Секреты успешных НИОКР

1.1. Задачи управления проектами НИОКР

Текущие события мировой политики в очередной раз поставили перед Российской Федерацией вопрос о выживании этноса, обретении частично утраченного технологического суверенитета, выхода на ведущие роли в перестройке картины мира от гегемонии заокеанских толстосумов, диктата «золотого миллиарда», к ликвидации агрессивного блока НАТО, построению многополярного, разносторонне развивающегося, экономически полноценного общества.

Решение этих задач осложняется поиском новых способов нормально жить в условиях ограниченности ресурсов планеты, создания приемлемого будущего для энергетических и экологических потребностей людей, что потребует системной интеграции, кумулятивных изменений во многих секторах, включая транспорт, производство, сельское хозяйство и искусственную среду обитания. Необходимо объединить новейшие исследовательские идеи с их практической реализацией в виде ОКР. Развивается потребность изменить образование инженеров и управленческого персонала в сторону более сбалансированной модели обучения на протяжении всего жизненного цикла карьеры человека, начиная со школы и университета. Это также означает создание квалифицированной рабочей силы нового поколения, повышение уровня знаний, переподготовку по отраслям труда и рабочим дисциплинам.

Сегодня мир в своем развитии перешел в фазу 4-й индустриальной революции. Ее отличительными компонентами являются (вариант):

• активизация науки о материалах;

• внедрение аддитивного производства;

• эффективное хранение энергии;

• БАС (беспилотные авиационные системы);

• движение к полностью электрическому самолету;

• появление гиперзвуковых летательных аппаратов;

• развитие нанотехнологий;

• широкое развитие робототехники;

• внедрение элементов искусственного интеллекта;

• развитие интернета вещей;

• использование квантовых компьютеров.

Производительность труда в перечисленных отраслях высоких технологий зависит от ряда факторов, включая историческое наследие в части послепродажного обслуживания ранее поставленной техники, инфраструктуры производства, уровня подготовки персонала, организации работ по созданию новых продуктов и систем. В этой книге речь пойдет о том, как можно эффективно участвовать в технологическом развитии РФ, ликвидировать имеющиеся пробелы при реализации НИОКР, результативно используя технические и управленческие технологии системной инженерии.

Основным объектом приложения системной инженерии являются системы.

Системой называют интегрированный сплав людей, продуктов и процессов, обеспечивающий возможность удовлетворить требуемые нужды или цели.

Можно выделить системы природные или созданные человеком. Первые возникли в результате естественных процессов, например, животные организмы, природные ландшафты, планетные системы. Созданные человеком системы управляются людьми или автоматизированными устройствами (например, системы муниципального энергоснабжения, компьютерные сети, лифтовое хозяйство, мобильная телефония, медицинские организации). Системы разных видов могут быть объединены. Пример: образование искусственного водохранилища путем строительства плотины на реке.

Существуют большие различия между системами, представляемыми к разработке. Например, строительство городской развязки на шоссе в сравнении с разработкой международной космической станции. Создание очередной модели смартфона не похоже на усилия по сооружению и пуску в эксплуатацию Крымского моста. Инновационные проекты ОКР также могут ранжироваться по новизне создаваемых продуктов и систем (от небольшой модернизации существующих до прорывных, совершенно новых изделий), уровням готовности используемых технологий (от устоявшихся до революционных). Однако все проекты имеют заданные цели, фиксированные сроки реализации, и конечные выделенные ресурсы.

Сегодня приходится часто слышать термин «инновации». Инновации определяют как «итеративный процесс, инициированный восприятием нового рынка, или новой возможности обслуживания для технологического вмешательства, которое приводит к решению задач разработки, производства и маркетинга для коммерческого успеха продукта». То есть новый инновационный продукт или услуга должны появиться, быть успешно внедрены и приняты на рынке. Другими словами, инновацией называют продукт, который приносит экономическую ценность путем распространения на рынке.

