CC BY
57
УДК 004.02
А. А. Романов1, Д. А. Шпотя2
хАО «ЦНИИ машиностроения» 2 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Инженерная методика идентификации потребностей пользователей и определения требований заказчика как основа разработки изделий космической техники
В работе обоснована необходимость определения требований заказчика, основанных на потребностях пользователей. Для этого авторами разработана инженерная методика «Усовершенствованное структурирование функции качества (СФК) для усовершенствованного дома качества № 0» и доказано, что она позволяет успешно преодолевать пять недостатков классического СФК, в том числе идентифицировать потребности пользователей, приоритизировать требования заказчика точнее, чем классическое СФК, а также решать проблемы модельно-ориентированного системного инжиниринга (от англ. Model-Based Systems Engineering), в том числе сокращать затраты времени на разработку SysML (от англ. Systems Modeling Language) диаграмм с нескольких дней до нескольких минут с помощью широкодоступного программного обеспечения.
Ключевые слова: СФК, уСФК, ДК, уДК, MBSE, SysML, системный инжиниринг, методика, потребности, требования, приоритизация, цифровой двойник.
12
1 Central Research Institute for Machine Building (JSC TSNIIMASH)
2
Engineering method of determining the most important engineering product attributes as the basis for identification of critical technologies
For this purpose the authors develop an engineering method, improved quality function deployment (QFD) for Improved House of Quality». It is proved that it allows users to successfully overcome five drawbacks of classical QFD, including identification of user needs, prioritization of customer requirements more accurately than the classical QFD does, and also to solve problems of Model-Based Systems Engineering, including reduction of time spent on SysML (Systems Modeling Language) diagrams development from several days to some minutes using widely available software.
Key words: QFD, iQFD, HoQ, iHoQ, MBSE, SysML, systems engineering, method, needs, requirements, prioritization, digital twin.
1. Введение
Традиционно итоговые свойства и характеристики космического изделия формируют два участника разработки космической техники: головной исполнитель и заказчик. Львиная доля дохода мирового рынка, использующего спутниковые данные, поступает от продажи услуг, основанных на результатах космической деятельности [1]. Подобные услуги, в первую очередь связаны с разработкой программных изделий (ПИ). При этом высокая конкуренция среди производителей ПИ свидетельствует о том, что если требования
© Романов А. А., Шпотя Д. А., 2020
© Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020
к новому ПИ сформулированы без анализа потребностей пользователей, то, как правило, такое ПИ либо не будет пользоваться спросом, либо уступит разработке конкурентов. Аналогичное заключение справедливо и для аппаратных изделий. Поэтому требования, указываемые в тактико-техническом или техническом заданиях (ТТЗ/ТЗ) на космическое изделие, должны быть основаны на анализе потребностей [2] пользователей (третий участник разработки).
Цель данной статьи - разработка инженерной методики (ИМ) идентификации потребностей пользователей и определения требований заказчика программно-аппаратных изделий на предпроектном этапе жизненного цикла изделия (ЖЦИ).
1.1. О матричном подходе системного инжиниринга
Для формулировки исходных данных (ИД) используется матричный подход системного инжиниринга (СИ), в частности метод под названием QFD (Quality Function Deployment) -структурирование функции качества (СФК). Классическое СФК состоит из 4-х фаз, в рамках которых применяется инструмент «дом качества» (ДК). ДК используется для структурирования и отображения информации о том, как зависит «Что» нужно сделать от того, «Как» это можно реализовать на заданном этапе ЖЦИ. При этом классические СФК и ДК обладают недостатками, а именно:
1. СФК и ДК не направлены на формулировку ИД каждого этапа ЖЦИ: потребностей пользователей, требований заказчика, инженерных требований, функциональных и нефункциональных характеристик, технологий производства изделия.
2. СФК и ДК не обеспечивают точное ранжирование элементов «Что».
3. Алгоритм СФК по подсчету финальных весов важности элементов «Как» не учитывает корреляции между этими элементами.
4. В ДК можно проанализировать только то, как первый элемент «Как» влияет на второй, на третий, но нельзя проанализировать, как второй или третий элементы влияют на первый - анализ корреляций происходит только в одном направлении.
5. Матрицы СФК и ДК передают информацию менее эффективно, чем диаграммы, выполненные на языке UML (от англ. Unified Modeling Language)1.
В 2016 году в рамках реализации первой фазы СФК «Планирование», СФК и его инструмент ДК были нами усовершенствованы, и была разработана ИМ уСФК (усовершенствованное структурирование функции качества) для уДК (усовершенствованного дома качества) № 1 [3]. ИМ «уСФК для уДК № 1» позволяет определять и приоритизировать точнее, чем СФК, верхнеуровневые инженерные требования, а также преодолевать указанные выше второй и третий недостатки.
Для точной идентификации потребностей пользователей (как принято называть «голосом пользователей», ГП), определения и приоритизации требований заказчика («голос заказчика», ГЗ), а также для преодоления четвертого и пятого недостатков ИМ «уСФК для уДК № 1» необходимо модернизировать.
