Разработка системной архитектуры киберфизической системы "Умный офис"

На основании платформ и решений, информация о которых представлена в сети Интернет, может быть сделан вывод о том, что киберфизичесую платформу от конкретного решения отличает:

1. Неограниченное (строго) количество вариантов использования;

2. Возможность подключения различных средств сбора и анализа данных (библиотек, сценариев и пр.);

3. Возможность подключения неограниченного количества устройств физической сети (умных вещей, датчиков, исполнительных устройств);

4. Неограниченный (строго или явно) масштаб системы.

Приведенным выше критериям отвечают следующие решения:

· ThingsBoard - Open-Source платформа, универсальный инструмент для создания приложений интернета вещей, к которому можно подключать различные приборы и технику;

· Influx DB - Open-Source платформа для сбора данных с датчиков IoT в базы данных временных рядов; не представляет функционала для обратного использования данных для управления устройствами; осуществляет работу совместно с telegraf, chronograf, grafana и т.п.

· AWS IoT - платная платформа от основателей Amazon для создания промышленных, потребительских и коммерческих IoT-решений;

· Azure Event Hub - масштабируемый «центр» приема данных с различных устройств от компании Microsoft;

· IBM Watson IoT - управляемое облачное решение платформы для IoT, предоставляющее возможности глобально-распределенной обработки данных и произведения облачных вычислений;

· SigFox - поставщики платформы для технологий беспроводной низкоскоростной связи в сетях с низким уровнем энергопотребления (ориентировочно: умные датчики, датчики освещенности, пожарной, охранной сигнализации и пр.);

· The Things Network - платформа, позволяющая построить защищенную (по заверениям разработчиков) сеть из умных устройств и центра управления при помощи технологий LoRaWAN (технология для поддержки устройств решений «метео и экологии, и сельского хозяйства»);

· ThingSpeak - open-source сервис для сбора и обработки и визуализации данных;

· Tibbo Aggregate - интеграционная платформа для IoT для «цифровизации всего предприятия посредствам вертикальности решений и глубинного анализа данных»;

· Blynk - платформа, позволяющая интегрировать датчики, облачную обработку информации и девайс (смартфон) в IoT решение;

Обозначенные выше платформы могут быть использованы при реализации киберфизической системы «Умный офис».

1.7 Анализ предметной области офисного пространства

Роль офис-менеджера в офисном пространстве

Подавляющая доля мероприятий офис-менеджмент осуществляется и контролируется работником, чья должность называется «офис-менеджер». Такой человек ответственен практически за все информационные и физические потоки офисного пространства (за исключением ресурсов, не относящихся к области обеспечения офисного помещения и информационного обеспечения сотрудников задачами). Иными словами, офис-менеджер организует делопроизводство организации и обеспечение (поддержку) офисного пространства в надлежащем состоянии, предписанном руководством.

Таким образом, в обязанности сотрудника на должности управленца офиса входит:

1. Доведение до сотрудников приказов руководства;

2. Прием посетителей организации;

3. Подготовка и обслуживание залов для конференций, совещаний, заседаний;

4. Составление форм приказов, постановлений руководства организации;

5. Контроль за поддержанием офисной техники в рабочем состоянии;

6. Обеспечение офисного пространства необходимыми ресурсами для работы (канцелярские принадлежности, малая электроника, провизия);

7. Контроль чистоты и пригодности состояния офисного помещения для работы.

Т.к. обозначенные должностные обязанности напрямую относятся к жизненно важным аспектам работы и жизни офиса, одним из пользователей и стейкхолдеров будущей системы является офис-менеджер.

Производительность сотрудников

На основании обзора научных статей, посвященных офисному пространству, может быть сделан вывод о том, что повышение комфортабельности офисного пространства повышает производительность труда (по ощущениям работников) в среднем от 33% до 96% (т.е. в целом, свой труд как «производительный» при комфортных условиях охарактеризовали 96% респондентов) [25]. Исследование также установило, что комфортные условия работы также влияют на поглощение пищи, который снижается при наличии в офисном пространстве комфортной температуры (около 26-27 градусов по Цельсию). В среднем, сотрудники в комфортны условиях поглощали на 357 кило-калорий меньше, чем при изначальных условиях работы (температура офисного пространства около 19-20 градусов по Цельсию). Другой группой исследователей также было отмечено положительное воздействие температурного комфорта на восприятие других факторов, таких как освещение, акустика, качество воздуха и пр. [27].

Другое исследование подтверждает, что наличие открытых офисных пространств в «зеленых» умных зданиях способно увеличить концентрацию работника вследствие усиления его уровня удовлетворенности (в оригинал. англ. “satisfaction”) офисным пространством [26]. Исследование проводилось посредствам сравнительного анализа отзывов сотрудников, рабочий процесс которых протекал в традиционном здании с офисами пространствами закрытого типа, или же в «зеленом здании» с пространствами открытого типа. Также исследователями было отмечено, что доступ к оконному пространству и солнечному свету также положительно отражается на уровне удовлетворенности работника.

В работе исследователей из Швеции [28] представлен анализ воздействия офисного пространства и корпоративной культуры на производительность сотрудников организации и их удовлетворенность процессом в целом. В работе выдвинут ряд заключений о том, как структура и принцип работы офиса влияют на продуктивность сотрудников:

1. Эффективность офисных коммуникаций может быть увеличена при помощи особых условий труда;

2. Правильная коммуникационная среда помогает каждому отдельному работнику понимать его место в общей организации предприятия и эффективно взаимодействовать в этой структуре;

3. Чем больше возможностей для коммуникации имеет сотрудник - тем больше методов взаимодействия и выполнения задач он может предоставить;

4. Офисное пространство должно соответствовать роду в виду деятельности организации;

5. Офисное пространство должно обеспечивать оптимальную поддержку выполнения задач работника;

6. Офисное пространство должно иметь способность адаптироваться к нуждам и целям организации;

7. Правила работы офиса должны быть предписаны его корпоративной культурой;

8. Офисное пространство имеет достаточное воздействие на производительность сотрудников;

9. Офис должен быть достаточно комфортабельным для того, чтобы в нем хотелось остаться.

