فصل 2: مهندسی سیستم (SE) - فرایند طراحی سیستم ها

S ystems Engineering (SE) یک فرآیند ضروری برای طراحی و کار با سیستم پیچیده است ، اما این فرایند نیز می تواند برای طراحی یک سیستم ساده اعمال شود. نمونه ای از یک پروژه بزرگ ، چند میلیون دلاری ، چند رشته ای ، ایجاد و بهره برداری از سیستم حمل و نقل شاتل فضایی است. یخچال یک سیستم ساده است که می تواند با استفاده از مهندسی سیستم طراحی شود. این فرایند برای کاهش خطر ، کاهش زمان توسعه و افزایش کیفیت محصول تکامل یافته است. مهندسی سیستم همچنین می تواند برای "سیستم های سیستم" اعمال شود ، جایی که سیستم های فردی به عنوان یک نهاد عملکردی برای انجام یک مأموریت در تعامل هستند (به عنوان مثال ، یک کارگروه نیروی دریایی متشکل از سیستم های پیچیده مجزا مانند هواپیماهای جنگنده ، کشتی های رزمنده ، عرضهکشتی ها ، زیردریایی ها ، صنایع دستی کوچک و غیره).< SPAN> فصل 2: مهندسی سیستم (SE) - فرآیند طراحی سیستم ها

S ystems Engineering (SE) یک فرآیند ضروری برای طراحی و کار با سیستم پیچیده است ، اما این فرایند نیز می تواند برای طراحی یک سیستم ساده اعمال شود. نمونه ای از یک پروژه بزرگ ، چند میلیون دلاری ، چند رشته ای ، ایجاد و بهره برداری از سیستم حمل و نقل شاتل فضایی است. یخچال یک سیستم ساده است که می تواند با استفاده از مهندسی سیستم طراحی شود. این فرایند برای کاهش خطر ، کاهش زمان توسعه و افزایش کیفیت محصول تکامل یافته است. مهندسی سیستم همچنین می تواند برای "سیستم های سیستم" اعمال شود ، جایی که سیستم های فردی به عنوان یک نهاد عملکردی برای انجام یک مأموریت در تعامل هستند (به عنوان مثال ، یک کارگروه نیروی دریایی متشکل از سیستم های پیچیده مجزا مانند هواپیماهای جنگنده ، کشتی های رزمنده ، عرضهکشتی ها ، زیر دریایی ها ، صنایع دستی ابزار کوچک و غیره.) فصل 2: مهندسی سیستم (SE) - فرآیند طراحی سیستم ها

S ystems Engineering (SE) یک فرآیند ضروری برای طراحی و کار با سیستم پیچیده است ، اما این فرایند نیز می تواند برای طراحی یک سیستم ساده اعمال شود. نمونه ای از یک پروژه بزرگ ، چند میلیون دلاری ، چند رشته ای ، ایجاد و بهره برداری از سیستم حمل و نقل شاتل فضایی است. یخچال یک سیستم ساده است که می تواند با استفاده از مهندسی سیستم طراحی شود. این فرایند برای کاهش خطر ، کاهش زمان توسعه و افزایش کیفیت محصول تکامل یافته است. مهندسی سیستم همچنین می تواند برای "سیستم های سیستم" اعمال شود ، جایی که سیستم های فردی به عنوان یک نهاد عملکردی برای انجام یک مأموریت در تعامل هستند (به عنوان مثال ، یک کارگروه نیروی دریایی متشکل از سیستم های پیچیده مجزا مانند هواپیماهای جنگنده ، کشتی های رزمنده ، عرضهکشتی ها ، زیردریایی ها ، صنایع دستی کوچک و غیره).

در یک پروژه SE ، یک هدف مأموریت به وضوح بیان شده (همانطور که از انتظارات ذینفعان تشکیل شده است) همیشه در صدر تلاش های طراحی است. تلاش کل چرخه زندگی نامیده می شود و به دنباله ای از مراحل تقسیم می شود. در هر مرحله می توان 11 عملکرد مهندسی سیستم را اعمال کرد. برای کمک به تجسم و توضیح جریان فرآیند نمودار VEE در شکل 1 و نمودار 11 توابع SE در شکل 1 ایجاد شده است. این روند در سمت چپ VEE پیش می رود ، با یک مهندس سیستم ، مراحل فرمولاسیون را در پیگیری آفرینش (روی کاغذ) مفاهیم امکان پذیر در سطح سیستم هدایت می کند و به دنبال آن یک طراحی معماری سطح سیستم واحد با الزامات و به دنبال آن یک سیستمطراحی معماری از طریق زیر سیستم ها با نیاز و رابط ها به تفصیل. در حالی که یک تیم مهندسی سیستم یک طراحی معماری ایجاد می کند ، مهندسی سیستم ها وظیفه زیر سیستم های تمام دم و طراحی دقیق (از جمله طراحی قطعات و قطعات) را به تیم های تخصصی مهندسان طراحی که از فرآیند طراحی مهندسی (EDP) استفاده می کنند ، بر عهده دارد. این کار با استفاده از مراحل اجرای تا پای راست VEE انجام می شود ، جایی که قطعات فیزیکی مونتاژ می شوند و در قطعات ، اجزای موجود در زیر سیستم ها و زیر سیستم ها در سیستم قرار می گیرند. هر مؤلفه ، هر زیر سیستم و سیستم دارای الزامات تعریف شده در مراحل اجرای بالا به پایین بودند و اینها از طریق آزمایش در مراحل اجرای تأیید می شوند. در بالای VEE سیستم تأیید شده است ، یعنی آزمایش سیستم برای اطمینان از انجام هدف مأموریت که انگیزه اصلی پروژه بود.