1.2. О моде л ьно-ориентированном подходе системного инжиниринга
На основе UML для разработки программно-аппаратных систем был создан язык SvsML. Язык SvsML, методы и программы для его использования - это три компоненты модельно-ориентированного СИ (от англ. Model-Based Systems Engineering, далее MBSE).
1Koski J. Quality function deployment in requirements engineering: a review and case studies. [Электронный ресурс] // Helsinki University of Technology, 2003. URL: http://www.soberit.tkk.fi/core/reports/mba-jouko-koski.pdf (дата обращения: 08.09.2019).
Из аналогичных компонентов состоит матричный подход СИ (в частности методики семейства СФК). В 2011 г. Дж. Джени [4] показал, что метод СФК является одним из видов MBSE: требования могут быть представлены в виде графов и, следовательно, представлены на языке SysML (с помощью соответствующих диаграмм).
Все, кто сталкивался с MBSE, задавали себе вопрос: «Зачем использовать MBSE?» Академическое сообщество и представители аэрокосмической промышленности [5], [6], [7] утверждают, что внедрение и развитие MBSE, MBSE++ [8] создает фундамент и необходимую инфраструктуру для перехода от документно-ориентированного проектного управления (подробнее про его недостатки в [9]) к MBSE, от киберфизических систем к умным цифровым двойникам (ЦД), что в итоге приводит к созданию цифрового предприятия [10].
В 2016 г. NASA опубликовало доклад2 в котором утверждается, что внедрение MBSE требует серьезных финансовых затрат, при этом необходимо создавать сценарии использования существующих на предприятиях технологий и имеющихся знаний об MBSE [11].
Наш опыт выявил схожие и дополнительные проблемы:
1. Разработка и поддержка актуальности информации в SvsML-моделях требует больших затрат времени и педантичной скрупулезности.
2. Профессиональные ПИ для разработки SysML-моделей требуют больших финансовых затрат и труднодоступны на государственных предприятиях РФ.
3. Базовые условные графические обозначения (УГО) языка SysML не обеспечивают достаточную согласованность между SvsML-моделью и реальным изделием, а также согласованную передачу данных об изделии при переходе от этапа к этапу ЖЦИ.
Несмотря на проблемы, число компаний, использующих MBSE, возрастает [12], поэтому стал чаще звучать вопрос: «Как минимизировать затраты, на моделирование?»
Учитывая вышеперечисленное, и для того, чтобы обозначить области исследования данной работы, нами была выдвинута гипотеза о том, что
• компоненты MBSE позволяют преодолевать недостатки метода СФК;
• указанные проблемы MBSE, могут быть решены с помощью адаптированного и усовершенствованного метода СФК и программ для его практики;
• объединение компонентов MBSE и компонентов СФК создает синергетический эффект [13], который сокращает затраты времени и финансов, повышает качество реализуемых проектов на каждом этапе ЖЦИ (начиная с предпроектного).
2. Обзор литературы
Анализ литературы выявил лишь несколько работ, в которых используются СФК и MBSE [5], [14], [15]. Но они применяются как отдельные инструменты, а не как единая ИМ. Анализ материалов QFD-симпозиумов выявил только два упоминания про модельно-ориентированный инжиниринг3. В 2016 году члены INCOSE UK К. Стэнсфилд и Г. Мазур (Мазур является членом института СФК и ведущим исследователем в этой области) заявили о намерении разработать интеграцию СФК с MBSE4. Все это означает, что до сих
2Parrott Е., et. al. NASA MBSE Implementation, 2016. [Электронный ресурс] // NASA. URL: https://sma.nasa.gov/docs/default-source/News-Documents/eparrott_grc-mbse-status_gsfc-workshop.pdf (дата обращения: 08.09.2019).
3Абстракты симпозиумов по QFD за 1989-2019. [Электронный ресурс] // QFD институт. URL: http://www.qfdi.org/books/symposium_proceedings_all_abstracts.html (дата обращения: 08.09.2019).
4Stansfield К., Mazur G. INCOSE UK Annual Systems Engineering Conference 2016
Academic Research Showcase [Электронный ресурс] / / INCOSE UK, 2016. URL: https://incoseonline.org.uk/Documents/Events/ASEC2016/Posters/INCOSE_Poster_2016_-_Impact_ISO_16355_on_SE_vs_2.00_Kim_Stansfield_Glenn_Mazur.pdf (дата обращения: 08.09.2019).
пор никто не предложил комплексного решения, в котором были бы учтены недостатки классического СФК; предложен новый ДК для перевода ГП в ГЗ, а классический метод СФК был дополнен SvsML. Таким образом, проблема объединения матричного подхода СИ с модельно-ориентированным подходом СИ находится на переднем крае развития СИ и до сих пор не решена. Поэтому требуется разработать инженерную методику объединения этих подходов СИ и провести ее испытания.
3. Формулировка цели и постановка задач исследования
В целях снижения затрат времени и финансов без потери качества в ходе разработки программно-аппаратного изделия на предпроектном этапе ЖЦ решались следующие задачи:
1. Объединение методов, языков и программных инструментов матричного и модельно-ориентированного СИ в рамочный алгоритм ИМ под названием уСФК для уДК № 0.
