7. Projektowanie Koncepcyjne Systemów

7.1  Projektowanie - cechy ogólne
7.2
  Analiza sytuacji i definicja problemu
7.3 Wymagania projektowe nowego systemu
Strona główna

Istotną część inżynierii systemów stanowi teoria i metodologia projektowania systemów. Jej przedmiotem jest proces projektowania systemów, mający charakter procesu twórczego zmierzający do zawarcia w projektowanym wytworze wzoru projektowego, przedmiotu, organizacji, ogólniej bytu, o właściwościach odpowiadających wymaganiom ustalonym w zadaniu projektowym. Charakterystyczne dla systemowego ujęcia projektowania jest to, że przedmiotem projektowania mogą być obiekty takie jak rakieta kosmiczna, komputer, system informatyczny, zakład przemysłowy, dowolny system kierowania, zapewnienia jakości, system transportowy, zaplecze techniczne, a także procesy materiałowe, energetyczne, technologiczne, informatyczne, itp.,[42]. Wynikiem projektowania może być zarówno nowa konstrukcja, nowa technologia jak i organizacja pracy i organizacja sposobu kierowania procesami, (patrz np. rys.4). Taki szeroki zakres zastosowań podejścia systemowego jak wspominaliśmy związany jest z trójdziedzinowym wieloetapowym oglądem całego cyklu życia systemu (rys. 7.1 ). Jak widać z rysunku cykl życia systemu ( oś prostopadła do rysunku), który mamy zamiar powołać do życia jest stosowną syntezą nauki i umiejętności szczegółowych (oś pionowa) oraz logicznych kroków planowania i projektowania każdej fazy życia obiektu (oś pozioma). Niżej zajmiemy się właśnie omówieniem podstawowych faz i metod projektowania systemowego, wyrobów, procesów, organizacji.


Rys. 7.1: Trzy dziedziny projektowania systemu w inżynierii systemów; wiedza i umiejętności, fazy życia, kroki projektowe [43].

7.1  Projektowanie - cechy ogólne

Najbardziej ogólną definicję projektowania podaje Patzak [7], według niego:


projektowanie jest procesem, który prowadzi działalność ludzką od stanu początkowego (problem do rozwiązania - potrzeba do zaspokojenia) do stanu końcowego którym jest pożądany wynik (system = wyrób, obiekt, organizacja, proces, program komputerowy).

Ogólnie taki proces projektowania można przedstawić w zależności od rodzaju planowanego systemu; techniczny, socjotechniczny, organizacyjny, będą tu różnice w elementach procesu projektowania, mniej lub bardziej istotne jak to prezentuje kolejny rysunek 7.2, [41].

Rys. 7.2: Wybrane poglądy na etapy projektowania systemowego [4].

W konfrontacji z przedstawionym już rysunkiem 7.1 wynika zaś najszersze ujęcie procesu projektowania, jest w dziedzinie wiedzy ludzkiej (oś pionowa), od sformułowania potrzeby aż do planów czynności na każdym etapie życia systemu. Na każdym zaś kroku planowania (oś pozioma) wyróżnić można trzy rodzaje pytań - problemów, [7].

  1. Problem informacji - co ja muszę wiedzieć ?
  2. Problem innowacyjny - jak to osiągnąć ?
  3. Problem decyzyjny - jak optymalizować decyzję ?

Problemy te rozwiązuje się przez iteracyjne stosowanie syntezy i analizy poszczególnych możliwych wariantów rozwiązań, patrz rysunek 7.3a i b. Synteza jest tu procesem innowacyjnym dającym nam warianty rozwiązujące dany problem, natomiast analiza jest procesem weryfikującym deklarowane i pożądane własności wariantu rozwiązania. Ostatnim elementem ogniwa podstawowego jest podjęcie decyzji o spełnieniu końcowych wymogów na podstawie określonych kryteriów jakości. Całą procedurę uzyskiwania wariantu dopuszczalnego rozwiązania przedstawia rysunek 7.4, [7].

Rysunek 7.3: Elementarna procedura projektowania (synteza, analiza, ocena) elementów / całości systemu - a, i generowanie rozwiązań dopuszczalnych - b [7].

