系统设计的目的是通过提供对系统元素的实现有用和必要的信息和数据来补充系统架构。 设计定义是通过以适合实现的形式描述的一整套设计特征,对系统架构的实现进行开发、表达、记录和交流的过程。
概念和原则
设计理念
在工业实践中, 设计 一词通常用于表示架构和 设计 。 最近,专业人士在处理更简单的技术产品时使用了“ 设计 ”一词——这些产品不包括硬件、软件、运营商、服务等多种不同且相互关联的技术组件。在开发新的多技术产品时和服务,专业人士已经认识到 系统 概念在处理 复杂性 (互连级别、多技术、涌现等)方面的有用性。
正是由于复杂性,对构成系统的元素进行结构化变得有必要。 此结构解释了系统架构 中描述的系统的功能、行为、时间、物理和其他方面 。 从业者发现术语 结构 不足以描述系统的所有这些方面。 术语 架构 和 架构设计 已经使用了大约 30 年,尤其是在软件密集型系统和其他领域,例如航天工业。 不同类型和相互关联的结构的集合可以理解为系统的架构。
今天的趋势是将系统架构和系统设计视为不同且独立的活动集,但同时存在且紧密交织。
系统设计包括使用原则和概念构思一组系统元素的活动,这些元素可以满足特定的预期目的; 它包括评估和决策,以选择构成系统、适合系统架构并符合权衡的系统要求的系统元素。 它是以适合实施的形式描述的完整的详细模型、属性和/或特征集。
设计特征和设计促成因素
每个技术领域或学科都拥有其独特的法律、规则、理论和促成因素,涉及其构成材料、能量或信息的部分的转换、结构、行为和时间特性。 这些特定的部分和/或它们的组成是用典型的设计特征和促成因素来描述的。 这些允许通过在系统架构定义过程中分配的设计特征(例如,可操作性级别、可靠性率、速度、安全级别)所需的各种转换和交换来实现每个系统元素。
设计定义提供了对实现所需的设计特征和设计使能的描述。 设计特征包括尺寸、形状、材料和数据处理结构。 设计促成因素包括形式表达式或方程式、绘图、图表、指标表及其值和边距、模式、算法和启发式。
- 固体力学中的通用设计特征示例:形状、几何图案、尺寸、体积、曲面、曲线、抗力、力分布、重量、运动速度、时间持久性
- 软件中通用设计特征的示例:处理分布、数据结构、数据持久性、过程抽象、数据抽象、控制抽象、封装、创建模式(例如,构建器、工厂、原型、单例)和结构模式(例如,适配器, 桥, 复合, 装饰器, 代理)
与系统架构的关系
系统设计旨在成为系统架构(无论何时在系统工程过程的特定应用中定义此里程碑)与构成系统物理架构模型的技术系统元素的实现之间的链接。
设计定义由指定的需求、系统架构以及更详细的性能和可行性分析驱动。 它解决了实施技术及其同化问题。 设计提供了定义的“如何”或“实施”级别。
设计涉及由实施技术组成的每个系统元素,例如需要特定工程流程的机械、电子、软件、化学、人类操作和服务。 系统设计向父系统架构提供反馈,以合并或确认架构特征和设计属性对系统元素的分配和划分。
设计描述符
设计描述符是一组通用设计特征及其可能值。 如果存在相似但不精确的系统元素,则可以分析这些元素以确定它们的基本特征。 每个特征的可能值的变化决定了潜在的候选系统元素。
整体设计
整体设计是一种将被设计的系统视为一个相互关联的整体的方法,这也是更大事物的一部分。 整体概念可以与系统在其上下文中(例如,系统参与的企业或任务)以及机械设备的设计、空间布局等一起应用于整个系统。 这种方法通常包含对环境的关注,考虑设计将如何影响环境并试图减少对环境的影响。 整体设计不仅仅是试图满足系统要求。
过程方法
目的
系统设计过程的目的是提供有关系统及其系统元素的足够详细的数据和信息,以使实施与系统架构模型和视图中定义的架构实体一致(ISO/IEC/IEEE 15288 [ISO 2015 ])。
通用输入包括父系统的体系结构描述和系统元素要求。
通用输出是对实现所必需的设计特征和设计促成因素的描述。
进程的活动
在此过程中要执行的主要活动和任务包括:
1.初始化设计定义
- 规划整个系统的技术管理。 确定构成和实施系统元素及其物理接口的技术(机械、电力、电子、软件、生物学、操作员等)。
- 确定哪些技术和系统元素在系统运行阶段有过时或演变的风险。 计划他们的潜在替代者。
- 确定每个系统元素的每种技术的设计特征或属性的类型。
- 定期评估设计特征并随着系统的发展进行调整。
- 记录设计定义策略,包括执行设计的任何支持系统、产品或服务的需要和要求。
2. 建立与每个系统元素相关的设计特征和设计促成因素
- 对系统架构过程中未完全解决的所有需求和系统元素执行、合并或详细分配系统需求(通常,每个系统需求都将在系统架构过程中转换为架构实体和架构特征,然后通过直接分配或某些分区分配给系统元素)。
- 定义与架构特性相关的设计特性并检查它们是否可实现。 使用设计促成因素,例如模型(物理和分析)、设计启发法等。如果设计特征不可行,则评估其他设计替代方案或实现选项,或执行其他系统元素定义的交易。
- 定义系统架构流程未定义的接口或随着设计细节的发展需要改进的接口。 这包括系统元素之间的内部接口和与其他系统的外部接口。
- 记录适用工件中每个系统元素的设计特征(它们取决于所使用的设计方法和技术)。
- 提供有关选择主要实施选项和促成因素的理由。
3. 评估获取系统元素的备选方案
- 识别现有实施的系统元素(COTS/NDI、重用或其他未开发的系统元素)。 可以研究要开发的新系统元素的替代方案。
- 使用源自设计特征的选择标准评估系统元素的设计选项。
- 选择最合适的替代品。
- 如果决定开发系统元素,则使用其余的设计定义过程和实施过程。 如果决定是购买或重复使用系统元素,则可以使用获取过程来获取系统元素。
4. 管理设计
- 捕获并维护在设计、架构特征、设计促成因素和系统元素来源的备选方案和决策中的所有选择的基本原理。
- 评估和控制设计特征的演变,包括与架构的一致性。
- 建立和维护设计特征和架构特征之间的可追溯性,以及必要时的需求。
- 为配置管理提供基线信息。
- 维护设计基线和设计定义策略。
实际考虑
与系统设计相关的关键缺陷和经过验证的实践将在接下来的两节中描述。
缺陷
表 1 提供了执行系统设计时遇到的一些关键缺陷。
表 1. 系统设计的缺陷。 (SEBoK 原创)
缺陷 | 描述 |
分别考虑每个系统元素的设计 |
这将使用给定技术的异构实现或在感兴趣的系统内的技术之间进行。 定义完整系统的设计策略是为了找到有助于系统元素操作和维护的协同作用和/或共性。 |
实践证明
表 2 提供了从参考文献中收集到的一些经过验证的实践。
表 2. 经过验证的系统设计实践。 (SEBoK 原创)
实践 | 描述 |
建筑与设计相互支持 |
学科工程师执行每个系统元素的设计定义; 他们为系统工程师或架构师评估和选择候选系统架构和系统元素提供强有力的支持(知识和能力)。 相反,系统工程师或架构师必须向学科工程师提供反馈,以提高知识和技能。 |
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