系统工程

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系统工程技术被应用于复杂工程:从太空飞船到芯片设计,从机器人技术到大型软件产品,系统工程用到的工具包括建模与仿真,需求分析,时序安排以及复杂性管理

系统工程是一個跨多學科領域的工程,通常專注於如何設計和管理複雜的工程專案。當處理大型、複雜的專案時,所面臨的相關問題(例如:物流、不同團隊的協調、和機器的自動控制)更加困難。系統工程藉由工作流程、和工具來處理此一類型的專案,並且與技術、和以人為本的學科相互重疊(例如控制工程專案管理)。

歷史[编辑]

企业产品开发流程的QFD 质量房间

系統工程一詞,可以追溯到1940年代的貝爾實驗室[1] 為了去識別和操控一個系統的整體特性(對於複雜的工程專案而言,可能大於這些零件組成特性的總合)的需求,激發了美國國防部美國太空總署(NASA)、和其他工業採用這門學科的應用。[2]


當仅仅依賴設計革新來改善一個系統已經不再可能,而且現有的工具,也無法滿足日益增长的需求時,開始發展出許多可直接處理复杂度的新方法。[3]系統工程的连续進化包括新方法和模型技術的發展與確認,一直持續到今天。由於工程系統更趨於複雜,這些方法可幫助提昇理解系统工程设计的能力。許多系統工程背景下所廣泛使用的工具,大多於這個時期開發出來,包括 USL, UML, QFD, 和 IDEF0

一個系統工程的專業協會:美國系統工程協會(NCOSE)創立於1990年,成員來自許多美國的公司和組織。NCOSE的創立宗旨在于處理改善系統工程实践和教育的需求。由於美國境外的系統工程師大幅成長,該組織於1995年改名為國際系統工程協會(INCOSE)。[4]許多國家的學校提供系統工程的研究生課程,也提供工程師專業進修教育課程。[5]

概念[编辑]

系統工程同时意味着工程上的一種方法,和一门學科(最近的說法)。系統工程教育的目標,乃將此方法簡單地正式化,並借此尋找新方法和研發機會,與發生於其他工程領域的情況類似。系統工程是一個跨學科、整體性的方法。

起源、和傳統範圍[编辑]

工程的傳統範圍:包括實體系統的設計、開發、生產、和操作。原始構想的系統工程,也隸屬於此範圍內。系統工程的名詞意義,與為了因應史無前例、複雜的功能、實體系統的工程挑戰,而發展出來的一套獨特的觀念、方法論、組織架構 … 等等相關聯。阿波羅計畫是系統工程專案最為重要的範例。

系統工程一詞的使用,隨著時間的推移,逐漸納入更寬廣、更為整體性觀念的系統和工程流程。定義的演變,也成為爭論的主題,[6]這個名詞持續地應用於較為狹窄、和較為廣泛的範圍。

整體觀點[编辑]

系統工程專注於:在開發周期的早期階段,分析引出客戶的需要與必需的功能性,将需求文件化,然后在考慮完整問題也就是系統生命週期期間,進行設計综合和系統驗證。奧立佛 … 等人主張系統工程流程可以分解成:

  • 系統工程技術流程
  • 系統工程管理流程

在奧立佛的模型內,管理流程的目標在於籌備生命週期中有組織的技術活動;而技術流程則包括估算可利用的信息定義有效對策創建行為模型創建結構模型執行折衷分析創建順序構建與測試計畫[7]

根据它們的應用,雖然在工業界有許多的模型可以使用,它们均旨在鑑定前述各個階段之間的關係,並將回饋包括在內。此類模型的範例包括瀑布模型V模型[8]

跨學科領域[编辑]

系統開發經常需要來自多種技術學科的貢獻。[9]系統工程藉由提供開發階段的系統(整體)觀點,幫助結合所有技術貢獻者組成一體的團隊,建立結構化開發流程,進行從概念、生產、操作,到(部分例子)終止和銷毀的處裡。

此觀點經常在教育學程中被複製,系統工程的課程乃由許多工程系所的教師來講授,可以有效地協助創建一個跨學科的學習環境。[10][11]

複雜性管理[编辑]

隨著系統和專案的複雜度增加,系統工程的需求也大幅提昇。本文所謂的複雜度,不只是針對工程系統,也包括邏輯性人事組織的資料;同時,由於規模增大,系統變得更複雜,資料數量、變因、或涉及設計的領域數目 … 等也隨之增加。 國際太空站就是此類系統的範例。

国际空间站 是需要系统工程的大型复杂系统的范例

更聰明控制演算法開發、微處理器設計、和環境系統分析 … 等,也在系統工程的範圍之內。系統工程鼓勵使用工具和方法,更能理解和管理系統的複雜度。這些工具舉例如下:[12]

