ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование. Инструмент для разработки архитектуры сложных технических систем

Дмитрий Пасынков,
руководитель направления системной инженерии ГК «ПЛМ Урал»

Станислав Щейников,
заместитель генерального директора по комплексным проектам ГК «ПЛМ Урал»

В современном мире организации сталкиваются с проблемой проектирования, производства и последующей эксплуатации всё более сложных систем. Современные системы перестали быть просто набором гаек и болтов, теперь это сложные междисциплинарные системы, которые, как правило, состоят из механических, электрических, электронных и программных компонентов. И традиционных подходов к организации и реализации инженерных процессов уже недостаточно для того, чтобы гарантировать, что все части будущего изделия объединятся в интегрированную систему, которая будет работать так, как это было задумано.

При проектировании сложных систем важно зафиксировать все нюансы их устройства, включая возможные взаимодействия их составных частей, например описать путь электрического сигнала от датчика к системе управления, логику его обработки и дальнейший путь к исполнительным органам оборудования. Такие сведения могут содержаться в текстовых документах или схемах, но они, как правило, не связаны друг с другом и не имеют единой нотации описания, а значит, не обеспечивают актуальность информации, однозначность ее интерпретации и ее машиночитаемость. Альтернативой является описание проектируемой системы с помощью формальных моделей (полученных с помощью формальных языков моделирования или алгоритмических языков).

Идея применения формальных моделей при разработке сложных технических систем нашла свое развитие в таком междисциплинарном подходе, как моделе-ориентированная системная инженерия (MBSE). Сегодня MBSE становится ключевым подходом, позволяющим привнести структуру, ясность и адаптивность в организацию и реализацию инженерных процессов проектирования и разработки сложных технических систем.

Суть MBSE заключается в построении и поддержке процессов жизненного цикла изделия (системы) на базе применения различных видов формальных моделей. Для минимизации дорогостоящих изменений на поздних стадиях ЖЦИ моделе-ориентированная системная инженерия делает фокус на моделировании на ранних стадиях проектирования, для разработки и валидации требований, разработки и верификации принципиальных технических решений.

Одним из важнейших процессов MBSE является процесс определения архитектуры. В инженерных кругах термин «архитектура» до сих пор воспринимается как часть процесса проектирования из сферы промышленного и гражданского строительства, однако архитектура давно вышла из этой области и имеет более широкое значение и применение.

В системной инженерии архитектура системы — это принципиальная организация системы, воплощенная в ее элементах, их взаимоотношениях друг с другом и со средой, а также принципы, направляющие ее проектирование и эволюцию. В MBSE результатом процесса определения архитектуры, как правило, является описание архитектуры в виде мультидоменной модели, которая может включать следующие данные:

• описание границ и окружения проектируемой системы;
• сценарии использования;
• необходимые функции системы и способы их реализации;
• связь требований с функциями и конструкцией;
• логика работы системы;
• компоненты системы и их взаимосвязи;
• описание интерфейсов.

Именно процесс определения архитектуры на ранних стадиях проектирования сложных технических систем позволяет поддержать процесс выявления и валидации требований, обеспечивает процесс трансформации требований в описание принципов их реализации, предоставляет основу для ранней верификации изделия.

Понимание необходимости поддержки процессов проектирования на базе MBSE привело к появлению в PLM-решении АСКОН нового, специализированного программного обеспечения «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование». Разработка и развитие инструмента выполнются специалистами ООО «ПЛМ Урал» на основе их многолетнего опыта работы в области MBSE.

«ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» поддерживает процесс разработки архитектуры следующей функциональностью:

• описание области проблем (надсистемы проектируемой системы);
• описание эксплуатирующей системы и сценариев применения;
• описание функций системы как «черного ящика»;
• декомпозиция функций;
• описание функциональных взаимодействий;
• описание функциональных цепей;
• описание логики реализации функций;
• декомпозиция системы на составные части (подсистемы);
• описание межкомпонентных взаимодействий;
• определение физических компонентов реализации;
• описание интерфейсов;
• разработка диаграмм режимов и состояний;
• взаимодействие (интеграция) с ЛОЦМАН:PLM.

«ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» помогает инженерам описать принципы реализации системы и ее компонентов, их взаимодействие как между собой, так и с окружающей средой. Эти описания формируются в виде формальных моделей, обеспечивающих однозначность их интерпретации всеми заинтересованными сторонами, а также возможность их машинной обработки.

