Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

УДК: 681.5.01:519.711

 

Молдабеков М.М., Еремин Д.И., Алиева Б.К.

 ДТОО «Институт космической техники и технологий», Республика Казахстан

Системное проектирование космической техники

 

Введение

Важнейшими этапами определения перспектив развития сложных технических систем являются научно-техническое прогнозирование, системное проектирование и программно-целевое планирование. Применительно к космической отрасли определение перспектив ее развития как сложной системы является основой формирования ее научно-технической политики. Изготовление космической техники с примыкающими к нему процессами ее отработки и испытаний, а также непосредственно эксплуатация космических систем являются завершающими этапами их жизненного цикла, что и обеспечивает получение заказчиком требуемых результатов.

Для преобразования набора потребностей, предъявляемых заказчиком, в программное решение и для сопровождения этого решения на протяжении всего жизненного цикла продукта необходим междисциплинарный подход к управлению всеми техническими и административными работами. Сюда входит определение технических показателей производительности, интеграция всех работ по проектированию для создания архитектуры продукта и определение поддерживающих процессов жизненного цикла, которые позволяют найти баланс между затратами, производительностью и плановыми задачами [1].

На сегодняшний момент членами Международного совета по системному проектированию (International Council on Systems Engineering, INCOSE) определено, что именно системное проектирование является междисциплинарным подходом к обеспечению реализации успешных систем [2].

Системное проектирование объединяет все группы разработчиков в единую команду, создавая основу структурированного процесса разработки, который проходит через все стадии процесса – от выработки концепции до разработки и запуска в промышленную эксплуатацию. Имея целью предоставление качественного продукта, удовлетворяющего требованиям пользователей, системное проектирование учитывает как технические, так и бизнес-потребности всех заказчиков.

Системное проектирование должно учитывать не только спецификацию и создание продукта, но также эксплуатационную поддержку этого продукта (например, его обслуживание), позволяющую обеспечить бесперебойное использование.

В настоящий момент существует много различных вариантов разработки процесса  системного проектирования продукции (системы, техники).

Одним из таких вариантов является методология системного проектирования, разработанная ФГУП «ЦНИИ машиностроения» [3]. Данная методология заключается в формировании взаимосвязанной сбалансированной системы «цели – проекты - мероприятия - ресурсы - результат», которая определяется на основе итеративной процедуры, объединяющей результаты анализа и моделирования целевого применения сложных технических систем (СТС) и ее составных частей с использованием имитационных моделей - проектных моделей средств СТС и функционирования системы в целом и ее составных частей (их внешних и внутренних взаимосвязей во внешней среде), моделей НИР, ОКР, составляющих суть реализации системы на основе целевых комплексных программ с учетом ограничений на выделяемые ресурсы (уровни и темпы финансирования, производственно-экспериментальные мощности и др.).

Другой вариант разработки процесса системного проектирования состоит в подключении модуля в процесс проектирования IBM Rational Unified Process (RUP), который будет поддерживать основные принципы системного проектирования и управляемой моделями разработки систем (Model-Driven Systems Development, MDSD) [4].

RUP без подключаемого модуля MDSD представляет собой процесс проектирования программного обеспечения. RUP с подключаемым модулем MDSD представляет собой процесс системного проектирования, для которого проектирование программного обеспечения (посредством использования RUP) является подмножеством.

Дисциплины, входящие в RUP по умолчанию (бизнес-моделирование, сбор требований, анализ и проектирование, реализация, тестирование, развертывание) и поддерживающие дисциплины (управление конфигурациями и изменениями, управление проектами и среда) в равной степени являются компонентами системного проектирования и проектирования ПО. MDSD добавляет новые задачи, артефакты и виды деятельности, а также изменяет некоторые из уже имеющихся, чтобы обеспечить поддержку более широкого масштаба жизненного цикла разработки и дополнительных аспектов системного проектирования.

Ниже подробнее рассмотрим перечисленные варианты разработки системного проектирования. 