مهندسی سیستم یک رشته اساسی است که می تواند برای پروژه های دانشجویی اعمال شود - مانند ایجاد بیل مکانیکی قمری ، ماهواره مکعب ، روور قمری ، یخچال ، ماشین SAE و غیره - به منظور راهنمایی طراحی ، رابط ، ادغام و مونتاژزیر سیستم ها برای ایجاد یک سیستم. بیشتر پروژه های فضایی (به عنوان مثال موشک ها ، وسایل نقلیه رباتیک ، ماهواره ها) دارای انواع زیر سیستم مشترک هستند - که شامل بار ، ساختارها و مکانیسم ها ، قدرت ، ارتباطات ، ایستگاه زمینی ، دست زدن به فرمان و داده ها و تعیین موقعیت و کنترل موقعیت است. اگر به درستی تمرین شود ، مهندسی سیستم منجر به یک محصول نهایی بهینه شده می شود و شانس ایجاد موفقیت آمیز محصولی را که انتظارات مشتری را برآورده می کند ، افزایش می دهد.

ارائه زیر برای ترک دانش آموز با درک اساسی از اصول SE و نقشه راه است که طراحی یک سیستم را بر اساس فرآیند SE راهنمایی می کند. برای توضیح بیشتر در مورد مهندسی سیستم فراتر از آنچه در اینجا ارائه خواهد شد ، به [2] مراجعه کنید ، که این روند کاملاً مفصل است که توسط ناسا انجام می شود. مراحل فرآیند ساده ارائه شده در اینجا با رویکرد ناسا مطابقت دارد. شما همچنین ممکن است به [3] و [17] مراجعه کنید ، که به ترتیب توضیحی در مورد تئوری مهندسی سیستم و نمودار VEE ارائه می دهد. ماژول های سخنرانی های تهیه شده توسط L. guerra برای یک دوره تمام وقت ، جزئیات ، توضیحات و نمونه های بیشتری را از آنچه در اینجا ارائه می شود ارائه می دهد و در تاریخ بعدی در وب در دسترس خواهد بود [4].

شکل 1. نمودار VEE برای تیم های دانشجویی (سمت چپ) و نمودار نمودار 11 عملکرد مهندسی سیستم (سمت راست). R/A/C الزامات ، طراحی معماری و مفهوم عملیات (CONOPS) است. SAITL مونتاژ سیستم ، ادغام ، آزمایش و راه اندازی است.

مفاهیم پیش نیاز برای مهندسی یک سیستم

عناصر و سلسله مراتب

قبل از معرفی مهندسی سیستم ، برخی از اصطلاحات باید تعریف شود [3].

یک سیستم را می توان به طور گسترده ای به عنوان یک مجموعه یکپارچه از عناصر تعریف کرد که یک هدف تعریف شده را انجام می دهند [5]. هدف فرآیند مهندسی سیستم ایجاد یک محصول نهایی است که یک سیستم است. عناصر بلوک های ساختمانی یک سیستم هستند و فقط سخت افزار نیستند بلکه می توانند شامل نرم افزار نیز باشند و حتی می توانند شامل پرسنل ، امکانات ، سیاست ها ، اسناد و بانکهای اطلاعاتی شوند. یک سیستم از ترکیب عناصر تشکیل شده است. یک سیستم را می توان به سلسله مراتب مجموعه ای از عناصر تقسیم کرد که شامل زیر سیستم ها ، مؤلفه ها ، زیرمجموعه ها و قطعات است.

· زیر سیستم یک سیستم به خودی خود است ، به جز اینکه به طور معمول عملکرد مفیدی را به خودی خود ارائه نمی دهد ، باید برای ایجاد یک سیستم با سایر سیستم های دیگر ادغام شود. بنابراین ، زیر سیستم های رابط یا اتصال دهنده برای آرایش سیستم مورد نیاز است. در ادبیات یک زیر سیستم خاص ممکن است یا "زیر سیستم" یا "سیستم" نامیده شود. این اغلب به سادگی یک انتخاب نامگذاری شده توسط مدیر پروژه یا مهندس سیستم است. به عنوان مثال ، ناسا در شکل 2 ، سیستم حمل و نقل فضایی (STS) را به نام مدار ، مخزن خارجی و تقویت کننده موشک جامد (SRB) نامگذاری کرده است. برای Avionics ، حفاظت از حرارتی و غیره. یک مأموریت هدفمند). به همین ترتیب ، از SRB ها می توان برای راه اندازی یک بار مفید کوچک به خودی خود استفاده کرد. اگرچه ممکن است فکر نکنید ، یک فضانورد را می توان زیر سیستم نامید.

· مؤلفه ها عناصری هستند که زیر سیستم یا سیستم را تشکیل می دهند ، ممکن است خارج از قفسه (COTS) تجاری باشند و با مجموعه خاصی از مشخصات سازگار باشند. موتورهای COTS ، میکروکنترلرها ، Solenoids و گیربکس اجزای سازنده هستند.

· قطعات عناصری در پایین ترین سطح سلسله مراتب هستند ، و اغلب از COTS هستند ، اما ممکن است برای کاربردهای ویژه نیاز به طراحی و تولید داشته باشند. پیچ ها ، چرخ دنده ها ، گیره ها ، مقاومت ها ، شفت ها ، یاتاقان ها و غیره در این گروه قرار می گیرند ، همانطور که می تواند نرم افزاری که یک "بخشی" در یک میکروکنترلر (یک مؤلفه) در یک سیستم فرمان و انتقال داده است.(توجه: فرایند توسعه نرم افزار در این ارائه در نظر گرفته نشده است).

· نمونه هایی از سیستم ها

نمونه های آشنا از سیستم ها شامل خودرویی است که زیر سیستم های آن شامل بدنه ، شاسی ، موتور ، درایو ، سیستم تعلیق ، سیستم برق و غیره است. شاتل فضایی یکی از پیچیده ترین سیستم های ساخته شده در نظر گرفته می شود ، در حالی که یخچال و فریزر یک سیستم خاص پیچیده نیستبشرنمونه های بیشتری را می توان در [5] یافت:

· سیستم فرود قمری آپولو ناسا از وسایل نقلیه پرتاب ، ماژول های مختلف مرحله فوقانی برای دستیابی به مدار قمری ، نزول و بازگشت از سطح قمری ، بازگشت زمین ، بازگرداندن و بازیابی تشکیل شده است. این سیستم همچنین شامل خدمه مأموریت و پشتیبانی ، تجهیزات مونتاژ و تجهیزات پرداخت ، آموزش خدمه و بسیاری از سازمان های پشتیبانی و امکانات آنها (که ممکن است با سایر سیستم ها به اشتراک گذاشته شود) ، مانند ردیابی پایین و ایستگاه های رله ارتباطی و کنترل ماموریت است.

