Задачи, стадии и этапы проектирования

 

Всякая профессиональная инженерная или научная деятельность в XXI веке уже немыслима без компьютера. Автоматизировать отдельные этапы труда, связанного с разработкой систем управления (СУ) позволяют различные программные пакеты, не связанные непосредственно с этой задачей, а более универсальные, такие как текстовые редакторы (Word), электронные таблицы (Excel), программы и пакеты для математических расчетов и моделирования (MATLAB, MathCAD, Maple, VisSim, Simulink).

Как правило, разработка нового изделия начинается с научно-исследовательской работы (НИР). Характерные этапы НИР показаны на рис. 1. К настоящему времени существуют программные средства для автоматизации всех операций, связанных с НИР, включая исследование и анализ объекта автоматизации.

 

Начало ОКР

 

Рис. 1. Характерные этапы НИР.

При заключении контракта следует исходить из предположения, что ни цену, ни сроки, ни ТЗ изменить не получится. Также при составлении и согласовании требований ТЗ следует исходить из предположения, что соответствие продукции каждому пункту ТЗ следует доказывать, причем обязанность доказательств лежит полностью на Исполнителе.

Разработка ТЗ и КП. В большинстве случаев ТЗ разрабатывает потенциальный Исполнитель, так же как и календарный план (КП) и смету затрат (или общую стоимость договора и ее разбивку по этапам). Если работа заключена по конкурсу, то конкурсная документация содержит ТЗ, КП и цену договора, которые Исполнитель может корректировать лишь в сторону улучшения условий для Заказчика, то есть сокращать КП, ужесточать ТЗ, снижать стоимость. Если Исполнитель выиграл конкурс, то его предложения по этим документам принимают силу закона, т.е. он обязан заключить контракт на этих условиях, а в случае отказа от заключения контракта к нему применяются штрафные санкции.

Штрафными санкциями могут быть: невозвращение залоговой суммы, которая в некоторых случаях берется для допуска к конкурсу или аукциону; недопущение организации к аналогичным конкурсам в течение длительного периода после отказа от заключения контракта; внесение в «Реестр недобросовестных поставщиков», что влечет недопущение к большинству видов работ и конкурсов. Если победитель отказывается от заключения контракта, то право заключения передается организации, занявшей второе место, или результаты конкурса аннулируются. Конкурс может быть объявлен снова (но не обязательно).

Первым этапом НИР, как правило, пренебрегают, что является грубейшей ошибкой. Исследование объекта автоматизации крайне необходимо для обоснованного принятия технических решений по созданию САУ, не говоря уже о том, насколько это важно для корректного составления ТЗ. Петля с уточнением ТЗ и повторным проектированием, вообще говоря, не обязательна и даже не желательна, поскольку вызывает удорожание НИР. Необходимость пересмотра ТЗ, как правило, возникает именно потому, что объект автоматизации был исследован не достаточно тщательно, либо вследствие недостаточного профессионализма разработчиков НИР.

Окончание НИР начинается с этапа приемо-сдаточных испытаний. После начала этого этапа никакие изменения условий договора недопустимы. Поэтому если Исполнитель или Заказчик инициируют изменение условий договора, этот вопрос следует окончательно решить до начала этого этапа. Как минимум, следует перенести срок этого этапа дополнительным соглашением для того, чтобы успеть заключить другое дополнительное соглашение, регламентирующее другие изменения. При инициировании изменений ТЗ следует помнить, что в случае прогноза о невозможности получения результатов НИР, полностью отвечающих ТЗ, возможно, лучший вариант состоит в увеличении стоимость и (или) времени выполнения НИР, чем ухудшении результата хотя бы по какому-то параметру. Не следует пытаться сдать неудовлетворительный результат Заказчику. Вопрос изменений следует согласовывать с Заказчиком заблаговременно и оформлять документально. Силу имеет лишь такое дополнительное соглашение, которое подписано с обеих сторон лицами, заключившими основной договор или их непосредственными заместителями, имеющими эти полномочия, что оформлено приказом. Третий вариант – заключение дополнительного соглашения о смягчении требований ТЗ. Этот вариант не желателен, а в случае государственного контракта практически исключен.