В основе описания архитектуры в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» лежит метод Arcadia (Architecture Analysis and Design Integrated Approach). Данный метод может быть применен к описанию архитектуры технических систем любого типа. В отличие от таких языков, как SysML или UML, разработанных в академической среде или поставщиками программного обеспечения, язык и метод Arcadia — это результат многолетней работы международных экспертов в области моделе-ориентированной системной инженерии, другими словами — это язык и метод, разработанный инженерами и для инженеров. Язык и метод Arcadia широко используются во всем мире для сложных инженерных проектов. Примером их применения является разработка мультимедийных систем для самолетов Boeing и Airbus, моделирование подсистем газотурбинного двигателя серии UltraFan компании Rolls-Royce, разработка архитектуры ракетоносителей компании ArianeGroup или моделирование архитектуры «ядерного острова» для Framatome.

Проектирование архитектуры в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование»

Метод проектирования архитектуры системы, заложенный в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование», основан на создании семейства архитектурных моделей технической системы на четырех уровнях абстракции, показанных на рис. 1.

Рис. 1. Взаимосвязь архитектурных уровней Arcadia и структуры проекта
в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование»

На каждом из уровней, в соответствии с установленными правилами, создается семейство моделей, в совокупности дающих представление о границах, составе элементов, структуре и поведении проектируемой технической системы в окружающей ее среде. Каждый уровень уточняет, декомпозирует и развивает архитектурные решения, принятые на предыдущем уровне.

Благодаря связи между инструментом «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» и методологией, обеспечивается единый доступ к трем компонентам, необходимым для реализации практик моделе-ориентированной системной инженерии (методологии, языку и инструменту отображения), что делает разработку системной архитектуры интуитивно понятной тем, кто не имеет опыта работы.

Уровень анализа применения

Анализ применения — первый уровень разработки архитектуры, который посвящен моделированию и анализу области проблем. В рамках анализа применения выявляются и анализируются потребности и/или проблемы заинтересованных сторон. Данный архитектурный уровень предназначен для отделения описания потребности от способа ее возможного удовлетворения, поэтому целевая (проектируемая) система здесь не рассматривается. Такой подход может привести к неожиданным результатам, например к появлению прорывных технологий или продуктов, решающих поставленные задачи нестандартным, но более эффективным способом.

На данном уровне необходимо определить и зафиксировать все заинтересованные стороны (в терминологии Arcadia — «акторы»), которые будут взаимодействовать с будущей системой, а также их потребности, проблемы, мотивы, цели, задачи, намерения и т.д. в форме возможностей применения. Для этих целей в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» используется тип диаграммы «Возможности применения» (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма «Возможности применения» для проекта по разработке авиационного газотурбинного двигателя

Далее, по методике, определяется перечень действий, необходимых для достижения зафиксированных возможностей применения. Действия определяются в привязке к заинтересованным сторонам с помощью типа диаграммы «Архитектура применения».

На диаграмме «Архитектура применения» среди всех возможных взаимодействий акторов может выделяться определенная последовательность их действий, например рис. 3 иллюстрирует выделение действий полетного цикла (синие линии), оперативного обслуживания (красные линии) и регламентного технического обслуживания (оранжевые линии). Взаимодействия акторов могут быть представлены в виде подробных сценариев (рис. 4).

Рис. 3. Диаграмма «Архитектура применения» для проекта по разработке воздушного судна

Рис. 4. Диаграмма «Сценарий взаимодействия применения» для проекта по разработке авиационного газотурбинного двигателя

Основными результатами моделирования на уровне анализа применения являются перечень заинтересованных сторон и их потребности, которые используются далее для формирования исходных требований к целевой системе.

Трассировка требований из ЛОЦМАН:PLM на результаты моделирования на уровне анализа применения может использоваться для валидации требований заинтересованных сторон.

Описание архитектуры на уровне анализа применения позволяет получить основу для разработки программы и методики испытаний, а также эксплуатационной документации.

Результаты анализа применения используются на следующем уровне разработки архитектуры — при системном анализе.

Уровень системного анализа

Системный анализ — второй уровень проектирования архитектуры. Он определяет границы проектируемой системы и способы реализации исходных требований, определенных на основе анализа потребностей заинтересованных сторон.

Проектируемая система здесь рассматривается как «черный ящик», принципов устройства которого мы не знаем, но можем описать его функции и интерфейсы для взаимодействия с окружением. В качестве окружения целевой системы рассматриваются акторы (включающие, помимо заинтересованных сторон, еще и явления или предметы материального мира, например ветер или атмосферное давление), фиксируемые на диаграмме типа «Системные акторы» (рис. 5).