2. Верификация и валидация функций ИМ «уСФК для уДК № 0» в ходе разработки ТТЗ.
Правильное определение и приоритизация требований к изделию, а также сокращение затрат времени на разработку предпроектного этапа ЖЦИ в парадигме MBSE - это свидетельства того, что предлагаемая ИМ обеспечивает достижение цели исследования.
4. Инженерная методика уСФК для уДК № 0 и опыт ее применения 4.1. Рамочный алгоритм инженерной методики «уСФК для уДК № О»
ИМ «уСФК для уДК № 0» состоит из двух основ, адаптированных, а затем объединенных для решения задач исследования, а также недостатков и проблем указанных подходов СИ.
I-я основа: ИМ «уСФК для уДК № 1» и программа для ее использования MS Excel.
II-я основа: язык SvsML и программа для его использования MS Visio.
На рис. 1 представлен рамочный алгоритм ИМ «уСФК для уДК № 0». Краткое описание получаемых на каждом этапе алгоритма ИМ результатов отражено в табл. 1.
Таблица 1
Краткое описание этапов рамочного алгоритма ИМ «уСФК для уДК № О»
№ этапа Название этапа Ключевые результаты этапа
1 Идентификация ГП Определены контекст и участники проекта. Разработаны диаграммы SvsML, отражающие сценарий использования системы, иерархию потребностей (ГП)
2 Определение ГЗ Завершен вербальный анализ системных требований (ВACT). Разработаны диаграммы SvsML, отражающие «поведение» системы и иерархию требований (ГЗ). Проведен бенч-маркинг (если целесообразно)
3 Ранжирование ГП и ГЗ Качественно и количественно проранжирова-ны перечни элементов ГП и ГЗ (функций, элементов качества)
4 Разработка уДК № 0. Приоритизация ГЗ 4.1, 4.2, 4.3 Структурированы матрицы уДК. 4.4 Элементы ГЗ приоритизированы. 4.5 Данные из матриц уДК № 0 синхронизированы с диаграммами SvsM
5 Структурирование уДК № 1 Информация о приоритизации элементов ГЗ передается из уДК № 0 в следующий уДК № 1
Рис. 1. Рамочный алгоритм инженерной методики «уСФК для уДК № 0»
4.2. Применение инженерной методики «уСФК для уДК № 0»: формулировка контекста проекта, идентификация потребностей и определение требований
Идентификация ГП начинается с формулировки контекста проекта. Для этого были проведены совещания с заказчиком информационной системы (ИС) и согласованы используемые термины и определения; проблемы и пожелания; верхнеуровневая цель и идеи по ее достижению, ограничения; область применения ИС; две категории пользователей.
Категории пользователей были экспертно оценены как равнозначные. Проведя мозговые штурмы и опросы этих групп, было выделено множество идей и пожеланий. Полученная информация была проанализирована с помощью инструмента «вербальный анализ системных требований» (ВАСТ; см. табл. 2).
Функциональные потребности и требования, записанные текстом, были промоделированы с помощью диаграмм SysML «сценарий использования» (см. рис. 2), а итоговые ГП и ГЗ представлены на языке SysML с помощью диаграмм «требования».
Применение ВАСТ и диаграмм SysML позволило выявить причины потребностей, детальнее их декомпозировать и отсортировать полученные данные по категориям ГП, ГЗ и ГП («голос инженера» верхнеуровневые инженерные требования к изделию), а также провести эффективный анализ и коммуникацию контекста и концепта проекта.
4.3. Структурирование матриц уДК № О
По алгоритму ИМ «уСФК для уДК № 0», ГП и ГЗ были проранжированы количественно (с помощью метода анализа иерархий (МАИ) и качественно (с помощью модели Кано) [31. Результаты были структурированы в матрицах «уДК № 0» (см. рис. 3).
Таблица 2
Демонстрация применения инструмента ВАСТ
Мозговой штурм
Поиск причин
Уточнение пожеланий
№
Генерация пожеланий
Почему именно это пожелание?
Что нужно на самом деле?
Необходима возможность заполнения
онлайн-, шаблонов, тирующих ление
результатов
офлайн-регламен-оформ-итоговых бизнес
процессов (БП)
Правильное оформление отчётных документов часто требует знаний наименования и содержания регламентирующих нормативно-технических документов. Итоговые документы содержат множество ошибок и они отправляются на исправление. Это приводит к временным издержкам.
7.1 Сократить затраты времени на поиск информации для оформления отчётной документации
7.2 Разработать диаграммы требований или БПов, к элементам которых можно присваивать ярлыки
7.3 Разработать соответствующий ярлык (ссылку), при нажатии на который можно скачать шаблон отчета о результатах БП
Рис. 2. Моделирование сценариев использования И С на языке вувМЬ
7
В классическом ДК при заполнении матрицы «крыша» можно указать только то, как рассматриваемая характеристика в одностороннем порядке коррелирует с другой. Вследствие этого невозможно определить, какая именно из двух характеристик влияет на связанную с ней. В инструменте «уДК № 0» этот недостаток классического СФК (ДК) предлагается преодолевать с помощью модификации матриц «крыша» из треугольной в четырехугольную форму (см. рис. 3). Такой новый подход структурирования этих матриц уДК (ДК) позволяет в двустороннем направлении анализировать взаимовлияния рассматриваемых элементов или характеристик изделия друг на друга, что способствует принятию правильного решения.