Методология системного проектирования ЦНИИмаш

Методология системного проектирования, разработанная ЦНИИмаш [3],  должна включать следующие шесть основных взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих:

-        комплексный анализ и оценку задания заказчика, целей и задач сложных технических систем, формирование системы исходных данных (СИД) для системного проектирования, разработку взаимосвязанной системы критериев и показателей эффективности СТС и ее составных частей;

-        прогнозно-целевые исследования, предусматривающие определение и обоснование внешней среды для системы на основе прогнозирования тенденций развития политических, научно-технических, экономических и др. факторов;

-        проектно-поисковые исследования, направленные на формулировку концепции построения СТС;

-        системные исследования технического облика СТС и ее составных частей, выбор допустимых альтернативных вариантов построения отдельных подсистем и системы в целом, оценка достижимости заданных требований и реализуемости программы работ по созданию СТС, выбор рационального варианта построения СТС;

-        программно-плановые исследования в целях разработки проекта программы реализации выбранного варианта рационального построения  СТС с учетом требований сбалансированного развития с взаимодействующими средствами, обоснования этапности создания и развития системы;

-        комплексный анализ и оценку полученных результатов и разра­ботка рекомендаций по дальнейшим этапам создания СТС.

На базе анализа и оценки вариантов технического облика СТС с использованием выбранной системы критериев выбирается рациональный вариант построения системы, который служит в качестве основы для определения и обоснования этапности создания и развития системы. На заключительном этапе оптимизации используется комплексный критерий «целевая эффективность-стоимость-время».

В процессе программно-плановых исследований с использованием комплекса имитационных моделей осуществляется оценка программно-планового риска реализации системы и достижимости характеристик ее на основе результатов анализа научно-технического уровня создаваемой и перспектив­ной элементной базы и технологий. Важным видом системных исследо­ваний является определение эффектив­ных способов экспериментальной отработки, производства и постанов­ки системы в эксплуатацию.

Таким образом, результатом комплексных разработок является системный проект СТС. Цели, задачи и основные виды работ при проектиро­вании СТС показаны на рисунке 1.

 

Цель системного проекта –

Обоснование рациональных вариантов построения и развития больших открытых систем, их структуры и основных ТТХ с учетом прогнозируемых изменений характеристик внешней среды

 

Задачи внешнего системного проектирования

Задачи внутреннего системного проектирования

Исследование ресурсного обеспечения

Разработка концепций развития внешней среды (по материалам СИД I фазы комплексного анализа). Обоснование системы.

Функциональное описание системы. Разработка концепций построения систем

Оценка научно-технических возможностей создания системы

Определение альтернативных вариантов построения системы с учетом ресурсных ограничений

Технико-экономическое обоснование системы на прогнозируемый период

Технико-экономический анализ системы и ее элементов.

Оценка реализуемости системы.

Формирование и оперативная корректировка системы исходных данных

Определение основных

ТТХ

системы

Обоснование этапности создания и развития системы и ее увязка с программно-плановыми документами

Анализ и прогнозирование уровня научно-технических достижений (новых технологий, методов и т.п.)

Выделение основных проблем и ключевых элементов системы, определяющее реализуемость

Анализ состояния и оценка возможностей производственной и экспериментальной базы промышленности

Направления использования результатов СП:

формирование (корректировка) ТЗ на ОКР по системе, разработка проектов программно-плановых документов по созданию и развития средств, разработка проектов целевых программ создания системы и ее составных частей, дальнейшие опытно-конструкторские работы по созданию системы и ее составных частей
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 1 - Цели и задачи системного проектирования. Виды основных работ.

 

Основные принципы MDSD

Управляемая моделями разработка систем (MDSD) [4] поддерживает определения INCOSE и помогает в управлении сложностью проектирования системы. Обеспечение необходимого уровня детализации для каждого уровня модели – важный компонент MDSD. Для этого используется следующие передовые методы:

·         декомпозиция не требований, а самих систем;

·         использование как разделения, так и объединения ответственностей;

·         системы и компоненты работают совместно; точно так же должны поступать коллективы разработчиков;

·         спецификации пронизывают архитектуру на всех уровнях детализации;

·         жизненный цикл следует базировать на устранении рисков и создании экономической ценности;

·         организация процесса разработки должна соответствовать архитектуре продукта.

Реализация систем осуществляется путем:

Технология MDSD, которая включает в себя существующие дисциплины RUP, представляет собой процесс жизненного цикла системного проектирования.