Рис. 5. Контекстная диаграмма «Системные акторы» для проекта разработки электромобиля

Для проектируемой системы на диаграмме типа «Миссии и возможности» (рис. 6) определяются выполняемая системой миссия (целевое предназначение системы) и ее ключевые составляющие в виде возможностей. Например, для газотурбинного двигателя целевой миссией может быть «Перемещение планера воздушного судна в пространстве», а возможностями — «Создание тяги» и «Топливная экономичность».

Рис. 6. Диаграмма «Миссии и возможности» для проекта разработки авиационного газотурбинного двигателя

Миссии и возможности выступают в роли ключевых требований, от реализации которых зависит успешность проектируемой системы. Они используются для дальнейшей декомпозиции и уточнения системных функций в привязке к будущей системе или заинтересованным сторонам (акторам).

Для каждой из возможностей могут быть разработаны отдельные диаграммы, описывающие архитектуру системы, необходимую для ее реализации. Такой подход позволяет сконцентрировать внимание на реализации требуемых возможностей системы и не потерять их в общей массе объектов, используемых для описания архитектуры.

«ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» позволяет моделировать функциональные цепи. Например, на рис. 7: синим цветом выделена цепочка функций «Уход в занос», красным — «Стабилизация». Данная возможность позволяет однозначно выделить последовательность выполнения взаимосвязанных функций среди всех, представленных на диаграмме. Функциональные цепи являются важными исходными данными для выполнения анализа функциональной безопасности.

Рис. 7. Диаграмма «Системная архитектура» для проекта по разработке электромотоцикла
для гаража специального назначения

В итоге моделирование на уровне системного анализа позволяет зафиксировать границы проектируемой системы, уточнить исходные требования и сформировать необходимый перечень корректных и непротиворечивых проектных (системных) требований к изделию как к «черному ящику», сформулировать перечень системных функций и интерфейсов взаимодействия с эксплуатирующей системой. Все эти данные являются исходными для разработки архитектурного описания на уровне логической архитектуры.

Уровень логической архитектуры

Уровень логической архитектуры описывает решение, представляющее абстрактный концептуальный проект, декомпозирующий системные функции и распределяющий их по логическим компонентам. На этом уровне определяется, из каких систем должна состоять проектируемая система, какие функции они должны выполнять и как должны взаимодействовать друг с другом.

Для уточнения и/или декомпозиции системных функций используются диаграммы типа «Логический поток данных» (рис. 8).

Рис. 8. Диаграмма «Логический поток данных» для проекта разработки электробуса

Выявленные функции аллоцируются на реализующие их системы (логические компоненты) — для этих целей используется диаграмма типа «Логическая архитектура». Например, решается, что системная функция «Поднять давление в пневмоподвеске» реализуется в виде логического компонента «Блок подачи воздуха» (рис. 9).

Рис. 9. Диаграмма «Логическая архитектура» для проекта разработки системы ECAS седельного тягача

Как результат, модель архитектуры на уровне логического анализа позволяет определить перечень основных систем или подсистем проектируемой системы, определить сценарии и интерфейсы их взаимодействия, сформировать для них спецификации исходных требований. Все эти данные являются исходными для разработки архитектуры на уровне физической архитектуры.

Уровень физической архитектуры

Уровень физической архитектуры используется для определения физических способов реализации решений, принятых на уровне логической архитектуры. Например, для реализации логической системы «Заслонка» на уровне физической архитектуры принято решение использовать физическую подсистему «ВЗС» (рис. 10).

На уровне физической архитектуры уточняется и детализируется архитектурное описание, полученное на вышестоящем уровне логической архитектуры. В результате получается набор физических компонентов, которые нам необходимо реализовать самостоятельно на этапах РКД или заказать для приобретения (или разработки соисполнителям).

Компоненты физической архитектуры могут быть связаны с требованиями из ЛОЦМАН:PLM (см. рис. 10), формируя моделе-ориентированное техническое задание, обеспечивающее однозначность интерпретации требований, их полноту и непротиворечивость. Такая модель может быть передана соисполнителям и использоваться ими для детального проектирования составных частей целевой системы.

Рис. 10. Диаграмма «Физическая архитектура» для проекта по разработке воздушного стартера авиационного газотурбинного двигателя

Чтобы определить предварительное положение подсистем в пространстве будущей системы, «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» позволяет в качестве подложки для диаграмм использовать эскизы будущей системы (рис. 11).

Рис. 11. Пример отображения физических компонентов на эскизе будущей системы
в рамках проекта «Электромотоцикл»

В результате этого уровня разработки архитектуры формируется мультидоменная архитектурная модель, включающая:

• детальное описание принципов работы проектируемой системы и всех ее составных частей, включая механику, электрику, электронику, системы управления;
• описание сценариев и интерфейсов взаимодействия составных частей;
• требования ко всем компонентам, интерфейсам и связям.

