Текст книги "Инновации от идеи до рынка"

4.6 Фрагменты реализации сложных ОКР

4.6.1 Системный подход в программировании

Ряд создателей инновационных ОКР в той или иной степени сталкивается с задачами разработки программного обеспечения для системы (встроенного или внешнего). В части времени, усилий и расходов, связанных с разработкой, программное обеспечение (ПО) является более сложным, чем большинство других системных компонентов. Сложность ПО возникает из-за большого количества возможных путей решения, находимых даже в небольших программах. Далее приведена краткая выборка из [13].

Как правило, кроме самых простых случаев, исчерпывающее тестирование программного обеспечения невозможно из-за большого количества путей решения. Кроме того, при комбинированных значениях входных переменных, выбранных из широкого комбинаторного диапазона, могут выявляться дефекты, которые другие комбинации переменных не обнаружат. Программные тестовые примеры и сценарии выбираются, чтобы образцы тестирования являлись репрезентативными для практического использования ПО. В целях достижения значимых результатов требуется установить критерии для определения того, какие компоненты (или подкомпоненты) должны быть пересмотрены. Несмотря на то, что существуют аналогичные проблемы с детальным тестированием и анализом физических продуктов, сложность ПО делает его тестирование, проведение обзоров и получение гарантий более трудоемким и затратным.

Программные продукты пока демонстрируют значительно более низкое качество, чем другие промышленные разработки, и проекты, связанные с ПО, терпят неудачу значительно чаще, чем другие проекты. Это ясно указывает на то, что производство программного обеспечения еще не перешло от стадии ремесленного производства к промышленному.

Имеется ряд важных рекомендаций, полезность соблюдения которых при разработке ПО подтверждена:

1. Каждый программный продукт уникален. Целью разработки ПО является создание одной как можно более совершенной копии, с учетом ограничений по графику, бюджету, ресурсам и технологии. Большая часть разработки ПО предполагает модификации, т.е. изменение существующего ПО. Полученный продукт уникально отличается от всех других программных продуктов.

2. ПО часто применяют, как интерфейсы, которые соединяют другие системные компоненты, поскольку интерфейсы между компонентами, к среде и другим системам выполнены цифровыми датчиками и контроллерами, которые работают через программное обеспечение.

3. Во многих случаях требования, предъявляемые к ПО, должны быть пересмотрены и переопределены в ходе разработки. Иногда пересмотренные требования ведут к общесистемным последствиям, которые необходимо учитывать. Требования к программному обеспечению подвержены частым изменениям. Однако изменения в требованиях к ПО могут привести к нежелательным побочным эффектам. Необходимо тщательное управление конфигурацией ПО.

4. Небольшие изменения в программном обеспечении могут иметь заметные негативные последствия. Применение таких методов контроля, как прослеживаемость требований, анализ воздействия, объектно-ориентированная разработка ПО и регрессионное тестирование, уменьшают нежелательные побочные эффекты изменений программного кода. Эти подходы ограничивают, но не устраняют проблемы.

5. Исчерпывающие испытания ПО невозможны из-за большого объема тестовых работ. Ошибки в ПО, как правило, группируются внутри программных структур; поэтому какой-либо конкретный поиск или случайный подход к тестированию не рекомендуется. Тестирование, включая верификацию и валидацию, должно выполняться на ранней стадии разработки ПО и постоянно на протяжении всего жизненного цикла. При этом может выявиться наличие дефектов, но нет гарантии, что ошибок не будет, за исключением конкретных условий данного теста.

6. Для разработчиков ПО прототипирование в основном используется в качестве механизма для получения пользовательских требований путем итеративного развития макетов пользовательских интерфейсов, и в качестве экспериментальной реализации некоторого элемента системы для изучения и оценки альтернативных алгоритмов.

7. Кибербезопасности сегодня уделяется растущее внимание в системах, где используется ПО. Группы системного проектирования включают специалистов по безопасности на уровне ПО в попытке справиться с кибератаками на системы, содержащие ПО.

8. Развитие ПО требует свободных ресурсов. Поскольку системы адаптируются к изменяющимся обстоятельствам, изменения могут быть легко выполнены и обновлены в ПО, часто требуя дополнительных циклов выполнения от компьютера и объема памяти.

9. Оценки ПО часто неточны по ряду причин. Среди них нереалистичные предположения, неопределенные и изменяющиеся требования, и неспособность обновлять оценки по мере изменения условий. Существенным фактором успеха является сплоченность команды разработчиков ПО. Работа с командой, которая ранее выполняла совместные задачи и имеет коллективные характеристики производительности, также может повысить точность оценки ПО.

10. Большинство программных проектов ведется итеративно, каждая итерация цикла разработки ПО добавляет функции и возможности для создания следующей рабочей версии частично завершенного продукта. Кроме того, каждый цикл итераций для разработки ПО может происходить ежедневно или еженедельно, в то время как (в зависимости от масштаба и сложности системы) разработка компонентов физической системы обычно включает более длительные итерационные циклы.

11. Верификация и валидация ПО предпочтительно должны выполняться постепенно и итеративно. Текущая проверка гарантирует, что частичный программный продукт удовлетворяет техническим требованиям для этой версии.

12. Компромиссы производительности для ПО также отличаются от физических систем. В ПО производительность (время отклика и пропускная способность) обычно повышается за счет уменьшения других атрибутов, таких как безопасность или простота модификации, и наоборот.

13. Управление рисками для проектов ПО отличается от работ, в которых создают физические артефакты. ПО и аппаратные средства имеют некоторые аналогичные факторы риска: неопределенность в требованиях, ограничениях на расписание, поддержку инфраструктуры и доступность ресурсов.

14. Метрики ПО включают меры продукта и меры процесса. Показатели, используемые для измерения и отчета о прогрессе программных проектов, включают меры продукта (ISO/IEC/IEEE 24765). Меры продукта включают объем разработанного ПО (прогресс), обнаруженные дефекты (качество), предполагаемую доработку (исправление дефектов) и используемые бюджетные ресурсы (потребляемый технический бюджет, память и цикл выполнения, и т. д.).

Процессные метрики включают объем затраченных усилий, производительность (ПО, произведенное на единицу затраченного усилия), скорость производства ПО за единицу времени, достигнутые и пропущенные вехи (график выполнения проекта) и бюджетные ресурсы.

Для контроля подрядчиков, связанных с ПО, при планировании полезно учитывать следующие соображения:

• Риски, связанные с программным обеспечением.

• Техническую производительность ПО, процесс, прогресс и показатели качества.

• Безопасность ПО, защиту и аналогичные требования, включая процессы, архитектуру и системы взаимодействия.

• Управление конфигурацией, верификацию и валидацию объектов интеграции ПО, используемых в качестве инструментов для его разработки.

• Модульный подход к открытым системам, связанные права на данные и соображения поддержки.

• Отчеты о проблемах с ПО и их оценку, разработку кода, генерацию сборки и регрессионное тестирование.

• Должна быть выполнена независимая верификация и валидация ПО, особенно в отношении программного обеспечения подрядчика, на которое зарегистрированы права интеллектуальной собственности.

Необходим текущий прозрачный контроль прогресса работ по созданию ПО. В одной из организаций команда программистов долго оформляла требования на разработку. В результате оказалось, что часть сотрудников в это время выполняла «левую» работу для постороннего клиента.

Список некоторых основных проблем создания ПО включает следующие положения:

A. Поиск и устранение программной проблемы после поставки часто в 100 раз дороже, чем ее поиск и устранение на этапе требований и проектирования.

B. Текущие программные проекты тратят от 40 до 50% усилий на доработку, которую можно было бы избежать.

C. Около 80% дефектов возникает из-за 20% модулей, и около половины модулей не имеют дефектов.

D. При прочих равных условиях разработка программных продуктов с высокой надежностью обходится на 50% дороже в расчете на исходную инструкцию, чем разработка с низкой надежностью. Однако вложения оправданы, если связаны со значительными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Качество программных продуктов с точки зрения пользователя может быть выражено как выполнение нескольких свойств: доступность, надежность, эффективность, возможность установки, удобство использования, безопасность, тестируемость, ремонтопригодность, локализуемость, переносимость. Из этих свойств надежность обычно является наиболее важным и часто используется как синоним качества.

4.6.2 Сокращение сроков выпуска продукции на рынок

На примере производства коммерческих авиационных продуктов рассмотрены возможности сокращения сроков и затрат выпуска новых продуктов на рынок. Важно развивать практики отечественной разработки инновационных продуктов, путем внесения изменений в устаревшие правила реализации ОКР в РФ. У западных конкурентов новинки разрабатывают подразделения фирмы-поставщика. ОКР финансируют, как правило, из прибыли, формируемой от продаж предыдущих разработок. Сертифицируемые изделия на 80% должны быть изготовлены с использованием серийной оснастки, для успешной валидации и ускоренного выхода на рынок. Лично наблюдал, как после получения General Electric (США) от регулятора FAA сертификата типа на новый авиадвигатель CF34—10, на следующий день (!) первые два коммерческих двигателя были переданы в авиакомпанию для начала эксплуатации. У нас такие темпы выхода новой продукции на рынок пока не получаются.