Рис. 3. Структурирование матриц «крыша» в уДК № 0
После заполнения центральной части уДК № 0» были подсчитаны и визуализированы в требований заказчика (см. рис. 4). Формулы и
по формулам СФК и ИМ «уСФК для уДК виде графиков финальные веса важности расчеты весов приведены в табл. 3.
I £ сз а и С4 Ч м л г; п О 2 О п Е и й КЗ о пы потребностей активный вес важности групп МАИ иализованные веса МАИ ГЗ: дет пот досту гальные формулировки ребнсотей и требований пны в ЗузМЬ диаграммах ПИ с заданным функционалом 8у8МЬ-модели БП этапов ЖЦИ Диаграммы рабочих процессов Библиотека НТД Шаблоны формы Классификатор БП Стоимость системы <100 тыс. долл.
Си 1 ГП: Идентификатор требования | ^ (ИД из диаграмм ЗузМЬ) [ £ Т.зак.2 Т.зак.З Т.зак.4 Т.зак.5 Т.зак.6 Т.зак.7
3 II V 1 1 !&! 1 ! 1! Веса МАИ 0,38 0,22 0,08 0,12 0,10 0,06 0,04
П.1.1 т Разработка ДК БП этапов ЖЦИ ю о" 0,51 0,26 ПО для создания и управления моделей БП О А А О
ПЛ.2 т 0,21 0,11 Моментальный доступ к информации о Ы1 О О 0 О О О о
П. 1.3 в 0,08 0,04 Сохранение конфиденциальности информации о А о
П.1.4 1 0,10 0,05 Хранение файлов в одном месте о 0 Центральня часть УДК о
П.1.5 ь 0,09 0,05 Официальная возможность инсталяции ПИ о о
П.2.1 в Контроль за ходом выполнения БП О 0,31 0,15 "Эстафетная палочка" А 0 0 А О о
П.2.2 в 0,08 0,04 Автоназначение ответственных 0 О 0 А о
П.2.3 т 0,14 0,07 Информирование о статусе БП 0 А 0 А А о
П.2.4 Б 0,18 0,09 Формирование сетевого плана графика 0 О 0 А о
П.2.5 В 0,29 0,15 Электронное согласование результатов О 0 А А о
® 0 А 1 1/2 -1/2 -1 Т А X Сильная зависимость (9) Умеренная зависимость (3) Слабая взаимосвязь (1) Сильно положительно влияет Положительно влияет Отрицательно влияет Сильно отрицательно влияет Минимизация характеристики Максимизация характеристики Достичь заданной цели (значения) Веса без учета весов важности МАИ ГЗ 6,85 3,51 5,45 1,21 1,33 1,17 4,54
Относительный вес в % 28,48 14,59 22,66 5,03 5,51 4,86 18,87
-Г» г 40,00 -■- Веса без учета весов важности МАИ ГЗ 0,00 -
Веса с учетом весов важности МАИ ГЗ 1,33 0,38 0,20 0,09 0,07 0,03 0,09
Относительный вес в % 60,77 17,51 8,91 3,92 3,24 1,41 4,25
70,00 60,00 V,
^ 50,00 -■- Веса с учетом весов 40 00 важности МАИ ГЗ 30 00 20,00 10,00 0,00
Рис. 4. Финальная приоритизация элементов ГЗ в уДК № 0
Таблица 3
Расчет финальных весов важности требований по СФК и по уСФК № О
Подход Классическое СФК ИМ «уСФК для уДК № 0»
Формула в3 = £ г РФЦ (1) Вз = (£г ОгР1..пЗгРгагз)Тг (2)
где г - отдельно взятый элемент ГП; ] - отдельно взятый элемент ГЗ; Bj - вес важности ^'-го элемента «ГЗ»; СгР\..п - вес важности группы элементов ГП; Бг - вес важности г-ого участника проекта (группы); Р.\ - нормализованный вес важности г-го элемента ГП; Т^ - нормализованный вес важности ]-то элемента ГЗ; а^ - коэффициент влияния ^'-го элемента ГО на достижение г-го элемента ГП (может принимать значения 1, 3 или 9)
Пример расчета веса Т. зак. 1
В\ = 0,26 * 9 + 0,11 * 3 + 0,04 * 9 + 0,05 * 9 + 0,05 *3 + 0,15 * 1 + 0,04 * 9 + 0,07 * 9 + 0,09 * 9 + 0,15 * 9 = 6,85
В\ = (0,6 * 0,26 * 9 + 0,6 * 0,11 * 3+ 0,6 * 0,0 4 * 9 + 0,6 * 0,05 * 9 + 0,6 * 0,05 * 3 + 0,4 * 0,15 * 1 + 0,4 * 0,04 * 9 + 0,4 * 0,07 * 9 + 0,4 * 0,09 * 9 + 0,4 * 0,15 * 9) * 0,385 = 1,33
Отличие предлагаемой формулы (2) от (1] заключается в том, что она учитывает веса важности: групп потребностей, участников проекта, элементов ГЗ (групп элементов ГЗ).
