Анализ и синтез сложных космических систем. Понятие о системном инжиниринге. Тема 7

1.

Кафедра 611Б «Системный анализ и
проектирование космических систем»
Современные проблемы анализа и синтеза
космических систем
Тема 7.
Анализ и синтез сложных космических систем.
Понятие о системном инжиниринге
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ машиностроения)

2.

Структура проектных работ при создании космической системы
ТРЕБОВАНИЯ
РАЗРАБОТКА
РЕШЕНИЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ
WBS
МАТРИЦА
ОТВЕТСТВЕНОСТЕЙ
«КТО И ЧТО
ДЕЛАЕТ ?»
ПЛАН РАБОТ И ПЛАН
РЕСУРСОВ
$$ БЮДЖЕТ
«КОГДА»
«СКОЛЬКО
СТОИТ»
«НАСКОЛЬКО
ХОРОШО»
Документами организации планирования проекта являются:
- схема деления выходного продукта (product breakdown structure — PBS);
- схема деления работ (work breakdown structure — WBS).
«КАКИМ
ОБРАЗОМ ?»
1

3.

Схема деления изделия (продукта)
Космическая система
Спутниковый сегмент
Наземный сегмент
Платформа
спутника
Подсистема
терморегулирования
Подсистема электропитания
Сегмент потребителя
Пункт
управления
Самолетная аппаратура потребителей
Обеспечивающие
системы
Судовая аппаратура потребителей
Наземная аппаратура потребителей
Другие
подсистемы
Полезная
нагрузка
Подсистема
целевой нагрузки
Подсистема бортового
компьютера
Аппаратная
часть
Программная
часть
Одним из возможных видов архитектуры системы является схема деления продукта на составные
части, - физическая иерархия космической системы
2

4.

Уровни иерархии космической системы
Название иерархического уровня
Миссия
Система*
Сегмент
Элемент
Подсистема
Примеры
Потребности + Задачи + Мероприятия, реализующие задачи
Полная система = КА + PH + НКУ + Системы связи (TDRSS, etc.) + Навигация + РОС + ЦОНД+
Персонал
Полетный = Платформа КА + ПН + полетный модуль +...
КА = Конструкция + Энергетика + C&DH + Tеплозащита +...
Энергетика = Солнечные батареи + Электроника + Батареи + Предохранители +...
Компонент
Солнечная батарея = Фотоячейка + Коммутатор + Защитное стекло + ...
Часть
Фотоячейка
Иерархия/Иерархические уровни - взаимоотношения одного из программно-аппаратных средств с аналогичными на верхнем или нижнем уровне.
Миссия — индивидуальная система или группа совместно функционирующих систем, обеспечивающая решение конкретного ряда задач.
Система — совокупность аппаратно-программных средств, методов, навыков и персонала, способных выполнить и поддерживать заданную
эксплуатационную роль. Полная система включает здания, оборудование, материалы, услуги, программное обеспечение, технические данные и
персонал, необходимые для ее функционирования и поддержки в состоянии, когда она может рассматриваться самодостаточной единицей. Система
— это то, что эксплуатируется и логистически поддерживается. Для выполнения миссии может быть необходима более чем одна система.
Сегмент — сгруппированные, тесно взаимосвязанные элементы, часто объединенные единым интерфейсом. Может состоять из различных
элементов, производимых разными организациями и интегрируемых в единое целое.
Элемент — законченный, интегрированный ряд подсистем, способный к выполнению эксплуатационной роли или функции.
Подсистема — функционально сгруппированные компоненты, скомбинированные для выполнения главной функции внутри элемента.
Компонент — функциональное подразделение подсистемы, обычно самодостаточная комбинация отдельных элементов, выполняющих функцию,
необходимую для функционирования подсистемы. Функциональная единица рассматривается как сущность для целей анализа, производства,
испытаний или ведения записи.
Часть - элемент аппаратного комплекса, который не является предметом дальнейшего деления или упрощения без разрушения желаемого способа
применения.
3

5.

Схема деления работ по созданию космической системы
4
Система
Подсистема А
Подсистема В
Подсистема С
Управление
Системное
проектирование
Логистическая
поддержка
Интеграция,
Тест, верификация
PBS
Схема деления продукта
отображает компоненты, из
которых сформирована
система.
PBS отображает работу,
которую выполняют
независимые компоненты
системы
Схема деления работ показывает все
компоненты работ, которые должна
выполнить система целиком.
WBS отображает работы по интеграции
компонент в систему
WBS

6.

