Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

УДК: 681.5.01:519.711

 

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

 ДТОО «Институт космической техники и технологий», Республика Казахстан

Подходы к системному проектированию космических систем

 

Введение

На сегодняшний момент необходимым условием ком­плексного анализа космической отрасли и отдельных видов техники по обобщенным показателям (целевая эффективность, стоимость, время) является использование системно­го подхода, обеспечивающего вы­явление структуры и состава рас­сматриваемой системы, всестороннее исследование внешних и внутренних связей, учета прямых и об­ратных управляющих связей и др.

Проведенные исследования методологии ком­плексного анализа позволяют вы­явить следующие этапы исследований перспектив развития техники:

-     определение целей и задач развития изучаемого вида техники на рассматриваемый период;

-     разработка способов и средств реализации рассматривае­мой    перспективной космической программы, обеспечивающих решение постав­ленных задач;

-     выявление необходимых и располагаемых ресурсов для прак­тического осуществления сформи­рованных вариантов перспектив­ной программы;

-     сравнительная оценка вариантов, отбор допустимых и выбор из них оптимального варианта.

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 – системное проектирование [1].

Этот подход заключается в определении потребностей заказчиков и необходимых функциональных возможностей системы на ранних стадиях цикла разработки, при документировании требований и последующем проектировании и проверке системы с учетом всех составляющих задачи, в том числе операций оценки затрат и календарного планирования, производительности, обучения и сопровождения, тестирования, сдачи и запуска в промышленную эксплуатацию.

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 подходов системного проектирования продукции (системы, техники).

Ниже подробнее рассмотрим подходы к системному проектированию космических систем. 

 

Методология системного проектирования «ЦНИИ машиностроения»

Методология, разработанная ФГУП «ЦНИИ машиностроения» Российского космического агентства [2],  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.).

Методология системного проектирования, разработанная «ЦНИИ машиностроения» [2], должна включать следующие шесть основных взаимосвязанных компонентов, обеспечивающих:

-        комплексный анализ и оценку задания заказчика, целей и задач сложных технических систем, формирование системы исходных данных 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.

 

Методология системного проектирования по стандарту ECSS

По методологии, разработанной в стандарте Европейского космического агентства для членов Европейской кооперации по космической стандартизации (European cooperation for space standardization (ECSS)) [3], определены следующие функции (или элементы) системного проектирования:

1. интеграция и контроль системного проектирования,

2. требования инженерного проектирования,

3. анализ,

4. дизайн и конфигурация,

5. калибровка, верификация.

Это функциональное разложение не представляет обязательную организацию или иерархические требование, но при таком разбиении показано довольно много полезных концептуальных разделов дисциплины «системное проектирование», в котором каждый элемент (функция) охватывает задачи, которые являются однородными в цели и характере, и все элементы вместе охватывают всю совокупность сфер дисциплины «системное проектирование».

Интеграция и контроль системного проектирования обеспечивает интеграцию различных инженерных дисциплин и разработчиков во всех фазах проекта в целях оптимизации общего определения, реализации и надежности системы, рассматривая весь жизненный цикл и соответствующую внешнюю среду.

Требования инженерного проектирования должны обеспечить следующее:

а) правильную интерпретацию потребностей заказчиков и ограничений в отношении технических требований к продукции, которая удовлетворяет потребности заказчиков, согласованных с заказчиком;

б) формирование, контроль и поддержание последовательного и соответствующего набора спецификаций системы и подсистем (элементов системы);

в) полное отслеживание требований в рамках набора спецификаций, вышеуказанных в б),   вплоть до окончательной верификации.

Анализ системного проектирования выполняется на всех уровнях и во всех областях для того, чтобы:

·                   подправить функциональные и эксплуатационные требования и ограничения конфликта во время анализа требований;

·                   разложить функциональные требования и требования распределения производительности в ходе функционального анализа, а затем оценить эффективность альтернативных решений для элементов системы и выбрать лучшее техническое решение во время синтеза;

·                   оценить эффективность системы, выявить и проанализировать факторы риска; выбрать соответствующие подходы устранения риска; управлять факторами риска на всем протяжении системного проектирования;

·                   дополнить оценкой тестирования и проведения маркетинговых исследований для оценки эффективности, риска, затрат и планирования.

Дизайн и конфигурация должны обеспечить следующее:

а) процесс дизайна должен привести от функционального анализа и распределения требований к физической архитектуре и дизайну конструкции (включая программное обеспечение);

б) синтез должен проводиться в интерактивном режиме с анализом и контролем для того, чтобы оценить, какой дизайн конструкции лучше соответствует требованиям;

с) при выполнении вышеуказанных задач а) и б), в процессе дизайна и конфигурации необходимо:

1) применять концепции простоты конструкции, оценивающих альтернативы по отношению к таким факторам, как простота доступа, легкость интеграции, общие и несложные инструменты, сокращение частных пунктов, модульность, технологичность, стандартизация, и стандартизация интерфейсов и стоимости;

2) демонстрировать согласованность дизайна с результатами действий по уменьшению риска;

3) определить критические параметры, а также проанализировать их изменчивость и чувствительность решения к изменчивости;

4) определить применимость процесса и технические характеристики материалов;

5) определить альтернативы продукта и процесса итеративно, а также поправки для допустимых отклонений;

6) определить допустимые методы, которые содействуют экспертизе;

7) принимать дизайнерские решения, которые облегчают диагностику, отключение и восстановление (например, контрольные точки, модульность, встроенные программное обеспечение для тестирования, и обратная связь циклов);

8) определить решения уровня детализации, что дает возможность последующей проверки для соблюдения указанных требований.

Процесс проверки (верификации) адресован ко всем составляющим системы и выполняется постепенно, применяя согласованный подход блочного построения путем:

·                   создания критерия проверки в отношении указанных требований,

·                   планирования для соответствующей деятельности по проверке,

·                   контроля над реализацией и исполнением всей деятельности по проверке на всех уровнях и во всех фазах, подготовке выходной (окончательной) документации проверки.

 

Выводы

В заключение, надо отметить, что анализ обеих методологий позволил выявить следующее:

1.   В методологии, разработанной «ЦНИИ машиностроения», определено шесть компонентов системного проектирования, которые полностью обеспечивают системные исследования технического облика сложных технических систем и ее составных частей, рассмотрение всего жизненного цикла продукции;

2.   В методологии, разработанной ECSS, определено пять функций (или элементов) системного проектирования.

3.   При этом надо указать, что функции системного проектирования по методическим разработкам «ЦНИИ машиностроения» соответствуют функциям ECSS, что показано в таблице 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1 – Сравнение функций системного проектирования

№п.п

«ЦНИИ машиностроения»

Стандарт ECSS

1

«Комплексный анализ и оценку задания заказчика, целей и задач сложных технических систем, формирование системы исходных данных для системного проектирования, разработку взаимосвязанной системы критериев и показателей эффективности СТС и ее составных частей»

Требования инженерного проектирования

 

2

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

Интеграция и контроль системного проектирования

 

3

«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»

Анализ системного проектирования

 

4

«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» и «Проектно-поисковые исследования, направленные на формулировку концепции построения СТС»

Дизайн и конфигурация

 

5

«Комплексный анализ и оценку полученных результатов и разра­ботка рекомендаций по дальнейшим этапам создания СТС»

Процесс проверки (верификации)

 

Литература:

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

2.   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.

3.   Стандарт ECSS-E-10. Part 1B «Space engineering / System engineering - Part 1: Requirements and process», 18 November 2004. – 174 p.