Анализ альтернативных
вариантов построения
процессов проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры
Э.С. Аметова,
програм., evelinaametova@gmail.com,
Ю.А. Суханова,
ассист., syua@aics.ru,
С.Г. Цапко,
доц., к.т.н., serg@aics.ru,
ТПУ, г. Томск
В докладе предложен подход к анализу процессов
проектирования бортовой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с помощью метода
имитационного моделирования, который дает возможность проводить сравнительный
анализ потенциальных мероприятий по совершенствованию процедур процессов
проектирования по различным параметрам. Данный инструмент может быть
использован руководством предприятий ракетно-космической отрасли, сотрудниками
отделов информационных технологий. Проведенное моделирование показывает
возможность применения полученной методики для анализа деятельности существующих
структурных подразделений предприятий ракетно-космической отрасли,
специализирующихся на проектировании бортовой РЭА. В результате применения
разработанного подхода получены конкретные рекомендации для обоснованного
принятия решений в вопросах проектирования бортовой РЭА.
The
report suggests an approach to the analysis of onboard electronics design
processes by simulation method, that allows you to
perform a comparative analysis of potential actions to improve the design
procedures by various parameters. This tool can be used by leadership of
factories of rocket and space industry, employees of information technology
departments. The executed simulation shows the technique usability for the
analysis of existing divisions of factories of rocket and space industry, specializing
in onboard electronics design. As a result of using of the developed approach
the recommendations for valid decision-making in matters of onboard electronics
design are received.
Введение
Процесс проектирования бортовой радиоэлектронной
аппаратуры (РЭА) является комплексным процессом, требующим от сотрудника
значительных знаний не только в своей области специализации, но и в смежных
областях. Множество одновременно выполняющихся проектов, взаимосвязь и
взаимовлияние процессов, высокие требования к точности функционирования,
показателям надежности и массогабаритным показателям – таковы факторы, которые
определяют специфику управления процессами проектирования бортовой РЭА сегодня.
От эффективности и ритмичности выполнения процессов проектирования зависят
производственные показатели, а, значит, и конкурентоспособность всего
предприятия в рыночных условиях.
Наблюдаемая в последнее время тенденция перехода
предприятий в управлении основным производством от функционального подхода к процессно-ориентированному, что диктуется одним из восьми
принципов создания системы менеджмента качества, позволила по-новому взглянуть
на проблему совершенствования процессов проектирования.
Из существующих методов анализа только метод
имитационного моделирования позволяет заменить реальный объект исследования его
компьютерной моделью и оперативно оценить последствия принимаемых решений.
Однако, несмотря на большое количество научных работ, посвященных общим
вопросам имитационного моделирования, остается недостаточно разработанной
проблема анализа процессов проектирования применительно к предприятиям
ракетно-космической промышленности и процессам проектирования бортовой РЭА в
частности. Существующие на текущий день научные методы не в полной мере учитывают
специфику деятельности наукоемких производств, поэтому актуальной задачей
является разработка методики анализа и повышения эффективности процессов
проектирования наукоемких изделий, таких как бортовая РЭА, основанной на методе
имитационного моделирования.
Подход к анализу
альтернативных вариантов построения процессов проектирования бортовой РЭА
Подразделение проектирования бортовой РЭА – это
сложное социальное образование, обладающее упорядоченной структурой,
многообразием связей между элементами. Изучение любого сложного объекта
предлагает представление его как системы.
Современное развитие информационных технологий
предоставляет широкий спектр средств, направленных на усовершенствование
деятельности по проектированию наукоемких изделий, к которым и относится бортовая РЭА. Однако применение даже самых современных
технологий требует тщательного и обдуманного подхода. Связано это с тем, что
при принятии решения об изменении процесса специалист действует в рамках
сложной и быстроменяющейся окружающей среды. При этом стоит учитывать
1. любое влияние на отдельный
элемент системы отражается на остальных элементах и на системе в целом;
2. принимаемые решения не
являются независимыми: каждое последующее решение ограничено последствиями
принятых ранее решений и в свою очередь накладывает ограничения на последующие
решения;
3. предварительная оценка
результатов изменений всегда носит субъективный характер.
Модели сложных систем могут содержать десятки и сотни влияющих друг на друга параметров. Поведение системы
вызывается взаимовлиянием целых сетей обратной связи.