В настоящей работе приведены далеко не все утверждения, представленные в трудах исследователей. На основании полного списка утверждений могут быть составлены соответствующие требования для разработки КФС со стороны пользователей.

1.8 Существующие прототипы системы «Умный офис»

Решения, предлагаемые исследователями

Наглядным примером решения применения КФС и IoT технологий является система офисного наблюдения за здоровьем сотрудников, применяющая облачные вычисления [22]. Также, приведенное решение учитывает различные активности работника офиса, оценивая их влияние на общее состояние его здоровья при помощи вычисления специального индекса (в оригинал. англ. «Severity Index»). Архитектура обозначенного решения [22] приведена ниже, на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 Предполагаемая архитектура для решения «Умного офиса»

Приведенная иллюстрация описывает последовательное преобразование данных, поступающих с портативных датчиков (в англ. оригинал. «smart wearable»), биосенсоров и комнатных датчиков в классификационные модели, на основании которых при помощи облачных вычислений производится расчет необходимых для прогнозирования и расчета значений показателей на слое приложения. Обозначенный алгоритм наглядно описывает принцип работы с данными, связанными с присутствием человека и поступающими от датчиков любого вида.

В другом решении системы «Умного офиса» авторы предлагают использование не только портативных и нательных датчиков (т.е. «smart wearables»), но и их комбинацию с MQTT и Razberry технологией [29]. Приложение на устройстве пользователя может быть активировано при помощи голоса, а контроллеры Razberry рассчитаны на передачу сигналов на дистанции, сравнимые с размерами обширного офисного пространства. В целях экономии электроэнергии, такая система оснащена инфракрасными датчиками обнаружения задымления, пламени, света и измерения уровней звука и влажности.

Лаборатория НИУ ВШЭ г. Пермь

Один из рабочих прототипов системы умного офиса располагается в Пермском кампусе НИУ ВШЭ, третий корпус, кабинет 507. В настоящее время лаборатория включает в себя станцию управления в виде персонального компьютера с достаточными вычислительными мощностями, контроллеры и платы расширения Arduino, связанную с системой посредством Wi-Fi камеру, набор датчиков и пример мобильного девайса в качестве планшета под управлением OS Android. В число средств разработки лаборатории включены SIMBA-DKL и Sensi SUB. Для контроля объема энергозатрат система содержит плату обеспечения энергомониторинга.

Более подробный набор установленных датчиков приведен ниже:

· Датчик освещенности на LM393;

· Датчик атмосферного давления BMP280 (GY-BMP280-3.3);

· Датчики температуры и влажности DHT11;

· Датчики дождя на LM393;

· Камера 5 мегапикселей, интерфейс CSI для Raspberry Pi;

· Датчики температуры DS18B20 в герметичном корпусе;

· Датчик движения HC-SR501 (PIR сенсор);

· Датчик газа MQ-2, дым, метан, бутан.

В настоящий момент киберфизическая система лаборатории работает в штатном режиме, получая информацию с датчиков температуры (расположенных в различных частях комнаты для более точного измерения температуры воздушных потоков в помещении), движения, влажности, и освещенности. Подключенная камера снимает показания о любом передвижении внутри помещения. Однако, на данный момент система не осуществляет автоматическое управление системами освещения и отопления в помещении (т.е. не имеет активного инструмента управления устройствами-исполнителями) и не предоставляет средств глубокого интеллектуального анализа, прогнозирования и адаптации к требованиям и потребностям пользователей.

1.9 Выводы по главе анализа предметной области

Таким образом, в настоящей главе было проведено исследование предметной области, в процессе которого:

1. Установлено определение как КФС в целом, так и «Умный офис»;

2. Выделаны характерные черты КФС;

3. Приведены конкретные сферы применения КФС;

Также в главе была рассмотрена кибернетическая модель управления, инструменты анализа данных и основные уровни управления КФС. После рассмотрений инструментов управления были рассмотрены такие аспекты, как составные части киберфизических систем. После краткого обзора частей КФС в главе приведено исследование основных технологий и концепций, окружающих понятие киберфизических систем.

После обзора смежных понятий ПО в главе приведены конкретные примеры киберфизических систем, такие как:

1. Умный дом;

2. Умное здание;

3. Умный офис;

4. Системы умного энергоснабжения.

За обзором перечисленных классов киберфизических систем следует рассмотрение основных свойств платформ, призванных упростить организацию, установку и настройку киберфизических систем. После анализа предметной области КФС, глава содержит описание предметной области офисного пространства. В обозначенном разделе была рассмотрена роль управляющего состава в организации работы офисного пространства, также были освещены основные факторы, потенциально влияющие на производительность сотрудников.

В завершении главы приведены примеры систем «Умный офис» и краткое описание реально существующего решения, реализованного на базе одного из помещений Пермского кампуса НИУ ВШЭ. Приведенное описание содержит список сенсоров и основные принципы работы системы, ее функциональные возможности.



