку производственного и испытательного оборудования, производство нового самолета, адаптацию его к требованиям различных заказчиков, обеспечение плановой эксплуатации, устранение обнаруженных дефектов, периодический ремонт и замену двигателей, шасси и других компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам. На этой стадии системная инженерия играет ограниченную, но важную роль, которая состоит в обеспечении эксплуатации и разрешении проблем.

Этап анализа потребностей

На этом этапе выявляется потребность в новой системе. Здесь задаются вопросы типа «Действительно ли нужна новая система?» и «Существует ли практически осуществимый способ удовлетворить эту потребность?». Для ответа на такие вопросы необходимо критически проанализировать, в какой степени текущие и предполагаемые в дальнейшем потребности могут быть удовлетворены путем физической или функциональной модернизации имеющихся средств, а также понять, способны ли существующие технологии обеспечить желаемое наращивание возможностей. Во многих случаях стимулом к созданию новой системы может послужить результат анализа практических нужд или появление инновационного продукта, но четко зафиксировать момент рождения новой системы обычно не удается.

На выходе этого этапа создается описание возможностей и эксплуатационной эффективности, которыми должна обладать новая система. Во многих отношениях это первая итерация самой системы, правда, на очень общем концептуальном уровне. Читателю рекомендуется обратить внимание на то, как «система» эволюционирует по ходу жизненного цикла, начав с этого, самого раннего, этапа. Хотя мы бы не стали называть такое описание требованиями, оно, безусловно, является предтечей официальных требований к системе. Некоторые специалисты называют это полученное на самой ранней стадии представление «описанием исходных возможностей».

Существует несколько видов инструментов и практических методов, поддерживающих процесс разработки описания исходных возможностей системы. Большинство из них относится к двум областям математики: анализ операций и исследование операций. Однако на этом этапе, помимо математического изучения проблемы, производится также анализ технологий и ставятся эксперименты.

Этап исповедования концепции

На этом этапе исследуются возможные варианты концепций системы и задаются вопросы типа «Какими должны быть характеристики новой системы, чтобы удовлетворить выявленные нужды?» и «Существует ли хотя бы один способ достижения таких характеристик с приемлемыми затратами?». Если ответ на эти вопросы положительный, то еще до затраты значительных сил и средств на разработку проекта новой системы известно, что у него имеется четко определенная и достижимая цель.

На выходе данного этапа формируется первый «официальный» набор требований, которые обычно называют требованиями к функциональным возможностям системы. Говоря «официальный», мы имеем в виду, что подрядчик или агентство может оценить на соответствие установленные в требованиях возможности и характеристики. Кроме начального набора требований на этом этапе разрабатывается несколько возможных концепций системы. Обратите внимание на множественное число - важно изучить несколько альтернативных вариантов концепции и уяснить, каков диапазон потенциальных решений.

На этом этапе применяются различные инструменты и технические приемы - от методик, основанных на процессном подходе (например, анализ требований), до математических методов (например, методы поддержки принятия решений) и экспертных оценок (например, мозговой штурм). Некоторые методики могут вначале давать очень много вариантов, но их число быстро уменьшается и в конце концов получается приемлемый набор альтернатив. Важно подтвердить (на доказательной основе!), что возможно практическое воплощение окончательной совокупности концепций, которые становятся входом для следующего этапа.

Этап определения концепции

На этом этапе определяется предпочтительная концепция. Следует ответить на вопрос: «Каковы ключевые характеристики концепции системы, при которых достигается благоприятный баланс между функциональными возможностями, сроком службы и стоимостью?» Для этого нужно рассмотреть несколько альтернативных концепций и сравнить их характеристики, практическую полезность, риски разработки и стоимость. Получив удовлетворительный ответ, можно принимать решение о выделении серьезных ресурсов на разработку новой системы.

На выходе получаются два представления одной и той же системы: набор функциональных спецификаций, описывающих, что и насколько хорошо должна делать система, и принятая концепция. Последняя может быть представлена в одном из двух видов. Если сложность системы относительно мала, то для формирования общей стратегии проектирования достаточно простого описания концепции. Если же система по - настоящему сложна, то такого описания недостаточно и необходимо представить всестороннюю системную архитектуру, отражающую различные взгляды на систему. Вне зависимости от степени детализации концепцию следует описать в нескольких ракурсах - главным образом функциональном и физическом. Если сложность особенно велика, то вполне могут понадобиться и другие ракурсы.

