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 этого массива знаний . Индивидуальный результат таких усилий, инженерная система , может быть определен как комбинация компонентов, которые работают синергически, чтобы вместе выполнять полезную функцию .
Такие вопросы, как разработка требований , надежность, логистика , координация различных команд, тестирование и оценка, ремонтопригодность и многие другие дисциплины, необходимые для успешного проектирования , разработки, внедрения и окончательного вывода из эксплуатации системы , становятся более трудными при работе с большими или сложными проектами . Системная инженерия занимается рабочими процессами, методами оптимизации и инструментами управления рисками в таких проектах. Он пересекается с техническими и человекоориентированными дисциплинами, такими как промышленное проектирование , проектирование производственных систем, проектирование технологических систем , машиностроение , производственная инженерия , производственная инженерия , техника управления , разработка программного обеспечения , электротехника , кибернетика , аэрокосмическая инженерия , организационные исследования , гражданское строительство и управление проектом . Системная инженерия гарантирует, что все вероятные аспекты проекта или системы рассматриваются и интегрированы в единое целое.
Процесс системного проектирования — это процесс открытия, который совершенно не похож на производственный процесс. Производственный процесс ориентирован на повторяющиеся действия, позволяющие достичь высококачественной продукции с минимальными затратами и временем. Процесс системного проектирования должен начинаться с обнаружения реальных проблем, которые необходимо решить, и выявления наиболее вероятных или наиболее серьезных сбоев, которые могут возникнуть. Системная инженерия предполагает поиск решений этих проблем.
Термин «системная инженерия» восходит к Bell Telephone Laboratories в 1940-х годах. [1] Необходимость идентифицировать и манипулировать свойствами системы в целом, которые в сложных инженерных проектах могут сильно отличаться от суммы свойств частей, побудила различные отрасли промышленности, особенно те, которые разрабатывают системы для вооруженных сил США, применять дисциплина. [2] [3]
Когда уже невозможно было полагаться на эволюцию конструкции для улучшения системы, а существующих инструментов было недостаточно для удовлетворения растущих требований, начали разрабатываться новые методы, которые напрямую решали проблему сложности. [4] Продолжающаяся эволюция системной инженерии включает разработку и определение новых методов и методов моделирования. Эти методы помогают лучше понять процесс проектирования и управления разработкой инженерных систем по мере их усложнения. В это время были разработаны популярные инструменты, которые часто используются в контексте системной инженерии, включая USL , UML , QFD и IDEF .
В 1990 году представителями ряда корпораций и организаций США было основано профессиональное общество системной инженерии — Национальный совет по системной инженерии (NCOSE). NCOSE был создан для удовлетворения потребностей в совершенствовании практики системного проектирования и образования. В результате растущего участия системных инженеров за пределами США в 1995 году название организации было изменено на Международный совет по системной инженерии ( INCOSE ) . варианты образования также доступны для практикующих инженеров. [6]
Системная инженерия означает лишь подход, а в последнее время и дисциплину в инженерии. Цель образования в области системной инженерии состоит в том, чтобы просто формализовать различные подходы и при этом выявить новые методы и возможности исследований, аналогичные тем, которые встречаются в других областях инженерии. Подход системной инженерии носит целостный и междисциплинарный характер.
Традиционная сфера инженерного дела включает концепцию, проектирование, разработку, производство и эксплуатацию физических систем. Системная инженерия, как она изначально задумывалась, подпадает под эту сферу. «Системная инженерия» в этом смысле этого слова относится к созданию инженерных концепций.
Использование термина «системный инженер» со временем изменилось и стало охватывать более широкую и целостную концепцию «систем» и инженерных процессов. Эта эволюция определения была предметом постоянных споров [13] , и этот термин продолжает применяться как в более узкой, так и в более широкой сфере.