5
Методические приемы, использующиеся
при разработке WBS
1.
Последовательные итерации внутри жизненного цикла проекта,
поскольку полный набор работ сразу не очевиден.
2.
Сначала разрабатывается иерархия продуктов системы PBS сверху
вниз.
3.
Разрабатывается WBS добавлением соответствующих услуг на
нижние уровни, таких как управление проектом и системное
проектирование.
4.
Аналогичные схемы используются в качестве отправных точек для
всех элементов продукции WBS на всех уровнях.
5.
Начиная с уровня проекта процедуры повторяются для всех уровней.
6.
Подключайте людей, которые будут отвечать за нижние уровни
элементов WBS.

7.

Правило 100%
6
Один из наиболее важных принципов разработки WBS
Проект
Часть А
Часть А.1
Часть А.2
Часть Б.1
Части А и Б должны содержать все
100 % работ по проекту
Часть Б
Части Б.1, Б.2 и Б.3
должны
содержать все
работы части Б
Часть Б.2
Часть Б.3
WBS включает 100% работ, определенных описанием проекта и охватывает всю поставляемую
продукцию - внутреннюю, внешнюю, межуровневую - в терминах выполненных работ, включая
управление проектом

8.

Технические требования к космической системе
При отборе задач миссии и системных концепций разработчики, как правило, руководствуются пятью
основополагающими критериями:
(1) требуемые рабочие характеристики,
(2) стоимость,
(3) график разработки и создания,
(4) присущие и непредвиденные ограничения и
(5) риски.
Для описания всех свойств создаваемой системы необходимо обеспечить постоянное взаимодействие
между пользователями, заказчиками, системными инженерами и разработчиками составных частей.
Исходные данные — утвержденный и согласованный между разработчиками официальный
документ, содержащий необходимые для проектирования технические характеристики, параметры,
а также дополнительные или предварительные требования.
Как правило, исходные данные для новых изделий определяются путем экспертных оценок на основе
анализа мировых трендов и достижений в развитии науки и техники по заданному направлению, а также
существующих и разрабатываемых проектов.
7

9.

Создание и обновление технических исходных данных
Анализ ИД является важной частью выполнения экспертизы системного
проектирования космической техники, заключающийся в обеспечении
координированных действий и одинакового понимания всеми участниками
разработки.
8

10.

Формулирование требований к космической системе
SRR
Причина
изменений:
Изменение
условий
эксплуатации
Новая технология
Инновация
Устаревание
Неадекватные
характеристики
Запросы рынка
Угрозы
Риски
SRR: System Requirements Review
SCR: System Concept Review
PSR: Project Specification Review
DCR Design Concept Review
SCR
PSR
System PDR
Требова-ния
пользователя
Что
Требова-ния Концеп-ция
и архик системе
тектура
Как
Спецификация
системы
Насколько
хорошо
System CDR
System AR
Syb
CDR
LCI
CDR
Syb
AR
LCI
AR
Syb
PDR
LCI
PDR
Sub DCR
Детальное
Концепция
проектирова проектиров
ание
ния
9
Изготовление
Требова-ния
пользователя
Как реализовано
Нарастающая детализация
Управление изменениями и соответствием требований
Моменты принятия решений
PDR: Preliminary Design Review
CDR: Critical Design Review
AR: Acceptance Review
Уровни декомпозиции
Sys: Система
Sub: Подсистема
LCI: Наинизший уровень
Требование — это то, что продукт обязан или должен делать (т.е. документированное ожидание результата реализации проекта).
Данный документ документирует ожидания заказчика, а также разработчиков программы, функций и проекта в целом. Требования
включают характеристики, стоимость, сроки и риски. Таким образом, требования представляют собой формулирование того, что вам
необходимо разработать или точное количественное описание того, что вы хотите получить в результате реализации проекта.

11.

Космический аппарат с точки зрения различных команд
разработчиков
10

12.

Эволюция требований на разных стадиях разработки проекта
- формулирование общих задач и ограничений
- количественная оценка требований и потребностей
11

13.