Доступные инструменты и методики можно разбить на две категории: анализ альтернатив (этот метод впервые был предложен Министерством обороны США, но вообще-то является частной разновидностью исследования операций) и построение архитектуры системы (предложен Э. Рехтиным (Ebbert Rechtin) в 1990-х годах).

В коммерческих проектах (модель NSPE) первые два этапа часто рассматриваются как одна предпроектная стадия, которую иногда называют «оценкой осуществимости». Ее результаты ложатся в основу решения о том, стоит ли тратить средства на определение концепции. В жизненном цикле закупок военно-технического оборудования второй и третий этапы объединены, но часть работ, соответствующая второму этапу, выполняется государством (в результате формируется набор требований к характеристикам системы), а часть работ, соответствующая третьему этапу, может быть выполнена либо совместной группой, включающей представителей государства и подрядчика, либо несколькими конкурирующими подрядчиками, которые стремятся доказать, что их предложение отвечает требованиям.

Как бы то ни было, до перехода к стадии разработки инженерно-технических решений на создание системы обычно затрачиваются сравнительно небольшие средства, хотя на то, чтобы четко понять, в каких условиях будет работать система, и исследовать технологии, относящихся к делу на уровне подсистем, могут быть потрачены годы и немаль1е усилия. Основные затраты возникают на последующих стадиях жизненного цикла.

Этап эскизного проектирования

Успешное завершение стадии разработки инженерно-технических решений существенно зависит от прочности фундамента, заложенного на стадии разработки концепции. Но поскольку концептуальное проектирование - главным образом аналитическая работа, на которую выделяются ограниченные ресурсы, то неизбежно остаются неизвестные, которые еще предстоит определить и прояснить. Важно выявить эти «неизвестные неизвестные» и принять по ним решения на ранних этапах стадии разработки. В частности, следует принять все возможные меры, чтобы минимизировать число не выявленных проблем еще перед тем, как от функционального проекта и связанных с ним требований к системе будет осуществлен переход к техническим спецификациям (проектным, конструкторским, производственно-технологическим) на отдельные аппаратные и программные элементы системы.

На этапе эскизного проектирования стоят две основные задачи:

1. Идентификация и снижение рисков разработки

2. Разработка проектной документации на систему

Этот этап особенно важен, когда концепция системы предполагает использование передовой технологии, которая ранее не применялась в подобных разработках, или когда для достижения требуемых характеристик приходится подвергать компоненты большей нагрузке, чем было принято ранее. Цель эскизного проектирования состоит в том, чтобы получить представление о конструкции составных частей системы, решения по которым не проработаны, и продемонстрировать практическую возможность выполнения требований к этим частям, а также заложить основу для преобразования функциональных требований к системе в документацию на систему и в технические требования к компонентам.  Системная инженерия занимает центральное место в решениях о том, что нуждается в проверке и как ее провести, а также в интерпретации результатов.

Данный этап соответствует стадии «разработка инженерного обеспечения и производства» (прежнее название - «демонстрация и валидация») в модели МО США. Если риски использования непроверенной технологии высоки, часто заключается отдельный контракт на выполнение работ, относящихся к этому этапу, а заключение контрактов на оставшиеся этапы разработки зависит от полученных результатов.

В полном соответствии с назначением данного этапа его основным результатом являются проектная документация и модель (макет, образец), прошедшая проверку. В документации уточняются и развиваются решения, содержащиеся в функциональных спецификациях, разработанных на предыдущей стадии. Модель (макет, образец) системы - это окончательный результат очень подробного анализа рисков, в ходе которого удается выявить неизвестные, о которых упоминалось выше, и принять по ним решения. Именно это имеется в виду, когда говорится, что модель прошла проверку. Перед тем как перейти к следующему этапу, системный инженер должен убедиться, что систему можно будет спроектировать и изготовить. Поэтому на этом этапе все риски должны быть признаны контролируемыми.