採取跨學科方式的工程系統,本身就很複雜;因為系統零組件的運轉狀態、以及彼此間的相互作用,通常無法立刻被適當地定義、或了解。定義和描述此類系統、次系統、以及其彼此之間相互作用的特點,是系統工程的目的之一,也為來自使用者、操作者、行銷機構、和技術規範 … 等的認知差距,成功地搭起了溝通的橋樑。

範圍[编辑]

系统工程活动的范围[13]

欲一窺系統工程背後所隱藏的動機,可以視其為一種方法、或實踐行動,來鑑別和改善現存於各種系統之內的通則。[來源請求] 請牢記,鉴于系統思維能夠使用於各個層級,[14]系統工程的原則(整體論、緊急運轉狀態、界線 … 等等)可以應用於任何系統、複雜度、或其他情況。除了國防和太空之外,許多資訊科技企業、軟體開發公司、和電子通訊產業也需要系統工程師成為他們團隊的一員。[15]

由國際系統工程協會(INCOSE)的系統工程精進中心(SECOE)分析指出,投入系統工程的最理想比例,大約佔有整個專案的15~20%;[16](英文)同時,有研究顯示系統工程的優勢之一,乃實質上可導致成本的降低。[16]然而,一直到最近,才開始實施涉及多種產業的大規模定量調查,此類研究正值起步,藉以決定系統工程的效能,並量化其利益。[17][18]


系统工程鼓励使用建模与仿真,以验证系统的假设或理论,以及他们的的相互作用。[19][20]

安全工程中,使用相应方法使可能出现的故障及早发现,已经被集成到设计过程中。同时,在项目开始时作出的决定,对其后果的理解是不明确的,这可能会对随后的生命周期有巨大的影响。现代系统工程师的任务,就是探讨这些问题,并作出关键性的决定。没有一种方法可以保证,今天当系统构想时做出的决定在系统几年或几十年后投入服务时仍然有效,但支持系统工程的过程的技术还是存在的。相关的例子包括:使用软系统方法论,杰伊·赖特·福利斯特系统动力学方法统一建模语言(UML)。这些主题目前正在探讨,评估和开发,以支持工程的决策过程。

教育[编辑]

系统工程的教育往往是作为一个常规的工程课程的延伸,[21]这反映了行业的态度,也就是工程专业的学生需要在传统的工程学科之一(如汽车工程机械工程工业工程计算机工程电气工程),加上实际的,现实世界的经验,以成为有效的系统工程师。系统工程在大学本科开设课程是罕见的。通常情况下,系统工程是在研究生阶段提供,并与跨学科研究相结合。 INCOSE运作着一个世界范围内不断更新的系统工程学术课程指南。[5]截至2009年,在美国大约有80个机构提供165个系统工程的本科或研究生项目。系统工程的教育可以以系统为中心以领域为中心

  • 以系统为中心的项目将系统工程作为一个独立学科看待,大部分课程的授课重点讲授系统工程原理和实践。
  • 以领域为中心的项目将系统作为以另一个工程为主要领域的选项来处理。

这两种模式都力争将系统工程师教育成为能够处理好跨学科项目的有深度的核心工程师。[22]

系统工程议题[编辑]

系统工程的工具是策略程序技术,这些可以帮助在项目产品中运用系统工程。这些工具的目的不同,从数据库管理,图形浏览,模拟和推理,到文档生成,导入/输出以及更多。[23]

系统[编辑]

系统工程领域中的系统是什么有许多定义。下面是一些权威的定义:

  • ANSI/EIA-632-1999:“聚集为最终产品,并使产品达到某种目的”[24]
  • IEEE Std 1220-1998:“一整套或一系列相互作用的元素和流程,其行为满足客户/业务的需要,并提供产品全生命周期的支持”[25]
  • ISO/ IEC15288:2008:“组织,以实现一个或多个指定用途的互动元素的组合。”[26]
  • 美国航空航天局系统工程手册:“(1)共同发挥作用的元素的结合,以产生一定的能力来满足某种需要。这些元素包括所有硬件,软件,设备,设施,人员,流程,以及为此目的所需的程序。(2)最终产品(执行运作功能)以及使能产品(为运作的最终产品的生命周期提供支持服务)构成了一个系统。”[27]
  • INCOSE系统工程手册:“一个有组织的相互作用的元素的组合,以实现一个或多个特定的目的。”[28]
  • INCOSE:“一套完整的元素子系统或组件的集合,以完成一个确定的目标。这些元素包括产品(硬件,软件,固件),流程,人员,信息,技术,设施,服务,以及其他支持元素”。[28]

系统工程流程[编辑]

根据他们的应用,在系统工程流程的各个阶段使用了不同的工具:[13]

Center

使用模型[编辑]

模型在系统工程中发挥的重要和形式多样的角色。一个模型可以有多种定义,包括:[29]