· یک سیستم دوربین معمولی 35 میلی متری شامل لنزها و فیلترهای قابل تعویض ، مکانیسم تمرکز لنز ، بدنه دوربین ، یاب یاب نمایش/یاب ، زیر سیستم فلش ، پیشرفت فیلم/عقب ، زیر سیستم الکتریکی و منبع تغذیه (S) ، کنتور نور با کرکره/کنترل های قرار گرفتن در معرض ، حامل مورد ، فیلم و عناصر پشتیبانی ، از جمله کاغذ عکاسی ، مواد و تجهیزات پردازش فیلم ، تأمین کنندگان تعمیر و قطعات [5].

شکل 2. سیستم حمل و نقل شاتل فضایی (STS) شامل مدار ، مخزن خارجی و تقویت کننده موشک های جامد است.

انواع اصلی زیر سیستم در سیستم های فضایی

ماهواره ها ، لندرها و روورس سیستم های فضایی مهندسی شده ای هستند که البته از زیر سیستم ها تشکیل شده اند. اگرچه ماهواره ها ، لندرها و روورس سیستم های کاملاً متفاوتی دارند ، اما برخی از انواع زیر سیستم های معمول استفاده می کنند. در یک پروژه ، هر زیر سیستم توسط یک تیم طراحی زیر سیستم ساخته می شود که از اعضا تشکیل شده است که تخصص های آنها با مهارت های مورد نیاز برای طراحی آن زیر سیستم متناسب است. زیر سیستم های اصلی عبارتند از:

· زیر سیستم های برق الکتریکی (EPS) که معمولاً انرژی خورشیدی را از آرایه های سلول خورشیدی یا ژنراتورهای الکتریکی حرارتی برای تأمین انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. همچنین از باتری ها برای ذخیره و تأمین انرژی برای عملیات شبانه استفاده می شود. متداول ترین استاندارد یک سیستم 28 ولت است. از آنجا که انرژی الکتریکی سلولهای خورشیدی محدود است و باتری ها به طور کلی بسیار سنگین هستند ، مهم است که حسابداری از نیازهای قدرت هر زیر سیستم را تخمین و نگه دارید و مطمئن شوید که EPS می تواند حداقل قدرت زیادی را تأمین کند. به این بودجه نیرو گفته می شود ، که شامل استفاده از قدرت اوج و همچنین تعادل کلی انرژی است.

· زیر سیستم ارتباطی (COMM) از سیگنال های فرکانس رادیویی برای برقراری ارتباط استفاده می کند ، به طور معمول بین یک فضاپیما و یک ایستگاه زمینی روی زمین. داده های منتقل شده از یک فضاپیما می توانند شامل داده های ابزار و بار ، داده های نظارت بر سلامت و داده های سنسور باشند. داده های منتقل شده به یک فضاپیما شامل داده های فرمان به پردازنده های روی صفحه یا میکروکنترلرها برای کنترل زیر سیستم های دیگر است."تجزیه و تحلیل پیوند" لازم است تا مشخص شود که آیا سیگنال ها به اندازه کافی قدرتمند هستند که بتوانند در ایستگاه زمینی و فضاپیما دریافت و دریافت شوند. این مهم است که بدانید در هر نقطه از مأموریت چه مقدار و چه زمانی می توان انتظار داشت. اغلب Comm دارای دو سیستم خواهد بود. یک باند بالا (داده های بیشتر) و یک باند کم (پوشش بیشتر اما جریان داده کمتر) ، یا ممکن است توابع uplink و downlink را تقسیم کند.

· زیر سیستم (های) Command & Data (C& DH) سیستم های رایانه ای روی صفحه و نرم افزارهای آنها هستند که داده ها را جمع آوری و پردازش می کنند و داده ها را از طریق سیستم COMM دریافت و ارسال می کنند. ممکن است داده ها توسط الگوریتم های نرم افزاری فشرده شوند تا حداکثر مقدار محدودی از داده هایی را که می توانند از طریق زیر سیستم Comm ارسال شوند ، به حداکثر برسانند.

· ایستگاه زمینی با زیر سیستم Comm رابط می کند و پایه ای برای عملیات از جمله تجزیه و تحلیل و جمع آوری داده ها ، نظارت ، ردیابی و فرماندهی است. مفهوم عملیات باید در مراحل فرمولاسیون برنامه ریزی شود زیرا این امر بر ایستگاه زمینی (یعنی پرسنل ، تجهیزات ، آنتن ها ، مکان و غیره) و طیف وسیعی از فعالیت های آن تأثیر می گذارد.

زیر سیستم تعیین و کنترل نگرش (ADC) مورد نیاز است تا یک سیستم فضایی را در یک جهت خاص نشان دهد. این مورد برای پانل های خورشیدی ، آنتن ها ، جهت رانش و سنسورها لازم است. در یک ماهواره با روشهای منفعل (آهن ربا ، گرانش) یا روشهای فعال (پیش رو ، چرخ های انتقال حرکت) می توان نگرش خاصی حاصل شد. سنسورها (سنسورهای خورشید ، دوربین) برای این کنترل فعال مورد نیاز است. غالباً یک سیستم کنترل واکنش (RCS) به عنوان عنصر اصلی در ADC ارجاع می شود و با استفاده از رانندگان کوچک که کنترل زمین ، رول و خمیازه را کنترل می کنند. یک وسیله نقلیه ردیابی شده یا چرخ دار برای تعیین مکان آن و هدایت آن به یک زیر سیستم مشابه نیاز دارد.

· ساختارها و مکانیسم ها شامل ساختار پشتیبانی و مسکن ، آنتن ها ، رونق ها ، بازوهای روباتیک و مکانیسم های آرایه خورشیدی است. آنها غالباً نیاز به جمع و جور دارند ، به شکل تاشو حمل می شوند تا در حجم پرتاب موجود قرار بگیرند و سبک وزن بر روی موشک حمل شود. مریخ نوری برای صرفه جویی در فضا در یک پیکربندی تاشو منتقل شد [7]. در آزمایش ، گروه سازه ها اغلب بر تست های لرزش "لرزش" نظارت می کنند که محیط پرتاب بسیار خشونت آمیز را شبیه سازی می کنند.