Зачастую Заказчик и Исполнитель ограничены в возможностях изменения условий контракта даже при условии их полного согласия. Например, условия государственного контракта не могут быть изменены по согласованию сторон больше, чем на 10% в отношении срока, цены и качества окончательного продукта. При невозможности достижения согласия, например, если Исполнитель считает работу выполненной, а Заказчик с этим не согласен, вопрос решается, чаще всего, арбитражным судом, однако, в некоторых случаях в контракте предусмотрена возможность одностороннего расторжения контракта по инициативе Заказчика, о чем Исполнителю всегда следует помнить. В случае одностороннего расторжения Заказчик может требовать возвращения всех ранее уплаченных авансов, а иногда еще и требовать выплаты неустойки, если в контракте не предусмотрены иные условия. Если работа разбита на несколько этапов, и часть этапов сдана, то выплаты, осуществленные по актам приемки сданных этапов, как правило, обратно не могут быть востребованы.

Упрощение требований ТЗ вызывает подозрение на сговор между Заказчиком и Исполнителем, а если сумма контракта значительна (более 500 тыс. руб.), то контракт, как правило, заключается на основе конкурса, следовательно, упрощение ТЗ ставит под сомнение результаты конкурса. Поэтому в условиях контракта, как правило, не допускается изменение требований ТЗ в сторону смягчения. Также не допускается изменение цены более чем на оговоренный процент, как правило, 10%. Изменения сроков чаще всего сопряжено со штрафными санкциями в виде уменьшения цены договора. Исполнителю желательно, чтобы было оговорено, что сумма этих санкций не превышает заранее оговоренный процент (например, не более 15%). Если Исполнитель обосновал изменение сроков контракта непредвиденными обстоятельствами или дополнительными требованиями Заказчика, то сроки могут быть изменены без дополнительных санкций, но только в том случае, если получено согласие Заказчика.

Баланс интересов. Любая инициатива об изменении условий контракта требует удовлетворения двусторонних интересов. Например, ужесточение требований ТЗ по инициативе Заказчика позволяет Исполнителю ставить вопрос об адекватном изменении сроков и цены контракта. Увеличение сроков контракта по инициативе Исполнителя также может вызвать со стороны Заказчика требование либо о снижении цены, либо об ужесточении ТЗ.

Перенос работ НИР на ОКР не допустим. Ни в коем случае нельзя надеяться на то, что при выполнении опытно-конструкторской разработки отдельные недостатки НИР могут быть учтены и изжиты. Эти надежды никогда не оправдываются. Целью ОКР не должно быть получение более высоких технических характеристик, чем у системы, выполненной на этапе НИР, целью ОКР является разработка технологического процесса производства изделий, полезность и ценные качества которых несомненны, поскольку подтверждены испытанием действующего макета, разработанного в результате НИР. Результатом ОКР должны являться технология изготовления продукции с технической документацией, исчерпывающе описывающей эту технологию применительно к организации, намеченной для производства этого изделия, а также один или несколько опытных образцов, выполненных по этой технологии, подтверждающих ее достаточность.

Доводочные испытания. Исполнителю рекомендуется предварительно самостоятельно осуществить все испытания изделия, прежде чем выносить его на приемо-сдаточные испытания. Требуемые технические характеристики действующего макета, получаемого в итоге НИР, могут быть первоначально не получены. Они могут быть получены в результате детального исследования этого макета и модификации его после многократных испытаний, называемых доводочными.

Основное отличие ОКР от НИР: Разработку НИР можно кратко зазвать «исследованием», выполнение ОКР – «подготовкой производства». В НИР буква «Р» означает «Работа», то есть действие, а в ОКР – «Разработка», то есть результат. Поэтому аббревиатура НИОКР, означающая НИР + ОКР, категорически не правильна. Она предполагает согласование сумм, сроков и качества результата ОКР на стадии (до начала работ), когда даже еще НИР не начата. Но НИР имеет право окончиться отрицательным результатом, поскольку всякая НИР содержит элементы неизвестности, научные исследования, то есть получение новых знаний. ОКР всегда опирается на потенциальную коммерциализацию результата путем серийного выпуска конечной продукции. Планировать коммерческую деятельность до того, как выполнено научное исследование (и, собственно, вопрос о возможности производства требуемого изделия еще не решен положительно) – такая деятельность образно характеризуется поговоркой «делить шкуру неубитого медведя» (в англоязычной литературе – жарить еще не пойманную рыбу).