Традиционная системная инженерия рассматривалась как отрасль техники в классическом смысле, то есть применительная только к физическим системам, таким как космические корабли и самолеты. Совсем недавно системная инженерия приобрела более широкое значение, особенно когда люди стали рассматриваться как важный компонент системы. Питер Чеклэнд , например, отражает более широкое значение системной инженерии, заявляя, что «инжиниринг» «можно читать в общем смысле; вы можете спланировать встречу или политическое соглашение». [14] : 10
В соответствии с более широкой сферой системной инженерии, « Свод знаний системной инженерии» (SEBoK) [15] определил три типа системной инженерии:
Системное проектирование фокусируется на анализе и выявлении потребностей клиентов и требуемых функций на ранних стадиях цикла разработки , документировании требований, затем переходе к синтезу проекта и проверке системы, при этом рассматривая полную проблему, жизненный цикл системы . Это включает в себя полное понимание всех заинтересованных сторон . Оливер и др. утверждают, что процесс системного проектирования можно разложить на:
В рамках модели Оливера целью процесса управления является организация технических усилий в жизненном цикле, в то время как технический процесс включает в себя оценку доступной информации , определение показателей эффективности , создание модели поведения , создание структурной модели , выполнение компромиссного анализа , и создайте последовательный план сборки и тестирования . [16]
Хотя в отрасли используется несколько моделей, в зависимости от их применения, все они направлены на выявление связи между различными этапами, упомянутыми выше, и учет обратной связи. Примеры таких моделей включают модель «Водопад» и модель VEE (также называемую моделью V). [17]
Разработка системы часто требует участия представителей различных технических дисциплин. [18] Обеспечивая системное ( целостное ) представление о разработке, системная инженерия помогает объединить всех технических участников в единую команду, формируя структурированный процесс разработки, который переходит от концепции к производству, эксплуатации и, в некоторых случаях, к прекращение и утилизация. При приобретении целостная интегративная дисциплина объединяет вклады и балансирует компромиссы между стоимостью, графиком и производительностью, сохраняя при этом приемлемый уровень риска, охватывающий весь жизненный цикл объекта. [19]
Эта точка зрения часто воспроизводится в образовательных программах, где курсы системной инженерии преподаются преподавателями других инженерных факультетов, что помогает создать междисциплинарную среду. [20] [21]
Потребность в системном проектировании возникла с увеличением сложности систем и проектов, что, в свою очередь, экспоненциально увеличивало возможность трения компонентов и, следовательно, ненадежности конструкции. Говоря в этом контексте, сложность включает в себя не только инженерные системы, но и логическую человеческую организацию данных. При этом система может усложниться за счет увеличения размера, а также увеличения объема данных, переменных или количества полей, участвующих в проектировании. Международная космическая станция является примером такой системы.
Разработка более интеллектуальных алгоритмов управления , проектирование микропроцессоров и анализ систем окружающей среды также входят в сферу системной инженерии. Системная инженерия поощряет использование инструментов и методов для лучшего понимания сложности систем и управления ими. Некоторые примеры этих инструментов можно увидеть здесь: [22]
Принятие междисциплинарного подхода к инженерным системам по своей сути сложно, поскольку поведение и взаимодействие между компонентами системы не всегда сразу четко определяются или понимаются. Определение и характеристика таких систем и подсистем, а также взаимодействий между ними является одной из целей системной инженерии. При этом успешно устраняется разрыв, существующий между неформальными требованиями пользователей, операторов , маркетинговых организаций и техническими спецификациями .
[23]
Принципы системной инженерии – холизм, эмерджентное поведение, границы и др. – может применяться к любой системе, сложной или иной, при условии, что системное мышление используется на всех уровнях. [24] Помимо оборонной и аэрокосмической промышленности, многим информационным и технологическим компаниям, фирмам по разработке программного обеспечения и отраслям в области электроники и связи требуются системные инженеры в составе своей команды. [25]
Анализ Центра передового опыта системного проектирования INCOSE (SECOE) показывает, что оптимальные усилия, затрачиваемые на системное проектирование, составляют около 15–20% от общих усилий по проекту. [26] В то же время исследования показали, что системная инженерия, помимо других преимуществ, по существу приводит к снижению затрат. [26] Однако до недавнего времени не проводилось никаких количественных исследований в более широком масштабе, охватывающих широкий спектр отраслей. Такие исследования проводятся для определения эффективности и количественной оценки преимуществ системной инженерии. [27] [28]
Системная инженерия поощряет использование моделирования и моделирования для проверки предположений или теорий о системах и взаимодействиях внутри них. [29] [30]
Использование методов, позволяющих раннее обнаружение возможных отказов в технике безопасности , интегрировано в процесс проектирования. В то же время решения, принятые в начале проекта, последствия которых не совсем ясны, могут иметь огромные последствия в дальнейшей жизни системы, и задача современного системного инженера — исследовать эти проблемы и принимать критические решения. Ни один метод не гарантирует, что сегодняшние решения останутся действительными, когда система будет введена в эксплуатацию спустя годы или десятилетия после ее первоначального замысла. Однако существуют методы, которые поддерживают процесс системной инженерии. Примеры включают методологию мягких систем, метод системной динамики Джея Райта Форрестера и унифицированный язык моделирования (UML) — все они в настоящее время исследуются, оцениваются и разрабатываются для поддержки процесса принятия инженерных решений.
