系統工程

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系統工程技術被應用於複雜工程:從太空飛船到晶片設計,從機器人技術到大型軟體產品,系統工程用到的工具包括建模與模擬,需求分析,時序安排以及複雜性管理

系統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[編輯]

企業產品開發流程的QFD 質量房間

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國家航空暨太空總署(NASA)、和其他工業採用這門學科的應用。[2]


當僅僅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,也無法滿足日益增長的需求時,開始發展出許多可直接處理複雜度的新方法。[3]系統工程的連續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統工程設計的能力。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 en:Universal Systems Language, 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的創立宗旨在於處理改善系統工程實踐和教育的需求。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[編輯]

系統工程同時意味著工程上的一種方法,和一門學科(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,並藉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[編輯]

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[編輯]

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,將需求文件化,然後在考慮完整問題也就是系統生命週期期間,進行設計綜合和系統驗證。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]

根據它們的應用,雖然在工業界有許多的模型可以使用,它們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[編輯]

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[編輯]

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。

國際太空站 是需要系統工程的大型複雜系統的範例

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[編輯]

系統工程活動的範圍[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,鑒於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]


系統工程鼓勵使用建模與模擬,以驗證系統的假設或理論,以及他們的的相互作用。[19][20]

安全工程中,使用相應方法使可能出現的故障及早發現,已經被集成到設計過程中。同時,在項目開始時作出的決定,對其後果的理解是不明確的,這可能會對隨後的生命周期有巨大的影響。現代系統工程師的任務,就是探討這些問題,並作出關鍵性的決定。沒有一種方法可以保證,今天當系統構想時做出的決定在系統幾年或幾十年後投入服務時仍然有效,但支持系統工程的過程的技術還是存在的。相關的例子包括:使用軟系統方法論,傑伊·賴特·福利斯特系統動力學方法統一建模語言(UML)。這些主題目前正在探討,評估和開發,以支持工程的決策過程。

教育[編輯]

系統工程的教育往往是作為一個常規的工程課程的延伸,[21]這反映了行業的態度,也就是工程專業的學生需要在傳統的工程學科之一(如汽車工程機械工程工業工程計算機工程電力工程),加上實際的,現實世界的經驗,以成為有效的系統工程師。系統工程在大學本科開設課程是罕見的。通常情況下,系統工程是在研究生階段提供,並與跨學科研究相結合。 INCOSE運作著一個世界範圍內不斷更新的系統工程學術課程指南。[5]截至2009年,在美國大約有80個機構提供165個系統工程的本科或研究生項目。系統工程的教育可以以系統為中心以領域為中心

  • 以系統為中心的項目將系統工程作為一個獨立學科看待,大部分課程的授課重點講授系統工程原理和實踐。
  • 以領域為中心的項目將系統作為以另一個工程為主要領域的選項來處理。

這兩種模式都力爭將系統工程師教育成為能夠處理好跨學科項目的有深度的核心工程師。[22]

系統工程議題[編輯]

系統工程的工具是策略程序技術,這些可以幫助在項目產品中運用系統工程。這些工具的目的不同,從資料庫管理,圖形瀏覽,模擬和推理,到文檔生成,導入/輸出以及更多。[23]

系統[編輯]

系統工程領域中的系統是什麼有許多定義。下面是一些權威的定義:

  • ANSI/EIA-632-1999:「聚集為最終產品,並使產品達到某種目的」[24]
  • IEEE Std 1220-1998:「一整套或一系列相互作用的元素和流程,其行為滿足客戶/業務的需要,並提供產品全生命周期的支持」[25]
  • ISO/ IEC15288:2008:「組織,以實現一個或多個指定用途的互動元素的組合。」[26]
  • 美國航空太空局系統工程手冊:「(1)共同發揮作用的元素的結合,以產生一定的能力來滿足某種需要。這些元素包括所有硬體,軟體,設備,設施,人員,流程,以及為此目的所需的程序。(2)最終產品(執行運作功能)以及使能產品(為運作的最終產品的生命周期提供支持服務)構成了一個系統。」[27]
  • INCOSE系統工程手冊:「一個有組織的相互作用的元素的組合,以實現一個或多個特定的目的。」[28]
  • INCOSE:「一套完整的元素子系統或組件的集合,以完成一個確定的目標。這些元素包括產品(硬體,軟體,韌體),流程,人員,信息,技術,設施,服務,以及其他支持元素」。[28]

系統工程流程[編輯]

