Ingegneria dei sistemi (System Engineering ESA, Systems Engineering - NASA) Appunti schematici

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1 Ingegneria dei sistemi (System Engineering ESA, Systems Engineering - NASA) Appunti schematici Riferimenti Testo di riferimento: NASA Systems Engineering Handbook (NASA-SEH) Utili anche i documenti di ECSS (European Cooperation for Space Standardization) (ESA, agenzie nazionali e industrie europee): ECSS-E-00 (Engineering of Space Programmes) (definizione generale di System Engineering) ECSS-E (System Engineering Process) (teoria del System Engineering) ECSS-E-10-A (Space Engineering) (implementazione pratica orientata allo spazio della teoria) Si possono ottenere (alcuni), previa registrazione, dal portale dell ESA ( alla voce documenti ECSS. La formulazione degli standard definiti in questi documenti tiene conto della famiglia di documenti che definiscono ISO 9000 Riferimenti bibliografici relativi a questa materia si possono trovare nel NASA-SEH System Engineering secondo ESA Un meccanismo per procedere dall interpretazione dei requisiti del cliente a un prodotto ottimizzato dando ampia attenzione ai requisiti (requirements) di prodotto, considerando tutti i dettagli dei bisogni dell utente, i vincoli di produzione, gli aspetti del ciclo di vita, essenzialmente attraverso una pratica ingegneristica concorrente organizzata.!? Proviamo a cercare di illustrare cos è il System Engineering analizzando una serie di elementi rilevanti nella concezione e nello sviluppo di sistemi complessi, in particolare legati allo spazio. Fondamenti di System Engineering (tratto da NASA-SEH) La materia oggetto del system engineering è molto ampia. Accenniamo solo ad alcuni aspetti. System engineering tratta sia il sistema che deve essere sviluppato (il sistema prodotto) sia il sistema che ne fa lo sviluppo (il sistema di produzione). Sistemi, supersistemi e sottosistemi Un sistema è un insieme di componenti interrelati che interagiscono in modo organizzato verso un unico obiettivo. I componenti di un sistema possono essere del tutto diversificati: persone, organizzazioni, procedure, software, dispositivi, facilities. Lo scopo (obiettivo) di un sistema può essere limitato come distribuire l energia elettrica in un satellite o di grandissima portata come esplorare la superficie di Marte. Ogni sistema esiste in un contesto di un più grande supersistema (collezione di sistemi collegati). Un sistema deve essere visto nell ambito (o contesto) del supersistema.

2 I manager del supersistema stabiliscono le politiche di indirizzo per il sistema, ne stabiliscono gli obiettivi, i vincoli, i livelli di costo. Hanno autorità di supervisione delle decisioni di progetto ed operative del sistema. I sistemi spaziali sono spesso abbastanza complessi da essere costituiti da sottosistemi. Ad esempio, un satellite è costituito dai sottosistemi di Propulsione Potenza (elettrica) Controllo d assetto Telecomunicazioni In casi come questo i sottosistemi sono chiamati essi stessi sistemi. La parola sistema è usata genericamente per indicare supersistemi, sistemi o sottosistemi. (Talvolta è usata la classificazione seguente (in ordine gerarchico decrescente): sistema, segmento, elemento, sottosistema, assembly, subassembly, part). Programmi, progetti e sistemi Con riferimento alla terminologia NASA, un programma è una sequenza di azioni collegate che continuano su un periodo di tempo (normalmente di anni) che sono progettate per perseguire, o sono a supporto di, un obiettivo tecnico o scientifico focalizzato, e sono caratterizzate da progetto,sviluppo e operazione di sistemi. (I programmi NASA sono gestiti da NASA Headquarters) I programmi possono comprendere più progetti. Un progetto comprende il progetto, lo sviluppo e l operazione di uno o più sistemi (è gestito di solito da un centro periferico). Viene usato il termine missione per uno scopo di un progetto (parte di un programma). Questo termine ha un particolare richiamo popolare e politico. Nel linguaggio corrente i termini progetto, missione e sistema sono spesso usati come sinonimi senza creare confusione, anche se ciò è impreciso. Definizione di Systems Engineering Systems Engineering è un approccio robusto al progetto, creazione e operazione dei sistemi. In pratica l approccio consiste in identificazione e quantificazione degli obiettivi del sistema, creazione di concetti di progetto del sistema alternativi, valutazione delle alternative, selezione e implementazione dell alternativa progettuale migliore, verifica della corretta realizzazione e integrazione, valutazione di quanto bene il sistema soddisfa gli obiettivi. Questo approccio può essere applicato ripetutamente e ricorsivamente, raffinando via le baselines di sistema(requisiti, dettagli di progetto, procedure e standard di verifica, stime di costi e prestazioni, eccetera). Obiettivo del Systems Engineering L obiettivo del systems engineering è di far in modo che il sistema sia progettato, costruito e operato in modo che raggiunga il suo scopo nel modo più cost-effective possibile, considerando prestazione, costo, tempi di realizzazione e rischio. (Il costo è un espressione monetaria, cioè unificata, di tutte le risorse umane, mezzi, laboratori, materiali, ecc per progettare, realizzare, e

