Системная инженерия — это междисциплинарная область инженерии и инженерного менеджмента , которая фокусируется на том, как проектировать, интегрировать и управлять сложными системами на протяжении их жизненного цикла . По своей сути системная инженерия использует принципы системного мышления для организации этой совокупности знаний . Отдельный результат таких усилий, спроектированная система , может быть определена как комбинация компонентов, которые работают в синергии для коллективного выполнения полезной функции .
Такие вопросы, как проектирование требований , надежность, логистика , координация различных команд, тестирование и оценка, ремонтопригодность и многие другие дисциплины , также известные как «ilities» , необходимые для успешного проектирования , разработки, внедрения и окончательного вывода из эксплуатации системы , становятся более сложными при работе с крупными или сложными проектами . Системная инженерия занимается рабочими процессами, методами оптимизации и инструментами управления рисками в таких проектах. Она пересекается с техническими и ориентированными на человека дисциплинами, такими как промышленная инженерия , инженерия производственных систем, инженерия технологических систем , машиностроение , технология производства , производственная инженерия , инженерия управления , инженерия программного обеспечения , электротехника , кибернетика , аэрокосмическая инженерия , организационные исследования , гражданское строительство и управление проектами . Системная инженерия гарантирует, что все вероятные аспекты проекта или системы будут рассмотрены и интегрированы в единое целое.
Процесс системной инженерии — это процесс открытия, который совершенно не похож на производственный процесс. Производственный процесс сосредоточен на повторяющихся действиях, которые позволяют достичь высококачественных результатов с минимальными затратами и временем. Процесс системной инженерии должен начинаться с обнаружения реальных проблем, которые необходимо решить, и определения наиболее вероятных или наиболее серьезных отказов, которые могут возникнуть. Системная инженерия включает в себя поиск решений этих проблем.
Термин «системная инженерия» появился в Bell Telephone Laboratories в 1940-х годах. [1] Необходимость определения и манипулирования свойствами системы в целом, которые в сложных инженерных проектах могут значительно отличаться от суммы свойств ее частей, побудила различные отрасли промышленности, особенно те, которые разрабатывают системы для армии США, применять эту дисциплину. [2] [3]
Когда стало невозможно полагаться на эволюцию дизайна для улучшения системы, а существующие инструменты оказались недостаточными для удовлетворения растущих требований, начали разрабатываться новые методы, которые напрямую решали проблему сложности. [4] Продолжающееся развитие системной инженерии включает в себя разработку и выявление новых методов и методов моделирования. Эти методы помогают лучше понять проектирование и контроль разработки инженерных систем по мере их усложнения. Популярные инструменты, которые часто используются в контексте системной инженерии, были разработаны в это время, включая USL , UML , QFD и IDEF .
В 1990 году представителями ряда американских корпораций и организаций было основано профессиональное общество системной инженерии — Национальный совет по системной инженерии (NCOSE). NCOSE был создан для удовлетворения потребности в улучшении практики и образования в области системной инженерии. В результате растущего участия системных инженеров за пределами США в 1995 году название организации было изменено на Международный совет по системной инженерии (INCOSE). [5] В ряде стран учебные заведения предлагают программы магистратуры по системной инженерии, а для практикующих инженеров также доступны варианты непрерывного образования . [6]
Системная инженерия означает только подход и, в последнее время, дисциплину в инженерии. Целью образования в области системной инженерии является простая формализация различных подходов и, таким образом, выявление новых методов и исследовательских возможностей, аналогичных тем, что встречаются в других областях инженерии. Как подход, системная инженерия является целостной и междисциплинарной по своему характеру.
Традиционная сфера инженерии охватывает концепцию, проектирование, разработку, производство и эксплуатацию физических систем. Системная инженерия, как она изначально задумывалась, попадает в эту сферу. «Системная инженерия» в этом смысле термина относится к построению инженерных концепций.
Использование термина «системный инженер» со временем эволюционировало, чтобы охватить более широкую, более целостную концепцию «систем» и инженерных процессов. Эта эволюция определения была предметом продолжающихся споров, [13] и термин продолжает применяться как к более узкой, так и к более широкой области.
