Тема6. Системный подход к реализации крупных инженерных проектов

Работа над проектом системного инженера сводится к

двум большим этапам:

1) системное рассмотрение проблемы,

2) системное проектирование. Эти этапы в свою очередь делятся на более мелкие, по­следовательность которых такова:

1. Системное рассмотрение проблемы.

1.1. Предварительная формулировка проблемы.

1.2. Организация группы изучения проблемы.

1.3.Системное исследование проблемы.

1.4. Определение проектируемого объекта.

1.5. Определение способа измерения эффективности ра­боты проектируемого объекта и ограничений его общих характеристик.

2. Системное проектирование.

2.1. Построение модели проектируемого объекта.

2.2. Нахождение наилучшей структуры и оптимизация внугренних характеристик проектируемого объекта.

2.3. Проверка на управляемость и надежность работы.

2.4. Выработка технических требований к компонентам проектируемого объекта.

2.5. Оформление документации.

2.6. Определение порядка системно-инженерного ауди­рования на этапах составления детального проекта, строительства и эксплуатации объекта.

Рассмотрим теперь подробнее сущность перечисленных работ.

Системное рассмотрение проблемы начинается с этапа 1.1.

1. Системное рассмотрение проблемы

1.1. Предварительная формулировка проблемы. Для решения этой задачи надо рассмотреть, как возникла эта проблема. Иными словами, в результате чего возникла некая цель, в до­стижении которой наметились препятствия. Именно эти пре­пятствия и необходимо преодолеть в результате реализации некоего проекта.

Несмотря на кажущуюся простоту, решение данной задачи не всегда тривиально. Зачастую, в традиционной постановке вопроса, проект предшествовал четко заявленной реальной цели. Например, в структурах, подверженных бюрократиза­ции. Действительно, зачастую истинные цели иного проекта можно сформулировать так: «Построить завод, чтобы госпо­дину (товарищу) N было, где занять должность директора».

Разумеется, с ростом «цены ошибки» такие решения ста­новятся неприемлемыми. Поэтому необходимо формулиро­вать сначала истинную цель, а потом определять, так ли уж она недостижима в данных условиях в отсутствие данного проекта.

Например, машиностроительная фирма (объединение) испытывает затруднения в результате неритмичной работы поставщиков-металлургов. Это проблема. Но решать ее можно с помощью:

а) строительства собственного металлургического завода (реализации некоего проекта № 1);

б) поиска новых поставщиков;

в) нахождения способов влияния на нынешних поставщи­ков, которые будут способствовать более удовлетвори­тельному их взаимодействию с данной машиностроитель­ной фирмой;

г) разработки и внедрения менее металлоемких технологий, для чего, возможно, потребуется создание новой опытно- производственной базы (проект № 2);

д) строительства новых складов с целью иметь запасы ме­талла, демпфирующие неритмичность его поставок (про­ект № 3).

Таким образом, в данном случае проблема должна быть сформулирована не в виде: «как построить металлургический завод», а в виде: «как обеспечить ритмичность поставки метал­ла». Именно подобные факты стали основанием формулиров­ки одного из группы известных «афоризмов фирмы Локхид», гласящего: «Если вы можете обойтись без реализации данного проекта — откажитесь от него сразу».

Разумеется, не всегда проблема сразу может быть сформу­лирована простым образом. Тем более, не сразу можно дать ответ о предпочтительных вариантах ее решения.

На первом этапе она только намечается, а для ее деталь­ной формулировки и проработки необходимы усилия многих специалистов. Они и собираются на следующем этапе иссле­дований, когда контуры проблемы намечены в самых общих чертах. Кстати, заметим, что правильная формулировка про­блемы — половина успеха. Так что не следует удивляться, что даже для формулировки проблемы необходимы многих специалистов.

1.2. Организация группы изучения проблемы следование любой проблемы осуществляется с участием специалистов, которые, так или иначе, ори предметной области. Если это производственно-технические проблемы, то здесь не обойтись без инженеров соответствующего профиля. Однако независимо от специфики стоящих за­дач в любую исследовательскую системно-инженерную группу должны помимо собственно инженеров входить: а) предста­вители заказчика, б) специалисты по математическому моде­лированию и программисты, в) экономисты, г) специалисты по системному анализу проблем, которых иногда называют системными аналитиками, иногда инженерами-системологами или инженерами-системотехниками.