Результаты НИР могут быть (и, как правило, являются) результатом кропотливой работы по доведению изделия до нужной кондиции. Для получения действующего макета могут существовать множество способов, некоторые детали и даже отдельные узлы могут быть заимствованы из какой-либо другой установки, серийной, или уникальной.

Чаще всего НИР оканчивается испытаниями действующего макета. Этот макет демонстрирует возможность выполнения задачи в принципе. При этом совершенно не важно, каким путем получен данный макет: Исполнителю не требуется полностью владеть технологией производства этого изделия, часть изделий (или даже все его компоненты) могут быть покупными, или сделаны на основе покупных изделий путем их модификации. Например, если требуется высоковольтный усилитель, и Исполнитель решил эту задачу путем изъятия «лишних» узлов из серийного осциллографа (пример из практики) – это не возбраняется для НИР, если условиях договора специально не оговорено иное. Если же целью исследования являлось, в том числе, обеспечение компактности, малого веса, высокой надежности и так далее, что требует изготовления соответствующих узлов непосредственно исполнителем, то это должно быть недвусмысленно зафиксировано в ТЗ. Основным (физически осязаемым) результатом НИР является действующий макет, который демонстрирует возможность достижения поставленной задачи. В ходе испытания этого макета он может быть приведен в негодность или уничтожен. Зачастую даже если это не так, то в протоколах фиксируют такую ситуацию, чтобы не ставить на баланс Заказчика этот действующий макет как некоторую материальную ценность. Действительно, в случае успешности НИР, макет более полезен Исполнителю для дальнейших исследований, нежели Заказчику, поскольку к этому макету, как правило, не предъявлялись требования по надежности и долговечности. Следовательно, но имеет право придти в негодность в любой момент после окончательных испытаний (если в условиях контракта на НИР не оговорено иное). Поэтому самым важным результатом НИР является научный отчет, в котором описаны все технические решения, которые позволили выполнить НИР и создать экспериментальный образец. Считается, что этот отчет должен быть написан достаточно подробно, чтобы позволить Заказчику силами иных исполнителей воспроизвести результаты. Основной критерий научности результатов – возможность их повторения (воспроизводимость результата).

В итоге ОКР разрабатывается технология производства изделий, а не само изделие. Требуемые технические характеристики опытных образцов (которые произведены по этой технологии и тем самым подтверждают ее достаточность) должны быть результатом правильности технологии производства, а не результатом их последующей штучной доводки до требуемого качества. Для получения опытных образцов должна быть выбрана единственная технология, и они должны быть выполнены именно в соответствии с ней. Базой для выполнения ОКР являются результаты НИР, то есть действующий макет, результаты его испытания (или исследования) и научный отчет по НИР. Поскольку действующий макет может быть приведен в нерабочее состояние (и списан) в итоге приемо-сдаточных испытаний, то наиболее важным результатом НИР является научный отчет и акты приемо-сдаточных испытаний. ОКР не должен быть простым повторением НИР с целью изготовления новых (пусть даже слегка улучшенных) действующих макетов. Основной результат ОКР – не количество и не качество новых изделий, а технология для их производства в требуемом количестве. Как правило, для доказательства завершенности ОКР Исполнитель все же выпускает несколько образцов окончательного изделия, но они совершенно не являются обязательными и не являются весомой частью результата этих работ. Если Исполнитель или Заказчик не понимают этой тонкости, то они не понимают сути ОКР.

