Системная инженерия

Системная инженерия — междисциплинарный подход, определяющий полный набор технических и управленческих усилий, которые требуются для того, чтобы преобразовать совокупность потребностей и ожиданий заказчика и имеющихся ограничений в эффективные решения и поддержать эти решения в течение их жизненного цикла (ISO 24765).

Системная инженерия

  • помогает создателям систем в выделении точек зрения, которые следует использовать системному инженеру, когда он смотрит на мир,
  • определяет сферу деятельности (ответственности) системного инженера,
  • предлагает инструментарий (процессы) для осуществления этой деятельности.

В составе системной инженерии выделяют две составляющих:

  1. специальное руководство (Technical leadership), сконцентрированное на протяжении полного ЖЦ системы на продуктивных технических проектных решениях и технической целостности — искусство СИ, т.е. творческая деятельность, направленная на получение новых возможностей и систем на основе гармоничного сочетания технических знаний в определенных областях, инженерного инстинкта, умения решать задачи, креативности, способности к роли лидера и к обмену знаниями и мнениями.
  2. управление системными решениями (Systems management), сосредоточенное на решении проблем, использования множества различных технологий, участия в работе нескольких организаций, а также вовлечения сотен и тысяч людей в комплексную техническую деятельность — наука СИ, т.е. хорошо формализованная деятельность, направленная на выработку и систематизацию знаний, необходимых для строгого и эффективного управления развитием и функционированием сложных систем (эффективное управление предполагает использование систематизированного, упорядоченного, поддающегося количественному определению подхода, который может использоваться рекурсивно на разных системных уровнях, является воспроизводимым и пригодным для наблюдения и демонстрации).

СИ ничего не говорит про то, как снимать противоречия (не предлагает никаких “методов творческого мышления”, таблиц решений, способов развития воображения). Системная инженерия позволяет удерживать видение всей системы в целом при решении проблем. Системноинженерное мышление как минимум помогает поделить решение проблемы между разными людьми в инженерном коллективе.

Поколения системной инженерии

  1. Классическая системная инженерия использует диаграммную технику — это уже не вольные поэтические метафоры, как в алхинженерии, но много более строгие определения системы: чертежи, диаграммы, таблицы и т.д. Но это не полностью формальное описание: его нельзя как-то формально проверить, оно предназначено для чтения и интерпретации только людьми.
  2. Системная инженерия на основе моделей (model-based systems engineering) предусматривает использование логических (структурных) и физических (числовых) формальных моделей, которые могут непосредственно быть обработаны (проверены, оптимизированы) компьютером. Это позволяет достигать принципиально другой сложности целевых систем: компьютеры проверяют модели на отсутствие разного рода ошибок в разы более производительно и точно, чем это может сделать человек. Основной особенностью MBSE является то, что используются не только численные физические модели, но и “логические” модели, использующие аппарат дискретной математики, плюс алгоритмические модели на языках программирования.
  3. Поискориентированная системная инженерия (search-based systems engineering). Сейчас существует только search-based software engineering (SBSE, термин появился в 2001 году)
  4. Вычисление оптимальных технических решений
    • Цели и контракты. После описания целей и контрактов (напр. c помощью GCSL) делается синтез и оптимизация архитектуры, соответствующей целям и контрактам (см. методологию DANSE).
    • искусственное воображение — новый термин, лежащий под всеми этими методами поиска решений в огромных их пространствах. Термин относительно старый, но используется всё более и более широко (см. Vicarious). Раньше все эти "генетические алгоритмы" и "обучаемые нейронные сети" безусловно относились к тематике искусственного интеллекта.
    • Порождающее проектирование (generative design) — ещё одно направление, где компьютер используется для непосредственного размышления над инженерным проектом, а не документирования размышлений человека-инженера (и по сопричастности generative manufacturing). Исторически тут больше идёт "воображение формы", 3D моделирование и главным образом используются 3D САПРы. Но это направление работ также связано с синтезом модели (3D модели в данном случае).
  5. Компьютерный поиск (порождение, вывод, вычисление) требований, архитектуры, тестов — это и есть следующее поколение системной инженерии, непосредственно следующее за переходом к моделеориентированности. Для этого нужно искусственное инженерное воображение (экономная генерация всё более и более подходящих вариантов инженерных решений) и искусственный инженерный вкус (умение оценить эти варианты). Во всех случаях для инженерии необходимо использовать гибридные (численные+логические) выводы/вычисления, целевая система описывается в терминах структур системы (компонент, модулей, размещений в их иерархиях) и численных параметров (физических свойств), и нужно работать не только с логическими и не только с мультифизическими моделями, но и с их гибридами. В конце концов, архитектура системы получается путём нахождения (поиска, воображения, хоть и искусственного) совмещения логической/функциональной и физической архитектур, то есть логического идеального структурного мира с грубым материальным численно описываемым физическим миром.