Соответственно, с усложнением процессов значительно
возрастает важность моделирования систем, которое помогает выявить проблему и
найти подходящее решение с учетом проработки разнообразных последствий и
возможных сторонних эффектов.
Алгоритмически анализ альтернативных вариантов
построения проектирования бортовой РЭА представлен на рисунке 1.
Построение базовой системно-динамической модели
процессов проектирования бортовой РЭА проходило в рамках опытно-конструкторской
работы «Разработка единого информационного пространства проектирования и
испытаний унифицированных электронных модулей систем управления и
электропитания космического аппарата на основе технологий управления жизненным
циклом наукоёмких изделий».
Для построения альтернативных вариантов модели были
использованы знания, полученные при анализе процессов проектирования бортовой
РЭА, консультации со специалистами подразделения информационных технологий и
САПР ОАО «ИСС», а также анализ многочисленных отечественных и англоязычных источников
по данной тематике.
рис. 1 Алгоритм
проведение анализа процессов проектирования бортовой РЭА
Построение
системно-динамической модели процессов проектирования бортовой РЭА
В качестве метода моделирования процессов
проектирования бортовой РЭА была выбрана системная динамика.
В основе системной динамики лежит концепция
«потоков» и «накопителей». Изменение системы во времени возникает вследствие принципа
аккумуляции, то есть динамическое поведение возникает, когда «потоки»
аккумулируются в «накопителях» (рисунок 2).
рис. 2
Простейшая схема потоков и накопителей
Математически, системно-динамическая модель – это
система дифференциальных уравнений:
, (1)
где «Входящий поток» представляет собой количество
входящего потока за период s, продолжающийся
с момента t0 до момента t;
«Исходящий поток» представляет собой количество исходящего потока за период s, продолжающийся с момента t0 до момента t.
В основе системно динамической модели процессов
проектирования бортовой РЭА лежит модель проектирования изделия. Модель состоит
из двух накопителей, один из которых соответствуют изделиям, которые необходимо
спроектировать, а другой – готовым изделиям. Накопители соединены потоком,
который определяет скорость проектирования. Скорость проектирования зависит от
производительности труда (рисунок 3).
После запуска модели количество изделий, которое
необходимо спроектировать, начинает уменьшается со
своего начального значения до нуля; количество спроектированных изделий, в свою
очередь, увеличивается с нуля до значения, равного количеству изделий, которые
необходимо спроектировать.
Также в модели предусмотрен контур, моделирующий
брак. Изделия, в которых был обнаружен брак, возвращаются в накопитель,
соответствующий изделиям, которые необходимо спроектировать.
Количество бракованных изделий определяется
качеством проектирования. Также стоит отметить, что в контуре, моделирующем
брак, есть временная задержка. Временная задержка связана с необходимостью
выявления брака и принятия решения о путях его устранения.
рис. 4 Контур, моделирующий ошибки в информационных
моделях
Общая модель учитывает не только производительность
труда, но и количество рабочих мест, сверхурочные работы, найм
новых сотрудников, накопление опыта, взаимодействие сотрудников во время
работы.
В качестве показателей, характеризующих
эффективность проектирования бортовой РЭА, были выбраны: время проектирования,
количество спроектированных изделий, включая информационные модели с ошибками и
изделия с браком, количество извещений об изменении.
Итоговая модель содержит несколько вложенных
моделей. Всего в модели около 500 динамических объектов, таких как потоки,
накопители, вспомогательные переменные, события и функции.
Формирование
рекомендаций по повышению эффективности процессов проектирования бортовой РЭА в
рамках приборостроительного направления ОАО «ИСС»
Над моделью был проведен ряд экспериментов с целью
оценки чувствительности модели к варьированию основных параметров. Проведенные
эксперименты позволили сформулировать рекомендации по направлениям дальнейших исследований путей оптимизации процессов проектирования бортовой
РЭА.
рис. 5
Схема проектирования бортовой РЭА с учётом сформулированных рекомендаций
Основой повышения эффективности деятельности
подразделения являются следующие направления:
1. совершенствование технологии выполнения бизнес-процессов разработки изделия;
2. сохранение и накопление
знаний о проектных решениях, полученных при разработке изделия;
3. совершенствование
технологии управляющих бизнес-процессов;
4. автоматизация выполнения
деятельности.
На основе рекомендаций был предложен ряд
альтернативных вариантов по повышению эффективности процессов проектирования
(рисунок 5).