Все определения специализации участников последней из перечисленных подгрупп можно считать синонимами. Од­нако традиционно сложилось и, наверное, отчасти понятно из самих названий, что системные аналитики — это несколько более широкие специалисты-методологи, а системологи и си­стемотехники в большей степени связаны с проектированием технических систем.

В классических КХМ, которые определяются не столь­ко техническими и технологическими проблемами, системно- инженерная группа должна включать еще: д) экологов, е) со­циологов, ж) демографов и, возможно, з) политологов.

После формирования группы изучения проблемы начина­ется следующий этап.

1.3.Системное исследование проблемы. Этот этап должен предусмотреть обзорный анализ системы более высокого уровня, в функционировании которой возникли проблемы, приведшие к рассмотрению возможности реализации пред­полагаемого проекта. В упоминаемом нами случае некой ма­шиностроительной фирмы она и должна быть рассмотрена

в качестве такой системы.

Но это рассмотрение обязательно должно включать в себя все связи этой фирмы с поставщиками, исследовательскими центрами, лоббирующими организациями в органах власти различных уровней и т. п., потому что априорно неизвестно, каким путем будет решена проблема стабилизации поставок металла. А все вышеперечисленные связи при том или ином варианте решения данной проблемы могут оказаться задей­ствованными.

Подобное определение системы высшего уровня, в ко­торую в качестве подсистемы войдет проектируемый объект, назовем вмещающей системой. Для нее необходимо сфор­мулировать совокупность целей и задач, которые могут быть предположительно решены с помощью того или иного из рас­сматриваемых мероприятий (проектов).

Отчасти эти исследования были проведены в пункте 1.1. Но это кажущееся противоречие. В пункте 1.1. проблема была только намечена заказчиком, возможно, без участия специ­алистов и системных инженеров. Зачастую заказчик сам за­трудняется сформулировать, к какой системе или подсистеме относятся его затруднения.

Это в нашем упрощенном примере мы сразу сформулиро­вали проблему и перечислили возможные варианты ее реше­ния. На самом деле в реальных ситуациях, только правильно определив вмещающую систему, можно адекватно сформули­ровать проблему с точки зрения задач функционирования вмещающей системы. И вот почему.

Как правило, чтобы верно определить проблему, необхо­димо спрогнозировать развитие вмещающей системы проблема при наиболее вероятном развитии событий отпадет сама собой?

Для прогнозирования развития вмещающей системы, воз­можно, понадобится построение ее модели, что тоже пред­ставляет достаточно сложную задачу, не решаемую «с ходу» при предварительном рассмотрении проблемы.

Только в итоге всех перечисленных исследований мож­но окончательно уточнить проблему с учетом возможного развития ситуации. Затем уже указываются цели, реализация которых будет способствовать решению проблемы, и форму­лируются ограничения (текущие и прогнозируемые) возмож­ностей вмещающей системы по достижению поставленных целей.

1.4.Определение проектируемого объекта. На основе вы­водов предыдущего этапа исследований происходит качест­венный выбор метода решения проблемы. В нашем примере с машиностроительной фирмой это выбор одного из перечня вариантов а)-д). При этом могут использоваться рассмотрен­ные нами выше процедуры уникального выбора. Однако, так или иначе, выбран тип решения исходной проблемы, част­ным случаем этого решения может быть строительство того или иного производственного объекта. Таким образом, только на этом этапе можно сказать, что проблема будет ре­шаться техническим средствами. При этом из предыдущего этапа известны наиболее общие требования к проекту.

1.5.Определение способа измерения эффективности работы проектируемого объекта и ограничений его общих характеристик. Задачи этого этапа непосредственно связаны с проблемати­кой, рассмотренной нами в предыдущих лекциях. По существу необходимо построить функцию полезности альтернативы (варианта производственного проекта).

Напомним, что основными задачами здесь являются:

а) выявление полного списка критериев оценки проекта,

б) выбор вида функции полезности,

в) оценка параметров этой функции (в частном случае, оцен­ка весов критериев),

г) разделение критериев по группам несравнимости, если имеются группы конфликтных целей.

Заметим, что вариантов собственно проекта на данном этапе пока еще нет. Есть решение строить некий объект, и сформулированы требования к будущим вариантам проекта этого объекта. Можно сказать, что сформулировано техниче­ское задание к проекту.