زیر سیستم کنترل حرارتی به منظور کنترل دما در یک محدوده خاص است تا اجزای الکترونیکی ، سنسورها و باتری ها بیش از حد گرم نشوند ، خیلی سرد نشوند و یا از طریق تنش ها ، سویه ها و خستگی ناشی از حرارتی آسیب ببینند. روش های کنترل می توانند منفعل یا فعال باشند. برخی از روشهای منفعل شامل عایق ، انتخاب مواد ساختاری ، لورهای دو فلزی ، پوشش های سطح ، رول فضاپیما و لوله های گرما است. برخی از روش های فعال شامل بخاری ، لورهای مکانیکی ، لوله های گرمای فعال و رادیاتورها است. مهندسان کنترل حرارتی یک تست حرارتی-تخلیه را انجام می دهند که سیستم یا زیر سیستم ها را به افراط و دماء مورد انتظار در مأموریت تأکید می کند.

· زیر سیستم پرتاب برای حمل بار سیستم فضایی به مقصد نهایی خود مورد نیاز است. سیستم پرتاب توده و حجم را محدود می کند ، بنابراین یک بودجه انبوه باید در طول فرآیند طراحی ایجاد و به روز شود. سیستم پرتاب همچنین می تواند سطح قابل توجهی از شوک و لرزش ایجاد کند که طراحان باید در نظر بگیرند.

مشاهده کنید که بسیاری از طرح های زیر سیستم فوق الذکر محدود یا محدود هستند و به نوعی انتخاب اجزای زیر سیستم آشکار نخواهد بود ، به همین دلیل تأکید در طراحی سیستم فضایی در مطالعات تجاری برای یافتن یک راه حل بهینه از تعدادی از گزینه های گزینه های دیگر وجود دارد. بشرهمچنین باید یک حسابداری اولیه از داده های منتقل شده ، مصرف برق ، گرما و جرم وجود داشته باشد. از آنجا که خرابی ها می توانند فاجعه بار باشند و تعمیرات در فضا غیرممکن است ، اغلب نیاز به افزونگی ، قابلیت اطمینان بالا و تجزیه و تحلیل جامع حالت شکست وجود دارد. هر زیر سیستم ممکن است سنسورهایی برای بررسی وضعیت عملیاتی داشته باشد.

در یک پروژه خاص ، بسیاری از زیر سیستم ها معمولاً توسط تیم های مختلف طراحی در مکان های مختلف طراحی و ساخته می شوند ، بنابراین از اهمیت بالایی برخوردار است که رابط بین زیر سیستم ها توسط تیم های طراحی زیر سیستم در ابتدا مشخص شده و شناخته شده است. برخی از مشکلات رابط ها عدم تشخیص اینکه "سیم کشی" (یعنی اتصالات پین ، کابل ها ، سیم های زمینی و غیره) و همچنین سایر پیوندهای اتصال مانند سازه ها ، عایق ها و مسیرهای حرارتی برای یک مهم هستندطراحی موفق به عنوان زیر سیستم های خود. غالباً این قسمت ها در طراحی اولیه به درستی به حساب نمی آیند ، اما می توانند مشکلات اساسی ایجاد کنند (به ویژه در بودجه ریزی انبوه). مثال Cubesat در فصل 3 شامل یک نمونه پروژه دقیق با استفاده از این زیر سیستم های اصلی است.

هر زیر سیستم خود از تعدادی مؤلفه ساخته شده است که با ترکیب قطعات و مواد دارای مجوز ناسا باید "دارای درجه فضا" باشند.

مهندسی سیستم (SE) چیست؟

دو تعریف

مهندسی سیستم فرایندی است که ما در طراحی محصولی از سیستم استفاده خواهیم کرد. ذکر شده در زیر دو تعریف و توصیف مهندسی سیستم که در ادبیات ظاهر می شوند. هر دو توصیفی از کل فرایند مهندسی سیستم هستند ، اما در عمل پیچیدگی و ذهنی اجرای باعث می شود که به جای یک لیست چک سفت و سخت از وظایف ، به سمت یک شکل هنری تکیه دهد.

شورای بین المللی مهندسی سیستم (ENCOSE) مهندسی سیستم ها را به عنوان [8] تعریف می کند:

"مهندسی سیستم ها… .. یک رویکرد بین رشته ای و وسیله ای برای امکان تحقق سیستم های موفق است. این تمرکز بر تعیین نیازهای مشتری و عملکرد مورد نیاز در اوایل چرخه توسعه ، مستند سازی الزامات ، سپس در هنگام بررسی مشکل کامل ، با سنتز طراحی و اعتبار سنجی سیستم انجام می شود. مهندسی سیستم تمام رشته ها و گروه های تخصصی را در یک تلاش تیمی تشکیل می دهد که یک فرآیند توسعه ساختاری را تشکیل می دهد که از مفهوم تا تولید به کار می رود. مهندسی سیستم هم مشاغل و هم نیازهای فنی همه مشتریان را با هدف تهیه محصولی با کیفیت که نیازهای کاربر را برآورده کند ، در نظر می گیرد. "

مهندسی سیستم ، همانطور که در هر کتابچه راهنمای مهندسی سیستم ناسا تعریف شده است SP-601S:

مهندسی سیستم یک رویکرد نظم و انضباط برای تعریف ، اجرای ، ادغام و عملکرد یک سیستم (محصول یا خدمات) با تأکید بر رضایت از نیازهای عملکردی ، فیزیکی و عملیاتی ذینفعان در محیط های استفاده در نظر گرفته شده در طول چرخه زندگی برنامه ریزی شده خود است. محدودیت های هزینه و برنامه. مهندسی سیستم شامل فعالیتهای مهندسی و فعالیتهای مدیریت فنی مربوط به تعریف فوق با توجه به روابط رابط در تمام عناصر سیستم ، سایر سیستم ها یا به عنوان بخشی از یک سیستم بزرگتر است. "

