Бывает часто такое, когда берем в руки какую-то вещь, то в одном случае она, даже имея недостатки и сделанная дешево, как-то "лежит" и не только в руке, но и к душе. А в другой, будь она даже очень современная и технологичная что-то не так : казалось очевидные функции реализованы как-то сложно, до них трудно добраться, либо чего-то простого и очевидного нет вообще, зато есть много чего не нужно. Это не зависит от стоимости и назначения изделия. Может быть бельевая прищепка, но ей приятно пользоваться и она надежна, годами не ломается, а стоит копейки. И те же самые прищепки, проданные в фирменной упаковке, более дорогие, где видно, что дизайнер пытался реализовать все самые смелые идеи, но она ломается на четыре части через неделю. Данный текст и подходы, которые будут описаны, можно распространять на проектирование любых вещей, но электронику лучше взять как один из примеров с высокой системной сложностью, объединяющий большое количество технологий в своей реализации и требующий учета многих потребительских качеств.
Создание и реализация каждого проекта требует работы множества специалистов, каждый из которых имеет знания в своей области, но слабо представляет что будет дальше. Например, дизайнер, может хорошо понимать как надо с позиции восприятия сделать цвет группы кнопок на панели приборов , но не знает из какого полимера они будут изготавливаться и можно ли его в этот цвет окрасить. Или дизайнер знает какое для приборного экрана должно быть соотношение сторон по правилам "золотого сечения", но не знает каким образом будет производится пресс-форма для этой части корпуса. Чтобы преодолеть такие разрывы уже давно в учебных программах существуют междисциплинарные курсы, а также имеются специальности, готовящие инженеров-конструкторов широкого профиля. Например для подготовки по специальностям 11.03.01 (Радиотехника) и 12.03.01 (Приборостроение) имеется курс "Основы конструирования электронных средств". Эта дисциплина является базовой для специальности 11.03.03 (Проектирование и технология радиоэлектронных средств). Занимаясь уже третий десяток лет разработкой электроники на разных уровнях, мне захотелось выяснить, а как и на основе чего готовятся сейчас соответствующие специалисты. Почему, даже имея в доступе необходимые технологии, САПР, материалы у многих на выходе получается или "кирпич" или нечто красивое, но неработающее. Какие вообще есть профессиональные книги, учебные и методические пособия по конструированию, по организации проектов, по их оптимизации.
К огромному сожалению выяснилось, что со всем этим делом у нас очень большая беда. В библиотеках, в разных сканированных вариантах, лежащих в сети доминирует либо очень старая литература, например [1], [2]. Либо есть разные студенческие пособия, которые также ссылаются на старую литературу, а также наполнены данными и методами уже не актуальными. Это очень хороший пример [3] : "Основы конструирования и технологии радиоэлектронных устройств: Учебно-методическое пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003". Пособие состоит из некоторого теоретического материала и практических тем с заданиями. Например :
Тема 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ НАСТРОЙКИ РАДИОПРИЕМНИКОВ
В этой теме дается кинематическая схема настройки и ее расчет. Да, именно кинематическая схема, с применением КПЕ, шкивов и тросиков. Автор не знал что в 2003 году давно существуют синтезаторы частоты или хотя бы варикапы. Также там темы, посвященные тепловым режимам :
Тема 4. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЕРФОРИРОВАННОГО КОЖУХА
Тема 5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РЭА В ГЕРМЕТИЧНОМ КОЖУХЕ КОЭФФИЦИЕНТНЫМ МЕТОДОМ
Конечно это важно, когда аппаратура проектируется на лампах или дискретных полупроводниках типа МП41 и Д18
Тема, посвященная надежности и стабильности работы аппаратуры.
Тема 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ И ПРИ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Там рассматриваются методы анализа отклонений параметров схем, в конце даются эти самые схемы : мультивибраторы на лампах (6Н2П) и на транзисторах (МП41А)
И этому посвящен соответствующий лабораторный практикум. Бедные студенты. Что они будут делать? Нет, это не ошибка - пособие действительно не 1963 года, а 2003 года.
Ну ладно, помимо технологий и элементной базы все же есть и некоторые неизменные вещи, например учет эксплуатационных требований для электроники, порядок их важности. Может быть в советской литературе с хорошо ? Открываем [2] и читаем :
Основными эксплуатационными требованиями, которые должны учитываться при разработке аппаратуры, являются:
1. Оперативность обслуживания - возможность быстрого осмотра и ремонта аппаратуры, минимальные затраты времени на подготовку прибора к запуску, быстрый запуск в работу, возможность эксплуатации с минимальным числом обслуживающего персонала; автоматизированный контроль важнейших функций и самоконтроль приборов с помощью индикаторов, централизация управления и считывания информации.