4.4. Сравнение и анализ приоритизации требований по СФК и по «уСФК для уДК № О»
В табл. 4 представлены результаты приоритизации ГЗ по формулам (1) и (2).
Таблица 4
Сравнение результатов приоритизации ГЗ в уДК № 0 по СФК и уСФК
№ Подход СФК УСФК
Требования заказчика: Веса* Ранг** Веса* Ранг**
Т. зак. 1 ПИ с заданным функционалом 28,48 1 60,77 1
Т. зак. 2 БувМЬ-модели результатов БП этапов ЖЦИ 14,59 4 17,51 2
Т. зак. 3 Диаграммы рабочих процессов 22,66 2 8,91 3
Т. зак. 4 Библиотека НТД 5,03 6 3,92 5
Т. зак. 5 Шаблоны формы 5,51 5 3,24 6
Т. зак. 6 Классификатор БП 4,86 7 1,41 7
Т. зак. 7 Стоимость инф. системы <100 тыс. долл. 18,87 3 4,25 4
*Веса нормализованы. Чем меньше вес характеристики, тем менее она значима. **Ранг отражает важность требования. Чем больше число, тем менее значимо ГЗ.
Из табл. 4 следует, что СФК и ИМ «уСФК для уДК № 0» одинаково приоритизировали два элемента. В табл. 5 предлагается проанализировать соотношения весов требований, полученных по формулам (1) и (2).
Таблица 5
Сравнение весов важности, полученных по СФК и уСФК № О
Рассматриваемые требования По формуле СФК (1) По формуле уСФК № 0 (2)
Соотношение Т. зак.1 и Т. зак. 3 28, 48/22,66 = 1, 26 60, 77/8,91 = 6, 82
Соотношение Т. зак. 1 и Т. зак. 7 28, 48/18,87 = 1, 51 60, 77/4,25 = 14, 30
Заключение о соотношении весов важности Веса, близкие друг к друг по значениям Веса отличаются между собой в несколько раз
Соотношения показывают, что по формуле СФК (1) формируются веса элементов «ГЗ» («Как»), близкие друг к другу. Это может вызвать у лица, принимающего решение (ЛИР),
сомнения в правильности ириоритизации требований и привести к принятию неверного решения. Формула (2) позволила получить веса требований, которые отличаются между собой в несколько раз, а значит, ЛПР будет более уверен в правильности приоритизации. Из этого следует, что алгоритм ИМ «уСФК для уДК № 0» позволяет приоритизировать требования заказчика с большей точностью, чем если использовать алгоритм СФК.
Дальнейшая реализация ТТЗ на ИС подтвердила корректность приоритизации требований заказчика по алгоритму уСФК. А именно, в ситуации отсутствия профессионального ПИ для SysML, были сконцентрированы усилия на разработке SysML-моделей с помощью широкодоступного ПИ MS Visio. Углубленное изучение данного ПИ открыло метод автоматизации разработки SysML-моделей на основе структурированной информации из табличных баз данных (в том числе созданных в MS Excel).
4.5. Синхронизация данных из матриц уСФК и уДК с диаграммами SysML
Чтобы отразить на языке SysML информацию про ГП и ГЗ, структурированную в таблицах уДК № 0, были разработаны новые условные графические обозначения SysML, которые далее использовались в качестве точек соединения в ходе программной синхронизации SysML-диаграмм (разрабатываемых в MS Visio) с данными из матриц уДК (разрабатываемых в MS Excel). Для повышения эффективности использования матричного СИ и MBSE, с точки зрения их способности передавать информацию, уДК № 0 и диаграммы SysML были программно объединены в единое рабочее пространство на базе MS Excel (см. рис. 5). Данное решение является универсальным для любого этапа ЖЦИ.
Рис. 5. Программное объединение и синхронизация уДК № 0 с диаграммами SysML
Такое объединение создало матрично-модельно-ориентированное представление о рассматриваемом изделии и, самое главное, позволило снизить затраты времени на разработку ЗувМР-моделей. Сравнение затрат времени на выполнение некоторых часто встречающихся операций по разработке ЗувМЕ-моделей представлено в табл. 6.
Достигаемое с помощью предлагаемой ИМ кардинальное снижение затрат времени на операции по разработке и поддержанию в актуальном виде ЗувМЕ-моделей положительно влияет на снижение финансовых затрат на оплату труда МВЭЕ и ЭувМЕ специалистов.
В табл. 7 представлен краткий анализ стоимости ПИ ЭувМЕ, доступных в РФ.
