Процесс системного инженерного проектирования и его программная поддержка

Преамбулу принято начинать с краткого описания того, что ждет читателя. Мы это правило сразу нарушим. И начнем с того, чего в статье не будет. А не будет в ней традиционного остап-бендеровского «Удоевцы! Железный конь приходит на смену крестьянской лошадке» или «3D-проектирование приходит на смену кульману». Потому что в 2010 г. это просто стыдно...

Теперь пора вернуться к традициям. Затрагиваемая нами тема не то чтобы безгранична (иначе не существовало бы ни специалистов, ни самого процесса инженерного проектирования, ни порожденных им артефактов), но чрезвычайно объемна. И даже немаленькая журнальная статья может дать только общее представление о предмете. Но и это уже не так мало и вовсе не бесполезно. Как раз с подтверждения справедливости двух на самом деле очень серьезных утверждений мы и начнем.

Homo faber

Облачное 3D-моделирование уже возможно. Сервис RADF позволяет сверхтонкому по меркам требований современных CAD-систем компьютеру довольно бойко оперировать твердотельными моделями

Что характерно, в Википедии нет перевода на русский язык понятия Homo faber. Это маленькая деталь, и она о чем-то нам говорит (о чем именно – решать каждому для себя). Больше того, результаты поиска в русскоязычном сегменте Интернета будут однообразны и малоинтересны. Это странно хотя бы потому, что «человек производящий», создатель технических артефактов – основа основ цивилизации. Отбросим всякую многословную околофилософско-апокалипсическую заумь из результатов поиска и обратим внимание на суть понятия – Homo faber производит именно технические артефакты. В довольно серьезной книге «Философия и проектирование» (Philosophy and Design. – Springer Science, 2008) о сути технических артефактов сказано буквально следующее – «они не просто преднамеренно создаются, их создатель преследует конкретные цели». И если бы технические артефакты существовали вне окружающего нас мира, никаких дальнейших пояснений не понадобилось бы. Но. Технические артефакты сосуществуют с Природой и людьми. И этим сосуществованием порождают множество нетехнических артефактов – того, что создано косвенно и непреднамеренно (или даже намеренно, потому что бескомпромиссных решений не бывает). Пока концентрация технических артефактов была невысока, этот очевидный нюанс никаких особых сложностей не вызывал. Палки-копалки, кремниевые ножи, примитивные плуги, немногочисленные паровозы – все это успешно утилизировалось Природой. Вызванные эксплуатацией технических артефактов нетехнические артефакты (это не тавтология) – выбросы, отходы, отработанные расходные материалы etc – тоже не доставляли больших проблем. Промышленная революция и постиндустриальное общество (которое на самом деле, конечно, является сверхиндустриальным) все изменили. В большинстве развитых стран количество технических артефактов несоизмеримо выше численности населения, настолько выше, что просто отыскать оценку этого показателя per capita практически невозможно. Немыслимое множество технических артефактов формирует и вовсе запредельные числа и сложности цепочки взаимосвязей между ними, Природой и социальными (человеческими) системами. Все становится интереснее, если вспомнить еще об одном нюансе – «...Материальные системы, в принципе, могут разрабатываться с точки зрения полного управления проектным процессом. Для социотехнических систем это проблематично, если вообще не невозможно, потому что поведение факторов, определяющих систему, в общем случае непредсказуемо» (автор этой фразы, исследователь Петер Крез, для иллюстрации ссылается на уже ставший классическим яркий пример «подрывной рационализаторской деятельности» пользователей французской сети Minitel, изученный еще в далеком 1994 г.). На деле вся цепочка таких очевидных (и даже банальных) рассуждений приводит к настоящему взрыву. А именно, в условиях сверхиндустриального общества рост ответственности Homo faber принимает взрывной характер. Это ответственность и перед настоящим, и перед будущим, и перед прошлым (к слову, совершенно не случайно ни одна серьезная книга инженерной тематики сегодня не обходится без главы «инженерная этика»). Потому и процесс системного инженерного проектирования (та часть деятельности современного Homo faber, в которой ему, человеку производящему, особенно остро требуется быть и Homo sapiens) уже выходит за границы интересов узких специалистов и, как всякое явление, изменяющее наш мир, становится частью современной культуры. Потому и иметь о столь важном процессе жизни хоть поверхностное представление – это уже совсем не так мало и вовсе не бесполезно.