تعاریف فوق بعد از بررسی دقیق کاملاً مشابه است. مشتری باید طبق تعریف incose راضی باشد ، در حالی که "ذینفعان" (در هر ناسا) شامل مشتری و سایر علاقه مندان است. هر دو تعریف برای تحقق "سیستم" (محصول) اعمال می شود و وظیفه مهم تعریف الزامات را در بر می گیرد. مهندسی سیستم رویکردی است که پس از تلاش برای ایجاد طراحی متوقف نمی شود ، اما از طریق تولید به بهره برداری ادامه می یابد ، کل تلاش را به عنوان چرخه عمر محصول نامیده می شود. این روند "ساختار یافته" (incose) و "انضباط" (ناسا) است. هر دو فعالیت مهندسی و مدیریتی گنجانده شده است. تعریف ناسا در نظر گرفتن "روابط رابط" (برای اطمینان از وجود یکپارچه سازی یکپارچه در مرزهای زیر سیستم) اشاره می کند. Incose به نیاز به "اعتبار سنجی سیستم" اشاره می کند ، که اطمینان می دهد محصول نیازهای مشتری و هدف ماموریت را برآورده می کند. تعریف ناسا نگرانی از عملکرد در محیط های سخت و محدودیت های هزینه و برنامه را نشان می دهد. مشترک در بین هر دو تعاریف "تعریف نیازهای مشتری" (incose) و "رضایت از ذینفعان. الزامات" (NASA) است. توجه داشته باشید که الزامات تکامل می یابند و با پیشرفت پروژه می تواند سرچشمه بگیرد. Encose به ماهیت چند رشته ای و تلاش تیمی یکپارچه اشاره می کند.

صرف نظر از سازمان که مهندسی سیستم را تعریف می کند ، می توان به طور کلی اظهار داشت که سه کار اصلی برای فرآیند SE وجود دارد [14]. اینها هستند:

1) تعریف و جزئیات الزامات و طراحی معماری - یک طراحی معماری (که به آن معماری نیز گفته می شود) کل سیستم یکپارچه را از نظر زیر سیستم ها و عناصر اصلی و نحوه رابط و تعامل آنها تعریف و جزئیات می دهد. یک تیم مهندسی سیستم یک طراحی معماری ایجاد می کند ، در حالی که یک تیم مهندسی طراحی طراحی مفصلی را ایجاد می کند. توسعه مورد نیاز و طراحی معماری بخشی از مراحل فرمولاسیون محصول است و در سمت چپ نمودار VEE رخ می دهد.

2) ادغام و تأیید سیستم - پس از هر تیم طراحی زیر سیستم خود ، زیر سیستم ها به صورت جداگانه مورد آزمایش قرار می گیرند (تأیید می شوند) ، تمام زیر سیستم ها از نظر جسمی با هم (یکپارچه) به هم متصل می شوند تا کل سیستم را بسازند و سیستم یکپارچه خود تأیید می شود. ادغام و تأیید سیستم در پای راست نمودار VEE رخ می دهد و بخشی از مراحل اجرای محصول است.

3) مهندسی و مدیریت سیستم - این شامل برنامه ریزی ، سازماندهی و کنترل توسعه فنی خواهد بود و توسط "مهندس سیستم" هدایت می شود. تصمیم گیری پروژه و ردیابی هزینه ها ، بودجه بندی و برنامه ریزی توسط "مدیر پروژه" انجام می شود.

رابطه SE با طراحی مهندسی

یک تیم مهندسی سیستم از تیمی از مهندسین به علاوه مهندس سیستم پروژه تشکیل شده است. این گروه "مهندسی سیستم" نامیده می شود. مهندسی سیستم الزامات و طرح های معماری را به تیم های طراحی زیر سیستم ایجاد و ارائه می دهد ، در مرحله بعدی هر تیم در طراحی و ساخت زیر سیستم خود متمرکز است. پس از ساخت زیر سیستم ، مهندسی سیستم کار تیم های مهندسی طراحی را جذب می کند. به عنوان مرجع بالاتر که کار را انجام می دهد ، مهندسی سیستم بیشتر نگران این است که زیر سیستم ها رابط و ادغام شوند ، و اطمینان از الزامات توسط هر زیر سیستم و زیر سیستم های ترکیبی ، به جای طراحی دقیق زیر سیستم ، برآورده می شوند.

مهندسی سیستم "با آنچه که می توان مهندسی طراحی نامیده می شود در آن مهندسی سیستم با روابط چیزی که در سیستم سوپر سیستم (محیط) و زیر سیستم ها طراحی شده است ، متفاوت است ، نه با جزئیات داخلی در مورد چگونگی دستیابی به اهداف خود (یعنییک عملکرد مهندسی طراحی). دیدگاه سیستم ها گسترده است و نه عمیق: این سیستم را از نظر عملکردی از انتهای تا انتها و به صورت موقت از مفهوم تا دفع شامل می کند. "(دفترچه راهنمای مهندسی سیستم NASA SP-601S).

فرآیند طراحی مهندسی (EDP) برای طراحی زیر سیستم ، مؤلفه یا قسمت و ارتباط آن با SE

چهار مرحله از فرآیند طراحی مهندسی (EDP)

بسیاری از دانشجویان مهندسی در اوایل دوره مهندسی خود به فرایند طراحی e ngineering (EDP) آموزش داده می شوند ، بنابراین ما آن را در اینجا مرور می کنیم و جزئیات مهندسی سیستم را بعداً معرفی می کنیم. EDP در واقع در مدل فرآیند مهندسی سیستم موجود است - می توانید آن را در نیمه پایین نمودار VEE مشاهده کنید - به منظور طراحی قطعات ، قطعات و زیر سیستم ها.

