CC BY
25УДК 629.45:629.4.02
DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-73-78
ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО ИНЖИНИРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТРЕБОВАНИЯМИ В РАЗРАБОТКУ НОВЫХ ПРОДУКТОВ НА ПРИМЕРЕ ГИБРИДНОГО МАНЕВРОВО-ВЫВОЗНОГО ЛОКОМОТИВА
Карев Д. Ю., руководитель направления R & D ООО «Научно-Исследовательский Центр Синара—Транспортные Машины», г. Москва e-mail: karev.project@mail.ru Карева Е. О., руководитель направления T & D ООО «НЛМК Информационные Технологии», e-mail: d_Giggs@mail.ru
IMPLEMENTATION OF SYSTEM ENGINEERING AND REQUIREMENTS MANAGEMENT METHODS IN THE DEVELOPMENT OF NEW PRODUCTS ON THE EXAMPLE OF A HYBRID SHUNTING AND EXPORT LOCOMOTIVE
Karev D. Y., head of the R & D direction LLC "Sinara Research Center-Transport Machines", e-mail: karev.project@mail.ru Kareva E. O., head of T & D LLC "NLMKInformation Technologies", e-mail: d_Giggs@mail.ru
Аннотация. На сегодняшний день в локо-мотивостроении более 100 000 требований и что, если одно требование не выполнимо, мы можем передать локомотив заказчику? Или одно требование удорожает локомотив в два раза? Для решения данного вопроса было разработано программное обеспечение по декомпозиции требования, разделяя на 5 уровней: функциональные; системные; логические; технические; ограничивающие. В случае невыполнения одного из низкоуровневых требований, мы можем отследить, как это требование влияет на весь локомотив.
На сегодняшний день все расчеты по новой технике ведутся ручным способом, для исключения ошибки расчеты производятся с большим поправочным коэффициентом (1,2—1,4), но даже этого бывает недостаточно. Каждое оборудование имеется собственные технические характеристики и номинальную частоту работы. Оборудования объединяются в системы, а системы взаимодействуют друг на друга, и если необходимо заменить хотя бы одно оборудование, уже нельзя с уверенностью сказать, будет ли локомотив функционировать или нет. С этой целью разрабатывается цифровой двойник. Цифровой двойник учитывает характеристику оборудования и связи между системами, исходя из этого можно не только проверить работоспособность локомотива на ранних стадиях, но и проверить, как локомотив будет работать на эксплуатационной модели заказчика, задав внешние характеристики, спрогнозировать все возможные исходы событий. Главной функцией является то, что можно в считанные секунды протестировать ло-
Введение
В последние г оды скорость производства всех отраслей заметно выросла. Сейчас покупатели не готовы ждать новый продукт несколько лет, уже ряд отраслей перестроились и повысили скорость выпускаемой продукции. К сожалению, на сегодняшний день создание нового локомотива осталось неизменным. Сегодня не только не ускорилась скорость производства нового продукта, но и увеличилась.
При производстве нового продукта особое внимание уделяют качеству. Количество требований увеличилось в десятки раз. Количество компонентов и требований к компонентам также увеличилось. Собрать и учесть все требования стало практически очень сложной задачей, что повлекло за собой увеличение сроков разработки, а так как все требования между собой взаимосвязаны, то при изменении одного параметра, необходимо начинать заново процесс сбора требований, что превращает процесс сбора требованиями практически невозможным. Когда все же удается собрать требования, то зачастую многие не исполняют заявленные требования, надеясь, что данное требование не повлияет на работоспособность всего продукта. К сожалению, такое отношение может привести к ужасным последствиям.
На сегодняшний момент процессом управления требованиями, в который входит сбор, валидация, верификация, исполнения требований не осуществляется.
Для решения данных вопросов было разработано специально программное обеспечение по бизнес-процессу управления требованиями.
комотив с другими комплектующими, заменить (дизельный двигатель, тяговый двигатель, генератор, систему охлаждения и т.д.). При создании нового локомотива также можно использовать данную технологию. На ранних этапах имеется возможность проверки работоспособности будущего продукта.
Annotation. To date, there are more than 100,000 requirements in locomotive construction, and what if one requirement is not fulfilled, can we transfer the locomotive to the customer? Or does one requirement double the cost of a locomotive? To solve this issue, software has been developed to decompose the requirements, dividing them into 5 levels: functional; system; logical; technical; limiting. If one of the low-level requirements is not met, we can track how this requirement affects the entire locomotive.