Такая модель служит основой для процессов детального проектирования отдельных систем и компонентов проектируемой системы.

Интеграция с ЛОЦМАН:PLM

«ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» является частью комплексного PLM-решения АСКОН для поддержки ЖЦИ, поэтому разработка описания архитектуры выполняется под управлением системы ЛОЦМАН:PLM.

Функционирование «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» под управлением ЛОЦМАН:PLM позволяет связать описание архитектуры изделия в виде модели с другой инженерной информацией, хранящейся в ЛОЦМАН:PLM (требования, характеристики, объекты электронной структуры и др.), использовать описание архитектуры как исходные данные для последующих процессов проектирования, управлять описанием архитектуры и сделать ее частью конфигурации изделия.

Функционал интеграции двух систем обеспечивает:

1 Хранение проекта описания архитектуры в ЛОЦМАН:PLM. Разработанные архитектурные описания сохраняются в базе данных ЛОЦМАН:PLM для управления этими данными и предоставления к ним доступа всем заинтересованным сторонам, участвующим в создании технической системы.

2 Хранение объектной структуры архитектурного описания в ЛОЦМАН:PLM. При сохранении проекта архитектуры в ЛОЦМАН:PLM происходит:

• публикация данных с выбранных уровней описания архитектуры;
• представление описания архитектуры в ЛОЦМАН:PLM в виде объектов, их атрибутов и информационных связей, в строгом соответствии с иерархией данных в проекте «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование»;
• формирование перечня диаграмм и их вторичного представления в формате PDF.

3  Трассировка требований и характеристик на объекты архитектурной модели. Для обеспечения прослеживаемости требований, зафиксированных в ЛОЦМАН:PLM, реализована возможность их трассировки (через механизм «drag&drop») на объекты архитектурного описания в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование».

4  Визуализация диаграмм в формате PDF. Обеспечивается просмотр и аннотирование диаграмм, разработанных в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» в формате PDF.

5 Блокировка объектов описания архитектуры. Объекты архитектурной модели в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» могут блокироваться от редактирования в зависимости от их состояния в ЛОЦМАН:PLM.

Поддержка многопользовательской работы

В разработке описания архитектуры в виде модели может участвовать широкий круг заинтересованных сторон — это и системные инженеры (отвечающие за разработку изделия в целом и интеграцию всех составных частей), и инженеры, отвечающие за разработку отдельных систем (механика, электрика, электроника, системы управления). При совместной работе над одной системной моделью группы проектировщиков возможны вопросы параллельного доступа к данным и одновременного внесения изменений без возникновения конфликтов, а также просмотра в реальном времени модификаций, внесенных коллегами по команде разработки.

Для решения обозначенных вопросов в «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» предусмотрен дополнительный модуль коллективной работы, который обеспечит всех участников процесса проектирования возможностью доступа к модели и возможностью ее многопользовательского редактирования в режиме реального времени. Выход модуля запланирован на конец 2025 года.

Резюме

Появление «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» помогает выстроить в PLM-решении АСКОН процессы проектирования на базе практик MBSE, что особенно важно и необходимо при разработке сложных технических систем.

Применение архитектурного проектирования на базе «ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» дает разработчикам следующие преимущества:

• методологическая и инструментальная поддержка процесса выявления и валидации требований (обеспечивает полноту и обоснованность требований, минимизирует их изменение);
• получение описания принципов работы и устройства изделия на самых ранних стадиях проектирования (поддерживает процесс принятия решений);
• предоставление исходных данных для ранней верификации (проверки соответствия проектных решений заданным требованиям), например, на основе 0D/1D-анализа (минимизирует дорогостоящие ошибки, выявляемые на поздних стадиях);
• предоставление основы для процессов оценки безопасности (функции, функциональные цепи);
• формирование целостного и в то же время многоаспектного (механика, электрика, электроника, системы управления) представления об устройстве проектируемой системы с разных точек зрения: пользователи, инженеры, функции, сценарии работы, функциональные взаимосвязи, интерфейсы, иерархическая структура и др. (минимизирует ошибки проектирования);
• объединение разрозненного описания принципов работы изделия в единую информационную модель, доступную всем участникам проектирования (обеспечивает актуальность и непротиворечивость данных, минимизирует ошибки проектирования).

«ЛОЦМАН:PLM Архитектурное проектирование» — это первая в своем роде отечественная интегрированная инженерная среда, обеспечивающая цифровую связь между процессами системной инженерии и классического проектирования (разработка РКД), которую инженеры могут использовать для реализации подходов моделе-ориентированной системной инженерии в процессах проектирования.