第3章系统方案设计
方案设计是系统设计和研制过程中的第一个阶段,也是最重要的阶段。这是一个早期的、在较高层次上的寿命周期活动,能够建立和决定系统及其产品的功能、形式、费用以及研制进度。
问题与相关的需求定义,为系统方案设计提供了个有效且适当的起点。
方案设计的主要目标是选择一条能够设计与研制出较优的系统架构的方法,能最终响应所识别出的用户需求。
在早期建立这个基础,并启动对备选技术方法的早期规划和评价,是实施系统工程过程的重要初始步骤。
从组织的角度看,系统工程应该从一开始就提出系统要求,然后通过集成寿命周期方式满足这些要求。
本章讨论了系统工程过程中的某些步骤,这样做能提供有关下列内容的基本见解和相关知识:
Ø 识别问题或缺陷并将其转换成系统的需求定义,以提供更好的解决方案;
Ø 完成总体系统规划与构建以回应所识别的需求;
Ø 通过描述系统为完成预期目标与任务所必须执行的功能,指定系统的使用要求进行探索性研究,以定义系统设计的技术方法;·
Ø 为系统整个计划的寿命周期提出能持续保障的维修方案;
Ø 确定技术性能参数(TPM)以及相关的设计准则,并对其进行优先性排序;·
Ø 完成系统级功能分析并将其分配给各类子系统和部件;
Ø 进行系统分析与权衡研究;
Ø 指定系统规范;
Ø 进行系统方案评审。
完成上述步骤构成了方案层次的系统定义。虽然完成这些步骤的深度、精力和成本可能会各不相同,但这个过程适用于任何类型或种类的系统,无论系统复杂或简单,大或小。
从系统工程过程的前端开始彻底理解这些步骤是很重要的。总的来说,本章以学习为目的,为系统工程过程的这个关键的早期阶段提供全面的逐步的解决方法。
3.1问题定义与需求识别
系统工程过程始于对要求或期望的识别,这些要求或期望应该基于一个实际的缺陷。
例如:当前的系统不能充分达到一定的性能目标,系统在需要时可能并不可用,系统不能得到很好的保障以及使用费用太昂贵等。
或者,某通信系统不能在速率为X、可靠度为Y、费用在小于Z的条件下,在A点和B点之间提供足够的通信能力。
再比如,某地方交通部门面临的问题是,需要为日益庞大的社区增加一个双向的跨河交通流(为了说明整个过程,这个例子将在3.3节和3.4节进一步展开,并在第4章进行初步设计)。
重要的是从定义问题开始,然后定义相应的系统能力需求。
识别一些直觉的需求,但到最后也不会真正解决当前的问题,这种情况并不罕见。
换句话说,为什么需要这个特定的系统能力?
给定了问题定义,就定义了包含优先排序的新的系统要求、用户使用新系统能力的时间,以及获取必需资源的估计。为了确保一个良好的开端,应该用定性和定量的术语对问题进行全面的陈述,并提供足够的细节来确认进展到下一步。定义一个真实的问题及其重要性,这个过程是非常重要的。
识别需求的必要性似乎是基本的或者说不言而喻的,然而,设计工作经常始于个人兴趣或政治目的,而没有首先充分定义要求。
尤其是在软件和信息技术领域,有一种在充分定义真正的需求之前就详细完成重要编码与软件开发的倾向。
此外,还有工程师由衷地相信他们知道客户需要什么,而在发现需求的过程中却没有将用户包括进来。
现在设计,以后修改的理念往往很盛行,这反过来导致了不必要的成本和延迟交付。
定义问题往往是过程中最困难的部分,特别是在正急于进行设计的时候。
除非在一开始就有一个好的基础,否则错误次数将增加,以及由其引起的费用会很显著,如图2-12所示。
对需求的完整描述是必要的,而且要尽可能定量地描述相关的标准。
问题的定义反映真实的用户要求是很重要的,特别是在资源有限的环境中。
完整且彻底地定义了问题之后,应该进行需求分析,其目标是将宽泛定义的需要(want)转化为更明确的系统级要求。
问题如下:
系统功能方面的要求是什么?
系统必须执行哪些功能?
什么是主要功能?
什么是次要功能?
必须完成什么来缓解已确定的缺陷?
需要在何时实现?
在哪里完成?
需要实现多少次,或必须以什么频率实现?
有许多这种性质的基本问题,因此有必要用功能的方式描述用户的要求,以避免过早确定具体的设计方案或配置。
除非形式服从功能,否则就有可能付出不必要的资源。
最终的目标是先定义做什么,之后定义怎么做。
识别问题并以令人满意的方式完成需求分析,这一过程可以通过团队的方式完成。
团队中应包括客户、最终的消费者或使用者(如果与客户不同),总承包商或生产商,以及主供应商。目标是确保过程相关的所有团体都能适当、有效地沟通。最重要的是,必须听到用户的声音,给系统研制者提供及时且适当的反馈机制。
3.2总体系统规划与架构
给定新系统或改进系统需求后,就可以启动总体的系统规划与架构。
规划与架构是实现新系统和提高系统能力的必要的活动。
实现系统能力的整体项目要求启动了总体系统规划活动以及制定项目管理计划(PMP),如图3-1中的第2个框所示。
尽管每个项目中顶层计划的命名可能不同、但其目的都是准备一个管理相关计划,为所有后续的管理和技术活动提供必要的指导。
图3-1
在图3-1中,实施系统工程项目、准备系统工程管理计划(SEMP)或系统工程计划(SEP),都需要PMP的指导。
同时,这就确定了系统的技术要求,包括制定系统级架构(先是功能,后是实体)。
这个架构包括制定系统使用要求、确定功能架构、提出备选技术方案、对所提方案进行可行性分析、选择维修和保障方法等如图3-2所示。
其结果可用于编制系统规范(A类)。编制的SEMP与系统规应以协调的方式同时完成。
这两个文件必须互相对话并互相支持。
在图3-1和图3-2中看出,识别的要求直接对准与支持图2-4所示的活和里程碑。
系统规范(A类)包括最高级的架构,并为自顶向下形成所有较低级规范奠定基础。
这些较低级别的规范包括研制(B类)产品(C类)、工艺(D类材料(E类)规范,3.9节会进一步进行介绍。
系统工程管理计划将在18.2节详细讨论。本章的剩余部分描述了图2-4下部与图3-2中给出的系统工程过程与步骤。
