УДК 004.942

Преимущества внедрения модельно-ориентированного проектирования в опытно-конструкторские работы

Попова Елизавета Владимировна – магистр МИРЭА – Российского технологического университета

Аннотация: В данной статье рассматривается методология модельно-ориентированного проектирования, а также преимущества внедрения этого подхода в опытно-конструкторские работы по созданию и модернизации программно-аппаратных комплексов, к которым предъявляются высокие требования по качеству и надежности.

Ключевые слова: модельно-ориентированное проектирование, МОП, ОКР, цифровые двойники.

Вступление

В современных условиях, когда многие страны стремятся к технологическому лидерству, особое внимание уделяется проведению опытно-конструкторских работ (ОКР) на государственных предприятиях, разрабатывающих и производящих программно-аппаратные комплексы различного назначения. Методологии проведения ОКР, а также технологии обеспечивающее этот процесс, являются важным аспектом в разработке новых технологий, а также модернизации уже существующих.

По мнению автора, особого внимания требуют предприятия, разрабатывающие программно-аппаратные комплексы из критически-важных для страны областей, таких как: ОПК, энергетика, здравоохранение и тд. Такое положение отраслей предполагает высокие требования к продукции, что накладывает больше количество ограничений на процесс разработки, которые зачастую сильно увеличивают время, требуемое на работы. При этом в современных условиях, помимо высокого качества, требуется обеспечить возможность быстрого внесения изменений в такие системы. Для обеспечения этих требований необходимо внедрять новые методологии в проведение ОКР. Одним из современных подходов к решению этой проблемы является модельно-ориентированное проектирование (МОП).

В данной статье будет рассмотрена методология МОП, а также преимущества внедрения этого подхода в ОКР по созданию и модернизации программно-аппаратных комплексов, к которым предъявляются высокие требования по качеству и надежности.

Методология проведения ОКР согласно стандартам

ОКР представляет собой комплекс мероприятий, ориентированный на достижение конкретных результатов по созданию, тестированию и подтверждению соответствия параметров продукции заданным стандартам [1].

Требованиями ГОСТ Р 15.201 [2] и ГОСТ 2.103 [3] установлены следующие этапы ОКР:

  • этап технического предложения;
  • этап эскизного проектирования;
  • этап технического проектирования;
  • этап разработки рабочей конструкторской документации;
  • этап изготовления опытного образца и проведения предварительных испытаний;
  • этап проведения приемочных (межведомственных, государственных) испытаний.

Проблематика проведения ОКР

Проведение ОКР предполагает разделение проекта на несколько последовательных этапов. Каждый из этапов имеет цель и сроки выполнения. Это четко спланированный и последовательный подход, где команда проекта придерживается плана, который остается постоянным вплоть до окончания работы [4]. В данном подходе каждый этап должен быть завершен до того, как начнется следующий, и результат одного этапа последовательно действует как вход для следующего.

Этот подход предполагает следующие недостатки:

  1. Невозможность изменений. В процессе работы кардинальные изменения в проекте, после согласования ТЗ невозможны, по причине высокой трудоемкости каждого из этапов ОКР. Поэтому такая модель очень тяжело подстраивается под новые требования, возникающие в ходе разработки.
  2. Нарушение процесса при возврате. Если на предыдущих этапах были допущены ошибки, то возврат к их корректировке может нарушить структуру работ. Это закономерно приведет к увеличению затрат и изменениям в графике.
  3. Позднее обнаружение проблем. Поскольку результат представляют заказчику только в конце всего цикла, недоработки, ошибки и просчеты ТЗ можно обнаружить только на финальном этапе. И их исправление требует повторного прохождения всех стадий проекта заново: от составления ТЗ и до выпуска опытных образцов изделий.
  4. Тестирование результата только в конце. В ходе работы заказчик и отдел технического контроля предприятия, не могут полноценно проверить продукт на качество, так как методология предполагает оценку конечного результата и внесение корректировок только в готовый продукт или по крайней мере опытный образец.
  5. Разработка ПО возможна только после изготовления опытного образца. По причине необходимости физического наличия «железа» на котором можно отлаживать написанный код.

Модельно-ориентированное проектирование

На данный момент в отраслях, в которых предполагается четкое соблюдение стандартов, имеется тенденция к внедрению в проекты модельно-ориентированного проектирования и создания цифровых двойников.

Модельно-ориентированное проектирование – это подход к разработке программного и аппаратного обеспечения, который использует модели для описания систем на разных уровнях абстракции. Этот подход позволяет создавать более точные и эффективные системы, а также упрощает процесс разработки.

МОП нацелено на создание модели изделия, что позволяет после завершения создания модели начать разработку ПО и тестирование на разработанной модели, до появления физического прототипа. Это ускоряет процесс разработки и снижает стоимость проекта, так как ошибки могут быть выявлены до производства прототипа, что позволяет избежать необходимости создания дополнительных прототипов.

