从系列:系统工程:管理系统复杂性
布莱恩•道格拉斯
系统工程的作用是帮助发现并保持项目的利益相关者需求、管理需求和工程需求之间的平衡。所以我们可以把它看作是一个优化问题。了解如何通过在项目过程中做出正确的决策来实现优化。利用权衡研究和工程经验,我们可以提高我们做出的决策实际上是好的机会。我们还将讨论模型如何在基于模型的系统工程(MBSE)的整个过程中发挥重要作用。
正如我们在前面的视频中提到的,系统工程的角色是帮助找到并维持项目涉众需求、管理需求和工程需求之间的平衡——这三者之间可能相互冲突。如果我们太过忽视其中任何一个,项目就会失败。我们会花光钱,或者设计出错误的东西,或者它不能工作,等等。所以,当我们在项目的生命周期中不断进步的时候,我们会尽我们最大的努力去寻找这些需求之间的平衡。因此,我们可以把系统工程看作是一个设计优化问题。这一节我想讲的是如何通过在项目过程中做出正确的决策来实现优化,而贸易研究和工程经验是提高我们做出正确决策的可能性的方法。我们将讨论模型在整个过程中扮演的重要角色。所以,我希望你能留下来。我是Brian,欢迎来到MATLAB技术讲座。
在我们开始之前,我想确保我们没有把这个优化的想法走得太远。当你想到优化的时候你可能会想我们要找到最好的解决方案。也就是说,我们试图找到某种设计,它是平衡三个群体需求的最优方式——我将把这三个群体混为一谈,称之为项目需求。但这并不是系统工程的目标也不是一般工程的目标。我们要做的是找到一个合适的解决方案。这是可行的,但可能还有更好的设计。因此,我们正在尝试优化设计,但目前只能找到一个可行的解决方案,而不一定是最好的。我想一个图表会帮助我们更好地认识到这一点。
在工程项目的过程中,有许多决策需要做出。在项目的早期可能会选择如何的涉众需求分解为关键需求,然后在中间更低级的决定程序使用哪个电阻器,最后系统级决策又快结束时如何验证你建造正是你需要的。所有这些选择形成了一个树,一个决策树,在每个节点上都有多条可走的路径。
作为一个快速的例子,如果涉众请求一个新的空中巴士车,选项之一,需要在早期是固定翼飞机,一架直升飞机,或四轴飞行器的最好方法是实现交通目标,进度,预算,所有这些。
如果我们沿着这棵树,沿着每条路径,做每一个决定,那么最终就会得到所有你可能想到的理论上可行的解决方案。金宝搏官方网站现在,大多数解决方案金宝搏官方网站都是死胡同,要么它们不符合设计的意图,要么在物理上不可能,要么太昂贵,或者任何一个解决方案不能工作的原因。也许有一个理论上最好的设计是性能,成本,简单性和所有这些的完美结合,但是,有更多的解决方案来满足项目的需要。金宝搏官方网站例如,这些概念中的每一个都有可能成为可行的空中出租车。或者每一种都有细微的变化仍然是可行的。
所以,我们有这种设计可能性的景观,最终,我们想走最好的道路,做出所有正确的决定。但是,为了保证我们总是选择最好的道路,我们需要对整个景观有完美的了解。我认为你更有可能在那之前到达宇宙的热死亡。我的意思是,想象一下,在你做出第一个决定之前,设计一个飞行器的每一个可能的工作变化以及每一个可能的非工作变化。不去工作。这就是为什么我们不去寻找最好的解决方案。这是无法实现的。
所以,这是问题的概述:我们正在寻找一条至少会导致一个可行选择的道路,并且在这个过程中尽量不要冒险太深地陷入任何死胡同而不得不回头。那么,我们如何处理这个问题呢?