В РФ ОКР, например в авиации, завершается получением сертификата типа, причем затраты относят к доходам организации. Это исторически сохранилось с тех времен, когда разработчики сложной продукции были самостоятельными субъектами рынка, и отделены от производителей. Сертифицируемые изделия изготавливают с минимальным использованием технологической оснастки. Среди причин для объяснения ссылаются на сжатые сроки, и возможное внесение изменений в детали по ходу сертификации (чтобы не переделывать дорогостоящую оснастку). Экономия разработчиков на сроках получения сертификата выливается для предприятия-поставщика в затягивание срока выхода на рынок. Потому что далее, чтобы продукт попал к заказчику (например, в авиакомпанию), нужно будет провести полномасштабную технологическую подготовку производства и наладить серийный выпуск, на что в нашей коммерческой авиации после получения сертификата типа уходит полтора-два года. Эти затраты в рамках ОКР в явном виде часто не планируют, бюджет программы провисает. Далее изделие начинают дорабатывать с выпуском очередных дополнений к сертификату, что является признанием того, что результат ОКР достигнут не был. Накапливающиеся лишние работы и затраты приводят к сползанию срока окупаемости нового продукта за горизонт.

Этот процесс необходимо менять ментально (на уровне организации можно все сделать согласно системному подходу) и формально в основополагающих отраслевых документах. Целью инновационных программ ОКР является не сертификат, а выход на рынок. Для сокращения сроков и бюджетов программ следует:

• Ликвидировать доводку во время финальной валидации системы (или проведения Госиспытаний) за счет системного подхода, управления требованиями и пошаговой верификации компонентов и подсистем, с опережающим выявлением проблем. Та же компания Airbus во время летных сертификационных испытаний уже производит самолеты для поставочной партии, будучи уверенной, что незначительные огрехи, замеченные в ходе сертификации, будут исправлены быстро и дешево.

• Внедрить правило, действующее в западных компаниях, что при изготовлении образцов ОКР, представляемых на сертификацию, 80% материальной части делают на серийной оснастке. Так достигается идентичность сертифицируемых изделий статусу конфигурации «как изготовлено», исключаются возможные отклонения произведенных штучных образцов одного от другого, сокращается программа испытаний, когда не нужно учитывать различия между испытуемыми изделиями.

• В таком варианте подготовка к серийному выпуску, в основном, завершается вместе с окончанием ОКР, начало выпуска серийной продукции для сложных высокотехнологичных систем будет ускорено на 1…2 года.

• Полезно устранить «неоплачиваемый» разрыв между завершением разработки ОКР и началом серийного производства с точки зрения экономии затрат на удержание «лишних людей» команды проекта для выполнения доработок, минимизации дублирующих работ. Это можно сделать за счет запланированного заранее финансирования этапа технологической подготовки производства внутри ОКР.

• Следует формировать практику (аналогично иностранным конкурентам) выдерживания стабильных сроков сертификации высокотехнологичного продукта, например, для авиационных изделий в рамках двух-трех лет. Это обеспечивают высокой степенью готовности инноваций, опережающим финансированием в ходе программы для исключения зазоров между стадиями ЖЦ, и планируемым наличием достаточного количества практически идентичных экземпляров продукции в ходе сертификационного периода. Программы сертификации должны быть максимально стандартизованы. Для сведения, самолет Ту-204-120СЕ сертифицировали в Европе 7 лет, Бе-200ЧС-Е 5 лет. На самолет МС-21 получен сертификат типа через 4 года, в конфигурации, которую поставлять авиакомпаниям не будут, с иностранными двигателями. Импортозамещенная конфигурация МС-21 с отечественными ПКИ начнет сертификационные полеты в 2024 г.

В итоге, получение продуктом сертификата типа должно означать рубеж готовности начала поставок инновации на рынок. Другие толкования ОКР не имеют коммерческого смысла, вносят в процесс лишние затраты и должны быть исключены из требований качества.

4.6.3 Создание самолета Boeing 787 Dreamliner

В конструкцию нового самолета были внедрены уникальные особенности:

1. Окна на 65% больше по площади, чем на предыдущих моделях самолетов Boeing, с электрическими регуляторами яркости вместо опускающихся штор (использован новый более прочный углеродный композит).