Традиционная системная инженерия рассматривалась как отрасль инженерии в классическом смысле, то есть применяемая только к физическим системам, таким как космические корабли и самолеты. В последнее время системная инженерия эволюционировала, чтобы принять более широкое значение, особенно когда люди рассматривались как существенный компонент системы. Питер Чекленд , например, улавливает более широкое значение системной инженерии, заявляя, что «инженерия» «может быть прочитана в ее общем смысле; вы можете спроектировать встречу или политическое соглашение». [14] : 10
В соответствии с более широкой сферой применения системной инженерии Свод знаний по системной инженерии (SEBoK) [15] определил три типа системной инженерии:
Системная инженерия фокусируется на анализе и выявлении потребностей клиентов и требуемой функциональности на ранних этапах цикла разработки , документировании требований, а затем на синтезе дизайна и проверке системы с учетом всей проблемы, жизненного цикла системы . Это включает в себя полное понимание всех заинтересованных сторон . Оливер и др. утверждают, что процесс системной инженерии можно разложить на:
В модели Оливера целью процесса управления является организация технических усилий в жизненном цикле, в то время как технический процесс включает оценку доступной информации , определение мер эффективности , создание модели поведения , создание модели структуры , выполнение анализа компромиссов и создание последовательного плана сборки и тестирования . [16]
В зависимости от их применения, хотя в отрасли используется несколько моделей, все они направлены на выявление связи между различными этапами, упомянутыми выше, и включение обратной связи. Примерами таких моделей являются модель Waterfall и модель VEE (также называемая моделью V). [17]
Разработка системы часто требует вклада различных технических дисциплин. [18] Предоставляя системный ( целостный ) взгляд на усилия по разработке, системная инженерия помогает объединить всех технических участников в единую команду, формируя структурированный процесс разработки, который идет от концепции к производству, эксплуатации и, в некоторых случаях, к прекращению и утилизации. При приобретении целостная интегративная дисциплина объединяет вклады и уравновешивает компромиссы между стоимостью, графиком и производительностью, сохраняя при этом приемлемый уровень риска, охватывающий весь жизненный цикл элемента. [19]
Эта точка зрения часто воспроизводится в образовательных программах, в которых курсы системной инженерии преподаются преподавателями других инженерных факультетов, что помогает создать междисциплинарную среду. [20] [21]
Необходимость в системной инженерии возникла с ростом сложности систем и проектов, что в свою очередь экспоненциально увеличивает вероятность трения компонентов и, следовательно, ненадежности конструкции. Говоря в этом контексте, сложность включает в себя не только инженерные системы, но и логическую человеческую организацию данных. В то же время система может стать более сложной из-за увеличения размера, а также с увеличением объема данных, переменных или числа полей, которые участвуют в конструкции. Международная космическая станция является примером такой системы.
Разработка более интеллектуальных алгоритмов управления , проектирование микропроцессоров и анализ экологических систем также входят в сферу деятельности системной инженерии. Системная инженерия поощряет использование инструментов и методов для лучшего понимания и управления сложностью систем. Некоторые примеры этих инструментов можно увидеть здесь: [22]
Принятие междисциплинарного подхода к инженерным системам изначально является сложным, поскольку поведение и взаимодействие между компонентами системы не всегда сразу хорошо определены или поняты. Определение и характеристика таких систем и подсистем, а также взаимодействия между ними является одной из целей системной инженерии. При этом разрыв, который существует между неформальными требованиями пользователей, операторов , маркетинговых организаций и техническими спецификациями , успешно преодолевается.
.svg/1280px-SE_activities_(en).svg.png)
[23]
Принципы системной инженерии – целостность, эмерджентное поведение, граница и т. д. – могут быть применены к любой системе, сложной или нет, при условии, что системное мышление используется на всех уровнях. [24] Помимо оборонной и аэрокосмической промышленности, многим компаниям, работающим в сфере информации и технологий, фирмам по разработке программного обеспечения и отраслям в области электроники и связи требуются системные инженеры в качестве части своей команды. [25]
Анализ, проведенный INCOSE Systems Engineering Center of Excellence (SECOE), показывает, что оптимальные усилия, затрачиваемые на системную инженерию, составляют около 15–20% от общих усилий проекта. [26] В то же время исследования показали, что системная инженерия по сути приводит к сокращению затрат среди других преимуществ. [26] Однако до недавнего времени не проводилось количественного исследования в более широком масштабе, охватывающего широкий спектр отраслей. Такие исследования проводятся для определения эффективности и количественной оценки преимуществ системной инженерии. [27] [28]
Системная инженерия поощряет использование моделирования и имитации для проверки предположений или теорий относительно систем и взаимодействий внутри них. [29] [30]
Использование методов, которые позволяют на ранней стадии обнаруживать возможные сбои, в проектировании безопасности интегрируется в процесс проектирования. В то же время решения, принятые в начале проекта, последствия которых неясны, могут иметь огромные последствия в дальнейшем в жизни системы, и задача современного системного инженера — исследовать эти вопросы и принимать критические решения. Ни один метод не гарантирует, что сегодняшние решения будут по-прежнему действительны, когда система будет введена в эксплуатацию через годы или десятилетия после ее первоначального замысла. Однако существуют методы, которые поддерживают процесс системного проектирования. Примерами служат методология мягких систем, метод системной динамики Джея Райта Форрестера и унифицированный язык моделирования (UML) — все они в настоящее время изучаются, оцениваются и разрабатываются для поддержки процесса принятия инженерных решений.