  • 对现实的抽象,旨在回答有关现实世界中的具体问题
  • 模仿,模拟,或代表一个真实的世界的过程或结构;或者是
  • 一个概念,数学或物理的工具,用以协助决策者。

总之,这些定义很广泛,足以涵盖验证系统设计中使用的实体工程模型,以及像折衷研究过程中使用的功能流程框图和数学(即定量)模型这样的原理/概要模型。本文侧重于后者。[29]

折衷研究中使用数学模型图表的原因主要是提供一些估计,这些估计包括系统的效能估计,性能估计或技术属性估计,和根据已知或预估数量进行的成本估计。通常情况下,需要一个单独的模型集合来提供所有这些结果变量。任何数学模型的核心是一组有意义的输入和输出之间的定量关系。这些关系可以简单到只要加入组成数量以获得总额,或复杂到用一个差分方程的集合描述引力场中的航天器的轨迹。理想的情况下,关系表示了因果性,而不只是相关。[29]

图形表示工具[编辑]

最初,当系统工程师的主要目的是要理解一个复杂的问题,系统的图形表示被用于交流系统的功能和数据需求。[30]常见的图形表示包括:

一种图形表示将各个子系统或部件通过系统功能,数据,或接口联系起来。上述任何方法在每个行业应用时,要基于其不同的需求。例如,N2图可用于当系统之间的接口非常重要之时。设计阶段的部分工作,便是创建系统的结构和行为模型。

一旦需求被理解,系统工程师的责任便是去细化它们,并与其他工程师一起,确定工作所需的最好的技术。从这个角度上,以折衷研究为起点,系统工程鼓励使用加权的选择来确定最佳方案。一个决策矩阵,或Pugh方法,是一种方式(QFD是另一种),能够同时考虑到所有重要的标准并作出这种选择。反之,折衷研究能够影响系统的图形表示的设计(而不改变需求)。在系统工程过程中,这个阶段代表进行迭代步骤,直到找到一个可行的解决方案。决策矩阵是经常使用的方法,它使用的技术诸如统计分析,可靠性分析,系统动态学(反馈控制),以及优化方法。

有时候系统工程师必须评估存在的可行解决方案,而且客户很少会只有一次输入。有些客户的要求,将不会有任何可行的解决方案。约束必须被折衷考虑,以找到一个或多个可行的解决方案。客户的希望是进行折衷考虑的最有价值的输入,且不能被假设。那些希望/愿望只可能在一旦客户发现他已经过约束问题时被发现。最通常的情况是,许多可行的解决方案可以发现,和足够的约束必须被定义,以产生最佳的解决方案。这种情况时常是有利的,因为它可以给出一个机会,以朝着一个或多个方向来改善设计,如成本或进度。不同的建模方法可以用来解决这个问题,包括约束和成本函数。

系统建模语言(SysML),系统工程应用中使用的一种建模语言,支持一个范围广泛的复杂系统的规范表达,分析,设计,核查和验证。[31]


通用系统语言(USL)是一个面向系统的对象建模语言,拥有可执行(不依赖于计算机)语义,可定义包括软件在内的复杂系统。[32]

相关领域和子领域[编辑]

