Системная инженерия
Систе́мная инжене́рия (англ. systems engineering), область научно-технической деятельности, охватывающая ряд научных, инженерных и управленческих дисциплин и включающая вопросы постановки и анализа проблем потребителей, пользователей и других заинтересованных сторон; поиска и анализа вариантов инженерного решения и выбора альтернативы, позволяющей с учётом ограничений решить поставленную проблему наилучшим образом; проектирования, эффективной реализации, верификации и валидации этого решения, а также его рациональной эксплуатации, сопровождения и прекращения использования в определённой операционной среде.
Основная задача системной инженерии – комплексное, скоординированное использование достижений наук о системах, математики, информатики, теории управления, теории принятия решений, компьютерного моделирования, достижений традиционной инженерии и других дисциплин с целью создания и применения экономически эффективных, высококачественных, надёжных систем, отвечающих потребностям общества и отдельных граждан. Одним из важнейших результатов применения системной инженерии является снижение рисков инженерных проектов, включая риск неудовлетворения нужд и потребностей заинтересованных сторон, риск несвоевременной поставки системы, риск перерасхода средств и риск негативных непреднамеренных последствий.
Системы, которыми занимается системная инженерия, принято называть инженерными системами (англ. engineered system), где под инженерной понимается система, которая является результатом воплощения инженерного замысла; реализуется в виде продукции, системы услуг, системы предприятия или системы систем (системы, каждый элемент которой сам по себе является системой, пригодной для самостоятельного использования) и предназначена или специально приспособлена для эксплуатации в ожидаемых условиях и в интересах достижения одной или нескольких поставленных целей. Наибольший полезный эффект от применения системной инженерии достигается при создании сложных, крупномасштабных инженерных систем.
Первое из известных определений, данное Г. Гудом и Р. Маколом в 1957 г. (Good. 1957), характеризовало системную инженерию как системный метод проектирования технических систем большого масштаба. Последующие определения в одних случаях акцентировали внимание на цели, а в других – на содержании процесса деятельности, но всегда указывали на обязательность использования системного подхода и системного мышления как фундаментальной основы системной инженерии. Современное определение – трансдисциплинарный и комплексный подход, обеспечивающий успешную разработку, применение и вывод из эксплуатации инженерных систем, на основе использования системных принципов и концепций, а также научных, технологических и управленческих методов – предложено Международным советом по системной инженерии (англ. International Council on Systems Engineering – INCOSE) в 2019 г.
Становление системной инженерии
Инженеры на протяжении веков при создании сложных объектов практиковали системное мышление, пользуясь интуицией, а по мере накопления опыта проектирования и строительства акведуков, зданий, кораблей, мостов, оборонительных сооружений – эвристиками. В ходе развития техники и технологий масштабы и сложность инженерных систем быстро возрастали (рост количества компонентов, функций и интерфейсов, усложнение поведения систем), усложнялись способы организации самой инженерной деятельности, повышалась степень ответственности за её результаты (рис.1). К середине 20 в. это потребовало перевода сложившихся у инженеров практик системного мышления на регулярную, формализованную основу – появилась системная инженерия. Считается, что одним из ключевых стимулов для становления и развития системной инженерии в качестве самостоятельной дисциплины явилась разработка после Второй мировой войны крупномасштабных систем ракетных вооружений, объединивших в своём составе в единое целое большое количество разнородных и сложных систем – бортовые системы (наведения и управления, связи, жизнеобеспечения, двигателей, головной части и т. д.), стартовый комплекс, наземные системы управления и ряд других.