2. Светодиодная подсветка салона.

3. Снижение уровня шума внутри и снаружи (гондолы двигателей с шумопоглощающими зубчатыми кромками).

4. Внутреннее давление в кабине увеличилось в полете до эквивалента высоты 1800 м вместо 2400 м на обычных самолетах. Повышенное содержание кислорода при более высоком давлении позволило пассажирам чувствовать себя более комфортно и меньше уставать.

5. Повышена влажность в салоне за счет использования в конструкции композитов, не подверженных коррозии. Усовершенствованная система кондиционирования воздуха в кабине обеспечивает лучшее качество воздуха.

6. Увеличены верхние багажные полки для хранения ручной клади.

7. Расход топлива на 20% меньше, чем у предыдущих моделей реактивных лайнеров, за счет более широкого использования легких композитных материалов, углепластика, армированного углеродным волокном (вместо алюминия) для корпуса, композитных крыльев и их законцовок, а также более экономичных двигателей от GE и Rolls-Royce.

8. Применен подход «более электрического самолета», когда ряд агрегатов на борту, включая систему кондиционирования, приводится в действие посредством электроприводов, основным источником хранения энергии на борту являются литий-ионные аккумуляторные батареи.

9. Интенсивное использование компьютеров при проектировании продукции и эксплуатации самолета (около 14 миллионов строк кода ПО, что в шесть-семь раз превышает количество строк кода, использовавшегося в самолете Boeing 777).

10. Глобальные субподрядчики комплектуют и собирают модули на своих площадках, а затем доставляют готовые узлы на конвейеры в Boeing для окончательной сборки. Такой подход привел к созданию более компактной и простой сборочной линии, а также к сокращению складских запасов с предустановленными системами, что снизило время окончательной сборки примерно на 3 дня.

Этот проект был завершен поставкой первого серийного самолета Boeing787 японской авиакомпании в 2011 г. с опозданием на три года от плана. Причины задержек поставки продукции от ведущего авиагиганта включали следующие факты:

a) ранние версии конструкции имели избыточную массу, потребовалось больше времени для перепроектирования с использованием других материалов;

b) около 70% всех деталей были переданы поставщикам по всему миру, ряд поставщиков испытывал трудности с производством необходимых деталей на раннем этапе, например, с нехваткой крепежа;

c) забастовки у поставщиков;

d) возгорание бортовой электросети во время пробного запуска авиадвигателей и работы по устранению дефекта;

e) проблемы с внедрением нового материала (углеродного волокна) для внешних структурных компонентов самолета (фюзеляжа, крыла, носового и хвостового обтекателей, и хвостового оперения). В результате ощутимого выигрыша по весу этих компонентов достигнуть не удалось, сравнительно с металлическими конструкциями.

Технология изготовления деталей из углепластика, армированного углеродным волокном, ранее уже использовалась для конструкций самолетов. Однако проектирование деталей больших размеров, таких как крылья и секции фюзеляжа, потребовало дорогостоящего проектирования и изготовления производственного оборудования, а также проведения испытаний для обеспечения требуемого уровня прочности, долговечности и безопасности. Фактические летные испытания всего самолета включали более 1000 полетов шести самолетов за 20 месяцев.

По оценкам, самолет такого класса собирают примерно из миллиона деталей. Чтобы упростить производство и снизить затраты, Boeing передал около 70% производства десяткам крупных поставщиков по всему миру (Япония, Корея, Великобритания, Италия, Франция, Германия, Швеция, Австралия и Канада, площадки в 15 штатах США). Для проектирования и испытаний различных систем самолета использовалось множество динамических моделей узлов и систем. Общение с подрядчиками стало постоянной проблемой, поскольку многие из первоначальных деталей, произведенных ими, не подходили или были низкого качества. Boeing пришлось потратить значительные средства и командировать представителей на разные предприятия, чтобы решить проблемы с поставщиками и улучшить их производственные возможности. Был модифицирован большой грузовой самолет для транспортировки крупных деталей (фюзеляжа, крыльев, хвостовой части) с производственных мощностей поставщиков на сборочный завод в США.

4.6.4 Гибкая сборочная линия для ноутбуков

Ноутбук является сложным продуктом с рядом систем и компонентов. При этом их выпуском занимается большое количество производителей в разных конфигурациях или моделях. Крупные поставщики в таких странах, как Китай и Республика Корея, разработали сборочные предприятия, способные производить широкий ассортимент портативных компьютеров.