Исключением являются НИР и ОКР на разработку программного продукта, поскольку само тиражирование программного продукта – действие, не требующее заводских производственных мощностей, и здесь не столь важно, где и как тиражировать, как важно, что именно тиражировать. Поэтому опытный образец в данном случае – это готовый программный продукт, который далее должен устанавливаться на компьютеры Заказчика. В этом случае основными результатами НИР и ОКР являются как раз не научные отчеты и технологическая документация, а действующий макет программного продукта (в данном случае – отлаженная первая версия программного продукта) и опытные образцы (в данном случае – последующие версии, содержащие результаты модификации и модернизации по результатам опытной эксплуатации результатов НИР).

1.2. Задачи коммерциализации: бизнес-план и жизненный цикл продукции

 

Бизнес-план – это документ, в котором прорабатываются и оцениваются по срокам и затратам все стадии жизненного цикла продукции: от начала НИР, включая ОКР, производство, поставку, гарантийное и послегарантийное обслуживание, модификацию, устаревание изделия (моральное или физическое), и снятие с эксплуатации. Как правило, бизнес-план требуется при формировании крупного государственного заказа, поскольку крупный заказчик, которым является государство, требует окупаемости всего мероприятия в целом, тем самым допуская на начальном этапе убыточность модернизации какой-либо отрасли или принятия какого-либо изделия к оснащению отрасли.

В бизнес-план наряду с рассмотренными выше стадиями разработки и реализации продукции, как правило, выделяют еще «Производство и реализацию» (а не только производство: если речь идет не о разовой продукции, то наряду с реализацией не прекращается и производство новых изделий, так что эта задача двуедина); «Эксплуатацию» и «Утилизацию» [1]. Расходы на всех стадиях в сумме должны окупиться прибылью на всех стадиях. Утилизация может быть крайне затратной, если продукция содержит потенциально опасные химические соединения или радиоактивные вещества. Химические элементы могут быть не опасными сами по себе, но в случае попадания в почву, могут в результате химических реакций образовывать опасные соединения. Поэтому в ряде случаев утилизация – это еще один сложный технологический процесс, например, демонтаж, после которого различные компоненты направляются на дальнейшую утилизацию по разным адресам. Например, если изделие окупится на всех стадиях, кроме утилизации, а утилизация требует дополнительных затрат, и сумма всех затрат с учетом утилизации превышает выручку (прибыль отрицательна), то производство изделия следует признать убыточным. В других случаях утилизация может приносить выручку, например, если при утилизации из изделий извлекаются драгоценные металлы. Если изделие не содержит вредных или драгоценных компонент, утилизация может быть крайне проста, например, переплавка. В этом случае она может быть не убыточной или даже частично прибыльной (металлолом). Иногда утилизацию спонсируют поставщики аналогичных изделий с целью захвата рынка сбыта. Такая деятельность развита в Японии: за сданные технические изделия (автомобиль, телевизор, компьютер) пользователь получает существенные скидки на покупку новых изделий. На самом деле таким путем производитель удерживает пользователя в состоянии ориентации на продукцию этого производителя.

Жизненный цикл изделия включает следующие стадии [2]:

1. Разработка ТЗ на НИР

2. НИР

3. ТЗ на ОКР

4. ОКР

5. Разработка и изготовление опытных образцов

6. Испытание и приемка

7. Технологическая подготовка

8. Производство

9. Эксплуатация, ремонт

10. Утилизация

Первые две стадии можно отнести к этапу постановки задачи. Третью, четвертую и пятую стадии можно объединить в этап проектирования. Шестая стадия – доводка изделия до кондиции. Седьмая и восьмая стадия – подготовка и осуществление производства, девятая и десятая стадии не всегда осуществляются производителем, но чем сложнее изделие, тем чаще эти стадии также выполняются с участием производителя. Утилизация с привлечением производителя особенно важна в тех случаях, когда изделие содержит вредные химические или радиоактивные компоненты, или дорогостоящие материалы. В интересах поддержания благоприятной экологической ситуации на планете целесообразно возлагать ответственность за утилизацию таких изделий на производителя, поэтому производитель должен принимать эту часть работы в расчет при определении отпускной цены изделия.

В [2] выделяют следующие основные этапы ОКР:

1. ТЗ на ОКР

2. Разработка ТЗ

3. Эскизный проект

4. Технический проект

5. Разработка рабочей документации.