To date, all calculations on the new technology are carried out manually, to eliminate errors, calculations are made with a large correction factor (1,2—1,4), but even this is not enough. Each equipment has its own technical characteristics and rated frequency of operation. The equipment is combined into systems, and the systems interact with each other, and if it is necessary to replace at least one equipment, it is no longer possible to say with certainty whether the locomotive will function or not. For this purpose, a digital twin is being developed. The digital twin takes into account the characteristics of the equipment and the connections between the systems, it is possible not only to check the performance of the locomotive at an early stage, but also to check how the locomotive will work on the customer's operational model by setting external characteristics, to predict all possible outcomes of events. The main function is that it is possible to test a locomotive with other components in a matter of seconds, replace (diesel engine, traction engine, generator, cooling system, etc.). When creating a new locomotive, you can also use this technology. At the early stages, it is possible to check the operability of the future product.
Ключевые слова: бизнес-процесс управления требованиями, валидация, верификация, цифровой двойник, математическое моделирование, Ш-моделирование.
Keywords: requirements management business process, validation, verification, digital twin, mathematical modeling, 1D modeling.
Бизнес-процесс управления требованиями
Для решения задач, связанные с управлением, требованием была разработана методика управления требованиями, на основе данной методике было разработано программное обеспечение. Методика бизнес-процесса управления требований подразделяется на несколько этапов:
• сбор функциональных требований;
• верификация требований;
• валидация требований;
• проверка требований.
Первым процессом методики управления требованиями называется «сбор функциональных требований». Функциональные требования — это основные важнейшие требования заказчика, которые должны удовлетворять главные потребности заказчика. Далее эти требования будут декомпозироваться на несколько уровней до самого низкого «технические требования», это необходимо, если одно требование из 100 000 технических требований не удовлетворяется, таким образом можно было отследить, какое функциональное требование не удовлетворяется. Пример декомпозиции требований представлен на рисунке 1.
Раньше, когда у заказчиков было собственное конструкторское бюро, производителям направляли готовое техническое задание, и производитель по техническому заданию изготавливал продукт. Следующем этапом стало исключение конструкторского бюро у заказчика, и эксперты составляли технические требования к будущему продукту и основные технические характеристики продукта и далее производитель разрабатывал на основе технического требования в техническое задание и изготавливал продукт. Сейчас заказчик предоставляет свою эксплуатационную модель, а производитель на основе этих данных разрабатывает техническое требование к продукту и далее техническое задание. Для того, чтобы составить это техническое требование, была разработана методика управления требованиями.
Перед вторым этапом методики, необходимо декомпозировать требования на основные системы разрабатываемого продукта. Для определенных продуктов разрабатывается шаблон спецификации требований. Пример шаблона спецификации требований представлен на рисунке 2.
Второй этап методики управления требованиями заключается в верификации требований. Верификация требований — это проверка правильности составления требования, что требование достижимо, не противоречит основным требованиям ГОСТов или техническим характеристикам разрабатываемого продукта, а также не противоречит законодательству. Для этого разработчик системы должен разработать требование, соотнести требование с источником, откуда данное требование было составлено и отправить на согласование руководителю системы и главному конструктору продукта. Только после того, как все согласующие данное требование согласовали, требование считается верифицированным и его необходимо выполнить. Пример верификации требований представлен на рисунке 3.
После того, как требования верифицированы, наступает следующий этап — это валидация требований. Валидация тре-
Рис. 1. Пример декомпозиции требований
ОБЪЕКТЫ
Файл (0) Щ Папка (0]
Функция (0) Щ Логика (0) Щ Реализация (0}
Предприятие (0) | требование (3] Щ Симуляция (О) щ Атрибут (0) Щ Прочие (0)
ОТНОШЕНИЯ
[ Вложение (0)_
| Бизнес-тре-бооамис
Функция{1} | Трэсеируеиость (2) Где используется (0) Симуляция (0) | Атрибут (0)
Шаблон Спецификации требований Тепловоз 1 НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 13 ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 1.34 Служебная масс
Ревизия: Глобальные (1аг«1 МймИпд) » Дата: Сегодня » Объекты: Все объекты * (МХ)350/А2-Шаблои Спецификации требований Тепловоз) Вариант: Отсутствует вариантное правило » (ОООЗНУА;
£1 т Ьа
Имя элемента ▼ Идеи™... т вид проверки - Статус вериф... £ Ста,,, Дате выпуска т
т Шаблон Спецификации требований Тепловоз 000350 д
- 1 НОРМАТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 000351 д
Л 1.1 Состав тепловоза ИЕО-000503 д ГОСТ Эксперт* эе закпюч вние
± 1.2 Соответствие требованиям ГОСТ 31428 и ГОСТ 122.056 [(£0-000509 А ГОСТ Эксперт ое закпюч вние
' 1Т 1.3 ОБЩИЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ 000352 А
1 1.3.1 Габарит верхнее очертание («0-000510 А ГОСТ
Л 1.3.2 Габарит нижнее очертание НЕО-000511 А ГОСТ
Л 1.3.3 Номинальная ширима колеи ИЕО-000512 А ГОСТ Вер^фицирэмно я 04 Сен 2021 21:33
Л 1.3.4 Служебная масса НЕО-000513 А ГОСТ Верифицировано Я 04 См 2021 21:33
л 1.3.5 Осевая формула ЙЕО-000514 А ГОСТ Э «лерга ае 5акльсч ение
* 1.3.6 Статическая нагрузка колесной пэры на рельсы ПЕО-000515 А ГОСТ
* 1.3.7 Скорость конструкционная ПЕСКЮ0516 А ГОСТ
А 1.3.8 Тип тяговой передачи ПЕС1-000517 А ГОСТ Экспертизе нклпчечие
- Л 1.3.9 Условия для обеспечения тяговой мощности ПЕО-000513 А ГОСТ
^ 1.3.9.1 Мощность тепловоза по двигателям номинальная «0-000519 А ГОСТ
|| 13.9.2 Мощность тепловоза тяговая ВЕО-000520 А ГОСТ
л 1.3.10 Скорость продолжительная ПЕО-000521 А ГОСТ
1 1.3.11 Сила тяги расчетная п£о-ооо5гг А ГОСТ
- 1 1.3.12 Расчетная сила тяги при трога нии с места ЯЕО-ОООггЗ А ГОСТ
^ 1.3.12.1 Коэффициент сцепления солее ПЕО-000524 А ГОСТ
* 1.3.13 КПД двигателя при работе на номинальной мощности ПЕО-000525 А ГОСТ
* 1.3.14 КПИ мощности двигателя ЙЕО-000526 А ГОСТ
1 1.3.15 Диаметр нового колеса по кругу катания ЙЕО-000527 А ГОСТ
Рис. 2. Пример шаблона спецификации требований
е Г! ЗйДЗНИЯ Мое* идл>.г Группа Оклямк« рис все Замвнчвщнв мдлчи
И ■э та НЗ 7 © 8МЖМИ* гцХщ«< Уг*Ч>*Д1 1- •ощм
С«глк«икй*. Подписать [<? А КЗДОДЫМ-ОгрХ» 1 ,Г 1 Ниинял и» 1>п-1-1 Да» ЮШАШ: 1»Св1г0г1223* ^ Сишним |(*кам1| ССЛКС+к-и* Тр*вМ1ИМ: П0АЛи'»Т1. |/[ Сегментам ^ЬзмямгПчцмежт» (.«'ЧС&М-АС ; Вывртъ («ипр пт» [гшти] Залучм Т«- Ци» Кя.чи^ а^тгкг1. Огсян*н& *«<педги» ДЙ-.
а Р"че[тте| ¿мфисс 59С»< ДИ1 ОЛЬ
[У] Л»|м6«|1> '»№••«« ппк(тлн) Злршос '39 С» 203122£<Ь 1.Дори6с
м (Мы птеЩим] СО Сгн ХВ\ ИЫ
13
а [а _ I,«,»»«!»! 1- _ («евмнммгюуч -> 3—0
\- 1»в
— ...............->й-А 1-0 »■ -1 П
--■
Рис. 3. Процесс верификации требований
бований — это процесс подтверждения выполнения заданного требования. Валидация имеет несколько вариантов подтверждения д остижимости требований, такие как:
• расчетная;
• эскизная;
• экспертная;
• техническая.
Расчетная модель достижения требований — это когда данное требование подтверждается определенными расчетами. Эскизная модель достижения требований — это когда данное требование подтверждается 3 Б-моделью, 2Б-моделью или Ш-моделированием и создана виртуальная модель. Экспертная модель достижения требований — это когда эксперт на основании своего опыта подтверждает, что данное требование выполнимо. Техническая м одель подтверждения требований — это когда данное требование выполняется при предоставлении технических характеристик применимого изделия в составе продукта.
Подтверждение требований — это последний этап методики, когда на производстве подтверждают, что все требования были удовлетворены и продукт был создан с учетом всех указанных требований.
Цифровой двойник продукта
В связи с тем, что 37 % натуральных испытаний опытных образцов новых продуктов проваливаются, производители несут огромные финансовые потери. В настоящее время процесс создания нового продукта в машиностроении сильно устарел. Процесс разработки нового продукта со-
здается этапами, пока цикл полностью не будет разработан, к следующему этапу производители не приступают. Проверки работоспособности на ранних этапах нет. В случае изменения одного компонента, необходимо заново рассчитывать принципиально схему и энергобаланс продукта.