Относительная стоимость исправления ошибок в процессе создания
космической системы
100
95
85
50
1
2
20
5
Системный проект
Эскизный проект
Разработка
Производство
Эксплуатация
НИОКР
Жизненный цикл
1 - усредненное значение полной стоимости системы, определяемой работой, проделанной на стадиях
жизненного цикла,
2 – средства, затраченные на всех стадиях жизненного цикла системы.
5

14.

Функциональный анализ космической системы
(на примере наноспутника cubesat-ESTAR)
Руководящие принципы программы E-st@r:
13

15.

Анализ миссии E-st@r
14
Девиз миссии звучит следующим образом: «Обучать студентов аэрокосмических инженерных
специальностей на проектировании и управлении сложными системами, работе в команде и стандартам
внедрения. Вникать в существо разработки необходимых технологий для дешевого доступа в космос».
Из приведенного девиза миссии можно вывести следующие допущения.
Программа должна выполняться самими студентами, которые спроектируют, произведут,
испытают и обеспечат эксплуатацию космической системы.
Программа должна
применяемыми стандартами.
выполняться
в
соответствии
с
существующими
правилами
и
Программа должна обладать образовательной значимостью, что реально означает обучение
студентов на практике.
В состав космической системы должен быть включен конкретный простой и дешевый
эксперимент, который тем не менее должен обеспечить погружение в специальность и/или в
технологию, которые могут быть в перспективе использованы при создании дешевых космических
миссий.
Драйвером программы должно быть исследование дешевых решений при проектировании,
производстве, эксплуатации и управлении космическими системами.

16.

Часть дерева функций программы E-st@r
15

17.

Некоторые инструменты функционального анализа
16

18.

Анализ сроков подготовки к запуску PH (пример)
17

19.

Проектирование космических систем
В практике проектирования космических систем приняты 4 основных метода
разработки концепций и архитектур КС: нормативный, рациональный, экспертный и
эвристический
18

20.

Системное проектирование спутниковых полезных нагрузок
Что нужно измерить ?
Насколько точно?
Какая нужна
обработка сигнала?
Как часто ?
Какая требуется
энергетика ?
Тип сенсора ?
Насколько важна
ориентация ?
Каковы размеры
сенсора ?
Рабочий диапазон
температур ?
Какова скорость
передачи данных?
Точность ориентации
КА ?
Нужен ли
незатененный обзор
?
Поглощение и
излучение тепла ?
Нужна ли запись
данных?
Механизмы
стабилизации ?
Требуется ли защита ?
Требуются ли
нагреватели ?
Обобщенный перечень
необходимых электронных
компонентов
Бюджет
потребляемой
мощности
Какова структурная
концепция ?
Требования
телеметрии
Бюджет
массы?
Тепловые требования
?
31

21.

Основные этапы детального проектирования космической
системы
20

22.

Оценка эффективности космической системы
21
Для того, чтобы оценить эффективность разработанной системы, прежде всего,
необходимо понять насколько различные возможности системы удовлетворяют
фундаментальным целям миссии?
В случае миссии FireSAT для оценивания ключевых характеристик системы можно
задать следующие вопросы.
Какое из требований к миссии FireSAT является доминирующим при
проектировании системы или является наиболее трудно достижимым или наиболее
дорогим?
Насколько хорошо спутник FireSAT может обнаруживать и мониторить лесные
пожары и по какой цене?
Нужно ли продолжить оценивание системы и если да, то какие альтернативы
необходимо рассмотреть?
Критические требования задают процесс общего проектирования системы и,
соответственно, строго определяют своевременность исполнения проектных работ и их

23.

Общие критические требования к космической системе
(на примере КС ДЗЗ)
22
площадное покрытие съемкой и время реагирования. Они влияют на
количество спутников в группировке; коммуникационную архитектуру; мгновенное
поле зрения полезной нагрузки, график съемки и необходимый штат
обслуживающего персонала.
пространственное разрешение, определяющее размеры полезной нагрузки
и контроль ориентации.
чувствительность системы к наблюдаемым явлениям, задающую размеры
полезной нагрузки, ее сложность, процедуры обработки получаемых данных, а также
необходимые характеристики подсистемы терморегулирования.
САС на орбите, характеризующий дублирование, вес, мощность двигателя и
запас топлива.

24.

Дерево компромиссов спутников FireSAT
23

25.