2. Формулировка требований к системе

2.1 Анализ стейкхолдеров системы «Умный офис»

Настоящий раздел содержит описание наиболее значимых заинтересованных лиц, участвующих в поддержании работы офисного пространства т.е. потенциальных стейкхолдеров КФС «Умный офис». Для начала следует определить, кто является стейкхолдером, т.е. дать определение обозначенной сущности. В настоящей работе термин употребляется в значении заинтересованной или причастной стороны, имеющей интересы относительно любого из этапов жизненного цикла информационной системы или продукта. Исходя из исследований предметной области, стейкхолдерами системы «Умный офис» являются представители должностей, в чьи должностные обязанности или интересы входит любой из аспектов разрабатываемого продукта. Таким образом, может быть выделен следующий (первичный) список заинтересованных лиц:

1. Офисный работник (поскольку эффект от внедрения системы коснется его рабочих процессов);

2. Офис-менеджер (поскольку его должностные обязанности напрямую коррелируют с целями разрабатываемой систем);

3. Руководители предприятия (поскольку они ставят цели отделам и в их интересах состоит увеличение производительности труда сотрудников);

4. Условный интегратор (поскольку результатом его деятельности является первичная установка и поддержка работы системы).

В соответствии с рекомендациями К. Вигерса по разработке требований к программному обеспечению, на основании задач и проблем (в оригинал. англ. «concerns») [30] каждой из групп стейкхолдеров должны быть выделены конкретные требования, которые в процессе систематизации будут разделены на функциональные, системные, пользовательские, бизнес-правила, ограничения и атрибуты качества и требования к интерфейсу. Вполне вероятно, что т.к. конкретного заказчика настоящая работа не имеет, некоторые группы требований имеют большую степень проработанности, чем иные. К примеру, в случае с разрабатываемой системой точные требования к функционалу, наполнению и дизайну оконных форм не известны. Однако, могут быть приведены общие требования к интерфейсу и его характеристикам.

2.2 Концепция выявления требований

Принципы выявления требований

Согласно рекомендациям, приведенным в литературе по созданию требований к программному обеспечению [30]: Проблемы и несовершенства хода работы в состоянии «AS-IS» порождают необходимость существующей организации или компании в изменении. В случае с разрабатываемой системой, потенциальные несовершенства представлены особенностями работы, характерными для работы в офисном пространстве (повышенный уровень шума, недостаточный уровень освещения, отсутствие температуры в помещении для комфортной работы).

Именно «concerns» организационных единиц, участвующих прямо или косвенно в процессе работы, или зависимых от ее результатов служат источником для выявления несовершенств. Каждое из несовершенств имеет отражение в потребностях, целях и процессе выполнения задач стейкхолдеров (т.е. ранее упомянутые «concerns»). На основании всех выявленных несовершенств производится формирование списка целей, из которых в конечном итоге складывается совокупность Бизнес-целей.

Бизнес-цели подразумевают под собой получение определенных Бизнес-преимуществ для организации и бизнеса. Бизнес-цели ставятся перед разрабатываемым программным продуктом и должны являться четко измеримыми, что означает, что к ним может быть полностью или частично применена методика формулирования целей SMART. Обозначенная методика напоминает автору целей о том, что любая задача должна быть:

1. Specific - конкретной (т.е. должна иметь однозначную, понятную исполнителям задач и другим заинтересованным лицами, формулировку);

2. Measurable - измеримой (т.е. должна иметь возможность точной фиксации в установленных единицах или документальной фиксации);

3. Achievable - достижимой (т.е. средства и ресурсы предприятия должны иметь гипотетический, а лучше - реальный потенциал для успешного достижения цели и выполнения задач);

4. Relevant - значимой (т.е. иметь конкретный вклад в достижение цели и выполнение задачи, который может быть однозначно оценен);

5. Time-Bound - ограниченный во времени (т.е. должна иметь определенные временные рамки выполнения / осуществления).

Установленные бизнес-цели лежат в основе бизнес-требований. Также в основу входят: критерии успеха, бизнес-возможности и положение о концепции. Таким образом, перед формулировкой конкретных требований необходимо:

1. Разработать обобщенную логическую концепцию системы;

2. Определить и оценить бизнес-возможности гипотетической компании;

3. Установить критерии успеха системы.

Удовлетворение каждого из Бизнес-требований, сформулированного любым представителем из числа стейкхолдеров, должно предоставлять Бизнес-преимущество в результате реализации и внедрения ПО. Бизнес-требования, в свою очередь, должны формировать концепции продукта и его границы (конкретные бизнес-требования также должны иметь разумные границы). Такая концепция должна формироваться в виде сжатого описания конечного продукта, который поможет компании достичь бизнес-целей, предоставив тем самым бизнес-преимущество компании.

Из вышеприведенного следует, что концепция продукта и его границы не должны входить в противоречие с Бизнес-целями, задачами и требованиями. Также концепция должна полностью решать ряд задач, стоящих перед орг. единицами, выдвигающими требования. Документ концепции также должен определять границы проекта и ПО на высоком уровне. В то время как подробности границ должны быть выражены в отдельных базовых требованиях более конкретных категорий и условиями реализации программного продукта командой разработки. Предполагается, что все современные проекты должны иметь завершенный документ концепции и границ и спецификацию требований.

В рамках настоящей работы предполагается, что при описании категорий требований не возникает конфликтных ситуаций, заключающихся в выдвижении противоречивых требований и целей со стороны различных групп стейкхолдеров. Т.е. полагается, что представленные списки требований прошли предварительную обработку. Также предполагается, что процессы достижения целей и задач проекта не блокируют друг друга. Таким образом, возникновение подобных ситуаций не учитывается.