Процесс вывода инновации на рынок обычно называют коммерциализацией. Можно выделить четыре типа инноваций.

1. Новые для организации продукты, которые могут включать улучшенные копии продуктов конкурентов.

2. Новые продукты для рынка.

3. Расширение существующих продуктовых линеек за счет добавления новых функций.

4. Усовершенствование имеющихся продуктов.

Инновации в сфере услуг отличаются от инноваций в продуктах. Основными факторами отличий услуг от продуктов являются неосязаемость услуги, ее неотделимость от поставщика, фактор скорой порчи (ограничения во времени), наличие прав собственности на услугу.

В 2021 г. в Национальной инженерной академии США сформулированы привлекательные инновационные темы для реализации в XXI веке.

• Более экономичное использование солнечной энергии, в том числе создание коммерческих самолетов на солнечной энергии.

• Обеспечение населения энергией от ядерного синтеза.

• Эффективные методы улавливания углерода.

• Управление циклом использования азота, «умные» удобрения.

• Обеспечение доступа к чистой воде, опреснение, интеллектуальное орошение территорий.

• Улучшение городской инфраструктуры, интеллектуальные транспортные системы, «умные» сети.

• Развитая информационная система здравоохранения, удаленный мониторинг каталога пациентов, электронные медицинские карты.

• Разработка лучших и эффективных лекарств, системы быстрой диагностики, персонализированная медицина.

• Проектирование компонентов мозга, развитие систем искусственного интеллекта, нейронные протезы.

• Предотвращение ядерного террора, пассивный мониторинг ядерных материалов.

• Организация безопасного киберпространства, устойчивых к отказам компьютерных систем, архитектура энергетики, защищенная от кибератак.

• Усовершенствованное персонализированное обучение, эволюционные обучающие и современные образовательные системы.

• Разработка новых средств для научных открытий, в частности, космических необитаемых аппаратов.

В ходе практической реализации инновационного процесса выявлено, что важно умение управления знаниями, а именно генерацией идей, наличием хранилища знаний, организацией эффективных информационных потоков и их распространением на предприятии.

Следует также помнить, что активно развиваемая в разных сферах цифровизация является лишь сервисным инструментом на базе программного обеспечения. Лидерство страны в области науки, техники и экономики не зависит от того, насколько активно её граждане тратят время на компьютерные игры, заказывают еду по интернету или делают покупки он-лайн. Развитие государства обуславливается научными и промышленными достижениями, которых у «виртуальных» компаний просто нет.

1.2. Жизненный цикл системы и определение системной инженерии

Предварительно напомним некоторые известные типы систем. Это бизнес-системы (управление исследованиями и разработками, производством продуктов и услуг для использования на рынке), образовательные системы (обучение), финансовые системы (поддержка личных, коммерческих и других финансовых операций), правительственные системы (связанные с управлением людьми как обществом на уровне государства, области, города), медицинские системы (больницы, клиники, врачи и терапевтические учреждения, управляющие потребностями здравоохранения населения), транспортные системы (наземные, морские, воздушные и космические перевозки людей и грузов), системы перекачки нефти и газа, городские системы (управление инфраструктурой района, города, области), культурные системы (исполнительское искусство музыки и других развлечений, гражданские модели поведения) и др.

Системы могут различаться по сложности, например:

• двигатель самолета по сравнению с набором деталей;

• самолет с двигателями и навигационной системой;

• авиатранспортная система (АТС) с самолетами, пассажирами, грузами, тренажерами, и др.;

• система систем, когда совместное применение систем дает синергетический эффект новизны достигаемых целей по сравнению с отдельными частями: АТС, аэропорты, инфраструктура обслуживания и наземного наблюдения.

Системным подходом называют комплексную методологию решения проблем разработки и управления системами. Он фокусирует внимание на общей картине и конечной цели, восприятии свойств системы в целом, а не ее отдельных частей.