Zanim jednak uzyskamy ten dopuszczalny wariant systemu, musimy zbiór możliwości skonfrontować z systemem idealnym, wzorcowym. W terminologii amerykańskiej [43], system taki nazywa się systemem wartości i jego projekt musi być pierwotny w stosunku do projektu systemu działaniowego. Tak wiec system wzorcowy lub system wartości projektujemy w konfrontacji z wymogami klienta i środowiska (metasystemu), każdy wariant projektowanego systemu konfrontujemy z wymogami wzorca tak jak na rysunku .

Rysunek 7.4: Pozyskiwanie systemu wartości i jego relacja do projektu systemu [43].

Warto w tym miejscu omówić dialektyczną jedność jaka występuje między analizą i syntezą rozwiązań. Wieloaspektowe naświetlenie tej sprawy przedstawia sam rysunek , zaś ogólnie można powiedzieć, że analiza daje rozwiązania proste - bezpośrednie (od przyczyny do skutku), natomiast synteza to zagadnienie odwrotne, niejednoznaczne, od skutku do przyczyny, [7].

Rysunek 7.5: Porównanie cech analizy i syntezy systemowej, [7].

Projektowanie systemu można także przedstawić jako sprzężony proces sterowania z warunkami zadanymi przez otoczenie, w dynamicznej interakcji miedzy projektowymi celami, środkami i procedurami działania tak jak na rysunku , [7].

Rysunek 7.6: Projektowanie jako zagadnienie sterowania celami, środkami i procedurami przy danych możliwościach otoczenia [7].

Widać tu że proces projektowania winien przebiegać komplementarnie w dwu kierunkach. Od ogółu do szczegółu (top - down analysis), tzn.: od pojęcia do przekroju, od małego do dużego, od długoterminowego do krótkoterminowego ujęcia, od strategii (polityki) do taktyki, od ideału do realizowalnego konkretu. Projektowanie musi również przebiegać odwrotnie, od szczegółu do ogółu (bottom - up analysis), szczególnie podczas poprawiania własności systemu przez modyfikację jego elementów.
Proces projektowania może mieć różną głębokość konkretyzacji. Może to być jedynie intuicyjne rozeznanie problemu, intuicyjna propozycja wariantów rozwiązania i przejście do fazy realizacji. Najlepsze zaś efekty w projektowaniu daje oczywiście ilościowe przedstawienie i rozwiązywanie problemu, zaś graficzne przedstawienie tych i pośrednich poziomów konkretyzacji projektowania przedstawia kolejny rysunek , [7].


Rysunek 7.7: Poziomy konkretyzacji projektu różnych systemów [7].

Tyle o formalnych charakterystykach projektowania musi nam wystarczyć, więcej można znaleźć w przytoczonej tu anglojęzycznej bogatej literaturze przedmiotu z teorii i inżynierii systemów. My zaś zajmiemy się bardziej szczegółowo pierwszym i jednym z najważniejszych faz życia systemu (patrz np. rys. 5.10), tzn. analizą sytuacji i definicją problemu:


Czy, (dlaczego), i jaki nowy system działaniowy jest nam (komuś) potrzebny ?

7.2  Analiza sytuacji i definicja problemu

Polega ona na sukcesywnej analizie potrzeby, otoczenia i ograniczeń również stąd płynących. Czasami potrzeby te są ewidentne dla każdego jak np siedem zasadniczych potrzeb ludzkich wyartykułowane po raz pierwszy przez Maslova, [43], tak jak na rysunku 7.8. Przedstawiona tu hierarchia potrzeb ludzkich bazuje na następujących przesłankach:

  1. człowiek ma wiele potrzeb,
  2. potrzeby mają różne poziomy i intensywności i motywacje, stąd są one hierarchicznie uporządkowane i warunkowane,
  3. człowiek będzie zaspakajał wpierw potrzeby najważniejsze zaniedbując potrzeby wyższego poziomu,
  4. po zaspokojeniu potrzeb danego poziomu zwraca się On do potrzeb wyższego poziomu.


    Rys. 7.8: Siedem zasadniczych potrzeb ludzkich według Maslov'a [43].

    Ta hierarchia potrzeb i sposób ich zaspakajania odnosi się również do potrzeb społecznych człowieka, stąd istnieje wiele wykreowanych nimi zwyczajów i instytucji społecznych, [43], tak jak to pokazuje kolejny rysunek 7.9. Widać z niego, że w miarę rozwoju społecznego pojawiają się wyższe ewolucyjnie potrzeby i powstają instytucje do ich zaspokajania, rozmiar tych potrzeb jest ogromny; od dobrego rządu, do muzeum sztuki nowoczesnej.

    Rys. 7.9: Indywidualne potrzeby człowieka w odniesieniu do społeczeństwa i jego instytucji [43].

    Poszukując natomiast potrzeb dla posiadania i użytkowania nowych produktów wygodnie jest przyjąć określoną strategię poszukiwania poczynając od siebie samego a kończąc na statystykach rynkowych i symulacji komputerowej. W poszukiwaniach tych, zależnie od celu zakresu i poziomu warto konsultować źródła informacji wskazane na rysunku 7.10.

    Rys. 7.10: Źródła informacji niezbędne do wyszukiwania potrzeb do zaspokojenia [7].

    Mając na myśli konkretny już produkt warto sformułować dla niego ciąg pytań, z których wynikną nowe zadania i potrzeby, tak jak to formułuje Hall [4] dając cały ciąg coraz bardziej szczegółowych i udokładniających pytań tak jak na rysunku 7.11.

    Rys. 7.11: Ciąg pytań pomocny przy formułowaniu potrzeby nowego produktu [4].

    Trafiony rynkowo produkt to taki, który spełnia harmonijnie wszystkie potrzeby i ograniczenia, zarówno otoczenia naturalnego, ożywionego jak i stworzonego przez człowieka; począwszy od jego poziomu technicznego aż do sfery socjotechnicznej. Z zestawienia problemów pokazanych na kolejnych rysunkach widać jak szerokie wpływy może mieć fakt powołania do życia i działania systemu i jak łatwo te wpływy przeoczyć na etapie projektowania. Waga dobrego sformułowania potrzeb i ograniczeń jest doskonale widoczna ze statystyki sukcesu idei nowych produktów pokazanej na kolejnym rysunku , cytowanej w książce Schroedera [47]. Jak widać tylko co sześćdziesiąta idea produktu staje się sukcesem rynkowym, spełniając zatem wszystkie wymogi użytkowe i rynkowe.

    Rys. 7.12: Statystyka weryfikacji idei nowych produktów w kolejnych fazach ich życia [47].

    Tak drastyczna weryfikacja nowych idei produktów, i generalnie nowych systemów systemów, dobrze tłumaczy rysunek zaczerpnięty z monografii Sage'a [ 3] przestawiający w sposób bardzo trafny trzy bariery szeroko rozumianej produkcyjności systemu gospodarczego, tak jak na rysunku 7.13.

    Rys. 7.13 Trzy bariery produkcyjności systemu gospodarczego,[3].

    Jak widać z rysunku ssanie zapotrzebowania społecznego na nowe wyroby , mimo że wspomagane z drugiej strony przez stosowne popychanie dostępnych technologii, ma na swej drodze trzy sita lub bramy przepustowe. Z prawej wyłania się konieczność pewnych regulacji w skali społecznej, państwowej, legislacyjnej, rynkowej. W środku mamy barierę zarządzania produkcją jak i kapitałem na poziomie przedsiębiorstwa i korporacji. Z lewej zaś wyłania się granica innowacyjności w korporacji jak i w całym społeczeństwie, np. brak wykształcenia, brak dobrych centrów badawczych na poziomie korporacji jak i na poziomie państwa. Widać więc tutaj skutki dalekosiężnej polityki rozwoju cywilizacyjnego i kulturowego państwa jak np. obecnie w Japonii, USA i większości krajów Europy Zachodniej, lub braku takiej polityki, jak np. w Polsce.