2.3 Разработка требований к системе «Умный офис»

На основе составленной концепции выявления требований может быть составлена диаграмма преобразования сведений в требования к ПО, представленная на рисунке 2.1. Приведенная иллюстрация отображает информационные области, формируемые в результате сбора требований для системы. Связи между информационными областями / группами требований свидетельствуют о том, что на основании группы / области-источника может быть образована новая группа требований.

Приведенная диаграмма кратко и относительно лаконично описывает процесс преобразования существующих проблем организации в соответствующие цели, задачи и потребности. На основании обозначенных, неформализованных целей могут быть сформулированы более полные их версии, «Бизнес-цели».

Рисунок 2.1 Расширенная диаграмма процесса разработки требований

Важным замечанием является то, что критерии успеха проекта могут напрямую коррелировать с количественными и качественными показателями достижения каждой из бизнес-целей таким образом, чтобы от осуществления проекта условная компания, внедряющая систему, смогла получить соответствующие бизнес-преимущества, на основании которых может быть первичный список требований к системе, в дальнейшем преобразованный в концепцию проекта и т.д.

Стоит отметить, что представленные связи не конкретизированы и обозначенный алгоритм не описан полностью, в разделе далее (см. разд. 2.3.1 «Алгоритм выявления требований») представлен его более подробный разбор. Стоит отметить, что некоторые фрагменты предметной области КФС, добавленные на диаграмму, требуют пояснения и расшифровки:

1. Область «Условия эксплуатации системы». В связи с тем, что система не имеет конкретного заказчика, а, следовательно, физического времени и места применения, обозначенная область не будет подробно рассмотрена в ходе дальнейшей работы / исследования;

2. Область «Стандарты предметной области» отвечает за учет стандартов, имеющих прямое или косвенное отношение как к деятельности организации, так и к дисциплинам / методам, примененным в ходе разработки системы;

3. Область «Характеристики класса системы» отвечает за характерные / ключевые особенности разрабатываемой системы с точки зрения технологических концепций, лежащих в основе ее функционирования.

Стоит также отметить, что границы проекта, в которых лежит реализация системы, также коррелируют с рамками охватываемой предметной области. Т.к., к примеру, в предметную область разработки могут входить специфические и взаимоисключающие решения по построению архитектуры, в результате которых может быть выбрано лишь одно из нескольких. Из этого следует, что ограничения концепций, инструментов и технологий реализации, являющиеся следствием решений команды разработки, представляют собой очерченную предметную область. Однако, обозначенный принцип не ограничивается исключительно процессами этапа разработки.

И в рамках настоящей работы основным ограничением (рамками) при работе над системой является ряд свойств, характерных для КФС (выделенный список характерных черт приведен в приложении Б, «Список свойств киберфизической системы»).

Алгоритм выявления требований

Таким образом, для формирования первичного списка требований к ПО, необходимо выполнить следующие шаги (принимая во внимание отсутствие подробностей о компании-заказчике или компании-разработчике):

1. Собрать информацию о потенциальных гипотетических проблемах предприятия, связанных с работой в офисе;

2. На основании потенциальных проблем произвести формулировку потребностей в разрешении проблем и осуществить постановку целей и задач по достижению потребностей;

3. Обозначенные потребности необходимо формализовать в виде бизнес-целей в соответствии с методикой SMART (частично или полностью таким образом, чтобы задача не являлась абстрактной);

4. Сформулировать желаемые бизнес-преимущества, получаемые организацией при достижении поставленных бизнес-целей;

5. Выявить наиболее вероятные бизнес-возможности по разработке и внедрению разрабатываемой системы;

6. Установить критерии успеха ПО (которые должны быть связаны с поставленными бизнес-целями);

7. Сформулировать бизнес-требования к системе на основании:

a. Критериев успеха;

b. Бизнес-возможностей;

c. Бизнес-целей;

d. Бизнес-преимуществ;

8. Сформулировать и формализовать концепцию будущей системы на основании:

a. Бизнес-требований системы;

b. Границ проекта по разработке системы;

c. Предметной области КФС, состоящей из:

Характерных черт класса системы (т.е. КФС);

Условий эксплуатации системы;

Стандартов предметной области;

9. На основании формализованной концепции требований сформировать списки:

a. Требований потенциальных пользователей;

b. Бизнес-правил;

10. На основании требований потенциальных пользователей построить диаграмму вариантов использования;

11. На основании приведенного писка бизнес-правил построить списки:

a. Атрибутов качества;

b. Функциональных требований, в которые также должны быть включены:

Сформулированные системные требования;

Атрибуты качества;

Прецеденты использования, приведенные в диаграмме Use Case;

12. Сформулировать ограничения, накладываемые на систему;

13. Сформировать требования к интерфейсу (если таковые имеются);

14. Сформировать конечный список требований к ПО на основании:

a. Списка функциональных требований;

b. Ограничений;

c. Потенциальных требований к интерфейсу системы.

Стоит отметить, что некоторые из областей, обозначенных списком выше, не раскрыты в настоящей работе по причине отсутствия конкретного заказчика-предприятия и сведений / информации. К примеру, в исследовании не освещается процесс составления области данных «Условия эксплуатации системы» и «Требования к интерфейсам».

Проблемы и потребности офисного пространства

Как показывает исследование предметной области, большая часть проблем, характерных для офисных пространств, связана с планировкой и архитектурными решениями конкретных зданий. Т.е. с условиями и «внешними переменными», не являющимися объектами, которые могут быть изменены посредствам внедрения или использования устройств-исполнителей киберфизичеких систем.