Для снижения неизбежных рисков и в особенности для уменьшения их последствий необходимо применять современные инструменты и методики управления рисками. По мере идентификации, анализа, обработки и мониторинга рисков уровень рассмотрения перемещается с системы на подсистемы. Кроме того, создается набор спецификаций для следующего уровня декомпозиции - уровня компонентов. Во всех случаях на этой стадии часто применяются экспериментальные модели и имитационное моделирование, цель которых - снизить затраты на проверку концепций, рекомендованных в качестве основы при проектировании компонентов и подсистем.

Этап технического проектирования

На данном этапе выполняется детальное техническое проектирование системы. Из-за масштабности задачи по ходу процесса обычно несколько раз производится формальный анализ состояния проекта. У этого мероприятия есть важная функция - дать заказчику или пользователю возможность ознакомиться с проектом на ранних этапах, проконтролировать выполнение бюджета и графика и высказать разработчику полезные критические замечания.

Вопросы надежности, возможности изготовления, ремонтопригодности и т. п. рассматриваются и на предыдущих этапах, но на этапе технического проектирования приобретают особую важность. В совокупности решение этих вопросов часто называют «специальным проектированием» (specialty engineering). Поскольку готовое изделие состоит из компонентов, которые предполагается объединить и испытывать в составе системы, системный инженер отвечает за то, чтобы технические проекты отдельных компонентов точно отвечали требованиям к функциональности и совместимости, а также за управление процессом внесения изменений в проект, чтобы при этом не нарушались интерфейсы и конфигурация.

Задача этого этапа заключается в преобразовании спецификаций на компоненты в набор проектных решений в отношении компонентов. Разумеется, сразу после проектирования, а иногда и одновременно с ним необходимо провести испытания компонентов. Есть и еще одна задача, решение которой выполняется на данном этапе - уточнение программы испытаний и аттестации. Мы используем термин «уточнение», чтобы отличить начало от продолжения. Первоначальный вариант программы испытаний и аттестации составляется на гораздо более раннем этапе жизненного цикла, а сейчас, при наличии информации, полученной в ходе выполнения предыдущих этапов, ее можно привести по существу к окончательному виду.

Два результата первостепенной важности на этом этапе - программа испытаний и аттестации и разработка прототипа. Прототип может принимать разные формы, и совсем необязательно рассматривать его по аналогии с прототипом программы. В зависимости от разновидности системы прототип, создаваемый на этом этапе, может быть виртуальным, физическим или гибридным. Например, если проектируется океанское грузовое судно, то в качестве прототипа может выступать гибрид виртуального и физического макетов. Создавать на этом этапе грузовое судно в масштабе 1:1 не всегда возможно или целесообразно. С другой стороны, если система - это стиральная машина, то вполне можно изготовить прототип и в натуральную величину.

В распоряжении конструкторов имеются современные средства автоматизированного проектирования. Модели системы и имитационные модели должны соответствовать текущему состоянию проекта и результатам испытаний.

Этап комплексирования и аттестации

Процесс комплексирования компонентов сложной системы в работающее целое и оценки функционирования системы в реальных условиях номинально является частью процесса разработки инженерно-технических решений, поскольку в этой точке программы разработки нет никакого формального разрыва. Однако роли и обязанности системного инженера во время технического проектирования элементов системы и в процессе комплексирования и аттестации системы существенно различаются. Поскольку эта книга посвящена системной инженерии, мы рассматриваем процесс комплексирования и аттестации системы как отдельный этап жизненного цикла.

Важно понимать, что новую систему можно собрать и оценить как функционирующее изделие только после того, как все ее компоненты сконструированы и изготовлены. Именно на этой стадии проверяется, что интерфейсы компонентов согласованы и компоненты взаимодействуют в соответствии с функциональными требованиями. Возможно, на более ранних этапах уже проводились испытания на уровне подсистемы или прототипа, но целостность проектных решений относительно всей системы до этого момента не могла быть подвергнута проверке.