2. Системное проектирование

2.1. Построение модели проектируемого объекта является пер­вым этапом системного проектирования. Эта модель должна удовлетворять следующим базовым требованиям:

а) предусматривать модельное описание как можно больше­го числа возможных объектов рассматриваемого типа, данное требование вытекает из того, проекта как таково­го на данном этапе пока еще нет;

б) быть как можно более простой и понятной специалистам всех профилей, участвующим в проекте;

в) предусматривать возможность корректировки парамет­ров модели, а по возможности и ее структуры, в диа­логовом режиме;

г) обеспечивать в результате работы количественные оцен­ки всех намеченных в пункте 1.5 критериев качества моделируемого варианта проектируемого объекта.

Можно предъявить и дополнительные требования к мо­дели. Так, в уже упоминавшейся работе Г. М. Дженкинса упор делается па объяснение путей достижения взаимопони­мания специалистов разного профиля, участвующих в проекте и разработке модели.

Кроме того, особое внимание уделяется экономическим характеристикам компонентов будущего проекта (наверное, в противовес традиционно характерному чисто техническому подходу). Нам кажется, что дальнейшая детализация требова­ний к модели в рамках нашего изложения излишня. Широкое толкование требований пунктов а)-г) позволяет в каждом конкретном случае конкретизировать их адекватно специфи­ке рассматриваемой задачи.

2.2. Нахождение наилучшей структуры и оптимизация внутрен­них характеристик проектируемого объекта происходит уже с по­мощью построенной модели объекта. Варьируя в диалоговом режиме структуру предполагаемого объекта, конструируются такие контуры обратных связей между подсистемами, кото­рые обеспечат необходимую устойчивость работы объекта в широком классе внешних воздействий.

Проводятся и иные исследования возможной структуры проектируемой системы в зависимости от специфики задачи. В итоге, гак или иначе, формируется функциональная схема проектируемой системы.

Затем, иногда параллельно этому процессу идет поиск наилучших, с точки зрения общих целей проекта, характери­стик подсистем проектируемого объекта. При этом все время идет коррекция требований к структуре и характеристикам объекта с точки зрения их соответствия техническим и эко­номическим возможностям их выполнения.

Особым пунктом можно выделить требование к малой за­висимости итоговых характеристик проектируемой системы от возможных отклонений характеристик отдельных компо­нентов от выбранных значений.

Подобная устойчивость системы необходима, ибо очевид­но, что в процессе реализации отдельных компонентов они могут несколько отличаться от запланированного в эскизном проекте вида.

Разрабатываемые варианты в конечном итоге сравни­ваются согласно критериям, выработанным в пункте 1.5, и из них выбирается наилучший.

Проверка на управляемость и надежность работы. В об­щем случае проверка на управляемость и надежность работы проектируемого объекта проходит постоянно в процессе вы­полнения предыдущего пункта.

Однако особая важность для любой производственно-тех­нической системы именно управляемости и надежности ее работы позволяют выделить в отдельный пункт комплекс­ную детальную проверку выбранного варианта проекта имен­но по этим критериям. В случае положительных результа­тов данной проверки данный вариант проекта принимается, в противном случае происходит возвращение к предыдущему пункту.

Выработка технических требований к компонентам проек­тируемого объекта происходит уже на основе выбранного ва­рианта проекта. Фактически все ранее разработанные общие требования ко всем подсистемам проектируемой системы кон­кретизируются в виде технических заданий на разработку всех компонентов проектируемого объекта.

2.5.Оформление документации. Итоги проделанной работы оформляются в виде соответствующих документов. В рам­ках существовавших в СССР и существующих в нынешней России традиций это так называемые технико-экономическое обоснование проекта, техническое задание, эскизный вариант проекта и технические задания на отдельные составляющие проекта.

Нельзя сказать, что имеющаяся у нас традиция полностью удовлетворяет требованиям системной инженерии, в против­ном случае не имелось бы столько примеров неудачных про­ектов.

Данным примером мы просто показали уровень детали­зации при рассмотрении проекта, когда методы системной инженерии отступают на второй план перед конкретными инженерно-техническими исследованиями. До этого периода системная инженерия должна преобладать в процессе проек­тирования.

