Стандарты и качество

В октябрьском номере журнала «Стандарты и качество» вышла статья «Управление требованиями как инструмент повышения надежности подвижного состава», авторами которой являются президент ОПЖТ Валентин Гапанович, директор департамента развития систем проектирования ООО «КИТ-СИСТЕМС» Кирилл Горлов, руководитель проектов АО «Кодекс» Александр Лебедев, руководитель направления в области технического регулирования, стандартизации и метрологии Андрей Смыков, заместитель главного конструктора по перспективному проектированию и расчетам ООО «ТМХ Инжиниринг» Александр Тотиев.

Ключевой критерий при выборе поставщиков железнодорожного подвижного состава и его комплектующих (наряду со стремлением оптимизировать производственные и эксплуатационные издержки) — возможность сократить сроки проектирования, производства и вывода продукции на рынок в условиях постоянно изменяющихся нормативно-правовых и технических требований, которые обеспечивают безопасность, надежность и качество. Одним из инструментов, способным помочь в решении данной задачи, являются информационные технологии.

В настоящее время практически все промышленные предприятия накопили в своем арсенале солидный парк программного обеспечения и активно обсуждают цифровизацию производств. Однако важно понимать, что именно подразумевается под термином «цифровизация» (встраивание новых технологий в существующие бизнес-процессы), и не подменять его понятием «оцифровка» (перевод аналоговых данных в цифровую форму) (рис. 1)¹.

Рис. 1. Оцифровка, цифровизация и цифровая трансформация

В основе любой цифровой модели изделия лежит значительный массив данных, а все выходные документы, будь то трехмерная модель или комплект рабочих чертежей к ней, являются лишь частным их представлением. Важным фактором становится процесс использования единых актуальных данных на всех этапах разработки продукции. Именно здесь следует применять подход системной инженерии² (рис. 2).

Рис. 2. Сравнение эффективности различных подходов к процессу использования единых актуальных данных на всех этапах разработки продукции. CAD (computer-aided design), CAE (computer-aided engineering) — автоматизированное проектирование; PDM (product data management) — управление данными об изделии; РКД — рабочая конструкторская документация

Предпосылки создания инструмента управления требованиями
Обеспечение безопасности и надежности сложных технических систем, таких как железнодорожный подвижной состав, закладывается на стадии их проектирования.

Как при создании нового подвижного состава, так и при модернизации эксплуатируемого или при замене составных частей производители обязаны руководствоваться требованиями технического регламента Таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (ТР ТС 001/2011), а также стандартами, обеспечивающими осуществление оценки соответствия объектов технического регулирования.
Общее количество документов национальной системы стандартизации в Федеральном информационном фонде стандартов по состоянию на 31 декабря 2021 г. приблизилось к 38 тыс. единиц³. Из них для проектирования и производства железнодорожной техники и элементов инфраструктуры железнодорожного транспорта напрямую применяется не менее 500 стандартов. При этом, если учитывать нормативные ссылки, содержащиеся в каждом стандарте, а также ряд правил, инструкций и других руководящих нормативов, охват необходимых для применения и исполнения документов увеличивается до более чем 3 тыс.

Разработчики железнодорожного подвижного состава указывают на ряд трудностей, с которыми приходится сталкиваться на этапе проектирования. Среди них:

- разрозненность имеющегося фонда нормативно-технической документации по используемому формату;

- отсутствие четкой структурной унификации документов и требований;

- вероятность применения неактуальных данных;

- большие временные затраты на разработку изделий, однозначно и/или в большей степени определяемых нормативно-технической документацией;

- высокий риск возникновения человеческой ошибки.

Исходя из этого крайне важно, используя возможности цифровизации, интегрировать требования, установленные в нормативных актах и стандартах, с системами автоматизированного проектирования.
Для повышения эффективности бизнес-процесса инжиниринга в рамках деятельности Ассоциации «Объединение производителей железнодорожной техники» (ОПЖТ) при участии специалистов АО «Кодекс» и др. в 2020—2021 гг. сформирована Цифровая экосистема управления требованиями к продукции железнодорожного назначения на основе машиночитаемой нормативной и нормативно-технической документации. Для этого решены следующие задачи:

- все фонды документации объединены в едином цифровом пространстве;

- весь объем применяемых в железнодорожной отрасли документов переведен в машиночитаемый формат XML (eXtensible Markup Language);

- осуществлены выборка, систематизация и структурирование требований нормативно-правовых и технических документов, охватывающих полный жизненный цикл техники железнодорожного транспорта и ее составных частей (проектирование, производство, испытания, сертификация, эксплуатация, ремонт, утилизация).