Эффективен комплексный взгляд на ситуацию, для учета следующих факторов.

1. Цели и критерии эффективности системы в целом.

2. Окружающая среда и ограничения системы.

3. Ресурсы системы.

4. Элементы системы, их функции, свойства и показатели эффективности.

5. Взаимодействие между элементами системы.

6. Управление системой.

Системный подход помогает понять, как взаимодействуют элементы, и как изменение элементов и их отношений влияет на поведение и результаты системы. В нем также уделяется внимание управлению системой, то есть выполнению функций, где учитывают цели, окружающую среду, ограничения, ресурсы и элементы системы. Например, двигатель внутреннего сгорания можно рассматривать с точки зрения эффектов, которые его появление вызвало на земном шаре. Ускорилось развитие экономик, связанных с производством и распределением нефти. Новые виды транспорта изменили картину жизни мира посредством распространения путешествий, торговли, рынков и миграции населения.

Например, создание бизнеса по производству смартфонов должно включать в себя разработчика смартфонов, производителя телефонов, оператора телефонной связи, поставщиков приложений, и так далее. Компании, которые специализируются на разработке приложений, должны иметь ИТ-отдел для обслуживания своей среды разработки, программистов, эксперта по безопасности, который поможет спроектировать приложение в соответствии с требованиями киберзащиты, и эксперта по маркетингу, который поможет продавать эти приложения.

У каждой системы имеется жизненный цикл (ЖЦ, life cycle). ЖЦ называют совокупность взаимоувязанных последовательных изменений состояния изделия (системы), связанных с реализацией установленных процессов от начала разработки до вывода из эксплуатации (утилизации).

Напомним два определения из прикладного стандарта ГОСТ 56136—2014.

• Этап жизненного цикла (life cycle phase) это часть ЖЦ, выделяемая по признакам границ контроля (контрольных рубежей), на которых предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и (или) физических характеристик экземпляров изделий.

• Контрольный рубеж (КР) этапа жизненного цикла (milestone, decision gate) это момент завершения этапа ЖЦ, когда предусматривается проверка характеристик проектных решений типовой конструкции и (или) физических характеристик экземпляров изделий.

Модель жизненного цикла системы представляет собой структуру, состоящую из упорядоченных, взаимосвязанных, формализованных процессов, работ и задач, выполнение которых является необходимым и достаточным условием существования системы во времени. Они охватывают жизнь системы от момента замысла до прекращения использования.

Выделяют основные этапы ЖЦ. Замысел разработки: обычно включает действия по определению цели (зачем нужна система? кто будет ее использовать?) и понимание требований (как должна выглядеть система? как система будет использоваться?). Определение целей и приложений проекта имеет решающее значение для разработки успешных систем.

Далее создается концепция, включая выявление и определение потребностей системы, анализ заинтересованных сторон и определение критериев проверки характеристик. Этап помогает команде найти альтернативные варианты разработки и определить наилучший подход для удовлетворения требований. На основе создания операционных моделей и прототипов можно сравнить и прояснить плюсы и минусы различных функциональных альтернатив.

Разработка включает определение потенциальных вариантов решения проблемы, связанных с потребностями, и поиск предпочтительного решения. Выбранная концепция детально прорабатывается на самом нижнем уровне для создания разработанной системы или функциональных возможностей, отвечающих требованиям. Обзоры программы позволяют убедиться, что усилия по разработке идут по плану.

Производство, когда изготавливается собственно материальная система. Сюда включено изготовление системы, ориентированной на аппаратное обеспечение, или кодирование системы, ориентированной на ПО. В процессе интеграции проводятся различные испытания, чтобы убедиться, что система построена правильно. Продолжается деятельность по реализации и развитию системы посредством верификации и валидации. При производстве сложной системы могут потребоваться модификации системы для решения технических проблем, снижения затрат или улучшения возможностей.