.....
Далее идет много пунктов про удобство и безопасность обслуживания, длительность срока службы, прочность и жесткость конструкции, приспособленность к длительному хранению. И вот последними пунктами :
9.Внешний вид аппаратуры, учитывающий правила технической эстетики, простоту и строгость формы, сочетание цветов окраски, отсутствие излишней декоративности.
10. Минимальные габаритные размеры и масса, удобная переноска и перевозка обычными транспортными средствами, возможность транспортирования через стандартные двери, проемы, люки; минимальная занимаемая площадь.
Ну что тут сказать, книжка 1982 года. Тогда выпускались еще телевизоры УЛПЦТ, который не в каждой легковушке увезешь. Про ЭВМ тем более все понятно - описание конструирования дается в терминологии АСВТ - кто не знает это "агрегатируемые средства вычислительной техники" с ТЭЗами, стойками, шасси, ячейками... Однако теория надежности систем или некоторые главы по экономической обоснованности применения тех или иных допусков или материалов в конструкции - вполне годная.
Встречаются современные издания, например [4]:
БИБЛИОТЕКА «КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»
КОМПЛЕКТ учебно-методических комплексов дисциплин по направлению подготовки бакалавров и магистров 211 000
В частности, там в книге "ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОММУТАЦИОННЫХ СТРУКТУР ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ" В.Н Гриднев
рассматривается очень подробно технология поверхностного монтажа и технологии печатных плат, а также все необходимое оборудование. Это книжка 2014 года издания. Надо сказать, что большинство разработчиков у нас занимаются не созданием конечного изделия, в котором составляющая часть - это корпус и (или) разная механика, а разработкой до уровня печатной платы. Или как это называется "разработка электронного модуля". Они же часто предоставляют и контрактное производство "электронного модуля". Но все же это не уровень бытовой аппаратуры.
Копаюсь в книжках дальше. И вот... самое современное пособие [5] (сборник лекций) как это ни странно, было издано в славном городе Орел в 2016 году. Это издание орловского государственного университета имени И.С.Тургенева. Я даю "живую" ссылку на это пособие в конце статьи. Нас главным образом будет интересовать там глава 2. "Организация процесса проектирования". И вот тут сразу засада... Я говорил о важности создания сбалансированного проекта. Характеристики изделия определяет сам проект и тот, кто его делает. Если дойдем в этом пособии до п.2.8 (Ограничения, компромиссы и отклонения) то там приводится "Треугольник управления проектом". Он самый вот :
Причем автор пишет, что еще бывает и тетраэдр, в котором качество разделяют на функциональность (количество реализуемых функций) и собственно на качество (надежность, стойкость к внешним воздействиям). Причем там дальше автор оперирует понятиями качества, объемами финансирования и сроками. И самое главное (и неправильное!!!!) это то, что в этом треугольнике (или тетраэдре) советует жестко фиксировать приоритетное из трех ограничений. Я видел, что именно так рождаются несбалансированные, "кривые" проекты. Обычно они и некачественны и дороги, трудоемки и растянуты во времени, а каждый их этап сделан был халтурно.
А теперь главное. В проектировании есть два базовых подхода.
Первый подход - менеджерский. Он оперирует в терминах "управления проектом" : сроки, финансы, аутсорсинг, декомпозиция, делегирование, бюджеты, расписания и т.п. Есть и документы ГОСТ Р ИСО 10006-2005 "Руководство по менеджменту качества при проектировании", а также ГОСТ Р 54869-2011, описывающий процессы и планирование проекта. Самое печальное тут заключается в том, что характеристики самого изделия тут как бы вторичны по отношению к менеджменту проекта. А инженер там такой же ресурс как и финансы или используемые технологии. Риск-менеджмент подразумевает создавать и документировать и декомпозировать проекты так, чтобы инженера можно было заменить так же легко как транзистор на плате.
Второй подход - инженерный. А про него нет стандартов ! Ему нигде не учат ! Кто-нибудь слышал такое "на этом старейшем предприятии сложилась инженерная школа" ? Вот оно про это. И каждый раз это уникальный выбор, это нечто нащупанное вслепую. Это сложившийся коллектив, это понимание каждым инженером и начальником мелочей во всей цепочке производства, даже если он к самому производству не имеет прямого отношения. И конечно это хорошо повторяемые изделия с высоким качеством и оптимальным балансом цены и характеристик. Это отличимый фирменный стиль, узнаваемый многими. А часто это еще монопольное или доминирующее положение на рынке, которое честно заработано.
Я постарался систематизировать инженерный подход. Выделить самые важные составляющие результата, между которыми нужно найти такой баланс, чтобы они были равнозначны в проекте. На рисунке между составляющими - равные стороны (насколько это получилось после масштабирования картинки).