根據他們的應用,在系統工程流程的各個階段使用了不同的工具:[13]

Center

使用模型[編輯]

模型在系統工程中發揮的重要和形式多樣的角色。一個模型可以有多種定義,包括:[29]

  • 對現實的抽象,旨在回答有關現實世界中的具體問題
  • 模仿,模擬,或代表一個真實的世界的過程或結構;或者是
  • 一個概念,數學或物理的工具,用以協助決策者。

總之,這些定義很廣泛,足以涵蓋驗證系統設計中使用的實體工程模型,以及像折衷研究過程中使用的功能流程框圖和數學(即定量)模型這樣的原理/概要模型。本文側重於後者。[29]

折衷研究中使用數學模型圖表的原因主要是提供一些估計,這些估計包括系統的效能估計,性能估計或技術屬性估計,和根據已知或預估數量進行的成本估計。通常情況下,需要一個單獨的模型集合來提供所有這些結果變數。任何數學模型的核心是一組有意義的輸入和輸出之間的定量關係。這些關係可以簡單到只要加入組成數量以獲得總額,或複雜到用一個差分方程的集合描述引力場中的太空飛行器的軌跡。理想的情況下,關係表示了因果性,而不只是相關。[29]

圖形表示工具[編輯]

最初,當系統工程師的主要目的是要理解一個複雜的問題,系統的圖形表示被用於交流系統的功能和數據需求。[30]常見的圖形表示包括:

一種圖形表示將各個子系統或部件通過系統功能,數據,或介面聯繫起來。上述任何方法在每個行業應用時,要基於其不同的需求。例如,N2圖可用於當系統之間的介面非常重要之時。設計階段的部分工作,便是創建系統的結構和行為模型。

一旦需求被理解,系統工程師的責任便是去細化它們,並與其他工程師一起,確定工作所需的最好的技術。從這個角度上,以折衷研究為起點,系統工程鼓勵使用加權的選擇來確定最佳方案。一個決策矩陣,或Pugh方法,是一種方式(QFD是另一種),能夠同時考慮到所有重要的標準並作出這種選擇。反之,折衷研究能夠影響系統的圖形表示的設計(而不改變需求)。在系統工程過程中,這個階段代表進行迭代步驟,直到找到一個可行的解決方案。決策矩陣是經常使用的方法,它使用的技術諸如統計分析,可靠性分析,系統動態學(反饋控制),以及優化方法。

有時候系統工程師必須評估存在的可行解決方案,而且客戶很少會只有一次輸入。有些客戶的要求,將不會有任何可行的解決方案。約束必須被折衷考慮,以找到一個或多個可行的解決方案。客戶的希望是進行折衷考慮的最有價值的輸入,且不能被假設。那些希望/願望只可能在一旦客戶發現他已經過約束問題時被發現。最通常的情況是,許多可行的解決方案可以發現,和足夠的約束必須被定義,以產生最佳的解決方案。這種情況時常是有利的,因為它可以給出一個機會,以朝著一個或多個方向來改善設計,如成本或進度。不同的建模方法可以用來解決這個問題,包括約束和成本函數。

系統建模語言(SysML),系統工程應用中使用的一種建模語言,支持一個範圍廣泛的複雜系統的規範表達,分析,設計,核查和驗證。[31]


通用系統語言(USL)是一個面向系統的對象建模語言,擁有可執行(不依賴於計算機)語義,可定義包括軟體在內的複雜系統。[32]

相關領域和子領域[編輯]