3 operare un sistema. L efficacia (effectiveness) è una misura quantitativa del grado a cui lo scopo di un sistema è ottenuto. Un sistema cost-effective deve assicurare un particolare bilanciamento tra efficacia e costo, cioè il sistema deve dare la massima efficacia in rapporto alle risorse impiegate o, in altri termini, deve costare il minimo in relazione a quanto dà. Questa condizione non porta ad individuare un unica soluzione progettuale. Molte soluzioni la possono soddisfare, con corsi diversi oppure efficacia diversa. Un possibile progetto può essere rappresentato come un punto dello spazio efficacia costo. efficacia costo La curva efficacia costo di figura rappresenta l efficacia massima delle soluzioni progettuali per ogni costo consentita dalle tecnologie attuali. Una soluzione progettuale generica è rappresentabile con un punto al di sotto di questa curva. E un punto della curva la soluzione che per un dato costo dà la massima efficacia. Tutti i punti della curva soddisfano quindi la condizione di costo-efficacia. Costruire la curva richiede di produrre alternative e valutarle in termini di efficacia e costo. La curva sarà affetta da incertezza. Ci può essere l esigenza di cercare l alternativa più efficace per un dato costo, oppure il costo minore per una data efficacia. In questi casi può essere utile anche sapere di quanto potrebbe variare l efficacia a fronte di una variazione limitata del costo (pendenza della curva). Discipline legate al Systems Engineering (2.4 SEH) Le discipline classiche dell ingegneria e diverse altre (affidabilità, manutenibilità, logistica, fattori umani, trasporti, test, assicurazione qualità, produzione, ecc). Dottrina del raffinamento successivo (2.5 SEH) Procedere (top-down) con le decisioni di livello più alto lasciando indefiniti aspetti di dettaglio e irrilevanti per le quelle decisioni e poi via via sviluppare le scelte fatte sempre più in dettaglio in passi successivi, fino ad arrivare al sistema finale.

4 Ciclo di vita del progetto Il ciclo di vita di un progetto (progeram/project lifecycle) è una organizzazione / distribuzione di tutto ciò che deve essere fatto per realizzare il progetto in fasi distinte, separate da porte di controllo. I confini delle fasi sono definiti in modo tale da costituire dei punti naturali per decisioni critiche ( go/no-go, si continua / si ferma tutto) La scomposizione del progetto in fasi organizza l intero processo in parti più gestibili. Fasi del ciclo di vita Pre-Fase A Studi avanzati ( trova un progetto opportuno ) Fase A Analisi preliminare ( make sure the project is worthwhile ) Fase B Definizione ( definisce precisamente i contorni del progetto e prepara un progetto preliminare ) Fase C Progetto ( completa il progetto di sistema ) Fase D Sviluppo ( costruisci, integra e verifica il sistema, e prepara per operarlo ) Fase E Operazioni ( opera il sistema e concludilo compiutamente ) (ESA definisce anche la fase F) La fase C è normalmente congiunta con la fase D (fase C/D). Pre-Fase A Studi avanzati ( trova un progetto opportuno ) (Centri NASA + studi avanzati assegnati per contratto) Scoprire, creare, inventare, formulare limiti di costo ed efficacia delle diverse alternative di progetto. Generare diverse alternative di progetto Selezionare tra le diverse alternative di progetto Stimare costi, tempi (schedule), rischi Scopo: produrre un ampio spettro di idee e alternative per missioni da cui si possano selezionare nuovi programmi e progetti. Attività principali Fare valutazioni preliminari di possibili missioni. Preparare proposte (proposals) di programma / progetto che includano - Obiettivi e giustificazione della missione - Possibili schemi (concetti) di operazione - Possibili architetture di sistema - Stima di costi, tempi e rischi Porta di controllo Review del Mission Concept (concetto di missione)