Чего на картинке этой нет ? Нет ни одного понятия из "треугольника управления проектом" ! Он является инвариантным по отношению к срокам и стоимости. Сложное изделие (например телевизор) имеет больше функционала и компонентов, и само по себе требует больше затрат времени на проектирование и стоит дороже чем простое (например, пластиковая мышеловка из 3 деталей).
А качество всех составляющих определяет качество результата. Этот подход масштабируем : если нужно увеличить функционал - то нужно подстроить под это дизайн и эргономику, увеличить затраты по части компонентной базы и технологий - тогда будет обеспечено качество. Если "вытягиваем" приоритетно какие-то из вершин, то получаем необоснованно более дорогое решение или решение с худшим качеством или большие затраты времени на производство. По отношению к кадрам в данной схеме общее видение проекта должно быть у всех, участвующих в разработке. Они же должны знать как и по какой технологии будут реализовываться их решения. Это принципиально отличается от методологии MSF (Microsoft Solutions Network), которую взяли из IT и упорно навязывают в сектора разработки материального продукта в первую очередь - электронных устройств. Там общее видение проекта должно быть у группы управления продуктом, проработка вопросов дизайна и эргономики относится к группе обеспечения интересов потребителей, но никак не выходит на уровень разработки конструкции и применяемых технологий. Там оговаривается лишь, что группа разработки должна проводить консультации со всеми остальными.
Отдельно хочется остановится на вопросе оптимизации функционала (характеристик) проекта. В замечательном пособии [5] надо читать с п.3.4 (системный подход к проектированию) и далее. Нужно читать, чтобы понять ограниченность предлагаемых формальных методов и самого подхода, когда все изделие (система) рассматривается как "черный ящик". Потому что оптимизировать нужно не систему, а функционально связанные параметры. Например в радиоприемнике оптимизируется эргономика с учетом его дизайна и доступных технологических решений. А вот оптимизация таких характеристик как чувствительность и избирательность по соседнему или зеркальному каналу - производится с учетом используемых схемотехнических решений и элементной базы и никак не связана с тем, где на лицевой панели размещаются кнопки или ручка настройки. При инженерном подходе оптимизация идет внутри функционально связанных блоков и конструктивных единиц.
Также в работе [5] п.3.5 указываются некоторые плохие решения в проектировании. С ними можно согласится со всеми, кроме одного "излишняя специализация под очень узкую задачу". Т.е. если сама задача простая и узкая мы должны закладывать какой-то дополнительный функционал ? А если изделие элементарное требуется и нужна его узкая специализация, не более ? Инженерный подход - делать только то, что нужно. Сбалансированный проект это такой, где простой функционал и простая задача требуют простых (доступных) технологий и материалов, имеет простой дизайн и понятно без инструкции как пользоваться. Соответственно это все и стоит дешево. Идея добавить какие-то дополнительные функции, только потому что у конкурентов нет и за счет этого получить преимущество на рынке - провальная. Может этих функций у конкурентов и нет, потому что они не нужны. Где-то 17 лет назад я занимался разработкой компонентов для промышленной автоматизации, в том числе процессорных плат. Вот какая-то странная склонность была у руководства в том, чтобы на процессорную плату поставить по 6 интерфейсов USART, которые должны были работать в режимах RS-232 и RS-485, да при том еще и 4 из них сделать оптоизолированными. Также и все возможные CAN интерфейсы вывести. И хорошо, если это какой-то специальный форм-фактор платы или большой типа VME. А если это PC/104 ? Мы тогда шутили, что делаем "кофемолку, которая должна жарить блины и видео показывать". В реальности подобные платы никакой нормальной оптоизоляции не обеспечивали, имели самые худшие параметры по устойчивости к электромагнитным импульсам, а также сами имели очень высокую эмиссию помех. Лично я на месте потребителя купил бы более утилитарную процессорную плату PC/104 от Advantech с такой же производительностью, а все необходимые интерфейсы поставил бы платами расширения или сделал бы на своей плате-носителе.
Главная проблема инженерного подхода.
Основной минус инженерного подхода состоит в том, что он имеет более высокие риски, связанные с кадровой составляющей. Хотел сюда написать как кадры подбирать и создавать внутри компании из того, что выпускают ВУЗы. Но боюсь, что перегружена статья будет. Перенесу это на следующий раз.
Литература
1. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры, М.: Высшая школа, 1989
2. Поляков К.П. Конструирование приборов и устройств радиоэлектронной аппаратуры М.: Радио и связь,1982.
3. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных устройств: Учебно-методическое пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2003
4. В.Н. Гриднев, Г.Н. Гриднева. Проектирование коммутационных структур электронных средств М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014.