我们要做的第一步就是探索我们的选择空间是什么样的。对于每个决定,我们必须建立一个合理的选择列表,我们想要考虑的可能的路径。你可以看看其他人是如何解决这个问题的,或者在商业上有什么可用的,或者正在进行的前沿研究是什么。依靠领域专家的经验来确定您的选择是有益的。我的意思是,我们不会凭空选择这三种构型,我们必须知道每种构型都有可能值得探索。而经验可以帮助你缩小无限的选择空间,让它变得更容易处理。它可以由员工设计和建造。如果一个团队只有设计固定翼飞机的经验,那么就应该把更多的重点放在固定翼飞机上。
话虽如此,我还是想说,我们在这里要小心谨慎,因为你不想因为之前没有做过就忽略可能的选择。这就是为什么我们的工程偏见会渗透到设计中,并让我们一次又一次地建造相同类型的东西。系统工程工作流试图通过让你在考虑具体的实现之前真正考虑你想要解决的问题来解决这个问题。我们从涉众的需求开始,这是设计的目的,然后花大量时间研究行为和设计的功能,然后再调查表单并将自己锁定在一个实现中。
好的,我们知道我们需要一组我们想要比较的选项。现在让我们谈谈我们如何处理它们。我们需要一些标准或性能指标,我们可以用它们来衡量各个选项之间的优劣。
例如,你可以将固定翼飞机的运载能力、航程、速度和预期成本与直升机和四轴飞行器进行比较。一辆更大更快的汽车可能会花费更多的制造和运营成本,但可以在更短的时间内搭载更多的人,所以这里需要做一个权衡。
这就是为什么我们把这个决策过程称为权衡研究。顾名思义,权衡研究是比较两个或多个选项的过程,根据它们如何平衡相互冲突的计划需求来判断它们,然后选择您认为最好的解决方案。这是一种优化技术,可以帮助您浏览决策树。
现在,贸易研究并没有什么特别之处,我的意思是,无论如何,人们都是如何做决定的,对吧?你仔细考虑一些可能的选择,考虑它们的好与坏,然后选择一个。如果这个决定会对你的生活产生巨大的影响,你可能会花更多的时间思考你的选择可能产生的结果。如果不是那么重要,也许你会轻率地做出选择。工程决策也是如此。你需要的信息量取决于决定的结果。
那么,我们如何得到这个信息。在这里,我们说我们需要知道容量,范围,速度和成本,以便做出这个决定。现在,在现实中,可能会有更多的定量测量,甚至一些定性的测量,如团队的经验和技能水平,但为了简单起见,我们只需要这四个东西。现在的问题是你怎么可能知道最终的范围,或者成本,或者在设计的早期阶段的任何东西?从现在开始,每一个选择都有很多可能的路径,不确定性似乎会势不可挡。
好的,有两种极端的方法来做出选择:我们可以探索每一条路,直到它的尽头,并收集完美的信息——我们已经说过这是不切实际的,所以另一种极端的选择是在没有额外信息的情况下做出选择,基本上忽略这个节点之外的每个分支,并遵循我们的直觉或工程经验。这是可以成功完成的,尤其是当您的团队中有专家能够根据他们过去类似决策的经验了解特定选择的利弊时。
但这并不适用于所有情况,因为我们经常在做一些新的事情,不能依靠优先级或经验快速做出决定,当然也不是每一个决定。所以,如果我们不应该仅仅依赖于我们以前做过的,我们不能收集完美的信息,那么我们需要能够对每个选项做出一个近似。这就是模型发挥作用的地方。
松散地说,模型是一种近似值,或现实的一种表示。它们可以采用物理模型、数学模型或更抽象的形式,如行为图和架构图。这些都是现实的表现,可以用来帮助我们做出明智的决定。
如果正确地使用它们,我们就可以通过专注于设计的特定方面来简化问题。例如,一个飞机的物理模型可以帮助我们分析和决策的空气动力学的真实飞机。通过只对影响空气动力学的设计部分建模,我们就得到了空气在车辆周围流动的简单近似。当然,我们不一定要建立一个物理模型来得到它,我们也可以对空气动力学进行数学建模,并通过计算机模拟来进行分析。但这两个都是用模型来近似系统的例子它们都可以提供一个我们可以用来做决定的估计。
一旦我们确定了一个空气动力学策略,也就是说,我们遵循了一个特定的分支,那么下一个层次的贸易研究就会重新开始。我们建立了一个可能选项的列表,我们开发了一组选择标准,我们通过改进我们的模型来近似每个选项,然后做出另一个决定。
这本质上是基于模型的系统工程背后的理念——使用模型或近似帮助我们做出系统级决策。模型的丰富性随着问题的复杂性和重要性的增加而增加。一些决策可以使用非常简单的数学方程来做出,这些方程近似于飞机尺寸和运营成本之间的关系。这些类型的模型可以手工分析或推理。其他一些问题可能需要更复杂的方程来捕捉系统的复杂动力学。在这种情况下,理解和分析该模型可能需要模拟或某种计算引擎来搅动计算。然而,其他问题需要不同类型的模型,如状态机和功能架构图。分析这些类型的模型也可以通过手工或模拟来完成。这取决于问题的丰富性。
但模型提供的不仅仅是分析和模拟的框架,更重要的是,它们还构成了我们如何在利益相关者、管理层和工程领域专家之间沟通和交换信息的基础。模型为这些群体中的每一个人提供了一种了解当前设计景观的方式,并帮助确保他们的需求得到满足。此外,如果从一开始就设置模型,那么模型也可以在项目过程中演变成更多的东西,比如生产代码,或者可以用于测试和验证的高保真动态模拟,以及调查假设情景。
希望通过这个视频你们能明白复杂的工程项目需要大量的决策。为了做出一个好的决定,我们可以使用贸易研究,在那里我们比较多种选择,以确定哪条道路最有可能满足涉及的每个人的需求。我们想要用我们能从真实系统模型中得到的信息来做这些决定。这些模型可以有许多不同的形式和不同的复杂性,在实践中,我们有工具和工作流来帮助我们开发、管理和分析这些模型,这就是我想在下一个视频中介绍的内容。
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