Для быстрой проверки работоспособности продукта был разработан цифровой двойник. Цифровой двойник привязан к законам сохранения энергии. Каждая потребляющая система описана с помощью конкретных уравнений. Каждая система имеет входные и выходные параметры (расход мощности, потребление электроэнергии). Все системы взаимодействуют друг с другом, описывая физику системы математическими уравнениями. Верхнеуровневая архитектура тепловоза, описываемая цифровым двойником, представлена на рисунке 4.
Локомотив состоит из 14 систем, взаимосвязанных между собой, также в цифровой двойник была добавлена дополнительная, 15-я система «Внешняя среда». В связи с тем, что внешняя среда сильно влияет на процесс работы продукта, внешняя среда также имеет свои параметры. На работу локомотива влияют температура, профиль пути, который включает подъемы, спуски, вхождения в кривую, влажность воздуха, давление и прочие условия. Каждая система может взаимодействовать сразу с несколькими системами. Каждая система может состоять из перечня компонентов, которые взаимодействуют друг на друга и имеют собственные технических характеристики и характеристику работы компонента. При изменении хотя бы одного компонента нет гарантии,
Внешняя среда
Рис. 4. Верхнеуровневая архитектура цифрового двойника
Рис. 5. Проверка работоспособности компонента
что весь продукт сохранит свои основные технические характеристики.
С помощью цифрового двойника можно быстро менять различные компоненты, проверять работоспособность продукта и технические характеристики, что особенно актуально в период
импортозамещения, когда идентичного отечественного компонента нет, можно воспользоваться аналогом с похожими характеристиками и проверить, как повлияет замена компонента на работу всего продукта. Процесс проверки работоспособности компонента представлен на рисунке 5.
Результаты экспериментального исследования
По результатам экспериментального исследования было разработано программное обеспечение по управлению требованиями. В ходе реализации данного продукта были учтены все требования. Все требования верифицируются на всех стадиях: технические требования, техническое задание, эскизный проект, рабочий проект, рабочая конструкторская документация, технологическая документация. Требования на этих стадиях проектирования были проверены и согласованы. Оставлен цифровой след, который при необходимости уточняет, кем было разработано требование, на основании чего было разработано требование и кто согласовал данное требование. Бизнес-процесс управления требованиями исключает возможность ошибки.
Цифровой двойник повторяет работоспособность натурального продукта. На ранних этапах
можно проверить работоспособности продукта или отдельных систем. За несколько минут был отработан модельный ряд отечественных дизельных двигателей на новом тепловозе, подобран оптимальный вариант взаимодействующих между собой компонентов, а именно: дизельный двигатель, генераторная установка, система охлаждения, система подачи топлива.
На эксплуатационной модели заказчика был представлен локомотив, который наглядно показывал процесс работы, а также расход топлива при эксплуатации в зависимости от внешних условий, таких как температура окружающей среды, вхождение в кривую, уклон железнодорожного полотна. Для заказчика подбирается оптимальная модель как и с точки зрения мощности локомотива, так и расхода топлива в ходе эксплуатации. Время разработки нового локомотива снизилась на 27 %.
Список литературы
1. Звонарев С. В. Основы математического моделирования: Учебное пособие. — Екатеринбург, 2019.
2. Бондаренко И. В. Внедрение динамических рельсовых цепей как способ увеличения пропускной способности блок участка / И. В. Бондаренко. — Текст: непосредственный // Студент: наука, профессия, жизнь: материалы VII Всероссийской студенческой научной конференции с международным участием: в 4 ч. / Омский гос. ун-т путей сообщения; отв. ред. С. Г. Шантаренко. — Омск, 2020. — Ч. 1. — С. 62—66. — ISBN 978-5-949-41261-9.
3. Филиппов В. М. Совершенствование методов моделирования изнашивания контактных элементов токоприемников электроподвижного состава: специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Филиппов Виктор Михайлович; Омский гос. ун-т путей сообщения. — Омск, 2012. — 153 с. — Текст: непосредственный.
4. Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации: Федеральный закон № 131-Ф3: [принят Государственной думой 16 сентября 2003 г.: одобрен Советом Федерации 24 сентября 2003 г.]. — Москва: Проспект; Санкт-Петербург: Кодекс, 2017. — 158 с. — Текст: непосредственный.
5. Правила цитирования источников // ru.scribd.com: сайт. — Текст: электронный. — URL: http://www.scribd.com/doc/ 1034528/ (дата обращения: 28.08.2020).
6. Определение остаточной несущей способности металлических конструкций контактной сети / В. П. Ступицкий, И. А. Худоногов, В. А. Тихомиров, О. В. Лобанов. — Текст: непосредственный // Известия Транссиба. — 2019. — № 3 (39). — С. 88—99.