Образование в области системной инженерии часто рассматривается как расширение обычных инженерных курсов, [31] отражая отношение отрасли к тому, что студентам-инженерам необходимы базовые знания в одной из традиционных инженерных дисциплин (например, аэрокосмическая инженерия , гражданское строительство , электротехника , машиностроение , производственная инженерия , промышленная инженерия , химическая инженерия ) — плюс практический, реальный опыт, чтобы быть эффективными системными инженерами. Программы бакалавриата в университетах, явно посвященные системной инженерии, растут в числе, но остаются редкими, степени, включающие такой материал, чаще всего представлены как бакалавриат в области промышленной инженерии. Обычно программы (либо сами по себе, либо в сочетании с междисциплинарным обучением) предлагаются, начиная с уровня магистратуры как в академических, так и в профессиональных направлениях, в результате чего присваивается степень MS / MEng или Ph.D. / EngD .
INCOSE в сотрудничестве с Центром исследований системной инженерии в Технологическом институте Стивенса ведет регулярно обновляемый каталог всемирных академических программ в аккредитованных учреждениях. [6] По состоянию на 2017 год в нем перечислено более 140 университетов Северной Америки, предлагающих более 400 программ бакалавриата и магистратуры по системной инженерии. Широкое институциональное признание этой области как отдельной субдисциплины произошло совсем недавно; в издании той же публикации за 2009 год сообщалось о количестве таких школ и программ всего лишь 80 и 165 соответственно.
Образование в области системной инженерии можно рассматривать как системно-ориентированное или предметно-ориентированное :
Оба эти шаблона направлены на подготовку системного инженера, способного контролировать междисциплинарные проекты с глубиной, требуемой от основного инженера. [32]
Инструменты системной инженерии — это стратегии , процедуры и методы, которые помогают в выполнении системной инженерии в проекте или продукте . Назначение этих инструментов варьируется от управления базами данных, графического просмотра, моделирования и рассуждений до документирования производства, нейтрального импорта/экспорта и многого другого. [33]
В области системной инженерии существует множество определений понятия « система» . Ниже приведены несколько авторитетных определений:
Процессы системной инженерии охватывают все творческие, ручные и технические действия, необходимые для определения продукта, и которые необходимо выполнить для преобразования определения системы в достаточно подробную спецификацию системного дизайна для производства и развертывания продукта. Проектирование и разработку системы можно разделить на четыре этапа, каждый из которых имеет свое определение: [41]
В зависимости от области применения инструменты используются на различных этапах процесса системной инженерии: [23]
Модели играют важную и разнообразную роль в системной инженерии. Модель может быть определена несколькими способами, включая: [42]
Вместе эти определения достаточно широки, чтобы охватить физические инженерные модели, используемые при проверке проекта системы, а также схематические модели, такие как функциональная блок-схема потока и математические (т.е. количественные) модели, используемые в процессе изучения торговли. Этот раздел посвящен последнему. [42]
Основная причина использования математических моделей и диаграмм в торговых исследованиях заключается в предоставлении оценок эффективности системы, производительности или технических характеристик, а также стоимости из набора известных или поддающихся оценке величин. Обычно для предоставления всех этих выходных переменных требуется набор отдельных моделей. Сердце любой математической модели — это набор значимых количественных соотношений между ее входами и выходами. Эти соотношения могут быть такими простыми, как сложение составляющих величин для получения общей суммы, или такими сложными, как набор дифференциальных уравнений, описывающих траекторию космического корабля в гравитационном поле . В идеале эти соотношения выражают причинность, а не только корреляцию. [42] Кроме того, ключом к успешной деятельности по системной инженерии являются также методы, с помощью которых эти модели эффективно и действенно управляются и используются для моделирования систем. Однако различные области часто представляют повторяющиеся проблемы моделирования и имитации для системной инженерии, и новые достижения направлены на перекрестное опыление методов среди различных научных и инженерных сообществ под названием «Моделирование и системная инженерия на основе имитации». [43] [ нужна страница ]
Первоначально, когда основной целью системного инженера является понимание сложной проблемы, графические представления системы используются для передачи функциональных и информационных требований системы . [44] Обычные графические представления включают в себя:
Графическое представление связывает различные подсистемы или части системы через функции, данные или интерфейсы. Любой или каждый из вышеперечисленных методов используется в отрасли в зависимости от ее требований. Например, диаграмма N2 может использоваться там, где важны интерфейсы между системами. Частью этапа проектирования является создание структурных и поведенческих моделей системы.