Рис. 1. Развитие техники и технологий и рост сложности инженерных систем.В целях повышения эффективности работ при создании технических систем большого масштаба Гуд и Макол в 1957 г. предложили использовать комплексный подход к проектированию с выделением макропроектирования (внешнее проектирование), отвечающего за решения относительно системы в целом и её взаимодействие с окружением, и микропроектирования (внутреннее проектирование), отвечающего за моделирование и проектирование составных частей и элементов системы. При этом макропроектирование рекомендовалось проводить бригадой, состоящей из специально подготовленных специалистов – системных инженеров, обеспечивающих не только эффективное общесистемное проектирование, но и надлежащее взаимодействие групп, ответственных за внутреннее проектирование, за комплексирование системы, за проведение испытаний и за другие инженерные работы. В 1962 г. А. Холл (рус. пер.: Холл. 1975) представил первый вариант методологии системной инженерии, выделив в качестве её основных аспектов определение проблемы, выбор целей, синтез и анализ системы, выбор наилучшего варианта системы и предоставление информации о результатах. К середине 1970-х гг. сформировалось общее понимание необходимости применения системного подхода и системного мышления в качестве первоосновы при решении комплексных проблем в сфере инженерной деятельности (Н. П. Бусленко, В. В. Дружинин, Д. С. Конторов, Ф. Морс, С. Рамо, Ч. Черчмен и др.). Б. Бланчард и У. Фабрицкий (Blanchard. 1981) обосновали необходимость использования понятия жизненного цикла системы в качестве рамочной, организационной основы инженерного мышления. Исходя из этого в системной инженерии начало формироваться понимание, что при решении сложных инженерных задач необходимо не только мыслить, но и действовать на системной основе. Современное толкование этого положения нашло отражение в работах Х. Лоусона (Lawson. 2010). Э. Сейдж (Sage. 1995) положил начало работам, где системная инженерия рассматривалась как технология управления, сосредоточенная на контроле процессов полного жизненного цикла систем. Эти идеи были развиты Г. Эйснером (Eisner. 2002), изучавшим взаимосвязь системной инженерии и управления проектами. Работы в этом направлении продолжаются. В 2017 г. при поддержке INCOSE и Института управления проектами (англ. Project Management Institute – PMI) была предложена концептуальная модель (фреймворк), которая определяет ключевые факторы, влияющие на результативность интеграции управления программой и системной инженерии. В 1990-х гг. в системной инженерии начал развиваться архитектурный подход (Maier. 2009), это позволило перейти при проектировании от традиционного геометрического описания инженерных объектов к комплексному, взаимосогласованному описанию физической и информационной структуры, поведения, стоимости, производительности, организации взаимодействия с человеком и других аспектов, необходимых для максимально полного учёта интересов, связанных с создаваемой инженерной системой. Развитие практик архитектурного подхода помогло поставить и успешно решить задачу комплексного компьютерного моделирования инженерных систем, что оказалось особенно важным при переходе к цифровому производству.
В СССР системная инженерия развивалась с начала 1960-х до середины 1980-х гг. под названием «системотехника». Видными отечественными учёными в области системотехники были Н. П. Бусленко, В. В. Дружинин, Д. С. Конторов, С. П. Никаноров, В. И. Николаев, Г. Н. Поваров, Ф. Е. Темников и ряд других. Отечественные специалисты рассматривали системотехнику как научное направление, изучающее свойства системотехнических комплексов (технических систем большого масштаба), процессы их создания, совершенствования, использования и ликвидации в целях получения максимального социального эффекта. Полученные результаты стали основанием для создания ряда крупномасштабных территориальных автоматизированных систем управления, а также развития системы противовоздушной обороны страны. К началу 1990-х гг. работы в области системотехники в России по существу прекратились, интерес к системной инженерии появился вновь после 2010 г.
Сегодня, при создании инженерных систем, системная инженерия повсеместно используется как большими, так и малыми предприятиями. Крупные компании обычно имеют специальные группы системных инженеров, более мелкие – используют инженеров-специалистов по отраслям, которые разрабатывают инженерные решения с использованием методов системной инженерии.
Метод системной инженерии
В основе метода системной инженерии лежит ряд концепций – общих абстрактных представлений, связанных с пониманием её предмета, а также совокупность принципов, т. е. исходных, принимаемых за истину правил, которые используются в качестве базиса для рассуждений и/или для принятия решений (рис. 2).
Рис. 2. Взаимосвязь концепций, принципов и метода системной инженерии.К важнейшим концепциям системной инженерии относятся система, жизненный цикл и заинтересованная сторона. В системной инженерии жизненный цикл – это развитие системы, продукции, услуги, проекта или другой созданной человеком сущности, начиная от замысла и до прекращения использования. Каждая созданная людьми система имеет свой жизненный цикл, для описания которого используются модели жизненного цикла, являющиеся основой для понимания процессов и действий, относящихся к жизненному циклу, и служащие общим ориентиром для установления связей и взаимопонимания между заинтересованными сторонами. В свою очередь, заинтересованная сторона (англ. stakeholder) – это лицо или организация, имеющие права, долю, требования или интересы к системе или к тому, чтобы её характеристики отвечали их потребностям и ожиданиям. Среди ключевых принципов системной инженерии – системный подход, холизм, определение и развитие системы в контексте обеспечения баланса интересов заинтересованных сторон, обоснование и принятие решений на основе фактов и с учётом риска. Значительный вклад в обоснование принципов системной инженерии внесли Б. Боэм и Д. Хитчинс.
Метод системной инженерии является руководством и практическим инструментом для достижения цели, т. е. для создания успешной инженерной системы, а также для достижения состояния стабильного, устойчивого развития этой системы посредством принятия скоординированных, непротиворечивых инженерных и управленческих решений на всём протяжении её существования. Известно множество общепризнанных методов системной инженерии, среди которых можно выделить классические, гибкие (или адаптивные), а также моделеориентированные методы, причём различные методы могут использоваться одновременно в рамках одного инженерного проекта.