Образование в области системной инженерии часто рассматривается как дополнение к обычным инженерным курсам [31] , что отражает отношение отрасли к тому, что студентам-инженерам необходим базовый опыт в одной из традиционных инженерных дисциплин (например, аэрокосмическая инженерия , гражданское строительство , электротехника , машиностроение). , производственное проектирование , промышленное проектирование , химическое машиностроение ) — плюс практический опыт работы в реальной жизни, позволяющий эффективно работать системным инженером. Число программ бакалавриата, посвященных системной инженерии, растет, но остается редкостью: степени, включающие такой материал, чаще всего представляются как степень бакалавра в области промышленной инженерии. Обычно программы (либо сами по себе, либо в сочетании с междисциплинарным обучением) предлагаются, начиная с уровня магистратуры как по академическим, так и по профессиональным направлениям, в результате чего предоставляется степень магистра / MEng или доктора философии. / Степень инженера .
INCOSE в сотрудничестве с Исследовательским центром системной инженерии Технологического института Стивенса поддерживает регулярно обновляемый каталог всемирных академических программ в учреждениях, имеющих соответствующую аккредитацию. [6] По состоянию на 2017 год в нем перечислено более 140 университетов Северной Америки, предлагающих более 400 программ бакалавриата и магистратуры в области системной инженерии. Широкое институциональное признание этой области как отдельной субдисциплины появилось совсем недавно; В выпуске той же публикации за 2009 год сообщалось, что количество таких школ и программ составляет всего 80 и 165 соответственно.
Образование в области системной инженерии можно рассматривать как системно-ориентированное или предметно-ориентированное :
Оба эти шаблона направлены на обучение системного инженера, который сможет контролировать междисциплинарные проекты с глубиной, необходимой для основного инженера. [32]
Инструменты системного проектирования — это стратегии , процедуры и методы, которые помогают выполнять системное проектирование проекта или продукта . Назначение этих инструментов варьируется от управления базами данных, графического просмотра, моделирования и рассуждений до создания документов, нейтрального импорта/экспорта и многого другого. [33]
В области системной инженерии существует множество определений того, что такое система . Ниже приведены несколько авторитетных определений:
Процессы системного проектирования охватывают все творческие, ручные и технические действия, необходимые для определения продукта и которые необходимо выполнить для преобразования определения системы в достаточно подробную спецификацию проектирования системы для производства и развертывания продукта. Проектирование и разработку системы можно разделить на четыре этапа, каждый из которых имеет разные определения: [41]
В зависимости от применения инструменты используются на различных этапах процесса системного проектирования: [23]
Модели играют важную и разнообразную роль в системной инженерии. Модель может быть определена несколькими способами, в том числе: [42]
В совокупности эти определения достаточно широки, чтобы охватить модели физической инженерии, используемые при проверке проекта системы, а также схематические модели, такие как функциональная блок-схема и математические (т.е. количественные) модели, используемые в процессе изучения торговли. В этом разделе основное внимание уделяется последнему. [42]
Основная причина использования математических моделей и диаграмм в торговых исследованиях заключается в том, чтобы предоставить оценки эффективности системы, производительности или технических характеристик, а также стоимости на основе набора известных или поддающихся оценке величин. Обычно для предоставления всех этих результирующих переменных требуется набор отдельных моделей. Сердцем любой математической модели является набор значимых количественных отношений между ее входными и выходными данными. Эти отношения могут быть такими же простыми, как сложение составляющих величин для получения суммы, или такими сложными, как набор дифференциальных уравнений , описывающих траекторию космического корабля в гравитационном поле . В идеале отношения выражают причинно-следственную связь, а не просто корреляцию. [42] Кроме того, ключом к успешной деятельности по системному проектированию также являются методы, с помощью которых эти модели эффективно и результативно управляются и используются для моделирования систем. Однако в различных областях часто возникают повторяющиеся проблемы моделирования и симуляции для системной инженерии, и новые достижения направлены на взаимное обогащение методов среди различных научных и инженерных сообществ под названием «Системная инженерия на основе моделирования и моделирования». [43] [ нужна страница ]
Первоначально, когда основной целью системного инженера является понимание сложной проблемы, графические представления системы используются для передачи функциональных требований системы и требований к данным. [44] К распространенным графическим представлениям относятся:
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 структурной и поведенческой моделей системы.