Таблица 6
Затраты времени на некоторые операции по разработке SysML-моделей
Операции по разработке SysML-моделей (в том числе SysML-диаграмм) Затраты времени в случае использования традиционного подхода и подхода ИМ «уСФК для уДК № 0»
Создание и заполнение данными 300* новых УГО От нескольких дней до нескольких недель От нескольких минут до нескольких часов
Массовое и точное обновление информации в 300 УГО (к примеру, изменение порядкового номера) От нескольких часов и более в связи с возможными ошибками и как следствие новыми итерациями От нескольких секунд до нескольких минут, как правило, без ошибок и итераций
*Примерно столько условных графических обозначений необходимо для разработки БувМЬ-модели результатов БП этапа ЖЦ спутниковой аппаратуры «Эскизный проект».
Таблица 7
Сравнение цен на некоторые ПИ для разработки SysML-моделей
№ Наименование Стоимость для 1 рабоче- Оплата Дополнительные про-
ПИ го места граммы
1 MS Visio От 649 долл. Разовая Нет
MS Visio Бесплатно для академических партнеров Microsoft
2 Siemens PLM: От 296 320 руб. (2018 г.) Разовая + Необходим Siemens
Systems ежегодная Teamcenter
Engineering
3 NoMagic От 140 326 руб. (2018 г.) Разовая + Необходимы «плаваю-
MagicDraw ежегодная щие» лицензии
Использование широкодоступных ПИ MS Visio и Excel позволяет еще больше сокращать финансовые затраты вузов и предприятий на внедрение и обучение MBSE и SysML.
5. Итоги работы
Работа посвящена разработке инженерной методики анализа, обработки информации и принятия решений на предпроектном этапе ЖЦИ. Первый этап работы заключался в разработке рамочного алгоритма инженерной методики «уСФК для уДК № 0», основанной на объединении и модернизации компонентов ИМ «уСФК для уДК № 1» и MBSE. Второй этап заключался в верификации и валидации функций ИМ.
Под задачи идентификации потребностей пользователей, определения и приоритизации требований заказчика, а также преодоления указанных во введении статьи четвертого и пятого недостатков СФК, необходимо было модернизировать ИМ «уСФК для уДК № 1».
Первое направление модернизации связано с методическим подходом, уСФК Же 1. Классические инструменты СИ «диаграмма родства» и «рыбий скелет» были заменены SysML диаграммами: «требования», «сценарий использования». Чтобы на языке SysML отразить результаты ранжирования потребностей и требований с помощью МАИ, модели Капо и ИМ «уСФК для уДК № 0» - были созданы новые условные графические обозначения SysML. Инструмент «ВАСТ» был переименован и адаптирован под указанные задачи.
Второе направление модернизации было связано с инструментом уДК № 1. Для анализа того, как потребности коррелируют между собой, инструмент уДК № 0 получил дополнительную матрицу под названием «крыша»; чтобы обеспечить в «крышах» двусторонний анализ корреляций (как первый влияет на второй элемент, и как второй влияет на первый элемент), эти матрицы были оформлены в виде четырехугольников. Формула (2), которая
отвечает за финальный подсчет весов важности требований заказчика, стала учитывать веса важности групп заинтересованных сторон и групп потребностей.
Верификация функций ИМ «уСФК для уДК № 0» проводилась в ходе идентификации потребностей, а также формулировки, ранжирования и приоритизации требований заказчика к ИС. По алгоритму ИМ «уСФК для уДК № 1» были успешно идентифицированы ГП (10 верхнеуровневых потребностей). На основании ГП были определены ГЗ (7 верхне-уровневых требований). Валидация функций ИМ проходила в ходе сравнения результатов приоритизации элементов ГЗ по СФК и уСФК с реальным ходом работ по реализации информационной системы. А именно, СФК показало, что перед тем, как разрабатывать SysML-модели результатов бизнес процессов этапов Ж IUI. необходимо как минимум решить проблему финансирования профессионального ПИ для практики SysML. При этом уСФК показало, что несмотря на проблему финансирования закупки дороих программных изделий, необходимо создавать SysML-модели с помощью широкодоступных ПИ.
Последовав результатам ранжирования требований по алгоритму уСФК, для разработки SysML диаграмм была использована широкодоступная программа MS Visio и разработан алгоритм автозаполнения данных в SysML диаграммах с помощью MS Excel. Это позволило интегрировать SysML диаграммы в уДК № 0 (разрабатываемый в MS Excel). Последнее стало ключевым элементом объединения матричного и модельно-ориентированного СИ в единое целое и завершающим этапом разработки ИМ «уСФК для уДК № 0». Полученный результат доказал, что уСФК, в отличие от СФК, позволяет точнее приоритизировать требования заказчика к изделию.
Достигнутые результаты «меняют правила игры», потому что позволяют:
• автоматизировать разработку SysML-диаграмм с помощью матриц/таблиц, разрабатываемых в привычной и широкодоступной программе MS Excel;
• кардинально снизить затраты времени на разработку SysML-диаграмм (с нескольких недель/дней до нескольких часов/минут) и на обновление хранящейся в SysML-моделях информации (с нескольких дней/часов до нескольких минут/секунд) (см. табл. 6);
• избежать неточности, как это происходит при «ручной» обработке информации;
• снизить затраты на подготовку MBSE-специалистов и ПИ для использования SysML;
• избежать психологических барьеров и отторжений от моделирования на языке SysML, вызванных нежеланием людей тратить большое количество времени на «двойную работу» - подготавливать текстовые документы и подкреплять их SysML-моделями (документы не отменят5), а SysML-модели можно разрабатывать быстро);
• сделать диаграммы SysML более компактными. К примеру, в матрицах уДК № 0 уже отражены зависимости ГП и ГЗ, а значит, это не надо еще раз уточнять в диаграммах;
• передавать на языке SysML согласованную информацию от этапа к этапу Ж IUI. а также повысить согласованность модели SysML и физического изделия.