Классические методы системной инженерии развиваются на всём протяжении её существования и основываются на ряде предположений:
проблема, требующая решения, чётко определена;
желаемое состояние, которого следует достигнуть в результате решения, известно;
успешное инженерное решение обеспечивает безусловный переход в желаемое состояние;
на протяжении проектирования требования к инженерной системе и состояние внешней среды остаются относительно стабильными.
Сегодня классические методы наиболее востребованы при производстве сложной инженерной продукции, например самолётов, космических аппаратов, морских судов, крупных энергетических машин и т. п.
Гибкие или адаптивные методы используются при необходимости реагирования на быстрые изменения требований к инженерному решению и/или в окружающей создаваемую систему среде. Эти методы востребованы, в частности, при создании систем услуг, а также инженерных систем, насыщенных встроенным и прикладным программным обеспечением. Моделеориентированные методы нацелены на систематизированное, хорошо формализованное применение компьютерного моделирования при решении инженерных и управленческих задач на протяжении полного жизненного цикла инженерной системы. Появление моделеориентированных методов породило новое направление – моделеориентированную системную инженерию (англ. Model-Based Systems Engineering – MBSE), которая рассматривается в качестве важнейшего элемента успешного перехода к полностью цифровому производству и созданию цифровых предприятий.
Широкое распространение получили компьютерные средства и технологии поддержки методов системной инженерии. Среди них можно выделить CALS-технологии (от англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support – непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла продукции), PDM-технологии (от англ. Product Data Management – управление инженерными данными), PLM-технологии (от англ. Product Lifecycle Management – управление жизненным циклом продукции), а также технологии автоматизированного проектирования, известные как САПР или CAD/CAM/CAE-системы, где CAD (от англ. Computer-Aided Design) – автоматизированные системы, реализующие информационные технологии выполнения функций проектирования, CAM (от англ. Computer-Aided Manufacturing) – автоматизированные системы, реализующие информационные технологии выполнения функций планирования технологических процессов, CAE (от англ. Computer-Aided Engineering) – автоматизированные системы, реализующие информационные технологии выполнения функций обеспечения инженерных расчётов. Распространены автоматизированные системы поддержки принятия инженерных решений. Быстро развиваются методы и средства компьютерного моделирования систем, для поддержки которых создаются специальные языки моделирования, например SysML (от англ. Systems Modeling Language – язык моделирования систем).
Профессиональные институты (институты развития)
Развитие системной инженерии сопровождалось появлением профессиональных организаций, системы профессиональных коммуникаций, системы подготовки и аттестации кадров, а также системы нормативного обеспечения деятельности системных инженеров. INCOSE был основан в 1990 г. В 2022 г. в него входило более 20 тыс. членов (от студентов до опытных практиков) из более чем 75 стран. Начиная с 2009 г. работает Русское отделение INCOSE. В 2004 г. был создан Совет университетов по инженерным системам (англ. Council of Engineering Systems Universities – CESUN). В 2022 г. CESUN объединял более 50 университетов из стран Северной Америки, Европы, Азии и Австралии. Имеется ряд научных журналов, публикующих результаты исследований по тематике системной инженерии, ежегодно проводятся крупные международные научно-технические конференции. Первые лекции по системной инженерии были прочитаны в Массачусетском технологическом институте в 1950 г. В 1960 г. У. Уимор основал в университете Аризоны (США) первую в мире кафедру системной инженерии. Первая в СССР кафедра системотехники была основана Ф. Е. Темниковым в Московском энергетическом институте (ныне Национальный исследовательский университет «МЭИ») в 1969 г. К началу 2020-х гг. образовательные программы по системной инженерии реализовывались примерно в 300 технических университетах Азии, Африки, Австралии, Европы, Северной и Латинской Америки. Первая в России кафедра системной инженерии была открыта в МИРЭА – Российском технологическом университете в 2018 г. Начиная с 2000-х гг., в мире под эгидой INCOSE проводится аттестация профессиональных системных инженеров. К началу 21 в. сложилась развитая система стандартов и лучших практик системной инженерии. Официальные международные стандарты системной инженерии разрабатываются Первым объединённым техническим комитетом Международной организации по стандартизации (ИСО) и Международной электротехнической комиссии (англ. nternational Electrotechnical Commission – IEC). Сформирована и продолжает развиваться система этих стандартов, в которую на начало 2020-х гг. входило около 100 документов. Система национальных стандартов РФ в области системной инженерии охватывает около 40 документов. Развита и система профессиональных стандартов системной инженерии, которые разрабатываются, в частности, Ассоциацией по стандартизации Института инженеров электротехники и электроники (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association – IEEE SA), Европейской кооперацией по стандартизации в области космической техники (англ. European Cooperation for Space Standardization – ECSS), Обществом автомобильных инженеров (англ. SAE International). Начиная с 2009 г. с целью поддержки профессиональной практики в области системной инженерии успешно развивается международный проект по созданию и сопровождению Руководства к своду знаний по системной инженерии (англ. Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge – SEBoK).