多相關領域都被認為與系統工程緊密結合。這些領域作為獨立的實體,都為系統工程的發展作出了貢獻。

認知系統工程
認知系統工程(CSE)是一種特定的人機系統或社會技術系統的描述和分析方法。[33]CSE的三個主要議題是:人類如何應對複雜性,工作如何使用構件來完成,以及人機系統和社會經濟技術系統如何可以被描述為共同的認知系統。CSE從一開始已成為公認的科學學科,有時也被稱為認知工程。聯合認知系統(JCS)的概念已成為一種廣泛使用方式,用以了解複雜的社會技術系統如何可以用有不同程度的解析度來描述。超過20年的CSE經驗已經被廣泛描述。[34][35]
配置管理(構型管理)
與系統工程一樣,配置管理國防航空太空業的實踐是一種廣泛的系統級的實踐。該領域與系統工程的任務分配平行;系統工程應對需求開發,開發項分配和核查;配置管理處理需求捕獲,開放項的可追溯性,開發項目的審計以確保它達到了預期的功能;這些已通過系統工程和/或試驗工程驗證的客觀測試來證明。
控制工程
控制工程控制系統的設計和實施,在幾乎每一個行業中都被廣泛使用,它是一個系統工程的大的子領域。對汽車和彈道飛彈的制導系統的巡航控制就是兩個例子。控制系統理論是一個應用數學的活躍域,涉及解空間的調查和發展控制過程分析的新方法。
工業工程
工業工程工程學的一個分支,涉及人員,資金,知識,信息,設備,能源,材料和工藝集成系統的開發,改進,實施和評價。工業工程借鑒工程分析和綜合的原則和方法,以及數學,物理和社會科學,連同指定的工程分析和設計的原則和方法,已進行指定、預測和評估希望從這寫系統所得到的結果。
介面設計
介面設計及其說明關注於保證系統內部某一部分與系統的其他部分和外部系統之間必要的連接和互操作。介面設計還包括保證系統介面能夠接受新的功能特性,包括機械,電力和邏輯介面,包括預留電線,插頭空間,命令代碼和通信協議中的位。這被稱為可擴展性。人機互動(HCI)或人機界面(HMI)是介面設計的另一個方面,也是現代系統工程的重要方面。區域網廣域網網路傳輸協議設計中就應用了系統工程原理。
機電工程
機電工程與系統工程類似,是一個多學科領域的工程學,它們都使用動態系統建模來表示有形的結構。在這方面,它是從系統工程幾乎沒有區別,但將它區分於系統工程的特點在於它更專註於小細節,而不是更大的概括和相互關係。正因為如此,這兩個領域的區別在於他們的項目的範圍,而不是他們的實踐方法。
運籌學
運籌學支持系統工程的發展。運籌學的工具,用於在系統分析,決策和折衷研究。許多學校在運籌學或工業工程院系中都教授系統工程課程,[來源請求]突出系統工程在複雜的項目中發揮的作用。簡單地說,運籌學就是有關於在多重約束下的流程的優化。[36]
性能工程
性能工程是一門用以確保系統在其整個生命周期內滿足客戶的期望的學科。性能通常被定義為具有一定的操作執行的速度或在單位時間內執行多少次這種行動的能力。如果系統能力有限,當一個即將執行的操作隊列被停止時,系統的性能可能會下降。例如,一個分組交換網路的性能可以用點對點分組傳輸延遲或在一小時內數據包交換的數量來表示。高性能系統的設計需要使用分析或模擬建模,而高性能系統實現的交付,則需要全面的性能測試。性能工程在很大程度上依賴於統計排隊論機率論的工具和流程。
計劃管理和專案管理
計劃管理與系統工程有許多相似之處,但較之系統工程的工程學,卻有著更廣泛的來源。專案管理也與計劃管理和系統工程密切相關。
提案工程
提案工程的將科學和數學的原則應用於設計、建造和經營一個成本效益的提案開發系統。基本上,建議工程採用「系統工程流程」來創建一個符合成本效益的提案,並增加成功提案的可能性。
可靠性工程
可靠性工程是一門確保系統在其整個生命的可靠性將滿足客戶的期望,也就是說,它不會比預期有更頻繁的失敗。可靠性工程應用系統的各個方面。它與可維護性可用性、和保障工程密切相關 。可靠性工程一直是安全工程的一個重要組成部分,正如失效模式與影響分析 (FMEA)和危險故障樹分析, 同樣也是安保工程的重要組成部分 。可靠性工程在很大程度上依賴於統計機率論可靠性理論的工具和流程。
安全工程
安全工程技術可應用於非專業的工程師在設計複雜的系統,以最大限度地減少安全關鍵性失敗的機率。「系統安全工程」功能,可以幫助在新興的設計中識別「安全隱患」,並可能作為技術的補充,以「緩解」危險的條件下,無法設計出系統的(潛在的)影響。
安保工程
安保工程可以被看作是一個跨學科領域,它集成了控制系統設計,可靠性,安全和系統工程的實踐社群 。它可能涉及其他附屬專業學科,如系統用戶認證,系統目標和其他——人,物和流程。
軟體工程
從一開始, 軟體工程就在幫助塑造著現代系統工程的實踐。在處理大型軟體密集型系統的複合體時所使用的技術,對系統工程的工具、方法和流程的塑造以及重塑產生了影響。

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

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擴展閱讀[編輯]

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  • (英文)Andrew P. Sage, Systems Engineering. Wiley IEEE, 1992.
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外部連結[編輯]