6. Испытания опытных образцов.

При этом первые три этапа отнесены к проектированию, а два следующих – к конструированию.

С таким подходом можно не вполне согласиться.

Прежде всего, отметим, что основанием для ОКР должны служить положительные результаты НИР.

Автоматизация жизненных циклов. Для всех этих этапов жизненного цикла промышленных изделий также существуют программные продукты, методы и средства, позволяющие их автоматизировать.

Поскольку автоматизация этих этапов выходит за рамки предмета курса, эти программные продукты не будут нами рассматриваться, однако, полено все же их обозначить.

Этапы жизненного цикла изделий и программные продукты для автоматизации этих этапов.

1. Проектирование (НИР):

1.1. Computer Aided Engineering (CAE) – средства автоматизации инженерного анализа.

1.2. Computer Aided Design (CAD) – средства автоматизации конструкторского проектирования.

1.3. Computer Aided Manufacturing (CAM) – средства автоматизации комплектации (заказа и поставки комплектующих изделий и материалов).

1.4. Product Data Management – система управления проектными данными, т.е. средства функциональной координации работ систем CAE/CAD/CAM/ERP/MRP-2

1.5. Collaborate Product Commerce (CPC) или Product Lifecucle Management (PLM) – системы управления данными в интегрированном информационном пространстве – интеграция PDM/MES/MRP-2(ERP)/CRM(S&SM)

2. Подготовка производства (ОКР)

2.1. Supply Chain Management (SCM) или Component Supplier Management (CSM) – автоматизация управления цепочками поставок.

2.2. PDM (см выше).

2.3. CPC (см. выше).

3. Производство и реализация

3.1. SCM (см выше).

3.2. Enterprise Resource Planning (ERP) – система планирования и управления предприятием.

3.3. Manufacturing Requirement Planning (MRP-2) – система планирования производства и требований к материалам.

3.4. PDM (см выше).

3.5. Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) – сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов).

3.6. Computer Numerical Control CNC – численное управление путем использования системы промышленных контроллеров.

3.7. Customer Requirements Management (CRM) – система взаимоотношений с заказчиком.

3.8. Sales and Service Management (S&SM) – система управления продажами и обслуживанием.

3.9. Manufacturing Execution System (MES) – производственная исполнительная система.

3.10. CPC (см. выше).

4. Эксплуатация

4.1. S&SM (см выше).

4.2. MES (см выше).

4.3. CPC (см. выше).

5. Утилизация

5.1. CPC (см выше).

 

Рис. 2. Характерные этапы жизненного цикла и используемые АС.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1. В каком порядке выполняются следующие этапы по проектированию технических проектов: ОКР, Изготовление опытных образцов, НИР, Испытания и приемка, Разработка технической документации.

2. В чем суть проектирования методами «сверху вниз» и «снизу вверх»?

3. Кем разрабатывается ТЗ на ОКР и почему?

4. Кем разрабатывается ТЗ на НИР и почему?

5. Какой этап предшествует техническому проектированию?

6. Назовите основные этапы ОКР.

7. Перечислите основные цели автоматизации проектирования.

8. Назовите основные методы уменьшения трудоемкости инженерного труда.

9. Какими методами достигается улучшение качества проектирования?

10. Какие из перечисленных методов используются для сокращения трудоемкости проектных работ: автоматизация оформления проектной документации, совмещенное (параллельное) проектирование, вариативное проектирование и оптимизация?

11. Какие из перечисленных задач автоматизации проектных работ могут противоречить друг другу: сокращение трудоемкости проектирования, сокращение себестоимости проектирования, сокращение цикла «проектирование – изготовление»?

12. Назовите основные виды обеспечения САПР.

13. Классический и системный подходы. Два определение системного подхода, их отличия.

14. Какие преимущества дает использование электронных чертежей (схем) перед бумажной технологией?

15. Для чего нужна ассоциативная связь между принципиальной электрической схемой и редактором печатных плат?

16. Какие основные программные пакеты входят в EDA-систему?