5 Fase A Analisi preliminare ( raggiungere la certezza che il progetto vale la pena ) Verifica ulteriore della fattibilità e opportunità del nuovo progetto (o sistema) prima di avviare la ricerca dei fondi. Si produce un Mission Needs Statement (MNS) formale. La fase è definita anche come una versione strutturata della fase precedente. Scopo Determinare la fattibilità e opportunità (desiderabilità) del nuovo sistema e la sua compatibilità con i piani strategici della NASA. Attività principali e loro prodotti Preparare il Mission Needs Statement Definire i requirements di più alto livello Identificare alternative Identificare vincoli di progetto Studi di fattibilità e rischio, stime di costo e schedule Dimostrare la credibilità e fattibilità del progetto Preparare piani per la fase B Porte di controllo Mission Definition Review Preliminary Program/Project Review (Sulle Review vedere General Principles for Reviews) (Centri NASA) Fase B Definizione ( definisce precisamente i contorni del progetto e prepara un progetto preliminare ) (Industria sotto contratto NASA, con studi paralleli nei centri NASA) Scopo Definire il progetto con dettaglio sufficiente per stabilire una baseline iniziale in grado di soddisfare le necessità della missione Prodotti (definiscono la baseline) System requirements and verification requirements matrix System architecture and work breakdown structure Concept of operations Design-to specifications at all levels Project plan con schedule, risorse, strategie di acquisizione e gestione dei rischi Porte di controllo System requirements review System definition review System level preliminary design review Design-to specifications at all levels

6 Project plan con schedule, risorse, strategie di acquisizione e gestione dei rischi Fase C Progetto ( completa il progetto di sistema ) (Industria) Completare il progetto dettagliato e costruttivo del sistema, cioè che contenga tutti gli elementi per la costruzione, integrazione e verifica del sistema (3.4) Fase D Sviluppo ( costruisci, integra e verifica il sistema, e prepara per operarlo ) Costruire i sottosistemi e integrarli per creare il sistema. Nel contempo operare per maturare la certezza che il sistema è in grado di soddisfare i requirements di sistema (e utente). Infine attivare il sistema (deploy) e assicurarsi che sia pronto per essere operato. (3.5) (Industria) Fase E Operazione ( opera il sistema e provvedi a concluderne l esistenza ) (Industria) Si tratta di soddisfare la necessità (o cogliere l opportunità) che ha dato origine al sistema. I prodotti di qs fase sono i risultati della missione. VEE Chart (3.7.1) SEMP (Systems Engineering Management Plan) Il management (gestione) del Systems Engineering è una funzione e disciplina tecnica, che deve assicurare che il systems engineering e le altre funzioni tecniche siano svolte in modo appropriato Il SEMP è il libro delle regole che descrive a tutti i partecipanti come il prgetto andrà gestito sul piano tecnico. E specifico per ogni progetto. Dev essere specificamente scritto per ogni progetto. Ha un contenuto raccomandato (4.2.2 e vedere anche 4.2.4) Configuration control E il processo di controllo dei cambiamenti a qualsiasi baseline approvata mediante un procedimento formale di un configuration control board (CCB) Definizione dei requirements Documento ESA Space Engineering System Engineering (figura 3 pag. 25) Definire i requisiti e le relative prove di verifica e test.

7 Work Breakdown Structure (WBS) E una scomposizione gerarchica del lavoro necessario per completare un progetto. Dovrebbe essere una suddivisione basata sui deliverable items e relativi servizi. Una WBS è presente di solito già a livello di proposta e quindi di contratto Scheduling Project plan o Network Scheduling PERT (Program Evaluation and Review Techniques) (4.4)