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[1]), 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.
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[2]) 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[3]) 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[4]). Э. Сейдж (Sage. 1995[5]) 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[6]), 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[7]), 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).
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).
Примечания
Литература
- Good H. H. System engineering : an introduction to the design of large-scale systems / H. H. Good, R. E. Machol. – New York : McGraw-Hill, 1957. – (McGraw-Hill series in control systems engineering).
- Гуд Г. Х. Системотехника : введение в проектирование больших систем / Г. Х. Гуд, Р. Э. Макол. – Москва : Советское радио, 1962.
- Chestnut H. Systems engineering tools. – New York : Wiley, 1965. – (Wiley series on systems engineering and analysis).
- Честнат Г. Техника больших систем (средства системотехники) : пер. с англ. – Москва : Энергия, 1969.
- Shinners S. M. Techniques of system engineering. – New York : McGraw-Hill, 1967.
- Modern systems research for the behavioral scientist : a sourcebook / ed. by W. Buckley. – Chicago, IL : Aldine, 1968.
- Бусленко Н. П. Лекции по теории сложных систем / Н. П. Бусленко, В. В. Калашников, И. Н. Коваленко. – Москва : Советское радио, 1973.
- Systems concepts : lectures on contemporary approaches to systems : 1971 lecture series at the California Institute of Technology / ed. by R. F. Miles, Jr. – New York : Wiley-Interscience, 1973. – (Wiley series on systems engineering and analysis).
- Холл А. Д. Опыт методологии для системотехники / пер. с англ. Г. Н. Поварова и И. В. Соловьёва. – Москва : Советское радио, 1975.
- Дружинин В. В. Вопросы военной системотехники / В. В. Дружинин, Д. С. Конторов. – Москва : Воениздат, 1976.
- Blanchard B. Systems engineering and analysis / B. Blanchard, W. Fabrycky. – Englewood Cliffs, NJ : Prentice-Hall, 1981. – (Prentice-Hall international series in industrial and systems engineering).
- Горохов В. Г. Методологический анализ системотехники. – Москва : Радио и связь, 1982.
- Booton R. The development of systems engineering / R. Booton, S. Ramo // IEEE Transactions on aerospace and electronic systems. – 1984. – Vol. AES 20, № 4. – P. 306–311.
- Sage A. P. Systems management for information technology and software engineering. – New York : Wiley, 1995. – (Wiley series in systems engineering).
- Eisner H. Essentials of project and systems engineering management. – 2nd ed. – New York : J. Wiley and Sons, 2002.
- Maier M. W. The art of systems architecting / M. Maier, E. Rechtin. – 3rd ed. – Boca Raton, FL : CRC Press, 2009.
- Lawson H. W. A journey through the systems landscape. – London : College Publications, 2010. – (Systems thinking and systems engineering).
- Батоврин В. К. Стандарты системной инженерии. – Москва : Министерство промышленности и торговли Российской Федерации ; Санкт-Петербург : Фонд «Центр стратегических разработок "Северо-Запад"», 2012. – (Серия докладов в рамках проекта «Промышленный и технологический форсайт Российской Федерации на долгосрочную перспективу» ; вып. 4).
- Батоврин В. К. Современная системная инженерия. Этапы развития // Датчики и системы. – 2013. – № 3 (166). – С. 50–61.
- Dori D. Model-based systems engineering with OPM and SysML. – New York : Springer, 2016.
- Systems engineering and system definitions / H. Sillitto, J. Martin, D. McKinney [et al.. – San Diego, CA : INCOSE, 2019.]
- Интеграция управления программой и системной инженерии : методы, инструменты и организационные системы для улучшения результативности интеграции / под ред. Эрика С. Ребентиша ; пер с англ. под ред. В. К. Батоврина. – Москва : ДМК Пресс, 2020. – (Библиотека по системной инженерии).