Однако, под потенциальной проблемой может пониматься отсутствие фактора, который привел бы к положительному результату для определенного лица, стейкхолдера, организации в целом. Таким образом, могут быть установлены следующие потенциальные проблемы верхнего уровня:

1. Комфорта:

a. Отсутствие достаточного и комфортного уровня освещения;

b. Нарушение уровня шума в офисном помещении;

c. Нарушение температурного режима помещения;

2. Недостаточной безопасности:

a. Несоответствие помещения требованиям пожарной безопасности;

b. Установка системы наблюдения за офисными помещениями;

c. Отсутствие системы допуска и пропусков сотрудников организации;

3. Эксплуатационные расходы:

a. Отсутствие инструмента учета затрат офисного помещения;

4. Энергосбережение:

a. Высокое энергопотребление аппаратов.

На основании выделенных проблем могут быть выделены цели, потребности и задачи по их решению. Таким образом, организация имеет потребность в наличии инструмента, предоставляющего комфортные условий работы сотрудникам (включая подпункты), решающего проблемы безопасности, эксплуатационных расходов и проблем, связанных с энергосбережением офисного оборудования. Соответственно, основными целями является удовлетворение обозначенной потребности.

Бизнес-цели организации

На основании обозначенных проблем и наличии потребности в их решении, организацией выдвигаются следующие структурированные бизнес-цели (см. рис. 2.2.). На представлении стратегии и мотивации (в оригинал. англ. «motivation & strategy») отображены ресурсы, которые «подписаны» на исполнение бизнес-возможности, которая, в свою очередь, «реализует» направление деятельности организации, которая «влияет» на выполнение целей и задач, состоящих в иерархии (связи агрегации). На представленной диаграмме обозначены главные цели, приведенные в разделе 2.3.2. «Проблемы и потребности офисного пространства».

Рисунок 2.2 Дерево бизнес-целей предприятия

архитектура киберфизический система умный офис

Инструментом для построения дерева целей был выбран Archi, в качестве нотации выбран Archimate 3.0., имеющий возможности включения в архитектуру предприятия элементов киберфизических систем, интернета вещей, обновленных целей, результата, направления деятельности, бизнес-возможностей и ресурсов, которые используются во время реализации проекта.

Бизнес-возможности, преимущества, критерии успеха

В рамках настоящей работы, бизнес-возможности представлены в каноничном понимании по К. Вигерсу [30] т.е. описывают ряд существующих возможностей для продвижения продукта на рынке киберфизических систем без учета подробностей дизайна и реализации:

1. Все большее количество компаний заинтересовывается внедрением систем, оптимизирующих работу и поддержку офисного пространства;

2. Современные здания строятся с расчетом на возможность внедрения КФС;

3. Система подпадает под актуальные и развивающиеся технологии четвертой индустриальной революции, вследствие чего она является актуальной для изучения и применения;

4. Система класса КФС имеет элементы, модули и инструменты интеллектуального анализа, которые не присутствуют в традиционных системах безопасности;

5. Разрабатываемая система способна к адаптации к изменениям окружающей среды без участия оператора, что невозможно в стандартных распределенных системах.

Бизнес-преимущества, которые получает организация от внедрения, должны составлять пользу для стейкхолдеров. Таким образом, преимуществами от внедрения системы являются:

1. Снижение:

a. расходов на содержание офисного помещения;

b. издержек на закупку и учет средств на поддержку офиса;

c. энергозатрат на содержание офисного пространства;

2. Увеличение производительности труда сотрудников организации.

Критериями успеха является мера достижения бизнес-целей, приведенной иерархии ранее, в разделе «Бизнес-цели организации».

Требования соответствия предметной области

На основании характеристик киберфизической системы, приведенных в разделе 1.1.2, может быть составлен список требований для системы «Умный офис», приведенный ниже. Таким образом, система должна:

1. Осуществлять контроль над физическими и организационными процессами системы и / или окружающей среды;

2. Являться сложной (состоящей из множества слоев / элементов), охватывающей различные домены приложений (мобильные приложения, веб-приложения, windows-приложения);

3. Включать высокую степень интеграции различных (технических, научных и пр.) дисциплин и доменов приложений в рамках единой системы;

4. Отвечать высокому уровню требований надежности;

5. Имеет высокую степень взаимодействия с физическим окружением и пользователями;

6. Непрерывно выполнять сбор информации о собственной работе и выполнять ее оптимизацию;

7. Постоянно адаптироваться и вовлекается в изменения окружающей среды посредствам реконфигурирования и перераспределения ресурсов в реальном времени;

8. Применять иерархическую структуру в качестве системы для принятия решений при высокой автономности каждого из элементов системы на локальном и глобальном уровнях (в зависимости от количества уровней системы);

9. Являться распределенной и взаимосвязанной «системой из систем» (для отдельных «умных устройств»).

10. Применять кибернетическую модель управления;

Стоит отметить, что обозначенные требования могут быть отнесены к различным группам, и не являются конкретными. Т.е. должны иметь отражение в более подробных группах требований при конкретной реализации проекта.

Концепция системы

Положение концепции по К. Вигерсу описывает краткое содержание системы, которое призвано обеспечить понимание назначения и особенностей ее работы. Подобные документы занимают важную роль при разработке информационных систем, т.к. именно положения способны обеспечить единое понимание основных принципов работы будущей системы среди всех групп стейкхолдеров.

Традиционная концепция содержит в себе следующие пункты:

1. Целевая аудитория;

2. Положение о потребностях и возможностях

3. Имя продукта;

4. Категория продукта;

5. Функции, преимущества, основные конкурентные преимущества продукта;

6. Аспекты, которые улучшает система;

7. Основное отличие от существующего решения.