1.
Применение современных
методик анализа и моделирования
Моделирование электрических, электромагнитных,
тепловых и механических характеристик на этапе проектирования, несомненно,
приводит к повышению качества изделия и сокращению количества брака в конечном
изделии. Но с другой стороны моделирование сложного изделия приводит к
значительным временным затратам, а также требует высокой квалификации
специалиста и проработанного нормативно-методического обеспечения.
2.
Автоматическое формирование
КД
Современные САПР предоставляют ряд возможностей по
автоматическому формированию документации. Но в процессе проектирования бортовой
РЭА используются различные САПР для электрического и механического проектирования,
следовательно, для получения КД необходимо использовать промежуточную систему,
которая содержала бы данные из указанных САПР.
3.
Использование PLM-системы в качестве системы управления данными
PLM-система
решает сразу спектр задач по управлению информацией и оптимизации ее
использования. Любая PLM-система предоставляет базовый функционал, средства
настройки и средства расширения функционала. Однако, несмотря на наличие
достаточно гибких инструментов, настройка и адаптация PLM-системы к специфике
предприятия – очень трудоемкая задача.
4.
Организация и поддержка
единой БД
Реализация единой БД возможна только при
использовании PLM-системы и интеграции ее с другими системами и
приложениями предприятия
5.
Организация межфункциональных команд
Межфункциональная команда – это группа,
состоящая из сотрудников различных функциональных отделов или областей
ответственности, часто из различных иерархических уровней. Цель команды -
решение проблем, затрагивающих несколько отделов сразу. Изменение существующей
организационной структуры предприятия, или даже небольшого подразделения, -
задача трудоемкая и не всегда предсказуемая. Альтернативой этому является
создание межфункциональных групп с помощью средств PLM-системы.
Предложения по повышению эффективности
проектирования бортовой РЭА позволили сформулировать направления по повышению
качества процессов проектирования бортовой РЭА. В основном рекомендации
направлены на организацию единого информационного пространства процессов
проектирования бортовой РЭА с учетом интеграции с используемыми САПР.
Также было рекомендовано усовершенствовать
технологию выполнения схемотехнического, топологического и конструкторского
проектирования приборов с учетом возможностей проведения анализа разработанных
решений на компьютерной модели. Это потребует принятия решения об обязательном
списке проводимых анализов, выборе средств, посредством которых должен
проводиться анализ, обучении сотрудников работе в данных инструментальных
системах.
Таким образом, была разработана имитационная модель
исследуемых процессов проектирования
бортовой РЭА на основе ее теоретического описания и показана возможность ее
применения для совершенствования процессов проектирования бортовой РЭА на
существующих предприятиях.
Литература
1. Каленкович Н.И. Радиоэлектронная
аппаратура и основы её конструкторского проектирования. Учебно-методическое
пособие / Н.И. Каленкович [и др. ].
– Минск: БГУИР, 2008.
2. Попов В.Н., Касьянов В.С.,
Савченко И.П. Системный анализ в менеджменте: уч.
пособие. – М., Эксмо, 2007.
3.
Sterman J. Misperceptions of Feedback in Dynamic Decision Making //
Organizational Behavior and Human Decision Processes, 1989.
4.
Brehmer B. Dynamic decision making: Human control of complex systems // Acta Psychologica, 1992.
5. Каталевский Д.Ю. Основы
имитационного моделирования и системного анализа в управлении: Учебное пособие.
– М.: Издательство Московского университета, 2011.
6. Форрестер Дж. Основы кибернетики
предприятия (индустриальная динамика) / под ред. Д.М. Гвишиани.
М.: Прогресс, 1971.
7. Отчёт об ОКР «Разработка
единого информационного пространства проектирования и испытаний унифицированных
электронных модулей систем управления и электропитания космического аппарата на
основе технологий управления жизненным циклом наукоёмких изделий» (договор №
4232 от 24.11.2010), этап 2 «Разработка предварительных проектных решений
единого информационного пространства»
8. Теория и практика
моделирования сложных систем: Учебное пособие: Афанасьева О.В.,
Голик Е.С., Первухин Д.А. - 2005.
9. Киселева М.В. Имитационное
моделирование систем в среде AnyLogic:
учебно-методическое пособие / М.В. Киселёва. Екатеринбург: УГТУ – УПИ,
2009.