Результаты предварительного отбора концепций
миссии FireSAT
Элемент
Концепция миссии
Задача
Полезная нагрузка
Платформа КА
Система запуска
Орбита
Наземная система
Коммуникационная
архитектура
Эксплуатация миссии
Вариант 1
Обнаружение пожаров в ИК
диапазоне, отображение результата
на карте и передача
Характеристики заданы
спецификацией
ИК прибор с малой апертурой
Малая, 3-х осевая
PH Пегас
Низкая околоземная. 2 КА,
2 перпендикулярных орбитальных
плоскости
Одиночная наземная станция
Сброс данных через спутникретранслятор
Непрерывная работа в сезон
пожаров, временная в остальное
время
Вариант 6
Обнаружение пожаров в ИК
диапазоне, отображение результата
на карте и передача
Характеристики заданы
спецификацией
ИК прибор с большой апертурой
Средняя, 3-х осевая
Спейс Шаттл
Геостационарная. 1 КА с
подспутниковой точкой над
западным побережьем США
Одиночная наземная станция
Непосредственный сброс на
наземную станцию потребителей
через FireSat
Непрерывная работа в сезон
пожаров, временная в остальное
время
24

26.

Понятие о системном инжиниринге
24
Системный инжиниринг — это междисциплинарный подход и способы обеспечения воплощения
успешной системы (Systems engineering is an interdisciplinary approach and means to enable the
realization of successful systems).
(Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge)
1. Успешные системы — это то, чем занимается системная инженерия. Слово "успешные" тут крайне важно и
означает, что система должна удовлетворить нужды заказчиков, пользователей и других стейкхолдеров (стейкхолдеры
— это те, кто затрагивается системой, или кто затрагивает систему). Успех — это когда системой все довольны.
3. Междисциплинарный подход — системная инженерия претендует на то, что она работает со всеми остальными
инженерными специальностями (впрочем, не только инженерными). "Подход" обычно означает какие-то наработки в
одной предметной области, которые можно перенести на другие предметные области. Междисциплинарность — это
очень сильное заявление, оно означает, что системная инженерия может объединить специалистов в разнородных
областях в каком-либо одном проекте (например, инженеров-механиков, баллистиков, криогенщиков, психологов,
медиков, астрономов, программистов и т.д. в проектах пилотируемой космонавтики).
4. Слово "воплощение" (realization, "перевод в реальность") означает буквально это: создание материальной (из
вещества и полей) успешной системы.
Системный инжиниринг фокусируется на целостном и одновременном/параллельном понимании нужд
стейкхолдеров; исследовании возможностей; документировании требований; и синтезировании, проверке, приёмке
и постепенном появлении инженерных решений, в то время как в расчёт принимается полная проблема, от
исследования концепции системы до вывода системы из эксплуатации.

27.

Назначение системного инжиниринга
24
Системный инжениринг решает задачу преодоления инженерной сложности (которая определяется главным образом
как число различных элементов, которые должны провзаимодействовать друг с другом, чтобы получить целевую
систему; для этого требуется специальная дисциплина, чтобы объединять результаты деятельности самых различных
инженеров в одно работоспособное целое).
Пример достижений системного инжиниринга: В 2014 году Индия стала
страной, чей космический зонд достиг орбиты Марса с первой попытки
(кстати, это один из лозунгов системной инженерии: "С первого раза
правильно!" — и тут нужно учесть, что из 40 полётов на Марс меньше
половины оказались успешными) раза, и при этом запуск обошёлся всего в
US$73 млн., самый дешёвый полёт на Марс на сегодня

28.

Обобщение
(Interface with acquisition and supply)
Интрефейс поставки и сборки
(Validation)
Валидация
(Assembly, integration and verification)
(Trade offs & decision making)
Изготовление, сборка и проверка
Компромиссы & принятие решения
(Detailed design)
(Planning)
Детальное проектирование
Планирование
(Architectural design)
(Assessment)
Эскизное проектирование
Оценка
(System requirements analysis)
(Control)
concept of
operation
Анализ системных требований
Управление
(Stakeholder requirements analisys)
Процессы управления
Анализ требований заинтересованных сторон
Методология системного инжиниринга
operations &
maintenance
system
verification
& validation
requirements
Definition
&
Decomposition
& architecture
Verification &
analysis
Validation
assembly,
integration, &
verification
detailed
design
Integration
& Test
Implementation
Time
Технологические
процессы
More general
Конкретизация
Обобщение
More specific
Модель системного инжиниринга
Структура процесса управления проектированием
(Framework for the management of the systems engineering process)