    7.3 Wymagania projektowe nowego systemu

    Mając obecnie już dane do wyboru konkretnego produktu i sformułowane jego najważniejszych cech, musimy je z kolei przetransformować na wymogi projektowe. Odpowiedni ciąg pytań do tego celu przykładowo pokazuje lista pokazana na rysunku 7.13, [4]. Na poziomie projektowania technicznego, nie koncepcyjnego jak obecnie, przy zapewnieniu takich cech jak trwałość, niezawodność, naprawialność, itd. , istnieją specjalne procedury implementacji (alokacji ) tych cech, na każdym etapie życia i w każdym elemencie systemu, [6]. Stopień i poziom złożoności tych zadań w istotny sposób zależy od złożoności projektowanego systemu jak to ewidentnie pokazuje Patzak [7] i rysunek 7.14.

    Jak widać projekt najprostszego systemu odbywa się na wyczucie i od razu przystępujemy do realizacji, natomiast systemy złożone wymagają poprawnego pisemnego i ilościowego zdefiniowania wymogów, rozwiązania i optymalizacji i wielu szczebli planowania realizacyjnego.

    Rys. 7.13 Przykładowa lista pytań transformująca oczekiwania klientów w wymogi projektowe (Hall tabl 6.6) [4].

    Rys. 7.14 Poziomy konkretyzacji i szczegółowości w projektowaniu systemów o różnej złożoności [7].

    Niezwykle ważne z punktu widzenia powodzenia realizacji i użytkowania systemu jest jego definicja, opis wymogów. Dla wspomagania tego procesu można zacytować w ślad za Blanchard Fabrycky [7] następujące pytania definiujące.

    1. Jakie osiągi ma uzyskać projektowany system, ( np. zakres działania, dokładność, prędkość, moc, konsumpcja paliwa, wydajność, itd. ).
    2. Na kiedy system jest potrzebny? Jakie są wymogi konsumenta, jak i jest oczekiwany czas życia systemu ?
    3. Jak system będzie użytkowany, ile godzin dziennie, w tygodniu, jak często włączany / wyłączany, itd.
    4. Jak będzie przebiegać dystrybucja i rozlokowanie systemu, gdzie będą ulokowane podsystemy i na jak długo.
    5. Jakie charakterystyki efektywnościowe system ma posiadać. Charakterystyki te mogą włączać również efektywność kosztową, niezawodność, dyspozycyjność, naprawialność, wymagane wsparcie systemu zabezpieczenia, itd.
    6. Jakie są wymogi środowiskowe dla systemu, (np. temperatura, wilgotność,, udary, drgania, hałas, promieniowanie. Czy system będzie działał w terenie arktycznym, tropikalnym, płaskim, górzystym ? Jakie są przewidywane środki transportu, przechowywania, przemieszczania, utrzymywania w sprawności i gotowości, itd.
    7. Jak system będzie wspierany (zabezpieczany) przez wszystkie fazy życia i kto jest odpowiedzialny za to wsparcie ? Definicja ta włącza opis poziomu napraw, funkcje na każdym poziomie i niezbędne wsparcie logistyczne, zabezpieczenie w części zamienne, szkolenie personelu, opisy użytkowania i napraw..
    8. Kiedy system stanie się przestarzały, jeśli system zostanie wycofany z magazynu / użytkowania, czy są przewidziane sposoby, środki, miejsca reutylizacji i recyclingu, jaki jest wpływ kasacji systemu na środowisko.

Jak widać są to niezwykle ważkie pytania i problemy do rozwiązania i niezależnie od natury systemu muszą być one postawione, odpowiedziane i zastosowane. Warto dodać iż po raz pierwszy sformułowano je na potrzeby uzbrojenia armii USA, i tym można tłumaczyć sukcesy uzbrojenia i armii.

Cechy projektowe systemu są często od siebie zależne (skorelowane) w sposób pozytywny lub negatywny (konfliktowy), co wymaga rozwiązań kompromisowych. Najnowszy przykład metody wielostopniowego powiązania cech wyrobu z wymogami projektowymi i badania wzajemnych relacji i preferencji umożliwia japońska metoda Quality Function Deployment (QFD), [3, 21, 60]. W swym obecnym rozwinięciu jest wielopoziomowa metoda adresowania wymogów klienta / rynku na wymogi procesu, konstrukcji, technologii, zarządzania. Rysunek 7.15 zaczerpnięty z [60] przedstawia tu ideę metody, natomiast następny przedstawia przykład zastosowania do projektowania toru wyścigowego dla dzieci [21].