به طور معمول EDP برای طراحی یک محصول جدید مصرفی یا طراحی مجدد یک محصول قدیمی به طراحی یک مؤلفه واحد یا زیر سیستم یک سیستم بزرگتر اعمال می شود. این فرایند با شناخت و شناسایی نیاز به آن محصول برانگیخته می شود ، که خود می تواند به تلاش قابل توجهی نیاز داشته باشد. هنگامی که در یک تلاش SE گنجانیده شود ، نیاز (و الزامات و طراحی معماری) با تلاش مهندسی سیستم به زمان آن تأمین می شود. چهار مرحله از EDP در زیر ذکر شده است [1]. برای توضیح روند ، یک مشکل طراحی نمونه بر اساس نیاز به "Mousetrap که ماوس را نمی کشد" برای تصویربرداری استفاده می شود. EDP را می توان برای پروژه های ساده (مانند طراحی یک مفصل دامان جوش داده شده) یا سیستم های نسبتاً بدون عارضه مانند طراحی محصولات مصرفی استفاده کرد.

فاز 1. مرحله تعریف و برنامه ریزی پروژه. یک هدف مأموریت بیان شده است (هدف این است که یک موتراپ ارزان قیمت ایجاد کنید که ماوس را از بین نمی برد و یا آسیب نمی رساند). وظایف اصلی با اهداف برای هر یک مشخص می شوند ، تیم ها تشکیل می شوند ، هزینه ها و برنامه های مربوط به اهداف تخمین زده می شوند ، تحویل ها و بررسی ها برنامه ریزی شده اند ، همه پس از اولین بررسی طراحی.

فاز 2. تعریف الزامات و مشخصات مهندسی. هدف از این مرحله درک مشکل و ایجاد نیازهای مشتری و مشخصات مهندسی است.

مشتریان شناسایی می شوند و الزامات آنها در مورد طراحی با دقت بیان شده است (به عنوان مثال ، Mousetrap باید قابل استفاده مجدد ، ارزان ، ایمن برای انسان باشد و ماوس را از بین نمی برد). الزامات ممکن است الزامات کاربردی باشد (الزامات مربوط به آنچه که طراحی باید انجام دهد) ، الزامات عملکرد (چگونه یک عملکرد باید انجام شود) ، نیازهای فیزیکی (به عنوان مثال فضا ، وزن ، خصوصیات فیزیکی) ، نیازهای قابلیت اطمینان (چه مدت باید دوام داشته باشد)، و غیره.

مشخصات مهندسی بیانیه های مشابهی است که دارای هدف یا اقدامات مورد نیاز هستند ، توسط مهندسان ایجاد می شوند و از نیازهای مشتری بدست می آیند. مهندسی نیازهای مشتری را با دقت مرور کرده و آنها را به اندازه گیری های قابل اندازه گیری ترجمه کنید. به عنوان مثال ، 1) MOUSETRAP برای ساخت کمتر از 20 سنت هزینه دارد ، 2) آن را در یک جعبه 3 "x3" x3 "قرار می دهد ، 3) می تواند 50 بار باز و بسته شود. آنچه برخی از مهندسان و سازمانها "مشخصات مهندسی" می نامند ، برخی دیگر ممکن است همین اظهارات را "الزامات" تلقی کنند ، بنابراین اصطلاحات سفت و سخت نیست. در یک بررسی طراحی ، الزامات و مشخصات مهندسی برای تأیید به مدیریت ارائه می شود.

فاز 3. تولید مفهوم و مرحله ارزیابی (همچنین به عنوان مرحله طراحی مفهومی شناخته می شود). این مرحله مربوط به تولید مفاهیم بسیاری از ایده ها ، مقایسه و ارزیابی آن مفاهیم و انتخاب بهترین مفهوم (ها) برای ارائه است. ایده ها با طوفان مغزی (با نام "تفکر جانبی" ، بر خلاف روشهای گام به گام مورد نیاز اکثر مشکلات تکالیف دوره مهندسی تحلیلی ایجاد می شوند). مفاهیم از این ایده ها جاری می شوند. یک مفهوم یک ایده توسعه یافته است که اعتقاد بر این است که امکان پذیر است (همچنین به عنوان یک گزینه جایگزین نیز شناخته می شود) ، می تواند با جزئیات کافی ارائه شود تا بتوان رفتار آن را بر اساس اصول فیزیکی ارزیابی کرد و نشان داد که امکان پذیر است. مفاهیم مقایسه و ارزیابی می شوند و با مقایسه عملکرد ، هزینه و یا سایر معیارها در یک مطالعه تجاری ، بهترین انتخاب برای ارائه می شوند. مفاهیم و روند انتخاب پایین نیاز به ابلاغ و مستند سازی دارند. در ابتدا ، آنها ممکن است دست به دست شوند و در یک نوت بوک طراحی قرار دهند ، که توسط یک نمودار یا یک نمونه اولیه اثبات مفهوم نشان داده شده است. یک بررسی طراحی سوم به طور معمول در زیر آمده است. برای مثال Mousetrap ، مفهوم یک دانش آموز شامل یک لوله کاغذ توالت سخت شده با یک درب لولایی و چسبیده در یک انتها و با یک درب ورودی یک طرفه در انتهای دیگر بود.

فرایند تولید مفهوم لازم نیست یک تمرین ذهنی بدون ساختار باشد. رویکرد ارجح در زیر شماره گذاری شده است ، و مشابه فلسفه اردوگاه Boot Marine Corp از "پاره کردن" استخدام (مفهوم) به منظور ساختن دوباره وی در تصویر دریایی است. به طور مشابه ، تولید مفهوم مراحل زیر را شامل می شود:

1. تجزیه و تحلیل عملکردی شناسایی توابع مورد نیاز برای یک سیستم ، زیر سیستم یا مؤلفه برای تحقق اهداف و اهداف است. عملکرد یک عنصر همان چیزی است که آن عنصر باید قادر به انجام آن باشد. تجزیه و تحلیل عملکردی غالباً بصیرت است ، زیرا "فرم (یعنی تحقق فیزیکی) از عملکرد دنبال می شود". این امر درک آنچه را که محصول قرار است قبل از تولید مفهوم به عنوان مرحله بعدی انجام دهد ، مجبور می کند. یک تکنیک محبوب (نمودار بلوک جریان کاربردی) بلوک های توابع را به صورت نمودار برای نشان دادن عملکرد یا توالی ها و روابط کار متصل می کند. برای مثال Mousetrap ، بلوک های عملکردی می توانند 1) ماوس را وارد کنند ، 2) ماوس را قادر می سازد که به راحتی وارد شود ، 3) جلوگیری از فرار ماوس ، 4) انتقال ایمن ماوس در Mousetrap برای آزاد کردن محل ، 5) انتشار ایمن ماوس و6) تمیز کردن mousetrap برای استفاده مجدد. سپس طراح می تواند مفاهیم و مؤلفه های فیزیکی را توسعه دهد که می تواند هر عملکرد را برآورده کند.