Эксплуатация, когда система доставляется заказчику и используется конечными пользователями или операторами. Сюда включают обучение соответствующих сторон эффективному использованию системы. Если поставляемая система (например, сотовый телефон) является частью большой сервисной системы (называемой система систем), интеграция и проверка функциональной совместимости этой системы с другими вспомогательными системами (например, сотовыми вышками, центрами коммутации вызовов) имеют решающее значение для успеха ее развертывания.

Поддержка или послепродажное обслуживание включает предоставление услуг, необходимых для эффективной эксплуатации системы, таких как ремонты, отчеты о неисправностях, обслуживание, и так далее. Также включает действия по логистике, управлению продуктами и сроками службы, в том числе продление срока службы или обновление и модернизацию.

Полномасштабный жизненный цикл сложной системы завершается этапом вывода из эксплуатации. Планируется, как и когда система должна быть утилизирована безопасным и надежным образом. Однако, если система еще востребована на рынке, например, популярная модель семейного автомобиля, этап вывода из эксплуатации может быть заменен новым жизненным циклом для расширения или улучшения системы.

Пример ЖЦ системы показан на рис.1.1. Пронумерованные аббревиатуры КР обозначают контрольные рубежи между этапами ЖЦ.

Рис. 1.1. Этапы жизненного цикла системы (пример)

Декомпозиция (разбиение) проекта на этапы жизненного цикла переводит организацию процесса разработки на более мелкие и управляемые части. Так легче планировать и управлять всеми основными событиями разработки высокотехнологичной сложной системы или продукта. Переход фазовых границ определяется в пунктах оценки прогресса проекта и решений типа «идти/не идти далее». На очередном контрольном рубеже следует принять решение, продолжать ли проект на следующем этапе, «вернуться к чертежной доске» и переделать текущую работу завершаемой фазы, или прекратить проект.

Так как ранние решения влияют на последующие деятельности и «более зрелую» систему труднее изменить по ходу проекта, в системной инженерии сделанное на ранних стадиях имеет наибольшее влияние на успех проекта в целом. Действует также базовый принцип, что любые решения, рассматриваемые на конкретном этапе, должны быть полезны на следующих этапах ЖЦ системы.

Теперь приведем базовые определения рассматриваемого подхода от некоммерческого общества сиcтемных инженеров INCOSE (2018).

Системной инженерией называют междисциплинарный интеграционный подход для обеспечения успешной реализации, использования и вывода из эксплуатации инженерной системы, используя системные принципы и концепции, а также научные, технологические и управленческие методы.

Инженерная система – это система, разработанная или адаптированная для взаимодействия с ожидаемой эксплуатационной средой для достижения одной или нескольких предполагаемых целей при соблюдении применимых ограничений. Инженерные системы могут включать людей, продукты, услуги, информацию, процессы и природные элементы.

Системой называют совокупное расположение частей или элементов, которые вместе демонстрируют поведение или значение, которого нет у отдельных компонентов. Системы могут быть физическими, концептуальными (информационными), или их комбинацией.

Системная инженерия – это образ мышления, а также способ действия. Его корни начались с разработки крупномасштабных сложных технических систем в середине прошлого века, таких как Манхэттенский проект создания атомной бомбы.

В истории человечества следы системно-инженерного подхода заметны при сооружении египетских пирамид, римских дорог, азиатских ирригационных каналов и ряда других объектов, дошедших до наших дней. Так, «подушку» под римской дорогой для колесниц укладывали по правилам того времени до пяти метров толщиной (!), из различных материалов. Спустя столетия эти дороги заасфальтированы и используются для современных автомобилей. Каменные мосты через реки в некоторых голландских городах используются без ремонта на протяжении 300—400 лет. То есть выполнено условие заботы о жизненном цикле продукта в целом: действия на каждой фазе ЖЦ системы были направлены на улучшение жизненного цикла на последующих этапах.