В настоящее время решается задача автоматизации процесса передачи данных нормативно-технической документации из системы управления требованиями в систему автоматизированного проектирования с последующим созданием трехмерной модели изделия и генерацией комплекта чертежей на изделие в автоматическом режиме. Данная идея реализуется на примере проектирования продукции в ООО «ТМХ Инжиниринг».

Архитектура программного комплекса
С технической точки зрения предлагаемая технология основана на таких компонентах программного обеспечения, как система управления требованиями (СУТр) нормативно-технической документации, система автоматизированного проектирования (3D MCAD4), а также специализированный дополнительно разработанный модуль автоматизации проектирования, который позволяет связать и настроить соответствие данных из двух систем (рис. 3).

Рис. 3. Схема бизнес-процесса автоматизации проектирования. НТД — нормативно-техническая документация; СУТр — система управления требованиями

Сам процесс автоматизации подразделяется на пять этапов (рис. 4).

Рис. 4. Декомпозированная архитектура программного комплекса

Первый этап — создание, наполнение и сопровождение базы нормативно-правовой и технической документации в машиночитаемом формате. Отдельно стоит остановиться именно на умном формате представления документов, представляющем собой, по сути, отдельный контейнер данных для каждого документа, в котором помимо человекопонимаемых данных (текст, чертежи и пр.) содержатся и машинопонимаемые, автоматизированно воспринимаемые и обрабатываемые сторонними системами без непосредственного участия человека. Такая автоматизация позволяет инженерам-конструкторам исключить ручной ввод параметров при разработке изделия, тем самым сводя на нет возможность возникновения ошибок, связанных с человеческим фактором.

Естественно, важным аспектом такой схемы является необходимость поддержания фонда используемых при проектировании документов в актуальном состоянии. При этом умная СУТр способна не только формировать параметры (числовые показатели) для дальнейшего применения сторонними системами, но и сохранять их связь с документом-источником, сигнализируя в случае его изменения о необходимости проверки актуальности параметров. В частности, изменения параметров в СУТр могут автоматически вызывать процесс перерисовки соответствующего чертежа или 3D-модели в прикладном конструкторском программном обеспечении.

На втором этапе происходят выделение требований (т.е. сутевых частей документа), их классификация и управление ими, в т.ч. настройка логических связей и зависимостей между требованиями. При этом нельзя не подчеркнуть значимость классификации требований, которая жизненно важна в крупных проектах с большими объемами данных, а также для увязывания отдельных проектов друг с другом.

Третий этап — выделение из требований (которые все-таки предназначены прежде всего для людей) отдельных числовых показателей или параметров. Последние уже могут передаваться по интеграционным интерфейсам в сторонние киберфизические системы для практического применения.

На четвертом этапе модуль разработанного конфигуратора осуществляет считывание параметров сутевых требований и их последующую трансляцию в систему автоматизированного проектирования.

На стороне СУТр строится таблица параметров по конкретному типоизделию, которая передается в конфигуратор. Данная операция проходит фоново, без участия человека, посредством взаимодействия API5 двух систем. Именно такой подход позволяет системе проектирования в режиме реального времени использовать актуальные требования нормативно-технической документации, предъявляемые к изделию.

И на пятом этапе после получения данных системой автоматизированного проектирования происходит автоматическое построение геометрии 3D-модели изделия и формирование рабочих чертежей в соответствии со стандартами, применяемыми на предприятии.

При разработке описанного программного решения в качестве основополагающей системы в него закладывались такие характеристики, как гибкость и масштабируемость. Это в дальнейшем позволит максимально быстро и безболезненно встроить систему в существующий ИТ-ландшафт (например, в части интеграции с системой управления жизненным циклом изделия) и бизнес-процессы предприятия.