Документация по результатам системно-инженерных ра­бот должна отвечать их сущности. Так, итоговый отчет должен состоять из трех не равных по объему разделов:

1.Изложение существа проблемы и результаты системно­го исследования проблемы. Обоснование необходимости проекта с точки зрения решения данной проблемы. Этот раздел должен быть краток и понятен любому сколь угод­но занятому руководителю высокого уровня. По существу в данном разделе должны быть изложены результаты ис­следований по пунктам 1.1-1.4 и кратко, со ссылками на дальнейшие разделы, выводы пункта 2.2.

2.Более детальное обоснование критериев выбора наилуч­шего варианта. Фактически это сокращенное, однако до­статочно обоснованное и понятное изложение пункта 1.5 и очень краткое изложение пунктов 2.1 и 2.2 с повто­рением выводов пункта 2.2. Этот раздел должен быть понятен любому руководителю без дополнительных пояс­нений при наличии у руководителя времени и желания знакомиться с отчетом.

3. Развернутые приложения к отчету, содержащие изложе­ние исследований пунктов 2.1-2.4. Этот раздел может быть затруднителен для ознакомления руководителю, од­нако должен быть понятен любому из специалистов тех профилей, которые участвовали в системно-инженерном исследовании.

2.6. Определение порядка системно-инженерного аудирования на этапах составления детального проекта, строительства и эксплуа­тации объекта. Во время разработки проектов отдельных компо­нентов системы их техническая реализация может отличаться от проектируемого вида. Кроме того, условия строительства и эксплуатации объекта также могут потребовать внесения определенных корректив.

Все такие отступления от проекта необходимо согласовы­вать исходя из общих целей проекта. При этом существуют два уровня рассмотрения:

1.Предварительный. В рамках этого уровня решается во­прос, — выводит ли данная корректировка итоговые ха­рактеристики проекта из заранее оговоренных рамок. Если нет, то она рассматривается и реализуется в опе­ративном порядке. Если да, то такая корректировка рас­сматривается на втором детальном этапе исследований.

2.Детальные исследования предполагают рассмотрение кор­ректировок проекта как его новый вариант. Соответствен­но проблема, которая способствовала возникновению не­обходимости данной существенной корректировки, также рассматривается как крупная проблема. В данном слу­чае необходимо для внесения крупных корректировок в проект проделать всю последовательность системно- инженерных исследований соответствующей проблемы и соответствующей корректировки, рассматриваемой как отдельный проект.

Практически любое КХМ не может обойтись без суще­ственных корректировок первоначального плана, эти коррек­тировки возникают зачастую уже в процессе частичной экс­плуатации объекта. В данной ситуации процесс управления объектом и его корректировки (модернизации, реконструк­ции и т.п.) происходят параллельно.

Как правило, процесс корректировки проекта уже в про­цессе эксплуатации соответствующего объекта связан с появ­лением проблем, в не меньшей степени касающихся и теку­щих задач управления. Поэтому в данной ситуации разделить процесс управления объектом и корректировку его проекта нельзя.

Подобный процесс одновременной корректировки целей управления и модернизации объекта в изменяющихся усло­виях также обеспечивается методами системной инженерии и носит название адаптивного управления.

Заметим, что адаптивное управление наиболее эффектив­но, когда оно распространяется на производственно-техниче­ские комплексы, которые либо целенаправленно сложились как целостные системы, либо сформировались таковыми эволюционно, согласно внутренней логике развития производ­ства. Реализации которой, в данном случае, по счастливому случаю, не мешали обстоятельства.

При управлении такими комплексами вполне можно при достижении поставленных целей опираться на общие свой­ства сложных систем. Эти свойства с некоторой долей услов­ности можно представить в следующем виде.

А. Структурные свойства:

1. Целостность — система всегда является целостным объек­том и широкий спектр целей можно достигать, не каса­ясь внутренних проблем системы, задавая лишь внешние воздействия. Вместе с тем надо помнить, что результаты внешних воздействий на систему ограничены. Нельзя только с помощью внешних воздействий, не затрагивая ее структуры, заставить перейти систему в любое произ­вольное состояние.

2.Иерархичность — все сложные системы построены иерар­хически. Структурные связи системы соединяют компо­ненты определенного иерархического уровня. Попытки в процессе текущего управления нарушить иерархичность не могут быть результативными.