Следует отметить, что в процессе комплексирования и аттестации часто требуются разработка и конструирование сложных вспомогательных комплексов, делающих возможными имитацию эксплуатационных воздействий и ограничений, а также измерение реакции системы с достаточно высокой точностью. Иногда комплексы такого рода могут быть построены на основе оборудования, применявшегося при разработке, однако масштаб этой задачи не стоит недооценивать.

Результатами данного этапа являются:

1. Спецификации, служащие руководством при изготовлении системы, которые обычно называются «технические условия на производство системы» (иногда называемые исходной производственной документацией)

2. Собственно готовая система. Последнее подразумевает, что имеется все необходимое для производства и сборки системы и, возможно, прототип системы.

В решении этих задач инженерам могут помочь современные методики комплексирования, а также инструменты, методы, средства и принципы испытаний и аттестации. Разумеется, до начала серийного производства следует выполнить верификацию и проверку изготовленной системы, оценив её функционирование в реальных (или максимально приближенных к таковым) условиях эксплуатации.

Этап производства

Это первый из двух этапов, составляющих постразработческую стадию, которые являются точными аналогами стадий «производство и развертывание» и «эксплуатация и сопровождение» в модели МО США.

Как бы тщательно ни был приспособлен к нуждам производства проект системы, в процессе производства неизбежно возникают проблемы. Всегда существуют неожиданные препятствия, которые руководитель проекта не в состоянии контролировать, например забастовка на заводе поставщика, непредвиденные трудности с обеспечением инструментами, ошибки в критически важных программах или неожиданный сбой в ходе заводских комплексных испытаний. Такие ситуации грозят дорогостоящим срывом производственного графика и, следовательно, требуют быстрого и решительного исправления.

Системный инженер часто оказывается единственным человеком, достаточно квалифицированным для того, чтобы диагностировать источник проблемы и найти эффективное решение. Нередко ему удается отыскать «обходной путь» решения проблемы с минимальными затратами. Это означает, что для обеспечения производства в штат необходимо включить системных инженеров, хорошо знакомых с проектом, особенностями конструкции и эксплуатации системы. В тех случаях, когда требуется консультация специалиста по специальному проектированию, системный инженер -  нередко единственный, кто может квалифицированно решить, кого и когда пригласить.

Этап эксплуатации и сопровождения

На данном этапе нужда в поддержке со стороны системного инженера ощущается еще острее. Операторы системы и специалисты по техническому обслуживанию и ремонту, скорее всего, недостаточно сведущи в тонких деталях функционирования и обслуживания системы. Хотя специально обученные инженеры по эксплуатации в общей ситуации знают, что делать, на случай, если проблема выйдет за рамки их квалификации, должна быть предусмотрена возможность пригласить опытного системного инженера.

Надлежащее планирование этапа эксплуатации подразумевает подготовку логистической системы и программ обучения операторов и ремонтного персонала. В этом планировании важная роль должна быть отведена системной инженерии. Неизбежно возникают непредвиденные проблемы уже после ввода системы в эксплуатацию, и это необходимо учесть в логистической системе и в системе обучения персонала. Очень часто инструментарий, применяемый для обучения и технического обслуживания и ремонта, сам по себе является важным компонентом поставляемой системы.

У большинства сложных систем срок службы исчисляется многими годами, и на его протяжении система подвергается мелким и крупным обновлениям, обусловлены эволюцией целей и задач системы, а также техническим прогрессом, достижения которого позволяют улучшать функциональные возможности, повышать надежность или экономичность системы. В наибольшей степени периодические обновления присущи системам, в которых интенсивно используются компьютеры, причем совокупные усилия, затрачиваемые на усовершенствования, могут намного превышать усилия, потраченнь1е на первоначальную разработку системы. И хотя масштаб отдельной модернизации не сопоставим с масштабом работ, необходимых для создания новой системы, обычно в ходе обновления системы приходится принимать много сложных решений, требующих применения системной инженерии. Этот процесс может оказаться чрезвычайно нелегким, особенно на стадии разработки концепции модернизации. Всякий, кто хоть раз занимался перепланировкой своего дома, например добавлял еще одну спальню и ванную, оценит, с какими сложностями приходится сталкиваться, чтобы сохранить основу исходного системного решения и вместе с тем в полной мере реализовать преимущества добавления новой части - да еще с приемлемыми затратами.