Кодификация параметров
Проблема заключается в том, что реализация проекта в полном объеме невозможна без внедрения системы автоматической идентификации и унификации параметров в СУТр, построенной на базе системы кодов, соответствующих характеристикам и параметрам проектируемого изделия. Кодификация позволит взаи¬модействующим системам корректно сопоставлять параметры без участия человека в данном процессе.

Чтобы решить данную задачу, необходимо на государственном уровне разработать глобальный классификатор продукции, содержащий информацию не только о видах продукции, но также о видах изделий и их ключевых характеристиках, аналогичный международному классификатору ECLASS6. При этом следует обеспечить его взаимосвязь с иными общероссийскими и отраслевыми классифика¬торами путем проведения кросс-классификации с ОК 034-2014 (КПЕС 2008) Общероссийский классификатор продукции по видам экономической деятельности (ОКПД 2), Классификатором строительной информации7, Каталогом товаров, работ и услуг, Международным классификатором ECLASS и т.д.

Создание глобального классификатора позволит обеспечить централизованное хранение информации о продукции различных секторов промышленности и ее характеристиках, а также поможет решить проблему отсутствия отраслевых классификаторов в отдельных областях, например в машиностроении.

Наличие информации о характеристиках продукции в указанном классификаторе обеспечит ее представление в машиночитаемом и машинопонимаемом формате, что поможет в решении проблемы создания цифровых двойников изделий и будет способствовать:

- автоматизации проектирования продукции не только железнодорожного назначения, но и других отраслей;

- развитию SMART-стандартизации;

- оптимизации и ускорению проведения процедур подтверждения соответствия машиностроительной продукции;

- распространению практики проведения испытаний продукции посредством инструментов математического моделирования процессов (взамен дорогостоящих и продолжительных по времени натурных ресурсных испытаний).

Автоматизация процесса создания рабочей документации
Пилотный проект по тестированию предлагаемой технологии автоматизированной разработки комплекта чертежей на основе машиночитаемых данных из нормативно-технической документации реализован на примере колесной пары моторвагонного подвижного состава (рис. 5).

Рис. 5. Автоматизированное создание комплекта чертежей на основе машиночитаемых данных из нормативно-технической документации на примере колесной пары моторвагонного подвижного состава

Результат показал, что автоматическая передача данных из СУТр в систему автоматизированного проектирования позволяет не только автоматизировать процесс создания рабочей документации, но и в режиме реального времени видеть корректировку проекта в случае изменения нормативных требований.

Представители функционального заказчика, участвовавшие в реализации пилотного проекта, высоко оценили удобство и перспективность автоматизации процесса проектирования. На практике удалось подтвердить рациональность применения предлагаемой технологии и значительное сокращение сроков разработки рабочей документации колесных пар, в т.ч. комплекта необходимых чертежей и соответствующих 3D-моделей.

Буквальное соответствие разрабатываемых проектов изделий требованиям нормативно-технической документации, а также исключение из них ошибок, возникновение которых возможно из-за человеческого фактора, позволяют производителю железнодорожного подвижного состава или его составных частей обеспечивать безопасность и надежность выпускаемой продукции.

¹https://ecm-journal.ru/material/Ocifrovka-cifrovizacija-i-cifrovaja-transformacija-razbiraem-ponjati….
²Системная инженерия (system engineering) — совокупность знаний, методик, принципов и подходов к решению производственных и управленческих задач, основанных на представлении об объектах и субъектах работ как о взаимодействующих системах и требованиях максимальной интеграции информации, управленческих решений и взаимодействия участников (терминологическая статья 2.34 ГОСТ Р 56862—2016 «Система управления жизненным циклом. Разработка концепции изделия и технологий. Термины и определения»).
³Государственный доклад «О состоянии работ в сфере стандартизации в Российской Федерации по итогам 2021 года».
⁴MCAD (mechanical computer-aided design) — автоматизированное проектирование механических устройств.
⁵API (application programming interface) — программный интерфейс приложения.
⁶Подробнее см. «Стандарты и качество» № 12 (2020). С. 42—46.
⁷http://ksi.faufcc.ru/.

https://opzt.ru/