Основы системной инженерии

Теоретическую и методологическую основу системной инженерии составляют:

В системной инженерии тесно переплетены элементы науки и практики. Хотя её основой считают общесистемные теории, системная инженерия, однако, заимствует у них лишь самые общие исходные представления и предпосылки. Её методологический статус весьма необычен: с одной стороны, системная инженерия располагает методами и процедурами, почерпнутыми из современной науки и созданными специально для неё, что ставит её в ряд с другими прикладными направлениями современной методологии, с другой — в развитии системной инженерии отсутствует тенденция к оформлению его в строгую и законченную теорию. Это связано, прежде всего, с тем, что чрезвычайно высокая сложность и разнообразие крупномасштабных систем существенно затрудняет использование точных формализованных методов при их создании. Поэтому основные концепции, методы и технологии современной системной инженерии формировались, главным образом, в рамках практики успешных разработок. В настоящее время системная инженерия представляет собой междисциплинарный комплекс исследований, подходов и методологий к построению и эксплуатации сложных систем любого масштаба и назначения в различных областях человеческой деятельности (см.: Деятельность).

В основании метода СИ лежат:

  1. концепции СИ — общие абстрактные представления, связанные с пониманием предмета СИ, которые направляют мышление системного инженера.
  2. принципы СИ — исходные, принимаемые за истину правила, которые используются в качестве основы для рассуждений и/или для принятия решений, предоставляют необходимые правила и нормы

Д. Хитчинс пришёл к выводу, что принципы системной инженерии напрямую связаны с концепциями системы, инженерной деятельности и управления (Hitchins D. What are the General Principles Applicable to Systems? — INCOSE INSIGHT. — V. 12, Issue 4. — December 2009. — pp. 59–64). При выделении принципов системной инженерии он ориентировался на системные концепции, типичные для инженерно-технических и социотехнических систем.

Базовые принципы системной инженерии по Д. Хитчинсу:

  1. Системный подход (The Systems Approach) — целевая система рассматривается как открытая и в контексте её взаимодействия и приспособления к другим системам, находящимся в среде функционирования, как имеющая в своём составе открытые, взаимодействующие между собой подсистемы и как представляющая собой часть системы в более широком смысле или объемлющей системы.
  2. Синтез (Synthesis) — для получения решения части или подсистемы соединяются между собой, чтобы функционировать и взаимодействовать как единое целое, демонстрируя повышение эффективности работы в результате соединения, интеграции, слияния отдельных частей в единую систему (синергический эффект). При этом основная задача системной инженерии состоит в выборе (описании, проектировании, селекции) «правильных» составных частей, их соединении между собой так, чтобы достигалось необходимое взаимодействие и в правильном сочетании этих взаимодействий таким образом, чтобы достигались необходимые свойства целого.
  3. Холизм (Holism) — при принятии решений проблема, её решение и система рассматриваются в целом.
  4. Органицизм (Organicism) — свойства и поведение систем рассматриваются в динамике, причём в основе деятельности системного инженера лежат скорее представления о развитии биологического организма, нежели механистическая метафора классического инженерного подхода.