Таким образом, ИМ уСФК для уДК позволила достичь взаимной компенсации выделяемых в работе пяти недостатков матричного СИ (СФК) и проблем MBSE. Это означает, что искомый синергизм достигнут - правильность положений гипотезы подтверждена.
Научная новизна исследовательской работы состоит в том, что в работе впервые разработана ИМ, основанная на объединении компонентов СФК и MBSE, которая позволяет
5Crosley R., Kearney M. Лекция по стандартам конструирования космических систем «Space standards and Architectures» [Электронный ресурс] // МФТИ (НИУ), 2019. http://www.youtube.com/watch?v=9ï5XpnzUL_E& (дата обращения: 08.09.2019).
точнее, чем СФК, определять требования заказчика и кардинально сокращать затраты времени на реализацию любого этапа ЖЦИ в парадигме MBSE с помощью широкодоступного программного обеспечения. Указанные преимущества предложенной ИМ способствуют широкому распространению MBSE. Учитывая то, что MBSE - это фундамент разработки цифрового двойника и построения цифрового предприятия, следует, что ИМ «уСФК для уДК № 0» содержит в себе научно-техническую и экономическую целесообразность использования как в космическом приборостроении, так и в любых других отраслях.
6. Выводы
MBSE - это фундамент разработки ЦД и перехода к цифровому предприятию. Именно поэтому требуется внедрение MBSE на всех этапах ЖЦИ, начиная с предпроектного.
ИМ «уСФК для уДК № 0», основанная на модернизации ИМ «уСФК для уДК № 1» и на предложенном новом подходе объединения языков, методов и программных изделий матричного СИ и MBSE, позволяет идентифицировать ГП и точнее, чем СФК, определять и приоритизировать ГЗ. Также ИМ позволяет автоматизировать синхронизацию данных из матриц/таблиц уСФК и уДК с диаграммами SysML, что сокращает затраты времени на разработку и обновление информации в диаграммах более чем в три раза по сравнению с неавтоматизированным подходом. Такая синхронизации позволяет преодолевать финансовые, психологические (привычки), методические, технологические проблемы, ускоряет внедрение и повышает рентабельность инвестиций в развитие MBSE на любом этапе ЖЦИ. Использование SysML-моделей сократило время согласования ТТЗ на 40%. Полученные результаты свидетельствует в пользу того, что объединение указанных подходов и инструментов СИ создает синергетический эффект.
ИМ «уСФК для уДК № 0», реализованная на широкодоступных продуктах Microsoft, позволяет сократить финансовые затраты на разработку этапов ЖЦИ в парадигме MBSE более чем на 100%. Возможность модификации и создания программных дополнений к продуктам Microsoft открывает новые перспективы по разработке отечественных теоретико-прикладных продуктов в соответствии с инновационной парадигмой MBSE++.
Все это доказывает, что ИМ «уСФК для уДК № 0» модернизирована и позволяет ее пользователям успешно преодолевать пять недостатков классического СФК, в том числе решать задачу идентификации потребностей пользователей и определение требований заказчика, а также решать ключевые проблемы MBSE.
Из достигнутого следует, что разработан новый и эффективный методический инструментарий анализа, обработки информации и принятия решений. Сократив с его помощью временные и финансовые затраты на разработку программно-аппаратного изделия в парадигме MBSE на предпроектном этапе ЖЦ без ухудшения итогового качества изделия, делается заключительный вывод о том, что задачи работы успешно выполнены и цель достигнута.
Результаты исследования были доложены на 61-й научной конференции МФТИ в рамках конкурса научных работ среди молодых ученых. Работа удостоена диплома.
Литература
1. Фролов И.Э. Развитие мировых высокотехнологичных производств и космические рынки: сможет ли космонавтика стать новым глобальным нововведением? // Экономическая наука современной России. 2017. № 4(79). С. 43-57.
2. Landahl J. [et al.}. Towards Adopting Digital Twins to Support Design Reuse during Platform Concept Development // Proceedings of NordDesign2018. 2018.
3. Романов A.A., Шпотя Д.А. Методика определения важнейших инженерных характеристик изделия как основа идентификации критических технологий // Труды МФТИ. 2016. Т. 8, № 4. С. 155-168.
4. Jenney J [et al.}. Modern Methods of Systems Engineering: With an Introduction to Pattern and Model Based Methods. CreateSpace Independent Publishing Platform. 2015.
5. Tao F. [et al.}. Digital twin-driven product design framework // International Journal of Production Research. 2019. V. 57, N 12. P. 3935-3953.