Как только требования понятны, на системном инженере лежит обязанность уточнить их и вместе с другими инженерами определить лучшую технологию для работы. На этом этапе, начиная с профессионального исследования, системная инженерия поощряет использование взвешенного выбора для определения наилучшего варианта. Матрица решений или метод Пью — это один из способов ( QFD — другой) сделать этот выбор с учетом всех важных критериев. Профессиональное исследование, в свою очередь, влияет на дизайн, который снова влияет на графическое представление системы (без изменения требований). В процессе SE этот этап представляет собой итерационный шаг, который выполняется до тех пор, пока не будет найдено допустимое решение. Матрица решений часто заполняется с использованием таких методов, как статистический анализ, анализ надежности, динамика системы ( управление с обратной связью ) и методы оптимизации.
Язык моделирования систем (SysML), язык моделирования, используемый для приложений системного проектирования, 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 системного проектирования и поддерживающий 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 способствовали развитию системной инженерии как отдельного субъекта:
Когнитивная системная инженерия (CSE) — это особый подход к описанию и анализу человеко-машинных систем или социотехнических систем . [47] Три основные темы CSE — это то, как люди справляются со сложностями, как работа выполняется с использованием артефактов и как человеко-машинные системы и социотехнические системы могут быть описаны как совместные когнитивные системы. CSE с самого начала стала признанной научной дисциплиной, которую иногда также называют когнитивной инженерией . Концепция совместной когнитивной системы (JCS), в частности, стала широко использоваться как способ понять, как сложные социотехнические системы могут быть описаны с различной степенью разрешения. Подробно описан более чем 20-летний опыт работы с CSE. [48] [49]
Как и системное проектирование, управление конфигурацией , практикуемое в оборонной и аэрокосмической промышленности, представляет собой широкую практику на системном уровне. Эта область аналогична задачам системной инженерии; где системное проектирование занимается разработкой требований, распределением элементов разработки и проверкой, управление конфигурацией занимается сбором требований, отслеживанием элемента разработки и аудитом элемента разработки, чтобы гарантировать, что он достиг желаемой функциональности, которую системное проектирование и/или тестирование и Техническая проверка подтверждена объективными испытаниями.
Инженерия управления , а также ее проектирование и внедрение систем управления , широко используемые практически во всех отраслях промышленности, представляют собой крупную подобласть системной инженерии. Два примера — круиз-контроль автомобиля и система наведения баллистической ракеты. Теория систем управления — активная область прикладной математики, включающая исследование пространств решений и разработку новых методов анализа процесса управления.
Промышленный инжиниринг — это отрасль техники , 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 развивающаяся отрасль инженерии, призванная раскрыть фундаментальные принципы производственных систем и использовать их для анализа, постоянного улучшения и проектирования. [50]
Проектирование интерфейса и его спецификация направлены на обеспечение того, чтобы части системы соединялись и взаимодействовали с другими частями системы и с внешними системами по мере необходимости. Проектирование интерфейса также включает в себя обеспечение того, чтобы системные интерфейсы могли принимать новые функции, включая механические, электрические и логические интерфейсы, включая зарезервированные провода, подключаемое пространство, коды команд и биты в протоколах связи. Это известно как расширяемость . Взаимодействие человека и компьютера (HCI) или человеко-машинный интерфейс (HMI) — это еще один аспект проектирования интерфейсов и важнейший аспект современной системной инженерии. Принципы системной инженерии применяются при разработке протоколов связи для локальных и глобальных сетей .