2. تولید مفهوم با تکنیک هایی مانند الف) طوفان مغزی ، ب) بررسی ادبیات ، ثبت اختراعات ، اطلاعات محصول برای ایجاد ایده های جدید یا استفاده یا اصلاح محصولات موجود ، و ج) صحبت با متخصصان این زمینه ، کاربر نهایی یا افرادچه کسی انجام می دهد (یا انجام می دهد) نگهداری ، تهیه ، حمل و نقل و غیره محصول نهایی. مثال Mousetrap ممکن است شامل مصاحبه با نابودکننده های آفات یا زیست شناسان متخصص در موش ها و جوندگان باشد. مراحل 1 و 2 باید بیش از یک بار برای ایجاد چندین مفهوم نامزد (که به آن گزینه های امکان پذیر نیز گفته می شود) اعمال شود.3. ارزیابی مفهوم برای انتخاب بهترین مفهوم ، با مقایسه و ارزیابی. بهترین مفهوم برای مرحله طراحی محصول (فاز 4) انتخاب شده است. مطالعه تجارت ابزاری برای ارزیابی مفهوم است.فضای تجارت یک مطالعه تجاری مجموعه ای از کلیه گزینه های امکان پذیر است که در پایان مرحله 2 برای ارزیابی در مرحله 3 ایجاد شده است.، قابل تعویض ، تأمین کاربر) و 4 مفاهیم فعال سازی (بهار ، سنسور برقی ، هیدرولیک ، ماوس). اینها به تنهایی فضای تجاری 24 مفهوم ممکن را برای ارزیابی بی طرفانه می دهد! اگرچه همه مراحل مهم هستند ، تجزیه و تحلیل فضای تجاری در طول ارزیابی مفهوم (مرحله 3) به طور سنتی مکانی است که خطاهای کوچک در قضاوت یا برش گوشه ها برای عجله به مرحله طراحی ، یک راه حل غیر بهینه را هدایت می کند. مطمئن باشید که کل فضای تجاری مورد علاقه را درج می کنید و

دانستن

چرا شما هر بخشی را خارج کرده اید (به عنوان مثال ، در نظر گرفتن هیچ طرح Mousetrap که باید به یک پریز برق وصل شود زیرا برق اغلب در همه مکان هایی که احتمالاً تله تنظیم شده است در دسترس نیست). یک فضای تجاری بیش از حد محدود کننده ممکن است منجر به هیچ راه حلی یا نتیجه گیری "مشابه" مانند گذشته شود (یعنی ماوس باید توسط یک نوار فلزی واحد که توسط یک بهار آزاد می شود) نگه داشته شود. سرانجام ، اگر تعداد كامل جابجایی گزینه ها گنجانده نشود یا معیارها بیش از حد محدود كننده باشند ، فرایند مقایسه می تواند گمراه كننده باشد.

بسیاری از تکنیک ها برای مقایسه مفاهیم و تصمیم گیری خوب در دسترس هستند. بعضی اوقات معیارها برای ارزیابی مفهوم در دسترس هستند. بعضی اوقات تصمیمات می توانند به سرعت به سرعت وارد شوند و بر اساس پرسیدن سؤالات ساده مانند:

· آیا مفهوم از نظر جسمی قابل تحقق است یا خیر؟

· آیا فناوری آماده است؟

آیا خیلی پرهزینه خواهد بود؟آیا امن خواهد بود؟آیا می توان آن را تولید کرد؟

آیا می توان یک آزمایش ساده را انجام داد یا نمونه اولیه کوچک ساخته شده یا یک مدل CAD ساخته شده برای اعتبارسنجی یا باطل کردن مفهوم؟

اما مراقب باشید! چنین سؤالات ساده به راحتی می تواند منجر به پاسخ های مغرضانه یا پیش بینی شده شود که به نفع یک یا راه حل دیگر باشد ، زیرا پاسخ ها اغلب "واکنش های روده" یا "تجربه" هستند. تصمیمات اتخاذ شده در اینجا باید جهانی و منطقی باشد. به عنوان مثال ، یک طرح Mousetrap که منبع برق را شامل نمی شود ، بعید است که با شروع سنسور الکترونیکی کار کند. بنابراین این طرح می تواند به طور قانونی از نظر بیشتر حذف شود.

گاهی اوقات بهتر است با اضافه کردن جزئیات بیشتر ، یک مفهوم را ارزیابی کنید ، مانند:

1) قطعات و مونتاژ را در CAD بکشید و نقشه ها و مجامع مفهومی 3 بعدی را برای بررسی ، 2) انتخاب و اجزای اندازه خشن که برای عملکرد مانند موتورها ، مبادلات حرارتی ، دریچه های کنترل ، پیوندها ، سنسورها ، محرک ها و غیره بسیار مهم هستند ، انتخاب کنید. 3) کاتالوگ ها و وب سایت های تأمین کننده را مرور کنید ، با مهندسان فروش صحبت کنید ، 4) آزمایش فیزیکی اثبات مفهوم را برای اثبات امکان سنجی مفهومی ، ساخت یک مدل در مقیاس کوچک یا نمونه اولیه ، ساخت مدارهای "نان" ، 4) انجام محاسبات مهندسی ساده (انجام دهید. مانند پیوندهای اندازه ، سیلندر برای بارهای مورد انتظار ، اندازه مبدل حرارتی ، الزامات اسب بخار موتور) ، 5) از نرم افزار برای شبیه سازی و کمک به تجزیه و تحلیل مهندسی استفاده کنید (به عنوان مثال MATLAB ، مدل کار ، ModelCenter ، Flames ، Software Fe (Ansys ، Algor ، Nastran)) ، نرم افزار نمونه سازی مجازی (ADAMS)) ، تجزیه و تحلیل مدار (PSPICE) ، 6) تجزیه و تحلیل هزینه خشن برای ساخت نمونه اولیه ، محصول نهایی یا تولید انبوه در صورت لزوم. در پایان فاز 3 زمان آن است که "ارائه/گزارش طراحی مفهومی".