А где же CAD/CAE/CAM?

Вторая форма (каркасная) представления модели в RADF

Действительно, если вы дочитали до этой строки, настало время задать такой очевидный вопрос автору. И ответ на него многим покажется неочевидным, а некоторым даже «вопиюще неправильным». Еще до этого ответа хочется попросить читателя: не стоит спешить с выводами. Хотя бы потому, что в многолетней давности статье совпадающей тематики уже делались «вопиюще неправильные» предположения, например о «геометрических войнах» и создателях CAD-систем «новой волны», время же все расставило на свои места (упомянутая тогда еще совсем юная на мировом рынке итальянская компания Think3, смелый разработчик нетрадиционной CAD-системы с собственным ядром геометрического моделирования, сегодня – один из признанных и серьезных игроков мира «взрослого» проектирования, с портфолио, включающим, в частности, дизайн автомобиля Peugeot 406, сквозное проектирование знаменитых мотоциклов Buell и т. п., то же самое можно сказать и о бывшей английской компании Varimetrix, ныне VX). Итак, где же CAD/CAE/CAM? Автор набрался смелости и утверждает – пока еще эти аббревиатуры существуют, но фактом своего существования они больше обязаны традициям, чем сути вещей. Дело в том, что, с одной стороны, современные программные системы поддержки процессов инженерного проектирования полностью размывают границы между условными и без того размытыми категориями Design, Engineering и Manufacturing, с другой же стороны, инструментальный набор инженера с каждым годом пополняется совершенно новыми и ранее недоступными в инженерии программами. Впрочем, по порядку.

Ключевым понятием процесса системного инженерного проектирования (далее для этой молодой дисциплины, история которой начинается с 70-х годов прошлого столетия, будет использоваться лаконичная аббревиатура SE, Systems Engineering) является жизненный цикл продукта. На практике это подтверждается простым фактом – сегодня не просто нет ни одной некогда традиционной «CAD-компании», которая не предлагала бы программную поддержку PLM (Product Lifecycle Management, управление жизненным циклом продукта), более того, у всех компаний PLM-составляющая – де-факто основа основ. Определений жизненного цикла продукции (в дальнейшем – PL) существует множество, поэтому выберем самое простое, информативное, с минимумом «потерь точности». PL – это последовательность семи фундаментальных этапов: формирования концепции продукта, оценки его реализуемости, детального проектирования, производства, эксплуатации, модернизаций и утилизации. Естественно, за всеми этими этапами у любой компании стоит цельная организация, кроме основного продукта (технического артефакта, реализация которого на рынке приносит прибыль), создающая и некий куда более важный продукт (нематериальный артефакт). Настолько важный, что он практически никогда здоровым (в финансовом и ментальном смыслах) производителем не выставляется на продажу. Для него нет устоявшегося названия, поэтому можно говорить о нем как о некотором опыте – повторно используемой информации, существенно ускоряющей и снижающей затраты при последующих прохождениях жизненных циклов новых изделий. PLM-системы, в идеале, предназначены в том числе и для накопления такого опыта. Занимательный факт для разрядки: своим появлением PLM-системы обязаны хорошо известному у нас по разгульным 90-м годам характерному транспортному средству характерных личностей того времени – джипу Grand Cherokee; именно при проектировании этого автомобиля были «обкатаны» фундаментальные ИТ, ставшие основой PLM (жаль, что у нас на этих машинах по большей части «обкатывались» очень далекие от всей этой технической прозы технологии). Как механизм поддержки цельной единой структуры производственной компании PLM-системы обеспечивают на всех этапах жизненного цикла изделия интеграцию всех видов информации, сквозное управление процессами, соблюдение правил и практик в рамках некой принятой методологии проектных процессов etc. Методологий существует немало, и, что очевидно, ни одна из них не является лучшей, более того, в ходе развития производитель сам создает их вариации, что имеет собственную ценность. Для иллюстрации – в перечне критериев при выборе PLM-системы (реализаций которых более чем достаточно, что неудивительно при постоянно растущей почти двадцатимиллиардной емкости рынка), сайт plm.technologyevaluation.com предлагает в явном виде вопрос: вам требуется сохранение и возможность разделения знаний и лучших практик, сформированных в проектном процессе? И для желающих «поиграться в PLM» (а может, и использовать преимущества этого технологического процесса) – совершенно не обязательно вполне работоспособной и активно развивающейся PLM-системе стоить «много денег», быть недоступной и требовать экзотических платформ; например, компания Aras предлагает свободно и без ограничений на использование распространяемую Open Source реализацию для ОС семейства Windows и платформы .NET уже девятой версии системы, которую не стесняются применять в своих проектно-производственных процессах такие монстры, как Xerox, Motorola и Rolls-Royce.

Масштабные CAD-системы, такие как CATIA (Dassault Systemes), в сочетании с PLM наиболее широко применяются в крупносерийном производстве (например, в автомобильной промышленности) и в отраслях с повышенным требованием к надежности продукции (авиация, авионика, судостроение)

Теперь вернемся к последовательности семи этапов, образующих жизненный цикл изделия. На каждом из них, кроме поддержки управления всем PL в целом, существует множество инструментальных средств, соответствующих возникающим на каждом этапе задачам. Самый опасный во всех смыслах этап – первый, формирования концепции продукта. Он, пожалуй, и самый сложный с точки зрения выбора инструментального набора. На этом этапе осуществляется переход от осознания или открытия потребности в некотором продукте к его концептуальной модели. Причем признанная классика инженерии советует здесь держаться как можно дальше от какой-либо конкретики реализации. На первый взгляд, это область неформальных вербальных описаний и, соответственно, уже традиционных сопутствующих приемов и методов, например диаграмм связей (mind maps). Но это только на первый взгляд. Как ни странно, но на данном этапе самые совершенно незначительные и «не конструкторские» детали могут обернуться для производителя отложенными на неопределенный срок непредвиденными расходами. И почему-то яркие ошибки на этом этапе часто используют в «непроектных областях». Например, об истории с переименованием автомобиля Honda Fit при начале поставок на европейский рынок любят говорить маркетологи. О смешной и не совсем приличной ее причине любопытный читатель может узнать сам, она ничуть не секретна. А вот для производителя неучтенная на начальном этапе проектирования (разве название изделия и потенциальные рынки его сбыта не являются частью концептуальной модели?) скандинавская ненормативная лексика обернулась потребностью штамповать шильдики с новым названием Jazz, тратить деньги и время на изменение сопутствующей документации etc. При высокой серийности машины все эти видимые только на поверхности затраты язык не поворачивается назвать низкими. Этот курьезный пример на самом деле демонстрирует всего один не внезапно важный инструмент самого раннего, по сути вербального (потому и «не внезапно»), первого этапа проектного процесса – словарь. Но здесь есть куда более серьезный и ответственный инструментарий, правда, требующий от использующего его персонала высокого уровня даже не инженерной, а научной подготовки. Формирование концепции будущего изделия – это игра. В ней есть противоборствующие стороны (вовсе не обязательно конкуренты, но и поставщики компонентов, сеть сбыта, потенциальные заказчики и покупатели и т. д.). У них есть стратегии поведения. И для производителя, участника этой игры, есть некоторая оптимальная стратегия. Что означает – это смежные области теории игр и принятия решений. Инструментальной поддержки в этих областях более чем достаточно, потому даже конкретных примеров приводить нет нужды. А вот о сверхвысокоуровневом, концептуальном моделировании стоит сказать несколько слов. Вербальное описание – это, конечно, очень хорошо. Но концептуальная модель, имеющая исполняемый характер и допускающая формирование и исследование ключевых особенностей проектируемого изделия в режиме «что будет, если», все-таки лучше. К несчастью, не существует способов «моделирования всего». К счастью же, отработаны, созданы и доказали свою эффективность самые разнообразные системы моделирования, пригодные (в зависимости от характера разрабатываемой системы) к применению на первом этапе проектирования. Здесь выбор удивительно широк – и GAMS, позволяющая решать линейные, нелинейные, целочисленные и смешанные задачи оптимизации (а это огромный спектр приложений, GAMS используется для высокоуровневого моделирования в самых разных областях), и не менее известный построитель и анализатор динамических систем Vensim и заслуженно популярный во всем мире и вузах бывшего СССР симулятор языка блок-схем VisSim и пакеты компании isee systems и мультидисциплинарные системы моделирования компонентного уровня, такие как Dymola (производства Dassault Systemes, использует язык моделирования систем Modelica), и MapleSim (по сути, являющийся комбинацией уникального транслятора визуального описания модели в решаемую аналитическим методом систему уравнений и аналитического же решателя), и легендарный в инженерной среде Simulink список можно продолжать долго, кроме того, в областях с повышенными рисками (авиация и авионика, судостроение и автомобильная промышленность, добыча углеводородов etc) существуют специализированные системы, ориентированные на решение задач концептуального моделирования. Иными словами, самый первый и опасный этап инженерного проектирования требует самого серьезного к себе отношения и привлечения самых квалифицированных специалистов. В былые времена, когда еще 3D-проектирование казалось чуть ли не большим чудом в CAD/CAM/CAE и при нем ожидалось счастье человечества (и вот 3D-проектирование уже есть, и доступно, а счастья все нет), этому этапу уделялось очень мало внимания. Обычно ограничивались его упоминанием. После далеко не полного описания (за пределами которого остались очевидно необходимые для выявления и открытия новых потребностей в новых технических артефактах средства анализа рынков и потребительских аудиторий, сбора и каталогизации информации и легальной технической разведки, системы правовой и патентной поддержки и т. п.) причины этого странного факта становятся понятными. Рабочие станции с инсталлированными конструкторскими 3D-программами – отнюдь не самое главное, их можно просто купить, это всего лишь вопрос денег. А вот действительно успешный начальный этап проектирования можно только создать – годами труда, чудовищно дорогим методом проб и ошибок, несмотря на наличие различных методологий, доступность рекомендаций и лучших практик (к слову, сравнительно недавний, майский, опрос пользователей PLM-систем, проведенный Cimdata, показал, что реально они не считают PLM панацеей, особенно в период рецессии). Потому и информация о нем обычно за семью печатями (во времена СССР в оборонном комплексе первым этапом проектирования обычно занимались целые отдельные и очень секретные НИИ).

Пакет VisSim позволяет создавать и изучать концептуальные модели самой разной природы