MDSD предполагает, что системы состоят из подсистем, которые, в свою очередь, могут состоять из подсистем следующего уровня, и т. д. Системы в контексте MDSD определяются и обрабатываются как системы систем. Процесс RUP с расширением MDSD применяется на любом уровне в иерархии системы систем и подразумевается, что RUP (или MDSD) в процессе разработки систем может применяться не один раз.

Поэтому процесс системного проектирования должен иметь средства для работы с системами, имеющими произвольную сложность и размер и требующими междисциплинарного подхода к проектированию, разработке и сопровождению.

В [5] объясняются причины разработки процесса RUP для системного проектирования (RUP for Systems Engineering, RUP SE). MDSD представляет собой продукт эволюции RUP SE и дополняет модель процесса средствами, позволяющими решить проблемы сложности и размера (как требований и потребностей заказчика, так и проектных), качества сервиса и других особенностей проектирования, с которыми сталкиваются системные инженеры.

MDSD формализует идею абстракции через использование в системе разных уровней моделирования и декомпозиции. Таким образом, модели, абстракции и уровни декомпозиции позволяют нам продумывать большие системы и подсистемы, а также их взаимосвязи, не заботясь о внутренней сложности.

"Уровнем декомпозиции" называется уровень детализации, на котором рассматриваются элементы системы. Ниже перечислены три важных фактора, которые следует учитывать, выбирая уровень декомпозиции:

·         назначение и тип уровня модели (контекст, анализ, проект или реализация);

·         какие элементы считаются "черными ящиками";

·         показываемые и выделяемые взаимодействия.

При разработке сложной модели многоуровневой системы, основной задачей является выбор правильного набора уровней, при помощи которого будет создаваться модель. В MDSD выделяют четыре уровня моделирования, каждый из которых имеет свои задачи: 1) контекстный; 2) аналитический; 3) проектный; 4) уровень реализации. Определения уровней моделирования описаны в [4].

В MDSD имеют дело с контекстным и аналитическим уровнями модели, потому что здесь главная задача – понять систему в ее контексте, проанализировать поведение всей системы и распределить работу, которая должна быть выполнена коллективами проектировщиков и разработчиков. Эти коллективы могут использовать RUP для создания программного обеспечения, а также другие специфические методы для проектирования аппаратных и человеческих ресурсов.

Заключение

На основе проведенного анализа, можно сделать следующие выводы:

1.   Главная задача RUP с подключаемым модулем MDSD – понять систему в ее контексте, проанализировать поведение всей системы и распределить работу, которая должна быть выполнена коллективами проектировщиков и разработчиков.

2.   Основная цель системного проекта по методологии ЦНИИмаш состоит в  обосновании рациональных вариантов построения и развития больших открытых систем, структуры и основных ТТХ с учетом прогнозируемых изменений характеристик внешней среды.

3.   В целом оба варианта разработки процесса системного проектирования схожи, проводится комплексный анализ и оценка задания заказчика, целей и задач сложных технических систем, формирование системы исходных данных для системного проектирования, разработка взаимосвязанной системы критериев и показателей эффективности, системные исследования технического облика СТС и ее составных частей.

4.   В отличие от методологии ЦНИИмаш, в технологии MDSD используются новейшие методы (приемы) проектирования. При этом, реализация систем осуществляется путем: моделирования систем при помощи UML и вариантов использования; создание общего представления проекта на основе использования Context Workshop; использование инструментария IBM® Rational® Software Architect и методологии на базе процесса RUP®; итеративная организация работы с ориентацией на устранение рисков на ранних стадиях и т.д.

 

Литература:

1.   http://www.sei.cmu.edu/cmmi/faq/cov-faq.html

2.   INCOSE Systems Engineering Handbook, INCOSE-TP-2003-002-03.1, август 2007 г.

3.   Новые наукоемкие технологии в технике: Энциклопедия. Т.21. Космонавтика и решение проблем развития цивилизации в ХХI веке / Под общ.ред. К.С. Касаева – М.:ЗАО НИИ «ЭНЦИТЕХ», 2002. – 554 с.

4.   Том Уикстром. Описание подключаемого модуля RUP для управляемой моделями разработки систем, опубликовано на  http://www.ibm.com/developerworks/ru/library/wickstrom/index.html

5.   Мюррей Кантор (Murray Cantor) Rational Unified Process for Systems Engineering (Процесс Rational Unified Process для системного проектирования), авторские права принадлежат IBM Rational Software, 2003 г.