Как только требования поняты, системный инженер должен усовершенствовать их и определить, вместе с другими инженерами, наилучшую технологию для работы. На этом этапе, начиная с исследования отрасли, системная инженерия поощряет использование взвешенных выборов для определения наилучшего варианта. Матрица решений , или метод Пью, является одним из способов ( QFD — другой) сделать этот выбор, учитывая все важные критерии. Исследование отрасли, в свою очередь, информирует о дизайне, который снова влияет на графические представления системы (без изменения требований). В процессе SE этот этап представляет собой итеративный шаг, который выполняется до тех пор, пока не будет найдено приемлемое решение. Матрица решений часто заполняется с использованием таких методов, как статистический анализ, анализ надежности, системная динамика ( управление с обратной связью ) и методы оптимизации.
Язык моделирования систем (SysML) — язык моделирования, используемый для приложений системной инженерии, поддерживает спецификацию, анализ, проектирование, проверку и валидацию широкого спектра сложных систем. [45]
Язык моделирования жизненного цикла (LML) — это язык моделирования с открытым стандартом, разработанный для системной инженерии, который поддерживает полный жизненный цикл: этапы концептуального проектирования, использования, поддержки и вывода из эксплуатации. [46]
Многие смежные области можно считать тесно связанными с системной инженерией. Следующие области внесли вклад в развитие системной инженерии как отдельной сущности:
Когнитивная системная инженерия (CSE) — это особый подход к описанию и анализу систем человек-машина или социотехнических систем . [47] Три основные темы CSE — это то, как люди справляются со сложностью, как работа выполняется с использованием артефактов и как системы человек-машина и социотехнические системы могут быть описаны как совместные когнитивные системы. CSE с момента своего возникновения стала признанной научной дисциплиной, иногда также называемой когнитивной инженерией . Концепция совместной когнитивной системы (JCS) в частности стала широко использоваться как способ понимания того, как сложные социотехнические системы могут быть описаны с различной степенью разрешения. Более чем 20-летний опыт работы с CSE был подробно описан. [48] [49]
Как и системная инженерия, управление конфигурацией , практикуемое в оборонной и аэрокосмической промышленности, является широкой практикой системного уровня. Эта область параллельна задачам системной инженерии; где системная инженерия занимается разработкой требований, распределением по элементам разработки и проверкой, управление конфигурацией занимается сбором требований, прослеживаемостью до элемента разработки и аудитом элемента разработки, чтобы гарантировать, что он достиг желаемой функциональности, которую системная инженерия и/или инженерия тестирования и проверки доказали посредством объективного тестирования.
Инженерия управления и ее проектирование и реализация систем управления , широко используемых практически в каждой отрасли, являются крупным подразделом системной инженерии. Круиз-контроль на автомобиле и система наведения баллистической ракеты являются двумя примерами. Теория систем управления является активной областью прикладной математики, включающей исследование пространств решений и разработку новых методов анализа процесса управления.
Промышленная инженерия — это отрасль инженерии , которая занимается разработкой, улучшением, внедрением и оценкой интегрированных систем людей, денег, знаний, информации, оборудования, энергии, материалов и процессов. Промышленная инженерия опирается на принципы и методы инженерного анализа и синтеза, а также математические, физические и социальные науки вместе с принципами и методами инженерного анализа и проектирования для определения, прогнозирования и оценки результатов, полученных от таких систем.
Инженерия производственных систем (PSE) — это новая отрасль инженерии, призванная раскрыть фундаментальные принципы производственных систем и использовать их для анализа, постоянного совершенствования и проектирования. [50]
Проектирование интерфейса и его спецификация связаны с обеспечением того, чтобы части системы соединялись и взаимодействовали с другими частями системы и с внешними системами по мере необходимости. Проектирование интерфейса также включает обеспечение того, чтобы системные интерфейсы могли принимать новые функции, включая механические, электрические и логические интерфейсы, включая зарезервированные провода, пространство для подключения, коды команд и биты в протоколах связи. Это известно как расширяемость . Взаимодействие человека с компьютером (HCI) или интерфейс человек-машина (HMI) является еще одним аспектом проектирования интерфейса и является критическим аспектом современной системной инженерии. Принципы системной инженерии применяются при проектировании протоколов связи для локальных и глобальных сетей .