3.Структурная сложность — все целостные системы струк­турно сложны. Именно структура, наличие определенных цепочек обратных связей и определяют основные свой­ства системы, в частности ее реализуемые состояния.

Б. Функциональные свойства:

1.Экономичность — в технико-экономических системах это свойство является реализацией общесистемного принци­па наименьшего сопротивления. Неэкономичность хозяй­ственной системы — явление аномальное. Такую систему нельзя рассматривать как целостную, но только в сово­купности с компонентом-донором, обеспечивающим су­ществование этой системы. Соответственно тогда надо строить и управление данной системой с включенным компонентом-донором.

2.Надежность — является реализацией общесистемного свойства устойчивости систем к внешним воздействи­ям. Фактически методом сохранения надежности системы в условиях широкого диапазона требований со сторо­ны вышестоящих управляющих звеньев является манев­ренность, которая иногда выделяется в самостоятельное свойство технико-экономических систем. С точки зрения системного подхода маневренность есть проявление мно­гократного дублирования всех основных контуров обрат­ных связей, позволяющего сохранять надежность в широ­ком диапазоне требований и воздействий.

В. Эволюционные свойства:

1. Гибкость — экономический аналог общесистемного свой­ства адаптивности, или способности частично перестра­иваться за счет собственных резервов, приспосабливаясь к требованиям окружающей обстановки. Следует отме­тить, что некоторые авторы [13] разделяют понятия гиб­кости и адаптивности, однако анализ приводимых ими определений говорит об очень большой близости этих свойств, различающихся лишь незначительными деталя­ми, обусловленными спецификой конкретной предмет­ной области. Поэтому с общесистемных позиций кор­ректнее говорить о гибкости как о проявлении извест­ной в классическом системном анализе свойстве адап­тивности.

2. Дискретность смены состояний. Следует помнить, что внутренние возможности системы не безграничны. По­этому и кризис системы, и коренное улучшение ее состо­яния с переходом в новое качество не могут проходить плавно.

При ухудшении ситуации кризисные явления с определен­ного момента нарастают лавинообразно, приводя к переходу системы в деградированное состояние.

Обратный процесс достаточно резкого улучшения всех качеств системы также проходит довольно интенсивно, если привлечены соответствующие капитальные вложения, кото­рые направляются на структурную перестройку. После этапа структурной перестройки система становится весьма эластич­ной в отношении дальнейших капвложений и может сделать определенный рывок в дальнейшем развитии уже за счет соб­ственных ресурсов, что внешне может выглядеть, как некое «лавинообразное» развитие.

Следует отметить, что, если некая экономическая или производственная система не обладает данными свойства­ми, — это ее недостаток, который требуется устранить для достижения целостности данной системы.

В противном случае ее надо объединить с другими систе­мами, которые бы составили в совокупности единый ком­плекс. Именно подобного рода процессы достижения це­лостности могут происходить при объединении предприятий машиностроения и металлургии, угольной промышленности и энергетики и т. д.

Подводя итоги данной тематике, можно сказать, что си­стемная инженерия есть конкретное приложение методов системного анализа к процессу проектирования и реализации крупномасштабных хозяйственных мероприятий.

Мы считаем расширение понятия «системная инжене­рия» на общие вопросы исследования проблем в любой обла­сти и обоснование принимаемых решений несколько неудач­ным. Применение системного анализа в управлении и поиске решения проблем есть его основная прикладная задача.

Системная инженерия является частью прикладного си­стемного анализа. Однако эта часть одна из важнейших.

Именно в рамках системной инженерии возникли многие общие методы прикладного системного анализа, нашедшие свое применение далеко за рамками инженерно-технических задач. Так, например, именно при оценке вариантов инже­нерно-технических проектов было разработано большинство методов уникального выбора. Можно сказать, что систем­ная инженерия сделала намного более эффективными чисто технические мероприятия, «погрузив» технические пробле­мы в более общий контекст, научив инженеров общаться со специалистами менее формализованных отраслей знания. Одновременно системная инженерия способствовала тенден­ции к структуризации и конкретизации системного анализа, который в значительной степени благодаря ей из философско-методологической науки стал наукой в первую очередь технической.