Мехатронная инженерия , как и системная инженерия, представляет собой междисциплинарную область инженерии, которая использует моделирование динамических систем для выражения материальных конструкций. В этом отношении она почти неотличима от системной инженерии, но ее отличает внимание к более мелким деталям, а не к более крупным обобщениям и связям. Таким образом, обе области отличаются масштабом своих проектов, а не методологией своей практики.
Исследование операций поддерживает системную инженерию. Вкратце, исследование операций занимается оптимизацией процесса при наличии множества ограничений. [51] [52]
Проектирование производительности — это дисциплина, обеспечивающая соответствие системы ожиданиям клиентов в отношении производительности на протяжении всего ее срока службы. Производительность обычно определяется как скорость, с которой выполняется определенная операция, или возможность выполнения ряда таких операций в единицу времени. Производительность может ухудшиться, если операции, поставленные в очередь на выполнение, ограничиваются ограниченной емкостью системы . Например, производительность сети с коммутацией пакетов характеризуется задержкой сквозной передачи пакетов или количеством пакетов, коммутируемых за час. При проектировании высокопроизводительных систем используется аналитическое или имитационное моделирование, тогда как реализация высокопроизводительной реализации предполагает тщательное тестирование производительности. Проектирование производительности в своих инструментах и процессах в значительной степени опирается на статистику , теорию массового обслуживания и теорию вероятностей .
Управление программами (или управление программами) имеет много общего с системной инженерией, но имеет более широкое происхождение, чем инженерное начало системной инженерии. Управление проектами также тесно связано как с управлением программами, так и с системной инженерией.
Разработка предложений — это применение научных и математических принципов для проектирования, построения и эксплуатации экономически эффективной системы разработки предложений. По сути, разработка предложений использует « процесс системного проектирования » для создания экономически эффективного предложения и увеличения шансов на его успешное завершение.
Проектирование надежности — это дисциплина, обеспечивающая соответствие системы ожиданиям клиентов в отношении надежности на протяжении всего ее срока службы (т. е. она не выходит из строя чаще, чем ожидалось). Помимо прогнозирования неудачи, речь идет в равной степени и о ее предотвращении. Проектирование надежности применимо ко всем аспектам системы. Он тесно связан с ремонтопригодностью , доступностью ( некоторые предпочитают надежность или RAMS ) и логистическим инжинирингом . Проектирование надежности всегда является критически важным компонентом проектирования безопасности, как, например, при анализе видов и последствий отказов (FMEA) и анализе дерева отказов , а также при проектировании безопасности .
Управление рисками , практика оценки рисков и борьбы с ними , является одной из междисциплинарных частей системной инженерии. При разработке, приобретении или эксплуатации включение риска в компромисс с затратами, графиком и характеристиками производительности предполагает итеративное сложное управление конфигурацией, отслеживаемость и оценку, планирование и управление требованиями в разных областях и для жизненного цикла системы , что требует междисциплинарный технический подход системной инженерии. Системная инженерия позволяет управлению рисками определить, адаптировать, внедрить и контролировать структурированный процесс управления рисками, который интегрирован в общие усилия. [53]
Методы техники безопасности могут применяться инженерами-неспециалистами при проектировании сложных систем, чтобы минимизировать вероятность критических с точки зрения безопасности отказов. Функция «Инжиниринг безопасности системы» помогает выявлять «угрозы безопасности» в новых проектах и может помочь с методами «смягчения» последствий (потенциально) опасных условий, которые невозможно спроектировать вне систем.
Планирование — это один из инструментов поддержки системного проектирования как практика и элемент оценки междисциплинарных проблем при управлении конфигурацией. В частности, проблема системной инженерии связана с прямой связью ресурсов, характеристик производительности и риска с продолжительностью задачи или связями зависимостей между задачами и воздействиями на протяжении жизненного цикла системы .
Инжиниринг безопасности можно рассматривать как междисциплинарную область, которая объединяет сообщество практиков в области проектирования систем управления, надежности, безопасности и системного проектирования. Это может включать в себя такие аспекты, как аутентификация пользователей системы, целей системы и других объектов: людей, объектов и процессов.
С самого начала разработка программного обеспечения помогла сформировать современную практику системной инженерии. Методы, используемые при работе со сложностями больших программно-интенсивных систем, оказали большое влияние на формирование и изменение инструментов, методов и процессов системной инженерии.