多相关领域都被认为与系统工程紧密结合。这些领域作为独立的实体,都为系统工程的发展作出了贡献。

认知系统工程
认知系统工程(CSE)是一种特定的人机系统或社会技术系统的描述和分析方法。[33]CSE的三个主要议题是:人类如何应对复杂性,工作如何使用构件来完成,以及人机系统和社会经济技术系统如何可以被描述为共同的认知系统。CSE从一开始已成为公认的科学学科,有时也被称为认知工程。联合认知系统(JCS)的概念已成为一种广泛使用方式,用以了解复杂的社会技术系统如何可以用有不同程度的分辨率来描述。超过20年的CSE经验已经被广泛描述。[34][35]
配置管理(构型管理)
与系统工程一样,配置管理国防航空航天业的实践是一种广泛的系统级的实践。该领域与系统工程的任务分配平行;系统工程应对需求开发,开发项分配和核查;配置管理处理需求捕获,开放项的可追溯性,开发项目的审计以确保它达到了预期的功能;这些已通过系统工程和/或试验工程验证的客观测试来证明。
控制工程
控制工程控制系统的设计和实施,在几乎每一个行业中都被广泛使用,它是一个系统工程的大的子领域。对汽车和弹道导弹的制导系统的巡航控制就是两个例子。控制系统理论是一个应用数学的活跃域,涉及解空间的调查和发展控制过程分析的新方法。
工业工程
工业工程工程学的一个分支,涉及人员,资金,知识,信息,设备,能源,材料和工艺集成系统的开发,改进,实施和评价。工业工程借鉴工程分析和综合的原则和方法,以及数学,物理和社会科学,连同指定的工程分析和设计的原则和方法,已进行指定、预测和评估希望从这写系统所得到的结果。
接口设计
接口设计及其说明关注于保证系统内部某一部分与系统的其他部分和外部系统之间必要的连接和互操作。接口设计还包括保证系统接口能够接受新的功能特性,包括机械,电气和逻辑接口,包括预留电线,插头空间,命令代码和通信协议中的位。这被称为可扩展性。人机交互(HCI)或人机界面(HMI)是接口设计的另一个方面,也是现代系统工程的重要方面。局域网广域网网络传输协议设计中就应用了系统工程原理。
机电工程
机电工程与系统工程类似,是一个多学科领域的工程学,它们都使用动态系统建模来表示有形的结构。在这方面,它是从系统工程几乎没有区别,但将它区分于系统工程的特点在于它更专注于小细节,而不是更大的概括和相互关系。正因为如此,这两个领域的区别在于他们的项目的范围,而不是他们的实践方法。
运筹学
运筹学支持系统工程的发展。运筹学的工具,用于在系统分析,决策和折衷研究。许多学校在运筹学或工业工程院系中都教授系统工程课程,[來源請求]突出系统工程在复杂的项目中发挥的作用。简单地说,运筹学就是有关于在多重约束下的流程的优化。[36]
性能工程
性能工程是一门用以确保系统在其整个生命周期内满足客户的期望的学科。性能通常被定义为具有一定的操作执行的速度或在单位时间内执行多少次这种行动的能力。如果系统能力有限,当一个即将执行的操作队列被停止时,系统的性能可能会下降。例如,一个分组交换网络的性能可以用点对点分组传输延迟或在一小时内数据包交换的数量来表示。高性能系统的设计需要使用分析或仿真建模,而高性能系统实现的交付,则需要全面的性能测试。性能工程在很大程度上依赖于统计排队论概率论的工具和流程。
计划管理和项目管理
计划管理与系统工程有许多相似之处,但较之系统工程的工程学,却有着更广泛的来源。项目管理也与计划管理和系统工程密切相关。
提案工程
提案工程的将科学和数学的原则应用于设计、建造和经营一个成本效益的提案开发系统。基本上,建议工程采用“系统工程流程”来创建一个符合成本效益的提案,并增加成功提案的可能性。
可靠性工程
可靠性工程是一门确保系统在其整个生命的可靠性将满足客户的期望,也就是说,它不会比预期有更频繁的失败。可靠性工程应用系统的各个方面。它与可维护性可用性、和保障工程密切相关 。可靠性工程一直是安全工程的一个重要组成部分,正如失效模式与影响分析 (FMEA)和危险故障树分析, 同样也是安保工程的重要组成部分 。可靠性工程在很大程度上依赖于统计概率论可靠性理论的工具和流程。
安全工程
安全工程技术可应用于非专业的工程师在设计复杂的系统,以最大限度地减少安全关键性失败的概率。“系统安全工程”功能,可以帮助在新兴的设计中识别“安全隐患”,并可能作为技术的补充,以“缓解”危险的条件下,无法设计出系统的(潜在的)影响。
安保工程
安保工程可以被看作是一个跨学科领域,它集成了控制系统设计,可靠性,安全和系统工程的实践社群 。它可能涉及其他附属专业学科,如系统用户认证,系统目标和其他——人,物和流程。
软件工程
从一开始, 软件工程就在帮助塑造着现代系统工程的实践。在处理大型软件密集型系统的复合体时所使用的技术,对系统工程的工具、方法和流程的塑造以及重塑产生了影响。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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  36. ^ (英文)(see articles for discussion: [4] and [5])

扩展阅读[编辑]

  • (英文)Harold Chestnut, Systems Engineering Methods. Wiley, 1967.
  • (英文)Harry H. Goode, Robert E. Machol System Engineering: An Introduction to the Design of Large-scale Systems, McGraw-Hill, 1957.
  • (英文)David W. Oliver, Timothy P. Kelliher & James G. Keegan, Jr. Engineering Complex Systems with Models and Objects. McGraw-Hill, 1997.
  • (英文)Simon Ramo, Robin K. St.Clair, The Systems Approach: Fresh Solutions to Complex Problems Through Combining Science and Practical Common Sense, Anaheim, CA: KNI, Inc, 1998.
  • (英文)Andrew P. Sage, Systems Engineering. Wiley IEEE, 1992.
  • (英文)Andrew P. Sage, Stephen R. Olson, Modeling and Simulation in Systems Engineering, 2001.
  • (英文)Dale Shermon, Systems Cost Engineering, Gower publishing, 2009
  • (英文)Richard Stevens, Peter Brook, Ken Jackson & Stuart Arnold. Systems Engineering: Coping with Complexity. Prentice Hall, 1998.

外部链接[编辑]