Также, некоторые платформы, реализующие МОП поддерживают автоматическую генерацию программного кода, что ведет к уменьшению ошибок, связанных с человеческим фактором и, что не менее важно, приводит к сокращению времени разработки.

Тестирование в МОП практически осуществляется уже в процессе моделирования, при создании прототипов программ, то есть на всех этапах, вплоть до уровня аппаратной реализации.

Также, разработанные в ходе проекта модели, можно в дальнейшем использовать для апробации гипотез и модернизации без необходимости реализации физического прототипа.

Реальный опыт применения МОП в проектах реальных компаний, позволил выявить следующие достоинства применения этого подхода в проектах:

  1. Производится объективная оценка реализуемости сложных проектов и снижение технических рисков на ранних стадиях, уже после построения базовой системной модели.
  2. Сокращается сроки выполнения работ по сложным изделиям. Например, внедрение модельно-ориентированного проектирования позволило Siemens сократить время разработки продуктов на 30%, улучшить качество и повысить эффективность работы [5].
  3. Появляется возможность разработки более сложных изделий с уникальными свойствами, недостижимыми для конкурентов.
  4. Повышается надежности и качество изделий за счет сквозной непрерывной верификации.
  5. Появляется возможность управления себестоимостью изделий через обоснованное принятие рациональных технических решений в том числе и на базе отечественной ЭКБ, за счет системной и алгоритмической оптимизации.
  6. Снижается стоимость проекта за счет снижения зависимости от работ с натурными прототипами. Например, использование МОП в проектах компании Korea Institute of Machinery and Materials, позволило сэкономить от 20000$ до 30000$ за счёт проверки гипотез на модели системы магнитоплана реализованной в Simulink, что избавило от необходимости тратить средства на доработку физического тестового стенда [6].
  7. Повышение эффективности и реализуемости проектов за счет повторного использования поддерживаемых, читаемых и портируемых моделей.
  8. Сокращение затрат на поиск и идентификацию причин эксплуатационных отказов.
  9. Автоматизированное формирование отчетной документации в соответствии с требованиями ЕСПД.
  10. Снижение рисков при научно-технической кооперации внутри предприятия или с внешними подрядчиками посредством однозначных требований в виде исполняемых моделей, дополняющих входящую и исходящую документацию.
  11. Возможность выполнения большего объема ОКР за счет ускоренной разработки.
  12. Снижение зависимости предприятий от поставщиков ЭКБ, за счет упрощенной миграции между ЭКБ, посредством автоматической трансляции моделей в код, оптимизированный под целевую ЭКБ. Возможность вариативной разработки одного устройства на базе разных наборов ЭКБ.

На данный момент самым распространённым решением с самым большим функционалом являются продукты компании MathWorks, такие как Matlab и Simulink.

Заключение

Таким образом, после проведенного анализа, ожидается, что при внедрении в ОКР по созданию и модернизации программно-аппаратных комплексов модельно-ориентированного проектирования будут достигнуты следующие результаты:

  • сокращаются сроки выполнения работ по сложным изделиям;
  • повышается надежности и качество изделий;
  • снижается стоимость проекта за счет снижения зависимости от работ с натурными прототипами;
  • возможность выполнения большего объема ОКР за счет ускоренной разработки;
  • снижение числа ошибок, найденных на последних этапах работы.

Список литературы

  1. Планирование и управление НИР и ОКР: учебное пособие / Аникейчик Н.Д., Кинжагулов И.Ю., Федоров А.В. – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 192 с.
  2. ГОСТ Р 15.201-2000 Система разработки и постановки продукции на производство. Продукция производственнотехнического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство: государственный стандарт Российской Федерации: дата введения 2001-01-01 / разработан Всероссийским научно-исследовательским институтом стандартизации (ВНИИстандарт) – Изд. официальное. – Москва: Стандартинформ, 2008. – 12 с.
  3. ГОСТ 2.103-68 Единая система конструкторской документации. Стадии разработки: межгосударственный стандарт: дата введения 2015-07-01 / разработан Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ) – Изд. официальное. – Москва: Стандартинформ, 2014. – 6 с.
  4. Особенности проектного управления в условиях цифровой экономики / Чижова Д.Н. // Журнал. Социально-экономическое управление: теория и практика – 2020. – № 4 – С. 49-53.
  5. Цифровая трансформация – уже сегодня // Simens: [сайт] – 2021. – URL: https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:6fe976c8-696f-494d-b693-94816aee4ead/2019-04-04-des-ru.pdf (дата обращения: 14.12.2023).
  6. Зачем применять модельно-ориентированное проектирование для разработки встраиваемых систем управления? // ЦИТМ Экспонента: [сайт]. – 2018. – URL: https://exponenta.ru/storage/app/media/publications/whyadopt_new_rus_print.pdf (дата обращения: 15.12.2023).

Интересная статья? Поделись ей с другими: