Управління проектами створення космічної техніки нового покоління на основі компонентного підходу

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми досліджень. Створення складної космічної техніки пов'язане із проведенням комплексу заходів організаційного, конструкторсько-технологічного, проектного характеру, які спрямовані на реалізацію вимог, сформульованих у технічному завданні на систему, що проектується. Сучасні підходи до управління проектами зі створення наукомісткої техніки спрямовані, в основному, на систематизацію управлінських дій стосовно виконавців проекту й не враховують повною мірою досвід минулих розробок і компонентний склад складного виробу.

Останнім часом фахівці в області проектного аналізу й управління проектами велику увагу стали приділяти компонентному підходу, заснованому на виділенні відносно ізольованих елементів у створюваній системі, частина з яких може бути отримана з досвіду минулих розробок.

Наявність таких компонентів дозволяє сформувати архітектуру космічного виробу максимально адаптовану до минулого досвіду, що приводить до мінімізації ризиків, пов'язаних із проектуванням нових компонентів, підвищує реалізованість проекту та мінімізує витрати, пов'язані з виконанням проектів зі створення космічної техніки нового покоління.

Тема дисертаційної роботи має важливе наукове й прикладне значення, тому що вона спрямована на вирішення актуальної наукової задачі розробки моделей і методів управління проектами зі створення наукомісткої космічної техніки на компонентній основі.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є забезпечення ефективного виконання проектів створення наукомісткої техніки на основі активного використання минулого досвіду та розвитку методів компонентного підходу при проектуванні складних космічних виробів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1) провести аналіз існуючих підходів і методів проектування складної космічної техніки;

2) побудувати багаторівневу архітектуру складного космічного виробу та провести класифікацію компонентів;

3) виділити й сформувати множину компонентів повторного використання у вигляді формалізованого досвіду проектування;

4) провести структурний аналіз компонентної архітектури складного космічного виробу;

5) оптимізувати витрати на створення складного космічного виробу;

6) розробити метод оцінки ефективності виконання проекту створення складної космічної техніки на основі ризиків окремих компонентів;

7) створити прикладну інформаційну технологію аналізу й управління проектами зі створення складної космічної техніки;

8) впровадити результати досліджень у практику управління проектами зі створення складних космічних виробів.

1. Аналіз та особливості проектів зі створення наукомісткої космічної техніки

Відзначено, що космічна галузь за своїм досягнутим науково-технічним рівнем та науковими дослідженнями відноситься до однієї з тих в Україні, розвиток якої відповідає світовому. Звідси витікає важливе значення використання її досвіду для розвитку практично всіх галузей народного господарства.

Перспективи виходу на міжнародні ринки аерокосмічних технологій залежать від здатності створювати та виготовляти сучасну техніку, управляти та реалізовувати проекти й програми в кооперації із закордонними організаціями й науково-технічними центрами. До пріоритетних робіт відносяться спільні міжнародні проекти, які мають великі перспективи зі створення космічної техніки нового покоління.

Сучасний науково-технічний рівень створюваних космічних виробів (КВ) вимагає залучення ефективних методів проектного аналізу й управління проектами й програмами.

Проекти створення складної космічної техніки характеризуються: інноваційністю; ієрархічною структурою виконавців; багаторівневим компонентним складом; розподіленістю учасників проекту та складних зв'язків (інформаційних й управляючих) між ними; тривалими строками виконання; високими витратами; ризиками, пов'язаними з інноваціями й обмеженням ресурсів; наявністю невизначеності й впливу зовнішніх і внутрішніх випадкових факторів.

В умовах обмеженості ресурсів велике значення для створення КВ має використання досвіду минулих розробок у вигляді компонент КВ, що позитивно зарекомендували себе. Тому при формуванні архітектури КВ необхідно максимально враховувати минулий досвід і переносити його на нові розробки.

У роботі проаналізовані сучасні системні технології проектування, які ефективно використовуються на початкових етапах управління проектами зі створення КВ. Показано, що в існуючих підходах не приділено належної уваги формалізації досвіду минулих розробок, що реалізується в максимальному ступені в компонентному підході до проектування. Використання компонентного підходу дозволяє ізолювати при проектуванні окремі складові КВ, розглянути їх з погляду новизни й наявності минулого досвіду.

Інноваційність компонент КВ дозволяє, з одного боку, підвищити конкурентоспроможність проекту, а з іншого, може привести до ризиків, пов'язаних з пошуком нових, невідомих раніше рішень. Тому при формуванні архітектури складного КВ необхідно раціонально поєднувати нові компоненти та компоненти минулого досвіду, що дозволить успішно реалізувати інноваційні проекти зі створення КВ нового покоління. Наприкінці розділу представлено основні складові пропонованого компонентного підходу для управління проектами зі створення перспективних КВ.

2. Класифікація компонентів багаторівневої архітектури складного КВ

Виділено три основних типи компонентів, які використовуються при реалізації проекту зі створення складного КВ:

- компоненти, у яких акумульований досвід минулих розробок. Їх можна представити у вигляді компонентів повторного використання (КПВ);

- компоненти, які забезпечують інноваційність проекту, так звані «нові» компоненти (НК);

- складні компоненти (СК), отримані шляхом комплексування компонентів КПВ та НК.

Використання КПВ дозволяє застосовувати готові та перевірені компоненти, що особливо актуально для основних базових рішень (наприклад, платформа КВ). Найбільш відповідальними при формуванні архітектури КВ є нові компоненти (НК). З одного боку, ці компоненти забезпечують інноваційність проекту, з іншого боку, виникає підвищений ризик через фактор новизни, збільшення часу та витрат на створення НК. Пропонований підхід дозволяє проаналізувати основні етапи проекту від планування створення компонент до комплексування компонентів у складі КВ, тим самим оптимізувати строки й витрати проектування. Виділено основні властивості КПВ, які забезпечують успішне виконання проекту: інкапсуляція, що приводить до відносної ізоляції проектованих компонентів; спадковість - створення нових компонентів на базі існуючих; поліморфізм - альтернативність проектних рішень по окремим компонентам. У роботі компонентна архітектура КВ представлена у вигляді ієрархічної структури, у якій на кожному рівні можуть бути присутні різні типи створюваних компонентів. Надалі аналіз успішного виконання проекту КВ здійснюється шляхом оцінки можливості реалізації з обліком «горизонтальної» і «вертикальної» проекцій щодо представленої структури. Горизонтальний напрямок пов'язаний з дослідженням виконання проекту по окремим етапам життєвого циклу (ЖЦ) створення КВ. Вертикальний напрямок пов'язаний з дослідженням багаторівневої архітектури КВ. У розділі запропонована методика виділення й формування множини КПВ для використання в наступних проектах. Спочатку відбувається виділення «близьких» за основними характеристиками виконаних проектів за ознаками: однаковість функцій; аналогічний перелік розв'язуваних задач; близькість архітектур; близькість характеристик. Відповідно до важливості ознак визначена їх послідовність: функціональна (F), операційна (О), архітектурна (А), параметрична (П). Отримані оцінки використовуються для виділення множини КПВ за допомогою лексикографічного упорядкування.

Наприклад, якщо аналізується множина підсистем КВ, то S4(5,3,4,5) - означає, що 4-а підсистема по функціональній ознаці потрапила в множину з 5 близькими підсистемами, по операційній - у підмножину з 3 близькими підсистемами, по архітектурній - у підмножину з 4 близькими підсистемами, по параметричній - у підмножину з 5 близькими підсистемами. Розмір кожної підмножини використовується для оцінки показності i-й підсистеми по j-й ознаці. Чим більше значення qij (показність), тим більше впевненість експерта у виборі i-ої підсистеми як елемента множини КПВ.

Підсистеми, що досліджуються, лексикографічно впорядковуються з урахуванням показності по кожній ознаці. Спочатку ряду будуть перебувати найбільш представницькі підсистеми, які можна використати як кандидатів у множину КПВ. Остаточне рішення по формуванню множини КПВ здійснюють експерти, використовуючи якісні оцінки корисності для порівняння варіантів і виділення переваг.

Далі проведене дослідження життєвого циклу створення КВ. Традиційно схема проектування КВ складається з: формування вимог; розробки архітектури космічного комплексу; створення нових елементів і модифікація існуючих; комплексування елементів; випробування; дослідної експлуатації; передачі замовнику. Недолік традиційного підходу полягає в тому, що проектування КВ фактично здійснюється «з нуля» і засновано на інтуїції та досвіді проектувальників без виділення компонентів проекту. У пропонованому компонентному підході, спочатку, здійснюється аналіз вимог, що закладені в нових проектах, потім виділення множини КПВ, які модифікуються й адаптуються надалі до нового проекту, далі проводяться дослідження ризиків і оцінка виконання нового проекту.

Проект виконується послідовно-паралельно та складається з наступних етапів: Н1 - аналіз вимог потенційних замовників; Н2 - аналіз та узагальнення досвіду минулих розробок; Н3 - створення базової архітектури складного виробу; Н4 - виділення та формування множини КПВ; Н5 - інтеграція компонентів в архітектуру базового виробу; Н6 - випробування базового виробу; К1 - формування вимог в новому проекті, узгодження їх із замовником; К2 - адаптація базової архітектури до конкретного проекту; К3 - модифікація й адаптація КПВ для конкретного проекту; К4 - інтеграція компонентів в архітектурі конкретного проекту; К5 - випробування; К6 - дослідна експлуатація, передача замовнику; С1 - створення нових компонентів.

Для управління процесом проектування в роботі запропонована інтегрована модель, що підтримує процес компонентного проектування. Основна увага розроблювачів концентрується на створенні багаторівневої компонентної архітектури КВ. Для забезпечення настроювання на нові проекти формується механізм адаптації. Інтегровану модель можна представити у вигляді трьох складових, пов'язаних між собою: архітектура нового КВ, організаційна структура управління проектом; компонентна технологія проектування.

Для підготовки до виконання нових проектів пропонується сформувати команду проектувальників компонент, що повинна стати обов'язковим елементом організаційної структури управління проектом.

Наприкінці розділу представлена системна модель проектування КВ:

, (1)

де ST - вимоги замовника; W - множина КПВ, виділених з минулих розробок; N - множина «нових» інноваційних компонентів; WN - множина складних компонентів; A - базова архітектура, що адаптується, надалі, у рамках конкретного замовлення; КТ - компонентна технологія проектування; IР - інтегрований процес створення нового виробу; IT - прогресивна інформаційна технологія для автоматизації компонентного проектування; ОР - організаційна структура управління проектом.

3. Структурний аналіз компонентної архітектури складного КВ

На основі методів теорії графів і теорії перерахування здійснюється відображення можливих компонентів складу в вузли архітектури КВ для одержання множини варіантів КВ.

Для формування варіантів компонентного складу КВ, запропоновано метод цілеспрямованого перебору, заснований на значеннях змінних Xj, пов'язаних з кількістю підсистем КВ, що містять j елементів. При цьому виконується умова:

(2)

де n - кількість компонентів, які використовуються при створенні КВ.

Обмеженням перебору є кількість варіантів, що отримані шляхом підрахунку варіантів складу КВ за допомогою теорії перерахування.

У роботі запропоноване лексикографічне подання КВ для виділення однакових варіантів (з одного класу еквівалентності) архітектури. Компонентний состав i-ої підсистеми КВ представимо у вигляді «складу», у якому, спочатку, стоїть число компонентів у розглянутій підсистемі, а потім розташовані номера типів компонент у порядку зростання. Тоді «слово» складається з множини лексикографічно впорядкованих «складів» (підсистем) і являє собою варіант компонентного складу КВ. Варіанти КВ, які після упорядкування будуть мати однакові «слова», належать до одного й того ж класу еквівалентності (тому ж самому варіанту компонентного складу КВ). Формування варіантів компонентного складу КВ можна здійснити перебором або за допомогою продукуючих функцій (енумераторів).

Використання компонентного підходу дозволяє оптимізувати витрати, пов'язані зі створенням КВ. Нові компоненти (НК) у складі КВ забезпечують інноваційність проекту, але вимагають істотних фінансових і часових витрат на їх створення. Застосування КПВ мінімізує витрати, але при цьому можуть виникнути додаткові витрати, пов'язані з модифікацією й адаптацією КПВ до умов нового проекту. Крім того, виконавці проекту можуть придбати покупні КПВ (ПКПВ), для чого потрібно виділити відповідні кошти.

У роботі отримані можливі постановки задачі мінімізації витрат при створенні компонентної архітектури КВ. Оптимізація здійснюється за допомогою цілочисельного програмування з використанням цільових функцій і обмежень. Як приклад приведемо постановку наступної задачі оптимізації: мінімізувати витрати В, що пов'язані зі створенням КВ на основі компонентної архітектури:

min B, (3)

з урахуванням обмежень на кількість використовуваних у проекті компонентів і витрат часу, пов'язаних з модифікацією КПВ й створенням НК:

?T??T*, , (4)

де - булева змінна, що пов'язана з використанням i-й КПВ в k-й підсистемі КВ: ; - булева змінна, що пов'язана зі створенням е-й НК в k-й підсистемі КВ: ; - булева змінна, що пов'язана із придбанням j-й ПКПВ для k-й підсистеми КВ: ; - витрати на адаптацію (модифікацію) i-й КПВ в k-й підсистемі КВ; - витрати на створення е-й НК для k-й підсистеми КВ; - витрати на придбання j-й ПКПВ для k-й підсистеми КВ; L* - необхідна кількість компонентів у проекті створення КВ: ; - необхідна кількість компонентів для k-й підсистеми КВ; - витрати часу на модифікацію i-й КПВ для k-й підсистеми КВ; - витрати часу на створення е-й НК у складі k-й підсистеми КВ.

Запропонований метод оптимізації дозволяє на початкових етапах формування компонентної архітектури визначити раціональне співвідношення КПВ, НК і ПКПВ в складі КВ.

4. Аналіз реалізованості проектів створення нової космічної техніки

Для цього проводяться дослідження варіантів КВ отриманих у третьому розділі. Оцінюються технічні ризики створення окремих компонентів, які залежать від типу компонентів використовуваних в архітектурі КВ.

Показано, що ризик, пов'язаний з використанням інноваційних (нових компонентів), буде максимальним, тому що для НК збільшується в порівнянні із КПВ життєвий цикл (ЖЦ) створення та рівень невизначеності. Ризик, пов'язаний зі створенням КПВ, буде мінімальним завдяки активному використанню позитивного досвіду проектування. Крім оцінки ризиків створення компонент різного типу в проекті враховується ризик процесу комплексування компонент у підсистеми КВ. Його величина залежить від типу комплексованих компонент, а також від числа компонент nj в j-ій підсистемі КВ.

Імовірність успішного створення -ої компоненти в складі j-ої підсистеми: , а ймовірність створення j-ої підсистеми КВ з урахуванням комплексування компонент:

, (5)

де - імовірність успішного комплексування j-ої підсистеми, .

Імовірність успішного виконання проекту зі створення КВ для оцінюваного варіанта архітектури:

(6)

де r - кількість підсистем КВ, PSr - імовірність успішного комплексування r підсистем у складі КВ.

Далі в розділі побудована імітаційна модель дослідження життєвого циклу (ЖЦ) створення КВ з обліком ЖЦ окремих компонентів.

Модель побудована на основі аналізу подій, пов'язаних з виконанням окремих етапів ЖЦ, має багаторівневе подання та дозволяє прогнозувати строки створення КВ з урахуванням ризиків окремих робіт.

5. Побудова комп'ютерної системи для дослідження проектів зі створення космічної техніки нового покоління

Розроблений у попередніх розділах комплекс моделей та методів був використаний як математичний інструментарій для створення прикладної інформаційної технології дослідження реалізованості проектів КВ побудованих на компонентній основі. Як приклад, для дослідження реалізованості проекту створення космічної техніки нового покоління представлені результати аналізу зі створення космічного апарата (КА) по проекті EGYPTSAT. Був проведений аналіз походження основних компонент та використання досвіду минулих розробок. Оцінка досвіду минулих розробок здійснювалася експертами у відносній шкалі від 0 до 1. Було прийнято, що значення досвіду від 0,8 до 1 ставиться до компонент повторного використання (КПВ). Значення досвіду від 0,5 до 0,8 ставиться до компонент, що модифікуються (МКПВ). А значення досвіду до 0,5 віднесено до нових компонентів (НК). Підсумковий аналіз (оцінка) з обліком усіх (основних) компонент показує, що проект зі створення КА EGYPTSAT можна віднести до проекту, у якому, поряд з існуючими, узятими з минулого досвіду компонентами, є нові. Тому оцінка використання досвіду для всього КА відповідає ~ 0,75.

З урахуванням проведеної оцінки ризиків оцінена ймовірність створення окремих підсистем. Для цього на підставі результатів опитування експертів, були побудовані емпіричні криві: залежність ризику проектування від досвіду минулих розробок; залежність ризику проектування від кількості комплексованих компонент.

1. Корисне навантаження:

Імовірність успішного створення підсистеми «Корисне навантаження»:

2. Платформа:

Імовірність успішного створення підсистеми «Платформа»:

Імовірність успішного виконання проекту КА EGYPTSAT:

Таким чином, ризик, пов'язаний з інноваційністю проекту (ступенем новизни проектних рішень), становить або 22,5%.

Наявність такого досить високого ризику вплинуло на затримку строків виконання проекту EGYPTSAT майже в 1,5 рази та збільшенню фінансування майже на 30%.

Висновки

космічний багаторівневий формалізований

У дисертаційній роботі вирішена актуальна наукова задача розробки моделей і методів управління проектами зі створення наукомісткої космічної техніки на компонентній основі.

Основні результати дослідження:

1. Проведено аналіз методів створення складних космічних виробів. Велика увага приділена архітектурі майбутнього виробу та технологіям компонентного проектування. Обґрунтовано вибір математичних методів дослідження, які включають системний підхід, теорію перерахування, комбінаторний аналіз, методи оптимізації, імітаційне моделювання, теорію управління проектами.

2. Запропоновано ієрархічну архітектуру складного космічного виробу, що засновано на компонентному поданні.

3. Проведено аналіз компонентного складу складного космічного виробу (КВ). Запропоновано класифікацію компонентів КВ на: компоненти повторного використання (КПВ), нові компоненти (НК), які відповідають новим функціональним задачам, і складні компоненти (СК), до складу яких входять КПВ й НК. Сформовано життєвий цикл (ЖЦ) створення компонентів КВ. Найбільш тривалий ЖЦ відповідає створенню нових компонентів КВ.

4. Запропоновано метод виділення та формування компонентів повторного використання, що враховує досвід минулих розробок і заснований на лексикографічному упорядкуванні варіантів за значеннями оцінюваних характеристик.

5. Створено інтегровану модель компонентного проектування виробів космічної техніки, що заснована на компонентній архітектурі та новій організаційній структурі управління проектом.

6. Проведено структурний аналіз компонентної архітектури складного космічного виробу на основі методів теорії перерахування.

7. Побудовано метод формування варіантів архітектури КВ за допомогою цілеспрямованого перебору та продукуючих функцій.

8. Оцінено витрати на створення компонентної архітектури КВ з урахуванням складу компонент. За допомогою цілочисельного лінійного програмування сформована оптимізаційна модель.

9. Розроблено імітаційну модель для дослідження життєвого циклу (ЖЦ) створення КВ з урахуванням ЖЦ окремих компонент. Модель дозволяє прогнозувати строки створення КВ з урахуванням типів компонент і ризиків виконання окремих робіт.

10. Запропоновано метод оцінки виконання проекту створення складного КВ, побудованого за допомогою компонентної технології. Метод заснований на згортці ризиків створення окремих компонентів у підсумковий ризик виконання проекту зі створення КВ.

11. Розроблено комп'ютерну технологію для аналізу ефективності виконання проектів по створенню КВ з використанням компонентного підходу.

12. Проведено апробацію розробленого комплексу методів і моделей і комп'ютерної технології на прикладі аналізу ефективності виконання проекту створення супутника «EGYPTSAT». Показано, що збільшення строків і витрат проекту пов'язане з інноваційністю проекту та досить великим ризиком проектування.

13. Результати дослідження впроваджені в проектні організації, діяльність яких пов'язана зі створенням КВ нового покоління.

Література

1. Замирец Н.В. Анализ развития ракетно-космической техники Украины и стратегия управления программами и проектами / Н.В. Замирец, В.М. Илюшко, С.А. Баулин, В.А. Щеголь // Технология приборостроения. - 2007. - № 2. - С. 30-35.

2. Нефедов Л.И. Математические модели синтеза модулей, блоков и стендов передвижной лаборатории / Л.И. Нефедов, В.Е. Овчаренко, А.В. Овсиенко, В.А. Щеголь // Технология приборостроения. - 2007. - № 1. - С. 36-38.

3. Замирец Н.В. Метод формирования компонентой архитектуры сложного космического изделия / Н.В. Замирец, В.А. Щеголь // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - № 1(28). - С. 114-117.

4. Замирец Н.В. Формальный синтез компонентной архитектуры сложного изделия машиностроения / Н.В. Замирец, В.А. Щеголь // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2008. - № 2. - С. 46-48.

5. Замирец Н.В. Оптимизация затрат на создание компонетной архитектуры космического изделия / Н.В. Замирец, В.А. Щеголь // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 2(49). - С. 93-95.

6. Коновалова Е.В. Риски в инновационных проектах создания космической техники / Е.В. Коновалова, В.А. Щеголь // Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 5(52). - С. 96-98.

7. Замирец Н.В. Управление проектами создания космической техники с использованием компонентного подхода и прогрессивных информационных технологий / Н.В. Замирец, В.А. Щеголь // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: сб. науч. тр. Нац. аэрокосм. ун-та им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». - Вып. 38. - Х., 2008 - С. 234-238.

Размещено на Allbest.ru