Системная инженерия представляет собой совокупность методов проектирования крупных технических объектов и комплексов, экономических и социальных систем. Хотя приемы системной инженерии универсальны и эффективны при составлении любого крупного проекта, для нас большой интерес представляет решение производственных и технических задач, специфику которых мы постараемся учесть в дальнейшем изложении.

Причиной появления системной инженерии является повышение «цены» любого проектного решения в условиях растущей энерго- и материалоемкости производства, роста зависимости производства от подготовки персонала, а также роста возможных внепроизводственных и внеэкономических последствий функционирования больших технических систем. При этом ряд последствий могут быть оценены с некоторой степенью вероятности.

Например, на более ранних этапах при проектировании тех же заводов решались в основном только технические проблемы [1]. Цель создания того или иного производства, условия его функционирования, взаимодействие с другими предприятиями были однозначно заданы.

На этом этапе проектирования вопросы о возможном расширении производства не рассматривался, возможный эффект рассчитывался без учета негативных влияний на окружающую среду, социальных последствий. Иными словами, промышленный объект развивался в достаточной степени стихийно – новые объекты добавлялись к старым, и проблемы решались по мере их возникновения. Стоимость таких решений могла быть чрезмерной и вела к экстенсивному развитию экономики или тупиковым ситуациям.

Современный этап потребовал уже при составлении технического задания учитывать необходимость модернизации производства, возможное изменение качества сырья, возможное перепрофилирование производства, изменения качества персонала и т.п. Неучет подобных факторов мог привести уже в достаточно близкой перспективе к бессмысленности реализации самого проекта. [1]

Из сказанного отнюдь не следует, что реконструкцию каждой котельной или замену каждого станка следует рассматривать с позиций системной инженерии. Не означает сказанное, что раньше при проектировании технических систем некоторые инженеры не рассматривали возможное влияние и последствия их внедрения на функционирование всего хозяйственного комплекса, окружающую среду или социальную сферу. [1]

Верно другое – если раньше подавляющее большинство любых проектов можно было проработать исходя из узко поставленных целей решения тех или иных чисто технических проблем, то сегодня выделяется целый класс производственно-технических проектов, которые обязательно надо разрабатывать с помощью методов системной инженерии. [1]

Это проекты, реализация которых является так называемым крупномасштабным хозяйственным мероприятием (КХМ).

Под КХМ понимают мероприятия, обладающие хотя бы одним из нижеперечисленных признаков:

· Наличие нескольких участников, интересами которых нельзя пренебречь при выборе варианта;

· Потребности в таком объеме инвестиций, которые сравнимы с возможностями субъекта, вкладывающего ресурсы в осуществление мероприятия;

· Наличие неэкономических последствий в масштабах, затрудняющих их прямую стоимостную оценку.

Отличительные черты КХМ:

· Экономическая целостность проекта, т.е. невозможность его расчленения на локальные проекты, которые при их независимой друг от друга реализации дадут в сумме ту же эффективность, что и проект в целом;

· Несовпадение в общем случае интересов отдельных участников процесса разработки, реализации и использования результатов проекта;

· Ограниченность возможностей перераспределения итогового результата КХМ между участниками проекта;

· Существенная длительность осуществления КХМ, предполагающая, в частности, наличие участников «разнесенных во времени»;

· Существенную неполноту информации об ожидаемых параметрах мероприятия и возможных последствиях его реализации в области экологии, социальной сферы, обороны и безопасности и т.п.;

· Уникальность КХМ.

Как видно из приведенной выше характеристики КХМ, это именно тот класс объектов, проектирование которых не сводится к решению чисто инженерных и инженерно-экономических проблем. Именно для проектирования КХМ приемлема системная инженерия [1].

Итак, системная инженерия – это наука о планировании и проектировании комплексных производственно-технических систем, создание и использование которых представляют собой крупномасштабные мероприятия [1].

В определение не включены строительство, эксплуатация и утилизация (ликвидация) технической системы. Специфические приемы системной инженерии безоговорочно доминируют на этапе планирования проекта и предпроектных стадиях, на равных взаимодействуют со специальными инженерными исследованиями на этапе проектирования.

Этапы строительства, производства, эксплуатации и ликвидации носят «исполнительский», заложенный на стадии проектирования характер. Поэтому задачи, решаемые в эти периоды с помощью методов системной инженерии, отступают на второй план.