طراحی محصول

تولید

شکل 3. مراحل EDP سنتی به عنوان یک فرآیند پی در پی ، از چپ به راست در شکل

مهندسی همزمان

کاربرد مدرن EDP اکنون می تواند مهندسی همزمان را شامل شود ، که شامل تیم هایی است که به طور همزمان و در تعامل کار می کنند تا بر طراحی تأثیر بگذارند ، به جای شکل 3 و به طور مستقل مانند شکل 3. در یک شرکت شرکتی که مهندسی همزمان از همه استفاده می شود - از جمله مهندسی ، تولید ، تولید ، تولید ، تولید ،آزمایش ، بازاریابی ، امور مالی و فروش - در تمام مراحل چرخه عمر محصول باید در برخی از سطوح درگیر باشد. برای اینکه مهندسی همزمان به طور مؤثر کار کند ، تیم ها باید در مرزهای تیم ها و رشته های طراحی همکاری ، اعتماد و به اشتراک بگذارند. هدف مهندسی همزمان کاهش زمان چرخه توسعه محصول از طریق ادغام بهتر فعالیت ها و فرآیندها است. موازی سازی مفهوم اصلی در کاهش زمان سرب طراحی است ... "[2].

در یک پروژه دانشجویی SE ، تیم های زیر سیستم باید در تمام مراحل تلاش طراحی مهندسی سیستم درگیر و همکاری کنند. اطلاعات در بین همه اعضای تیم به اشتراک گذاشته می شود. اطلاعات مشترک فقط ترسیم و نقشه برداری نیست ، بلکه الزامات ، انتظارات ذینفعان ، اهداف ماموریت ، رابط بین زیر سیستم ها ، مفاهیم و غیره است.

موازی سازی برای یک پروژه SE نیز طراحی همزمان و هماهنگ زیر سیستم های مورد نیاز برای ساخت سیستم است. به عنوان مثال ، زیر سیستم قدرت ماهواره ای همزمان با یک تیم بارگذاری بار توسط تیم دیگری توسط یک تیم طراحی می شود و مشخص است که این زیر سیستم ها در طی عملیات به نوعی با یکدیگر تعامل خواهند داشت. برای تضمین نتیجه موفق باید هماهنگ سازی برخی از فعالیت ها و یک مهندس سیستم که موظف است راهنمایی در قالب الزامات رابط و طراحی معماری را برای هر دو تیم ارائه دهد. مهندسی همزمان سنگ بنای مهندسی سیستم است.

مهندسی همزمان در SE می تواند منجر به تکامل سریع مفاهیم و الزامات و جلوگیری از اشتباهات اساسی یا کار مجدد در پایان پروژه شود. هنگامی که مهندسی همزمان انجام می شود ، چرخه طراحی کوتاه می شود زیرا تغییرات طراحی کمتری رخ می دهد ، آنها بیشتر در مراحل طراحی اولیه شکل گیری اتفاق می افتند و کمتر در چرخه اتفاق می افتد (شکل 4). مهندسی همزمان همچنین هزینه را کاهش می دهد زیرا تغییرات طراحی بعداً در این فرآیند گران تر از آن است که زودتر اتفاق بیفتد. قفل کردن در یک مفهوم طراحی ناکافی مورد بررسی ، منجر به هزینه های بیشتر در جاده ناشی از تغییر طراحی و عملکرد ضعیف از "اصلاحات پچ" خواهد شد. انتخاب پیشبرد توسعه بر اساس یک مفهوم طراحی ضعیف می تواند یک اشتباه گران باشد ، زیرا "حداقل 80 درصد از هزینه چرخه زندگی یک وسیله نقلیه توسط مفهومی که انتخاب شده قفل شده است" (NASA/TP-2001-210992)(شکل 5).

شکل 4. طراحی به عنوان تابعی از زمان خودروهای آمریکایی و ژاپنی (موسسه تأمین کنندگان آمریکایی) تغییر می کند

شکل 5. 80 ٪ هزینه های چرخه زندگی با طراحی مفهومی در پایان مرحله A تعیین می شود.

مهندسی سیستم (SE) و EDP

هنگامی که در فرآیند مهندسی سیستم تعبیه شده است ، EDP فرایندی است که برای طراحی عمیق و دقیق قطعات ، قطعات و زیر سیستم ها استفاده می شود. طراحی دقیق یک زیر سیستم ممکن است یک کار طراحی باشد که توسط تیمی انجام شود که اعضای آن بیشتر از یک رشته واحد هستند. به عنوان مثال ، تیمی از مهندسان عمدتا برقی ممکن است سیستم برق را با استفاده از EDP طراحی کنند. و تیمی از دانشمندان/مهندسان عمدتاً رایانه ممکن است به طور مشابه سخت افزار و نرم افزاری را برای سیستم فرمان و انتقال داده ها طراحی کنند. در اوایل EDP ، مهندس سیستم باید اطمینان حاصل کند که ماموریت و الزامات پروژه برای هر تیم طراحی زیر سیستم به خوبی تعریف شده است و زیر سیستم های رابط برای ادغام در یک محصول کاملاً کاربردی طراحی شده اند. پس از مونتاژ مؤلفه ها ، زیر سیستم ها و سیستم ، مهندس سیستم باز می گردد تا از نزدیک بر تأیید صحت (در درجه اول آزمایش) نظارت کند و اعتبار محصول را برای اطمینان از این که مطابق با نیازهای عملکرد است. به عبارت دیگر ، یک وظیفه مهندس سیستم این است که با اطمینان از اینکه مهندسی همزمان در بین مهندسان طراحی زیر سیستم انجام می شود ، "چسب" را که زیر سیستم ها را برای ایجاد یک سیستم یکپارچه ، کاملاً کاربردی و آزمایش شده متصل می کند ، فراهم می کند. اما در غیر این صورت ، طراحی زیر سیستم ها و اجزای خود به طراحان مهندسی واگذار می شود.