Системная инженерия — различия между версиями

Версия 14:36, 12 мая 2016

Системная инженерия — систематический, хорошо упорядоченный подход для технического описания, проектирования, разработки, реализации, технического руководства созданием, эксплуатации и прекращения использования системы.

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.

СИ, сосредотачивая внимание на целостном и универсальном, а не на частном и специальном, может рассматриваться как связующее звено между искусством и наукой инженерной деятельности. В составе системной инженерии выделяют две составляющих:

1. специальное руководство (Technical leadership), сконцентрированное на протяжении полного [[Жизненный цикл|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).

Системная инженерия 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. Для этого системные инженеры явно обсуждают метод своей работы. Так, они не просто “генерируют основные инженерные решения”, а “создают архитектуру системы”. Профессиональный язык системных инженеров позволяет быстрее договариваться о том, что делать и о чём думать, чем при использовании бытового языка. Более того, системная инженерия делает всё, чтобы не нужно было мыслить, а нужно было бы просто применять в проекте уже известные технические решения.

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). Если в MBSE мы формализовали набором моделей сам объект работы инженеров - целевую систему и подвергали эти модели анализу солверов, то в поиск-ориентированной системной инженерии мы формализуем также и синтетические практики системной инженерии: инженерии требований, инженерии системной архитектуры и инженерии проверки и приёмки.

Метод системной инженерии

Теоретическую и методологическую основу системной инженерии составляют:

• Системный подход;
• Общая теория систем;
• методы исследований с привлечением математической логики, математической статистики, системного анализа, теории алгоритмов, теории игр, теории ситуаций, теории информации, комбинаторики и ряда других.

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.
   • Система
   • Жизненный цикл
   • Заинтересованная сторона (стейкхолдер)
   • Успешность системы
   • Альфа
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
   • Переход от редукционистского к системному подходу.
   • Переход от монодисциплинарного к междисциплинарному подходу.
   • Переход от структурного к процессному подходу.
   • Переход от рабочего проектирования и конструирования к архитектурному проектному подходу.
   • Переход от непосредственной реализации к моделецентричной реализации.
   • Переход от одной группы описаний ко множественности групп описаний.
   • Переход от приоритета документов к приоритету данных.
   • Переход от единой верификации к раздельным верификации и валидации.
   • Переход от управления жизненным циклом как «технологическим конвейером» к «заказам-поставкам».
   • Переход от работы «для одного заказчика» к работе со множеством заинтересованных сторон.
   • Переход от методов жёсткого планирования к использованию гибких прогнозных методов.

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

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 — процессы системной инженерии (Systems Engineering Process) или методы системной инженерии (Systems Engineering Method).

Процесс системной инженерии (Systems Engineering Process) - cовокупность типовых действий, повторяющихся по мере прохождения стадий и этапов ЖЦ [Blanchard B., Fabrycky W. Systems Engineering and Analysis - Prentice Hall International Series in Industrial & Systems Engineering, 5th Edition, 2010] также называется подходом системной инженерии (Systems Engineering Approach) [Sadraey M. Aircraft Design: A Systems Engineering Approach - Wiley, 2012] и методом системной инженерии (Systems Engineering Method) [Kossiakoff A. et al. Systems Engineering Principles and Practice - Wiley, 2011]

В обобщённой форме набор методов (процессов) системной инженерии включает, как минимум, следующие действия, которые необходимы для получения оптимальной системы:

• обеспечение надёжного проектного репозитория, который поддерживает необходимые инструменты для совместной работы множества специалистов над мультидисциплинарной информацией в ходе создания системы и управления её жизненным циклом;
• точную оценку доступной информации и определение недостающей;
• точное определение критериев производительности и эффективности, которые определяют успех или неудачу системного проекта;
• получение и анализ всех исходных требований, которые отражают запросы пользователей и цели заинтересованных сторон (см. Инженерия требований);
• проведение системного анализа для разработки проектных решений, отражающих поведение системы, которые должны соответствовать всем функциональным требованиям и требованиям к производительности;
• распределение всех поведенческих элементов системы по соответствующим (подходящим) им элементам архитектуры;
• проведение анализа компромиссных решений по альтернативным проектным решениям или архитектуре для поддержки процесса принятия решений;
• создание исполняемых моделей для верификации и валидации работы системы.

Все известные методы (процессы) системной инженерии предполагают итеративное применение процедур синтеза, анализа, оценки:

1. Синтез включает формирование определённой совокупности нужд и требований клиента и других заинтересованных сторон, описанных на языке функционирования. Основными элементами обеспечения синтеза являются команда разработчиков, а также традиционные и компьютерно-ориентированные инструменты синтеза. Синтез наиболее эффективен при одновременном использовании как восходящих, так и нисходящих действий, причём учитываются результаты прикладных исследований и возможности использования известных технологий. Существующие и вновь спроектированные, компоненты, узлы и подсистемы комплексируются в виде, пригодном для анализа и оценки.
2. Анализ вариантов системных решений включает вычисление и предсказание значения параметров, зависящих от конструктивных решений (технических характеристик), а также определение или предсказание параметров, не зависящих от конструктивных решений. Во всех случаях используется информация о физических процессах и явлениях, техническая информация, а также экономическая информация, хранящаяся в базах данных. Системный анализ и исследование операций являются необходимыми шагами на пути оценки проектных вариантов системы, но требуется обязательная адаптация соответствующих моделей и методов к особенностям предметной области. В целом, применение анализа — это необходимая, но не достаточная составляющая процедуры принятия решения о выборе проектного варианта системы.
3. Оценка подразумевает, что каждый вариант решения (или альтернатива) оценивается в сравнении с другими вариантами, а также проверяется на соответствие требованиям заинтересованных сторон. Оценка каждого из вариантов выполняется после получения сведений о его характеристиках, зависящих от конструктивных решений. Данные о характеристиках, не зависящих от конструктивных решений, являются внешними факторами, которые используются по отношению ко всем кандидатам, подвергаемым оценке. Каждый кандидат подвергается окончательной оценке с выбранными оптимальными характеристиками, после чего передаётся для принятия окончательного решения. Поскольку выбор всегда субъективен решение, в конечном счёте, принимается ключевыми заинтересованными сторонами.

Итеративное использование триады «синтез — анализ — оценка» — принципиально важная особенность методов (процессов) системной инженерии. Применение метода начинается с осознания потребностей заинтересованных сторон и определения их требований, которые далее преобразуются по определённым правилам для получения исходного описания системных решений. В дальнейшем описание системы уточняется и детализируется, причём на более низких уровнях системной иерархии процесс системной инженерии используется уже рекурсивно, что позволяет добиться высокого уровня конкретизации при описании системы. Использование метода «синтез — анализ — оценка» позволяет описывать и строить систему, обеспечивая и постепенный обратный переход от уровня детального описания составных частей к более крупным элементам и узлам.

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. также Категория: Стандарты

Официальные стандарты

Признанные международным индустриальным сообществом стандарты и нормативные руководства по системной инженерии разрабатываются, в основном, тремя организациями:

• Седьмой подкомитет Объединённого технического комитета Международной организации стандартизации (International Standard Organization; ISO) и Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission; IEC) «Системная и программная инженерия» (ISO/IEC JTC1/SC7 Software and Systems Engineering).
• Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE).
• Международный совет по системной инженерии (International Council on Systems Engineering; INCOSE).

Кроме того, существенный вклад в разработку нормативной базы системной инженерии внесли:

• Альянс отраслей электронной промышленности (Electronics Industries Alliance; ЕIA),
• Институт программной инженерии Университета Карнеги-Меллон (Software Engineering Institute Carnegie Mellon University; SEI CMU),
• Международная ассоциация по управлению проектами (International Project Management Association; IPMA),
• ряд других, имеющих международное признание организаций.

Активную работу по построению связанного семейства стандартов, необходимых для создания производственных систем и их интеграции как внутри, так и между предприятиями, включая управление цепочками поставок и электронный бизнес, ведёт

• Технический комитет 184 «Системы промышленной автоматизации и интеграция» (ISO/TC 184 Industrial Automation Systems and Integration).

Фактические стандарты

Важная особенность официальных стандартов системной инженерии состоит в том, что системно-инженерные спецификации не являются стандартами прямого действия. Они содержат преимущественно рекомендации и положения относительно того, что следует делать, оставляя решение о том, как это следует делать, на усмотрение сторон, создающих систему и управляющих проектом. Поэтому многие спецификации носят явно выраженный рамочный характер, то есть предполагается, что содержащиеся в этих стандартах рекомендации должны обязательно адаптироваться к условиям конкретной системно-инженерной деятельности. Такой подход предполагает, что в той или иной отрасли или в крупной организации с учётом рекомендаций официальных стандартов могут быть разработаны свои нормативные документы, регулирующие системно-инженерную деятельность.

Подобные рекомендации разрабатываются профессиональными сообществами, государственными организациями, осуществляющими закупки систем в интересах правительства, а также крупными корпорациями, занятыми созданием сложных систем. Например:

• Руководстве к своду знаний в области системной инженерии (Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge; SEBoK). Это руководство в течение последних лет разрабатывается ведущими мировыми экспертами по системной инженерии в рамках международного проекта «Свод знаний и учебный план для современной системной инженерии» (Body of Knowledge and Curriculum to Advance Systems Engineering; BKCASE).
• Руководство федерального управления гражданской авиации США (U. S. Department of Transportation. Federal Aviation Administration. Requirements Engineering Management Handbook),
• Руководство военно-морского ведомства США (Naval «Systems of Systems» Systems Engineering Guidebook),
• Руководство Национального космического агентства США (NASA Systems Engineering Handbook).

Фактические стандарты не имеют официального статуса и могут быть представлены в произвольной форме, однако высокая заинтересованность разработчиков этих стандартов в их широком практическом применении, направленность на решение конкретных технических задач при создании и реализации продукции и услуг, высокая скорость разработки и возможность использования фактического стандарта ещё до того, как он будет утверждён и принят, делают спецификации этого типа весьма востребованными на рынке системно-инженерных разработок.

См. также

• Инженерия и наука