Линии сборки портативных компьютеров спроектированы с использованием ряда компьютерных интегрированных технологий производства. Линия сборки является «гибкой», то есть на ней можно производить широкий спектр моделей портативных компьютеров для разных марок и моделей с разными семействами комплектующих. Некоторые из переменных, по которым различают модели, перечислены ниже.

1. Тип экрана (разрешение, технология и размер 13″, 15″ и 17″ по диагонали, а также с разным соотношением сторон, длины к ширине).

2. Процессор (микросхемы разных производителей с разной конфигурацией и мощностью).

3. Емкость постоянной памяти.

4. Конструкция и емкость жесткого диска для хранения данных.

5. Тип дисковода DVD, возможности чтения и записи.

6. Тип и емкость аккумуляторной батареи.

7. Тип внешнего корпуса (стиль, форма, материал, отделка поверхности и цвет).

8. Тип и характеристики видеокарты.

9. Характеристики системы ручного ввода (клавиатура, сенсорная панель, трекбол, мышь и микрофон).

10. Характеристики видеокамеры.

11. Звуковая карта и характеристики системы.

12. Количество и типы портов для подключения к устройствам с универсальной последовательной шиной, проекторам, экранам, камерам, сотовым телефонам.

В состав блок-схемы гипотетического завода по сборке ноутбуков входят:

• сборочные рабочие места;

• компоненты и предварительно собранные подсистемы, доставляемые автоматизированным управляемым транспортным средством из автоматизированной складско-поисковой системы на рабочие места;

• подвижные конвейеры, по которым доставляемые объекты перемещаются на рабочие места;

• набор рабочих станций, где выполняются сборочные работы (включающие загрузку и выгрузку объектов, вставку деталей, пайку), реализуемые роботами или людьми-операторами;

• автоматизированное производственное оборудование, управляемое центральной компьютерной системой, которая планирует собираемые количество и модели различных вариантов ноутбука.

На линии для сборки ряда семейств портативных компьютеров с различными комбинациями вышеперечисленных характеристик используют гибкое производственное оборудование:

a) идентификационную бирку продукта и систему распознавания идентификационного кода (штрих-коды, радиочастотная идентификация по меткам RFID);

b) станки с числовым программным управлением;

c) роботов;

d) системы транспортировки материалов (конвейеры);

e) автоматизированные системы хранения и извлечения материалов;

f) центральную компьютерную систему, которая координирует работу всего производственного оборудования в соответствии с генеральным графиком производства различных моделей и марок ноутбуков, с множеством операторов, работающих на разных рабочих местах, и обслуживающих различные автоматические и полуавтоматические машины.

Сборка начинается с подбора печатной платы на первом рабочем месте (станции) конвейера. На печатную плату наклеивается этикетка со штрих-кодом, содержащая информацию о модели ноутбука. Штрих-код сканируется на входе каждой рабочей станции конвейера, и требуемые типы объектов для соответствующей модели доставляются и собираются на нужной станции. Последние несколько рабочих мест включают загрузку программного обеспечения, тестирование и проверку работы различных систем, а также всего компьютера. Завершается процесс упаковкой каждого компьютера в коробку с компакт-дисками, содержащими руководство пользователя, резервные копии операционной системы и программных приложений. Коробки с компьютерами отправляются в склад готовой продукции для последующей укладки на поддоны по пунктам назначения и отправки дистрибьюторам или клиентам.

Основные особенности адаптации сборочной линии под конкретные модели изделий здесь следующие:

1. Линии сборки сложных продуктов, типа ноутбука, обычно разрабатываются универсальными, чтобы можно было производить множество конструктивных вариантов моделей, семейств продуктов для удовлетворения потребностей различных клиентов.

2. Использование общих платформ и переносимых унифицированных компонентов и систем в сложных продуктах позволяет сократить количество задач, время, затраты и риски при разработке новых изделий.

3. При разработке платформ или шасси с общими основными системами, и модульных узлов, можно предлагать клиентам различные варианты продукции (например, процессоры в компьютерах, двигатели в автомобилях и самолетах).

4. Чтобы в краткие сроки выводить на рынок новые модели продуктов, используют компьютерные технологии автоматизированного проектирования и производства, программируемые станки с числовым программным управлением, конвейеры, робототехнику, автоматизированные складские системы, групповые технологии и гибкое производство.

5. Гибкие производственные технологии позволяют вносить изменения в продукты, при этом сохраняют преимущества экономии за счет масштаба (большой общий объем выпуска продукта за счет платформенного подхода и учета вариаций в производственных и сборочных операциях).