Второй этап PL – оценка реализуемости концептуального проекта – не менее интересен. И на нем выигрывает тот производитель, который использует невербальные концептуальные модели (речь идет не о тактической победе, а о стратегии). Суть этого этапа – нахождение главного ответа на главный вопрос инженерии: можно ли создать нечто из доступных средств за установленный период времени с использованием ограниченных ресурсов? Здесь костяк концептуальной модели «обрастает мясом» – отыскиваются множества конкурирующих доступных реализаций потенциально необходимых узлов и агрегатов, строятся и оптимизируются возможные модели производственных процессов и логистики (потому и допускающая меньше неточностей невербальная модель предпочтительнее). И это один из самых загадочных в постсоветском пространстве этапов по нескольким очевидным причинам. Во-первых, будем смотреть правде в глаза – в этом пространстве крупносерийной высокотехнологичной индустрии и сопутствующего ей производства компонентной базы фактически не существует. Во-вторых, очень странное неприятие системы международных стандартов (ISO) и истовое исповедание ГОСТ вносят множество нюансов при попытках интеграции то ли нашего производства в их производственные системы, то ли их программного обеспечения в наше производство, то ли и то и другое, и какое-то вовсе неожиданное еще одно. В-третьих, это область, где главное слово принадлежит экономистам, и различие в финансовых системах только усиливает неразбериху. Все это как бы совсем нехорошо. Потому что на этом этапе оценивается не просто возможность реализации будущего продукта, но и все риски, с которыми связан проектный процесс. Иными словами, на втором этапе PL на концептуальном уровне проектируется и исследуется собственно проектный процесс с учетом реальных возможностей производителя. И серьезная ошибка здесь может обернуться не затоваренностью складов неходовым продуктом, а или невозможностью удовлетворить спрос (что развязывает руки конкурентам), или, в самом неприятном случае, «сгоранием» средств инвесторов в допустившего ошибку (за примером далеко ходить нет нужды – потери капиталовложений в проект системы спутниковой связи Iridium World Communications 50–70 млрд долл.). До информации об очень специфических программных системах и поддерживающих второй этап жизненного цикла подсистемах развитых PLM-пакетов можно добраться поиском по ключевым словам feasibility assessment (на этот запрос Google выдает 1,4 млн страниц, это дело серьезное).

Без мощных CAD-систем некогда сугубо военные и очень дорогие технологии сверхвысоких частот не стали бы неотъемлемой частью обыденности

Третий этап, детального проектирования, пожалуй, самый «объезженный» в нашем информационном пространстве. Это область CAD/CAE/CAM. В данном случае уже точно известно, что делать, а при достаточной квалификации конструкторов – и как делать. Выбор программной поддержки здесь такой, что соответствует практически любым запросам, областям деятельности и финансовым возможностям. Прошедшие годы несущественно изменили ландшафт в этой области, признанные лидеры в сегменте масштабных систем остались лидерами, несмотря на кризис (который на самом деле больно ударил по всей CAD-индустрии), новых ярких игроков, какие появлялись в период «геометрических войн», не наблюдается. Техника 3D-моделирования, исходя из мнений экспертов и динамики развития ПО, достигла стадии насыщения – давно отработаны и реализованы и конструктивная твердотельная геометрия (CSG, позволяющая оперировать трехмерными моделями тел как математическими объектами – объединять несколько тел в одно, образовывать новые тела областями пересечения нескольких etc), и параметрическое моделирование с