Таким образом, концепция может быть сформулирована следующим образом:

Для организации, находящейся в поиске решений по увеличению производительности работников, повышению уровня комфорта и снижению затрат и издержек на поддержание офисного пространства, КФС «Умный офис» обеспечит не только контроль за расходными материалами и состоянием офисной техники, но и за основными показателями безопасности и уровня комфорта сотрудников, что сделает их работу более продуктивной (до двадцати процентов) и менее утомительной, что повысит доходы от проектной деятельности предприятия в среднем на 10%. Система позволит сэкономить на эксплуатационных затратах офисного оборудования до 25% стоимости и сократить энергопотребление всего помещения на 15%. В отличие от других существующих на рынке систем, КФС «Умный офис» обладает развитым инструментом сбора и анализа данных, что позволяет системе автоматически, без участия оператора адаптироваться к изменениям внутри и снаружи офисного пространства, исходящих как от сотрудников, так и от внешней среды.

Конкретные процентные значения обозначены на основании обзора литературы.



Обзор стандартов предметной области

На основании обзора литературы, затрагивающей вопросы организации работы в офисном пространстве и общего списка международных стандартов ISO, были выделены наиболее актуальные. Приведенный список стандартов позволяет более основательно подойти к процессу разработки и получить наиболее подробную информацию относительно понятий, применяемых, в рамках предметной области разработки киберфизической системы «Умный офис»:

1. «Эргономические принципы обеспечения адекватности умственной нагрузки. Основные термины и определения», ISO 10075:1991 (в англ. ориг. Ergonomic principles related to mental work-load);

2. Системы менеджмента охраны здоровья и безопасности труда - Требования и рекомендации по применению, ISO 45001:2018 (в франц. ориг. Systиmes de management de la santй et de la sйcuritй au travail -- Exigences avec directives d'utilisation);

3. Менеджмент ресурсов домашних сетей - Требования, ISO/IEC 30100-1:2016;

4. Системы энергетического менеджмента - требования и руководство по применению, ISO 50001:2018 (в англ. ориг. Energy management systems Requirement with guidance for use);

5. Процессы жизненного цикла человеко-ориентированной системы, ISO TC 159/SC (в англ. ориг. Ergonomics - Human system interface - Human-system life cycle processes);

К примеру, в стандарте ISO 10075:1991 приводится перечень понятий, связанных с работоспособностью сотрудников офисных пространств, а также приведен список факторы физической окружающей среды, оказывающих достаточное воздействие на ощущение умственной перегруженности сотрудника: уровень освещения, климатические условия, уровень шума, погодные условия, наличие запахов и пр. [31]

В свою очередь, в стандарте ISO 45001:2018 приводится список требований к системе менеджмента охраны здоровья и безопасности труда ОЗБТ, который включает в себя применение цикла PDCA и подразумевает ведение определенного направления / аспекта политики организации в соответствии с одноименным циклом, подразумевающим не только контроль, но и:

1. Постоянное улучшение показателей ОЗБТ предприятия;

2. Выполнение законодательных норм и иных требований;

3. Достижение поставленных предприятием целей в области ОЗБТ.

Приведенный стандарт может использовать внедрение киберфизических систем в качестве элемента / инструмента, помогающего руководству компании проводить постоянное улучшения не только политики ОЗБТ, но и офисного пространства сотрудников, а также достигать снижения потенциальных рисков как для оптимальной производительности труда, так и для безопасности рабочих в целом [33,34].

Также полезным может быть обозначен стандарт ISO/IEC 30100-1:2016, Менеджмент ресурсов домашних сетей, который не только устанавливает ряд терминов, необходимых для управления элементами HES (в англ. ориг. Home Energy System), но и приводит ряд требований к решению таких задач как:

· Управление:

a. устройствами системы;

b. программным обеспечением системы;

· Настройка:

a. топологии системы;

b. информационной модели взаимоотношений между ресурсами сети;

· Выбор и определение:

a. ресурсов домашней сети (устройств, сети и услуг);

b. подхода к автоконфигурации устройств;

c. процедур управляющего приложения в модели ресурсов сети;

· Диагностика устройств системы.

Также обозначенный документ предоставляет ссылки на ряд стандартов, которые применяются к системам «Умный дом» и потенциально могут быть полезны при проектировании киберфизической системы «Умный офис»:

1. BIM - концепция разработки информационной модели здания при помощи цифровых технологий;

2. KNX - признанный во всем мире стандарт, затрагивающий вопросы проектирования коммуникационных шин, широко используемый для автоматизации зданий (коррелирует со стандартом ISO/IEC 14543);

3. SNMP (в ориг. англ. Simple Network Management Protocol), RFC 1098 - стандарты для управления сетевой информацией;

4. OSGi (в ориг. англ. Open Services Gateway Initiative) - спецификация для модульной системы динамической природы и сервисной платформы для приложений на языке Java.

Следующим полезным стандартом может быть обозначен ISO 50001:2018, в котором затрагиваются вопросы энергоменеджмента как системы, обладающей соответствующими задачами, целями и политикой, так и совокупностью процессов по контролю их соблюдения и достижения. Стоит отметить, что объединение предметных областей обозначенного стандарта с ISO 45001:2018 и ISO 10075:1991 может помочь в составлении единой картины процессов и мероприятий по достижению целей, сходственных тем, имеет перед собой разрабатываемая киберфизическая система «Умный офис».

Вследствие того, что КФС «Умный офис» может быть охарактеризована как HS (в ориг. англ. Human System), стандарт ISO TC 159/SC может быть использован в качестве справочного документа при разработке системы. Полезной также может быть найдена одна из иллюстраций, наглядно представляющих стейкхолдеров и потенциальных пользователей системы. Обозначенная иллюстрация приведена ниже и может быть применена при разработке Use-Case диаграмм.