Rysunek 7.15 Idea japońskiej metody rozkładu funkcji jakości - Quality Function Deployment (QFD), [21, 60], dla nowoprojektowanego systemu.

Cechy systemu przedstawiono tutaj w rzędach poziomych (what ),a proponowane wymogi projektowe w kolumnach pionowych (how). Dach tych kolumn pokazuje ich wzajemne relacje w skali współzależności -9 do +9. Tutaj na przecięciach cech i wymogów projektowych pokazano ich siłę skorelowania a na końcu wagę cechy przy całościowej ocenie systemu. Waga ta pomnożona przez siłę związku z każdą cechą daje sumaryczną ocenę każdego wymogu projektowego (score). Siła związku miedzy cechami (z lewej) wynikająca z badań jest niezwykle istotna przy zmianach cech i badaniu ich trendu w cyklu życia systemu. Mając w ten sposób wybrane wymogi projektowe systemu możemy je w ten sam sposób detalizować za pomocą nowej macierzy QFD drugiego i trzeciego stopnia dochodząc w ten sposób do najlepszych cech projektowych, które jak widać z rysunku mogą dotyczyć wszystkich poziomów projektowania, technicznego, ekonomicznego, psychofizycznego, itd.


Rysunek 7.16 Przykład transformacji cech systemu (what) w jego wymogi projektowe (how) i wzajemne związki i ocena do ewaluacji wg. metody Quality Function Deployment (QFD), [21 ].

W ten sposób zdążamy do sformułowania systemu optymalnego, lecz system będzie optymalny tylko wtedy gdy jego zachowanie wyrażone poprzez cechy będzie w zakreślonych ramach, w każdej fazie cyklu życia systemu. Aby się o tym przekonać należy dokonać prognozy zachowania się systemu, jego cech w całym cyklu życia od koncepcji do złomowania lub recyclingu.

Jeśli dysponujemy modelem ilościowym cechy systemu to możemy użyć dowolnej metody prognozy, np. typu ekstrapolacji trendu, szeregów czasowych itp.. Jeśli zaś nie dysponujemy modelem ilościowym to mamy do dyspozycji metody heurystyczne i intuicyjne, np metodę Delphi odpytywania niezależnych ekspertów o przyszły stan systemu i otoczenia, metodę scenariuszy i inne [7], [43], jak to już omówiliśmy w poprzednim rozdziale. Jedną z tych dróg dojdziemy do określenia optymalnego zasobu zmienności cech systemu. Jeśli ten system będziemy rozumieli w charakterze czarnej skrzynki to będą to cechy wejścia i wyjścia systemu, natomiast zmienne projektowe będą pierwszym przybliżeniem określenia samego systemu. Sytuacja ta zilustrowana jest systemowo na rysunku 7.17, [7].
W tym miejscu warto przypomnieć, że nasz system został na razie wybrany pod kątem widzenia stanu początkowego i końcowego. Konieczne jest dalsze dokładne rozeznanie możliwych zakresów zmienności cech i parametrów. Do tego celu używa się często analizę wpływów (cross - impact - analysis), [7], [8], co również było ewidentne w macierzy QFD, (patrz rys. 7.16) .

Rys. 7.17 Cechy wejścia i wyjścia (wpływ na otoczenie) oraz zmienne projektowe systemu wynikającego z analizy potrzeb, [7].

Mamy zatem sprecyzowane możliwości (wejścia) i wymogi (wyjścia) naszego nowoprojektowanego systemu. Częstokroć jest to system oparty na nowych zasadach działania, projektowania, produkowania i sprzedaży na nowym nieopanowanym rynku. Powołanie systemu do życia wymaga zatem kreatywności na każdym etapie jego życia. A jak pokazaliśmy już na rysunku kreatywność i innowacyjność to 50 % sukcesu firmy. Zatem w kolejnym rozdziale zajmiemy się metodami twórczego poszukiwania rozwiązań wariantów systemu i jego podzespołów.