6. Madni A.M., Madni C.C., Lucero S.D. Leveraging Digital Twin Technology in Model-Based Systems Engineering // Systems. 2019. V. 7, N 1. P. 7.
7. Fisher A. [et al.}. 3.1.1 model lifecvcle management for MBSE // INCOSE International Symposium. 2014. V. 24, N 1. P. 207-229.
8. Романов А.А. Смена парадигмы разработки инновационной продукции: от разрозненных НИОКР к цифровым проектам полного жизненного цикла изделия // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2017. Т. 4, вып. 2. С. 68.
9. Adedjouma М. [et al.}. Prom Document-Based to Model-Based System and Software Engineering 11 Joint Proceedings of EduSvmp and OSS4MDE 2016. 2016. V. 1835. P. 27-36.
10. Brusa E. Synopsis of the MBSE, Lean and Smart Manufacturing in the Product and Process Design for an Assessment of the Strategy «Industry 4.0» // Proceeding of the 4th INCOSE Italia Conference on Systems Engineering. 2018. V. 2248. P. 21-30.
11. Hallqvist J., Larsson J. Introducing MBSE by using systems engineering principles // INCOSE International Symposium. 2016. V. 26, N 1. P. 512-525.
12. Chami M., Bruel J.M. A Survey on MBSE Adoption Challenges // INCOSE EMEASEC 2018: https://www.researchgate.net / publication /328118976_ A_Survev_on_MBSE _Adoption_Challenges/link/5bdlbc4192851cabf266f5b7/download
13. Ройзензон Г.В. Синергетический эффект в принятии решений // Системные исследования. Методологические проблемы. 2012. Т. 2011. С. 248-272.
14. Arrasmith A.A. Systems engineering and analysis of electro-optical and infrared systems. Boca Raton : CRC Press. 2018.
15. Fusaro R., Ferretto D., Viola N. MBSE approach to support and formalize mission alternatives generation and selection processes for hypersonic and suborbital transportation systems // 2017 IEEE International Systems Engineering Symposium (ISSE). 2017. P. 1-8.
References
1. Frolov I.E. The Development of the World High Technology Manufacturing and Space Markets: Will Astronautics Become a New Global Innovation? Economics of Contemporary Russia. 2017. N 4(79). P. 43-57.
2. Landahl J., et al., Towards Adopting Digital Twins to Support Design Reuse during Platform Concept Development. Proceedings of NordDesign2018. 2018.
3. Romanov A.A., Shpotya D.A. Method of Determining the Most Important Engineering Product Attributes as the Basis for Identification of Critical Technologies. Proceedings of MIPT. 2016. V. 8, N 4. P. 155-168.
4. Jenney J., et al., Modern Methods of Systems Engineering: WTith an Introduction to Pattern and Model Based Methods. CreateSpace Independent Publishing Platform. 2015.
5. Tao F., et al, Digital twin-driven product design framework. International Journal of Production Research. 2019. V. 57, N 12. P. 3935-3953.
6. Madni A.M., Madni C.C., Lucero S.D. Leveraging Digital Twin Technology in Model-Based Systems Engineering. Systems. 2019. V. 7, N 1. P. 7.
7. Fisher A., et al, 3.1.1 model lifecvcle management for MBSE. INCOSE International Symposium. 2014. V. 24, N 1. P. 207-229.
8. Romanov A.A. Paradigm Shift in the Development of Innovative Products: from Disparate R&D to Full Life Cycle Digital Projects. Rocket-Space Device Engineering and Information Systems. 2017. V. 4, N 2. P. 68.
9. Adedjouma M., et al., From Document-Based to Model-Based System and Software Engineering. Joint Proceedings of EduSvmp and OSS4MDE 2016. 2016. V. 1835. P. 2736.
10. Brusa E. Synopsis of the MBSE, Lean and Smart Manufacturing in the Product and Process Design for an Assessment of the Strategy «Industry 4.0». Proceeding of the 4th INCOSE Italia Conference on Systems Engineering. 2018. V. 2248. P. 21-30.
11. Hallqvist J., Larsson J. Introducing MBSE by using systems engineering principles. INCOSE International Symposium. 2016. V. 26, N 1. P. 512-525.
12. Chami M., Bruel JM. A Survey on MBSE Adoption Challenges. INCOSE EMEASEC 2018: https://www.researchgate.net/publication/328118976_A_Survev_on_MBSE _Adoption_Challenges/link/5bdlbc4192851cabf266f5b7/download
13. Rojzenzon G. V. Svnergetic effect in decision making. SYSTEMS RESEARCH. Methodological Problems. 2012. V. 2011. P. 248-272.
14. Arrasmith A.A. Systems engineering and analysis of electro-optical and infrared systems. Boca Raton : CRC Press. 2018.
15. Fusaro R., Ferretto D., Viola N. MBSE approach to support and formalize mission alternatives generation and selection processes for hypersonic and suborbital transportation systems. 2017 IEEE International Systems Engineering Symposium (ISSE). 2017. P. 1-8.
Поступим в редакцию 18.10.2019