историей построения (при котором модель тела становится одновременно и «исполняемой программой», и классом, позволяющим при исполнении «генерировать» множество объектов методом изменения выбранных параметров, причем параметризация доступна чуть ли не для каждого действия конструктора), и проектирование с применением моделей конструктивных элементов (feature-based modeling, когда модель изделия собирается из разных параметризованных «отверстий», «фланцев», «наплывов» etc), и свободное моделирование (direct modeling, обеспечивающее, используя грубую аналогию, «лепку» 3D-модели как бы из идеального пластилина, без истории цепочки создания). Больше того, в современных CAD-системах постепенно реализуются все эти методы одновременно, так, например, в новой (шестой) версии CAD Wildfire одного из лидеров рынка больших проектных систем, PTC, ожидается появление поддержки свободного моделирования, а система NX корпорации Siemens в части CAD объединяет все перечисленные технологии моделирования. Кроме такой низкоуровневой интеграции, наблюдается массовый процесс объединения CAD/CAE- программ в единые комплексы, средства моделирования становятся обыденными инструментами конструкторов. По-настоящему же интересные события в мире CAD/CAE сейчас происходят за пределами «геометрической области» и интеграции пакетов. А именно, в облачных вычислениях. Одновременно два гиганта мира CAD резко активизировали реализацию своих облачных решений. Autodesk в рамках проекта Centaur работает над бета-версией облачного сервиса оптимизации конструкций для пользователей системы Inventor (популярная система 3D-проектирования, объединяющая конструирование, моделирование и натуралистическую визуализацию). Суть проекта Centaur – ресурсоемкие вычисления, требуемые для моделирования (например, прочностных расчетов), выполняются за счет удаленных вычислительных ресурсов (в настоящее время – с применением облачных сервисов Amazon), что освобождает пользователей системы Inventor от необходимости развертывать собственные вычислительные фермы. Если такой подход Autodesk к «облачному проектированию» можно назвать гибридным (сочетание локальных рабочих станций и высокопроизводительных облачных вычислений для решения задач моделирования), то стратегия Dassault Systemes (поставщика PLM-систем и знаменитых CAD CATIA и SolidWorks) – это уже настоящая революция. Dassault Systemes через принадлежащую ей корпорацию Spatial открыла доступ сторонним разработчикам к своей ключевой технологии, ядру геометрического моделирования CGM (основа основ одной из лучших CAD-систем CATIA). Это уже само по себе событие (к слову, подтверждающее, что «геометрические войны» закончились, и технология геометрического моделирования достигла насыщения). Но оно понятно только тем, кто интересуется миром CAD. И все же это только цветочки. «Ягодкой» новой стратегии становится нечто недавно еще немыслимое: облачное 3D-проектирование. Spatial, разработчик популярного ядра геометрического моделирования ACIS, создала платформу RADF, сейчас находящуюся в стадии бета-тестирования. Основная идея RADF – удаленный доступ конструкторов к вычислительным ресурсам, необходимым для эффективного исполнения ресурсоемких ACIS/CGM и приложений на их основе. На деле это означает, что конструктор посещает сайт сервиса, устанавливает на своей машине маленький (менее 5 MB инсталлятор) ActiveX-плагин к браузеру и... может начинать полноценно работать. Ничего подобного до сих пор не было. Демонстрация этой технологии (web3d.spatial.com) уже впечатляет, и если у Dassault Systemes все получится – мир автоматизированного проектирования и взаимосвязанные с ним миры (например, рабочих станций) ждут очень серьезные перемены.