Рисунок 1.3 Стейкхолдеры и пользователи Human-Centric систем

Таким образом, предполагается, что в список акторов на соответствующей диаграмме будут в явном или неявном виде включены роли, сходственные тем, что отображены на рисунке 1.3.

1. Операторы системы;

2. Аналитики, оценивающие работу системы;

3. Персонал, отвечающий за поддержание системы в рабочем состоянии;

4. Установщик системы;

5. Руководство, принимающее решение о внедрении системы;

6. Консультант по работе с системой и т.д.;

Нормы СанПиН для офисных помещений

Также, при непосредственной реализации и установке допустимых значений параметров системы необходимо учитывать обозначенные ранее юридические нормы, распространяющиеся на территории страны, в которой внедряется система. Наглядным примером подобных норм служат такие документы, как:

1. ГОСТ 30494-2011, Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях (в англ. Residential and public buildings. Microclimate parameters for indoor enclosures), который устанавливает нормы для таких параметром микроклимата как [35]:

a. температура воздуха;

b. скорость движения воздуха;

c. относительная влажность воздуха;

d. результирующая температура помещения;

e. локальная асимметрия результирующей температуры и пр.;

2. СанПиН 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений (от 1 октября 1996 г. N 21), регламентирующие допустимые значения таких показателей как:

a. температура воздуха;

b. температура поверхностей *(1);

c. относительная влажность воздуха;

d. скорость движения воздуха;

e. - интенсивность теплового облучения и пр.;

3. ISO 7730. Аналитическое определение и интерпретация комфортности теплового режима с использованием расчета показателей PMV и PPD и критериев локального теплового комфорта (в англ. ориг. Moderate thermal environments - Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort) [36];

Роль цикла PDCA в разработке системы

В настоящее время, разработка и внедрение информационной системы не является самоцелью для предприятия, и подавляющая часть разработанных сложных ИС применяется, в первую очередь, в качестве инструмента частичной или полной автоматизации (улучшения показателей производительности, качества и пр.) бизнес-процессов, которые ранее осуществлялись недостаточно эффективно, вручную и т.д. Обозначенные процессы и им подобные состоят из достаточного числа блоков, т.е. действий и событий (если рассматривать методологию ARIS) или операций (если рассматривать нотацию IDEF0).

Рисунок 1.4 Цикл PDCA

Однако, в случае с КФС «Умный офис», основной процесс киберфизической системы не имеет сложной, разветвленной логики / структуры в алгоритме, а сводится к периодической проверке и условно постоянному мониторингу значений параметров, поступающих с датчиков системы. Именно необходимость в непрерывной проверке и улучшении ключевых показателей делает цикл PDCA релевантным к применению в разработке информационных киберфизических систем. Цикл PDCA из стандарта ISO 50001:2018 приведен на рисунке 1.4.

Изначально циклический алгоритм был разработан учеными Шухартом и Демингом для контроля качества планирования на предприятиях. Обозначенный цикл может применяться в различных масштабах в зависимости от контекста и временного отрезка, относительно которого производится планирование. В связи с этим стоит отметить, что использование PDCA на операционном уровне контроля за реальными физическими показателями является обязательным требованием к разрабатываемой системе, т.к. последняя должна производить двустороннее взаимодействие с физическим окружением в рамках их поддержания. Таким образом, логика операционного цикла PDCA должна быть реализована на уровне устройства. Однако, вопрос о том, за счет какого механизма будет производиться осуществление цикла, остается открытым.

На уровне же целой системы, как было обозначено ранее, система может применяться в качестве инструмента осуществления политики по улучшению различных показателей офисного пространства, обозначенного в соответствующем разделе, описывающем политику предприятия непосредственно. В случае настоящей работы направления такой политики затрагивают направления сокращения эксплуатационных расходов и энергопотребления, улучшения системы безопасности и показателей комфорта офисного помещения (соответствующие направления отмечены на рис. 2.2).

Таким образом, цикл PDCA на уровне предметной области офисного пространства условного предприятия затрагивает бизнес-процессы, связанные и измерением показателей, обозначенных в дереве целей предприятия и должен иметь структуру, аналогичную следующей:

1. Планирование (шаг №1 по PDCA) т.е. сбор информации об офисном пространстве, параметрах, необходимых для отслеживания, обработка данных, анализ юридических норм и актов:

a. Формирование контекста офисного пространства;

b. Установление политики по улучшению обозначенных показателей офисного пространства;

c. Рассмотрение возможностей, рисков и ограничений контекста организации;

d. Выявление показателей для отслеживания;

e. Расчет или обозначение достаточных и обязательных значений по выявленным показателям;

f. Ранжирование выявленных показателей по параметру, установленному предприятием;

g. Установление мероприятий и процессов, вследствие которых достигается удовлетворительные значения обозначенных показателей, т.е. результатов;

2. Выполнение (шаг №2 по PDCA), т.е. выполнение мероприятий, необходимых для поддержания показателей офисного пространства на достаточном уровне;

3. Проверка (шаг №3 по PDCA), т.е. регистрация и учет изменения значений показателей и анализ текущих значений на соответствие желаемым. Выражается в проверке:

a. прогресса по достижению целей и задач;

b. параметров оборудования;

4. Корректирующие действия (шаг №4 по PDCA), т.е. формирование и осуществление предложений по улучшению показателей, выраженное в формировании:

a. отчетности на основании:

Данных о работе оборудования;

Оценки несоответствий и отклонений от запланированных (нормальных) значений;

b. Рекомендаций по повышению / улучшению значений показателей;

c. Списка действий и операций, направленных на повышение эффективности проводимой политики;

d. (При необходимости) внесении корректив в политику предприятия, перенастройка параметров оборудования.