Дополнительные принципы системной инженерии по Д. Хитчинсу:

  1. Адаптивная оптимизация (Adaptive Optimizing) — проблемы следует решать постепенно во времени, то есть так, чтобы адаптировать характеристики сложной системы к новым ситуациям и изменениям, происходящим в состоянии системы, во внешней среде и в других системах, взаимодействующих с целевой, а также учесть возникающие дополнительные факторы. Наиболее важный аспект адаптивной оптимизации — обеспечение возможности непрерывного улучшения характеристик системы для сохранения оптимальной эффективности в условиях изменений в среде функционирования.
  2. Постепенное уменьшение энтропии (Progressive Entropy Reduction) — процесс системной инженерии продолжается на протяжении всего жизненного цикла системы, в результате чего энтропия, характеризующая целевую систему, постепенно уменьшается с переходом от состояния беспорядка (высокая энтропия) к состоянию порядка (низкая энтропия) в конце цикла.
  3. Разумная достаточность (Adaptive Satisfying) — успешная системная инженерия включает процесс непрерывной адаптации требований к системе и решений для получения результатов, которые в данных условиях позволяют в наибольшей степени удовлетворить критически важные заинтересованные стороны. Это включает две составляющих:
    1. система успешна тогда и только тогда, когда с её помощью добиваются успеха все ключевые заинтересованные стороны;
    2. для того, чтобы система позволяла ключевым заинтересованным сторонам добиться успеха требуется:
      • идентифицировать все критически важные заинтересованных сторон;
      • определить, в чём видят успех заинтересованные стороны;
      • договориться с заинтересованными сторонами о взаимовыгодном наборе планов создания и производства системы, а также реализации процессов;
      • контролировать, с учётом баланса интересов заинтересованных сторон, реализацию планов, включая адаптацию к происходящим изменениям.

Метод СИ является руководством и практическим инструментом для достижения цели, т.е. для создания успешной системы, а также для достижения состояния стабильного, устойчивого развития посредством принятия непротиворечивых решений на протяжении ЖЦ системы.

Процесс системной инженерии

Основная статья: Процесс системной инженерии

Опыт множества системных разработок показывает, что несмотря на отличия в целевых системах, совокупность действий, повторяющихся по мере прохождения стадий и этапов жизненного цикла в своей основе остаётся постоянной. Поэтому на практике системная инженерия стремится формализовать процесс разработки систем. Совокупность подобных типовых, повторяющихся действий получила особое название — процесс системной инженерии (Systems Engineering Process) или метод системной инженерии (Systems Engineering Method).

Предмет системной инженерии

В соответствии с современными представлениями, предметом системной инженерии является интегрированное, целостное рассмотрение крупномасштабных, комплексных, высокотехнологичных систем, взаимодействующих преимущественно на уровне предприятий с использованием человеко-машинных интерфейсов. Создание таких систем требует усиленного внимания к следующим процедурам:

  • разработке архитектуры систем, проектированию систем и их элементов;
  • системному анализу и исследованию операций;
  • управлению инженерной деятельностью;
  • выбору технологий и методик;
  • эффективному управлению жизненным циклом системы.

Профиль современной системной инженерии включает следующие основные области деятельности:

  1. Управление организацией (организационно-управленческая деятельность).
  2. Управление проектами (проектно-управленческая деятельность).
  3. Управление инженерными решениями (проектно-инженерная деятельность).
  4. Специальные инженерные дисциплины (технологическая деятельность).

Стандарты в области системной инженерии

См. Стандарты системной инженерии

Литература

  • Harry H. Good, Robert E. Machol "System engineering : an introduction to the design of large-scale systems", 1957.
  • Arthur D. Hall "A Methodology for Systems Engineering", 1965.
  • Гуденко М. "Большие системы. Теория, методология, моделирование", 1971.
  • Blanchard B., Fabrycky W. "Systems Engineering and Analysis", 1981.
  • Brill J. "Systems Engineering – A Retrospective View", 1998.
  • Rhodes D., Hastings D. The Case for Evolving Systems Engineering as a Field within Engineering Systems", 2004.
  • Батоврин В.К. "Системная и программная инженерия. Словарь-справочник : Учебное пособие для вузов", 2010.
  • Alexander Kossiakoff et al. "Systems Engineering : Principles and Practice 2nd Edition", 2011.
  • Левенчук А.И. "Системно-инженерное мышление. Учебник", 2015.
  • Левенчук А.И. "Системное мышление", 2018.

См. также

Комментарии