На каждом из последующих за детальным проектированием этапов используются свои специализированные программные системы и, естественно, соответствующие подсистемы глобальной PLM-программы. При этом иногда полученная в ходе этих этапов информация как бы замыкает цепь «обратной связи» и вызывает потребность в сквозных изменениях в проекте. Для особо сложных работ такие цепи обратной связи иногда используются даже для «настройки» (калибровки) программных комплексов, отвечающих, например, за решение сложных задач моделирования (прочностные расчеты etc) – для изготовленных реальных изделий повторяется натурный эксперимент, для которого есть результаты моделирования, и по итогам испытаний вносятся коррективы в настройки моделирующих программ (для этой цели серьезные системы моделирования предусматривают возможность подключения датчиков и целых измерительных комплексов).

Итак, краткий экскурс в мир автоматизированного проектирования можно считать завершенным. Мы постарались воздерживаться от ненужной детализации, не перечислять бесчисленные имена компаний и сконцентрироваться на тех этапах жизненного цикла окружающих нас технических артефактов, которые в силу специфики ближе и понятнее ИТ-специалистам. Для завершающего аккорда следует разве что привести один очень яркий пример образцово спроектированного технического артефакта. Сугубо для демонстрации того, зачем все перечисленное (и невидимая из-за неперечисленного настоящая бездна) действительно нужно. Система противовоздушной обороны SAGE состояла из 35 управляющих центров, непрерывно круглосуточно проработавших более 25 лет со средним простоем для обслуживаний менее 20 ч в год. При этом электроника SAGE была реализована больше чем 80 тыс. (!) электронных ламп (!). Это можно назвать эталоном хорошего проектирования. Если бы так же хорошо были спроектированы наши системы централизованного водоснабжения, дороги, дома и еще множество окружающих нас технических артефактов, мы бы жили в хоть немного, но все же лучшем мире.