Мехатронная инженерия , как и системная инженерия, является многопрофильной областью инженерии, которая использует динамическое системное моделирование для выражения осязаемых конструкций. В этом отношении она почти неотличима от системной инженерии, но то, что отличает ее, — это фокус на более мелких деталях, а не на более крупных обобщениях и отношениях. Таким образом, обе области отличаются сферой своих проектов, а не методологией своей практики.
Исследование операций поддерживает системную инженерию. Исследование операций, вкратце, занимается оптимизацией процесса при множественных ограничениях. [51] [52]
Инженерия производительности — это дисциплина, гарантирующая, что система соответствует ожиданиям клиентов по производительности на протяжении всего срока службы. Производительность обычно определяется как скорость, с которой выполняется определенная операция, или возможность выполнения ряда таких операций за единицу времени. Производительность может ухудшиться, когда операции, поставленные в очередь на выполнение, ограничиваются ограниченной емкостью системы . Например, производительность сети с коммутацией пакетов характеризуется задержкой передачи пакетов из конца в конец или количеством пакетов, коммутируемых в час. Проектирование высокопроизводительных систем использует аналитическое или имитационное моделирование, тогда как поставка высокопроизводительной реализации включает тщательное тестирование производительности. Инженерия производительности в значительной степени опирается на статистику , теорию очередей и теорию вероятностей для своих инструментов и процессов.
Управление программами (или управление проектами) имеет много общего с системной инженерией, но имеет более широкое происхождение, чем инженерное происхождение системной инженерии. Управление проектами также тесно связано как с управлением программами, так и с системной инженерией. Оба включают планирование как инструмент инженерной поддержки при оценке междисциплинарных проблем в процессе управления. В частности, прямая связь ресурсов, характеристик производительности и риска с продолжительностью задачи или связи зависимости между задачами и воздействиями на протяжении жизненного цикла системы являются проблемами системной инженерии.
Инженерия предложений — это применение научных и математических принципов для проектирования, построения и эксплуатации экономически эффективной системы разработки предложений. По сути, инженерия предложений использует « процесс системной инженерии » для создания экономически эффективного предложения и повышения шансов на успешное предложение.
Инженерия надежности — это дисциплина, гарантирующая, что система соответствует ожиданиям клиентов по надежности на протяжении всего срока службы (т. е. она не выходит из строя чаще, чем ожидалось). Наряду с прогнозированием отказов, она в той же степени касается и предотвращения отказов. Инженерия надежности применяется ко всем аспектам системы. Она тесно связана с ремонтопригодностью , доступностью ( некоторые предпочитают надежность или RAMS ) и интегрированной логистической поддержкой . Инженерия надежности всегда является критически важным компонентом инженерии безопасности, как в анализе видов и последствий отказов (FMEA) и анализе дерева опасных неисправностей , а также инженерии безопасности .
Управление рисками , практика оценки и работы с рисками , является одной из междисциплинарных частей системной инженерии. В деятельности по разработке, приобретению или эксплуатации включение риска в компромиссы с затратами, графиком и характеристиками производительности включает в себя итеративное сложное управление конфигурацией прослеживаемости и оценки для управления планированием и требованиями по всем доменам и для жизненного цикла системы , что требует междисциплинарного технического подхода системной инженерии. Системная инженерия имеет управление рисками, которое определяет, адаптирует, внедряет и контролирует структурированный процесс управления рисками, который интегрирован в общие усилия. [53]
Методы проектирования безопасности могут применяться инженерами-неспециалистами при проектировании сложных систем для минимизации вероятности критических для безопасности отказов. Функция «Проектирование безопасности системы» помогает выявлять «угрозы безопасности» в новых проектах и может помочь с методами «смягчения» последствий (потенциально) опасных условий, которые не могут быть спроектированы вне систем.
Инженерию безопасности можно рассматривать как междисциплинарную область, которая объединяет сообщество практиков по проектированию систем управления, надежности, безопасности и системной инженерии. Она может включать такие субспециализации, как аутентификация пользователей системы, системных целей и других: людей, объектов и процессов.
С самого начала программная инженерия помогала формировать современную практику системной инженерии. Методы, используемые при работе со сложностями больших систем с большим объемом программного обеспечения, оказали большое влияние на формирование и переформирование инструментов, методов и процессов системной инженерии.