Отношения прецедентов системы

Исходя из совокупности прецедентов, обозначенных в диаграмме Use Case (приложение А, рисунок А.1.), могут быть выделены и описаны основные шаги каждого из этапов цикла PDCA (с одноименными прецедентами на диаграмме):

1. Планирование осуществления политики;

2. Реализация политики;

3. Проверка эффективности политики и корректирующие действия;

Стоит обозначить, что обозначенные прецеденты являются иллюстрацией абстрактного разделения функционала системы на соответствующие области. Предполагается, что обозначенные прецеденты покрывают достаточный для начальной реализации функционал киберфизической системы. Полное описание прецедентов содержится в приложении А, таблице А.1.

Диаграмма Use Case системы «Умный офис»

Таким образом, на основании анализа цикла PDCA, примененного к предметной области офисного пространства, была составлена обновленная диаграмма вариантов использования, включающая в себя сценарии взаимодействия с системой, соответствующие каждому из этапов обозначенного цикла. В целях повышения удобства восприятия, группы вариантов использования были окрашены в различные цвета. На соответствующей диаграмме, приведенной в приложении А (рисунок А.1.), обозначены следующие группы прецедентов по цветам:

1. Голубой цвет - планирование, соответствующую подготовку показателей их нормальных значений, создание справочников показателей и т.п.

2. Темно-голубой цвет - группа, затрагивающая вопросы создания цифрового двойника [32] офисного пространства;

3. Бирюзовый цвет - группа условного стратегического планирования;

4. Зеленый цвет - группа, отвечающая за непосредственные прецеденты в процессе работы системы;

5. Синий цвет - группа прецедентов по проверке работы системы;

6. Красный цвет - Группа корректирующих действий системы.

2.3.1 Прецеденты планирования

Группы прецедентов, ответственные за планирование, отображены на рисунке 1.6., из которого видно, офис-менеджер после согласования политики офисного пространства с высшим руководством (которое не присутствует на рисунке), приступает к ее непосредственному осуществлению, определяя общую стоимость проведения политики и формируя список мероприятий, который будет способствовать улучшению показателей по направлениям, обозначенным ранее в дереве целей. Предполагается, что опционально он также может явно выделить цели и задачи системы с непосредственной их привязкой к соответствующим показателям.

Список показателей, как простых (агрегируемых, считываемых с датчиков), так и сложных (рассчитываемых на основании математических, физических и пр. моделей или любых других показателей), создается интегратором на основании списка простых показателей, предоставленных специалистом по безопасности и охране труда.

Рисунок 1.6 Прецеденты групп планирования

Стоит отметить, что в роли специалиста по определению показателей может выступать любой другой работник из штата компании-заказчика, компании-исполнителя или же любой другой специалист, обладающий знаниями соответствующих государственных и международных стандартов.

Таким образом, обозначенный специалист совместно с офис-менеджером производит формирование необходимого списка показателей, который далее согласуется с высшим руководством или начальником отдела компании-заказчика. Когда совокупность показателей определена, интегратор (представитель компании-установщика КФС «Умный офис») производит создание цифрового двойника и установку соответствующего программного обеспечения и физического оборудования. В итоге, результатом выполнением комплекса мероприятий по планированию является готовая к эксплуатации киберфизическая система «Умный офис».

Прецеденты реализации

Когда система готова к эксплуатации, наступает этап реализации политики, в рамках которой отслеживает параметры офисного пространства и отправляет сотрудникам офиса уведомления при возникновении должной необходимости. Также предполагается, что система должна предоставлять работникам возможность о внесении предложений по улучшению проводимой политики (к примеру, предложения, затрагивающие значения для параметров комфорта).

Рисунок 1.7 Группа прецедентов реализации

Также предполагается, что система должна предоставлять офис-менеджеру возможность контролировать и производить закупки необходимого оборудования, и учитывать соответствующие данные в анализе стоимости проводимой политики. Более того, в этап реализации входит непосредственная настройка оборудования в соответствии с целями и задачами политики в новом витке цикла PDCA. Стоит отметить, что настройка оборудования может ОМ может производиться при участии интегратора.

Прецеденты проверки

Стоит отметить, что параллельно с этапом реализацией в рамках работы с системой должна присутствовать возможность проведения проверки показателей системы. Для офис-менеджера и руководителя отдела система должна предоставлять данные о:

1. Показателях:

a. комфорта;

b. энергопотребления;

c. безопасности;

d. работы оборудования;

2. Неисправностях элементов системы;

3. Степени соответствия показателей плановым значениям (если обозначенные имеются);

4.

Рисунок 1.8 Группа прецедентов проверки

В свою очередь, для рядового сотрудника система должна предоставлять информацию о показателях комфорта и безопасности офисного пространства. Также система должна предоставлять возможность формирования и работы с отчетностью относительно работы киберфизической системы офис-менеджеру и руководителю отдела (или любому другому представителю руководства рангом выше офис-менеджера).

Прецеденты корректировки

В соответствии с циклом PDCA, после этапа проверки следует этап доработки как общей политики, так и параметров работы «Умного офиса». Рассмотрение потенциальных улучшений работы киберфизической системы должно быть доступно как для офис-менеджера, так и для руководителя отдела. Ровно так же, как и оценка несоответствий показателей на момент прохождения полного цикла. Также, ранее обозначенным пользователям должна быть предоставлена возможность просмотра предложений по улучшению политики организации (о которой было упомянуто в разделе «Прецеденты реализации»), оформленные и отправленные сотрудниками офисного пространства.

...