Системно инженерство , техника за използване на знания от различни отрасли на инженерството и науката за въвеждане на технологични иновации в етапите на планиране и развитие на системата.
Системното инженерство не е толкова клон на инженерството, колкото техника за прилагане на знания от други области на инженерството и научните дисциплини в ефективна комбинация за решаване на многостранен инженерен проблем. Той е свързан с изследванията на операциите, но се различава от него по това, че е по-скоро функция за планиране и проектиране, често включваща технически иновации. Вероятно най-важният аспект на системното инженерство е приложението му за разработването на нови технологични възможности със специфичната цел да ги приведе в употреба толкова бързо, колкото позволяват икономическите и техническите съображения. В този смисъл може да се разглежда като акушерка на технологичното развитие.
Думата „системи“ често се използва и в други комбинации, особено когато елементите на технологичния напредък не са толкова важни. Системният анализ е пример. Теорията на системите или понякога системната наука често се прилага за анализ на физически динамични системи. Пример за това може да бъде сложна електрическа мрежа с един или повече контури за обратна връзка, при които ефектите от процеса се връщат, за да причинят промени в източника на процеса.
В развитието на различните инженерни дисциплини през 19 и 20 век значително припокриване е било неизбежно сред различните области; например, химичното инженерство и машиностроенето се занимават както с пренос на топлина, така и с поток на течности. По-нататъшното разпространение на специализации, както в много клонове на електрическото и електронното инженерство, като теория на комуникациите, кибернетика и компютърна теория, доведе до по-нататъшно припокриване. Системното инженерство може да се разглежда като логична последна стъпка в процеса. Системните инженери често имат електроника или комуникации и широко използват компютри и комуникационни технологии. И все пак системното инженерство не трябва да се бърка с тези други области. По принцип гледна точка или метод за атака,не трябва да се отъждествява с някаква конкретна съществена област. По своята същност и по естеството на проблемите, които атакува, тя е интердисциплинарна, процедура за обединяване на отделни техники и тела от знания за ефективно постигане на предписаната цел.
Като цяло подходът към системното инженерство вероятно ще се различава от конвенционалния подход към дизайна, като показва повишена обща представа в своята основна логическа рамка и повишена загриженост за основните цели, които трябва да бъдат постигнати. По този начин на всеки етап системният инженер вероятно ще пита както защо, така, а не просто как.
В допълнение към системното инженерство е важно да се определят самите системи. Системите, с които се занимава системният инженер, са преди всичко създадени от човека. Второ, те са големи и сложни; техните съставни части взаимодействат толкова широко, че промяната в една част вероятно ще засегне много други. Освен ако няма такова взаимодействие, няма какво да направи системният инженер, поне на системно ниво; той може веднага да се обърне към самите компоненти. Друга важна характеристика на системите е, че техните входове обикновено са стохастични; т.е. входовете са по същество случайни функции на времето, въпреки че могат да показват статистически закономерности. По този начин не може да се очаква да се предвиди на какво точно ще бъде изложена системата при действителна експлоатация,и неговата ефективност трябва да бъде оценена като статистическа средна стойност на отговорите на редица възможни входни данни. Изчислението, основано на една точно дефинирана функция за въвеждане, няма да помогне.
Системите също могат да варират в зависимост от количеството човешка преценка, която влиза в тяхната работа. Има, разбира се, системи като електрически вериги, автоматизирано производствено оборудване или роботи, които могат да работят по напълно определен начин. В другата крайност има системи за управление и контрол, както за бизнес, така и за военни цели, при които машините в известен смисъл извършват по-голямата част от работата, но с човешки надзор и вземане на решения в критични точки. Ясно е, че тези смесени системи човек-машина предлагат най-голямо разнообразие както на възможности, така и на проблеми за системния инженер. Аспектите на такива системи са разгледани в статията инженеринг на човешки фактори.
Развитието на системното инженерство
Математическо моделиране
Системният подход произтича от редица източници. В широк смисъл това може да се разглежда като просто разширение на стандартната научна методология. Честа процедура в науката (и другаде) е да се изброят всички фактори, които могат да повлияят на дадена ситуация и да се изберат от пълния списък тези, които изглеждат критични. Математическото моделиране, може би най-основният инструмент в системното инженерство, е техника, срещана във всеки клон на науката, който е станал достатъчно количествен. По този начин в този широк смисъл системният подход е просто наследник на традиция, която е от поколения, ако не и от векове.
В търсенето на по-скорошни и по-специфични източници за системния подход, от друга страна, има по-специално два открояващи се. Първото е общото поле на комуникациите, особено търговската телефония, където системното инженерство се появява за първи път като явна дисциплина сама по себе си. Следи от системния подход могат да бъдат открити в телефонното инженерство поне още в началото на века, а системните идеи са били доста разпространени в телефонията през 20-те и 30-те години. Когато Bell Telephone Laboratories, изследователското звено на Американската компания за телефони и телеграфи, беше официално учредено през 1925 г., двата му основни инженерни отдела бяха наречени съответно Разработване на апарати и Разработка на системи. Пълна формална доктрина за ролята на системното инженерство обачеза първи път се появи в годините след Втората световна война като част от усилията за предефиниране на политиката и структурата на научните изследвания и разработките. Тази доктрина поставя инженерните усилия на ниво логически паритет с усилията за научноизследователска и развойна дейност и го прави с почти съпоставим действителен размер, поне с научните изследвания. Системният инженер имаше множество функции, със специален акцент върху ефективното използване на научния и техническия напредък при планирането на нови комуникационни системи. Този конкретен набор от идеи, разбира се, отразява специалните нужди на телефонията. Въпреки това, като пример и отправна точка, той имаше широк ефект. Изглежда, че това е една от причините, поради която толкова езотеричен предмет, колкото системното инженерство, напредва толкова бързо, колкото и това. (За подробно обсъждане на аспектите на изследванията и развитието на системното инженерство,вижте статията изследвания и разработки.)
Оперативни изследвания и системно инженерство
Втори основен източник за системно инженерство са оперативните изследвания, които възникват в разпознаваема форма във Великобритания по време на Втората световна война и първоначално се занимават с най-доброто използване на военно оборудване. Типичните примери включват определяне на най-добрата заетост на даден брой бомбардировачи, най-добрият начин за подреждане на конвои срещу нападение на подводница и най-добрият начин за използване на прехващачи срещу бомбардировка. Изследванията на операциите бяха ефективни в такива случаи и оттогава процъфтяват както в цивилен, така и във военен контекст.
Съществува ясно разграничение между оперативно изследване и системно инженерство. Тъй като оперативните изследвания се занимават с най-доброто използване на съществуващото оборудване, не възникват технологични несигурности. От друга страна, системното инженерство обикновено се занимава с планирането на ново оборудване и такива несигурности могат да бъдат важни. На практика обаче системното инженерство и изследванията на операциите имат много общо. По-специално, те споделят много от същите аналитични техники. Това до голяма степен се дължи на факта, че системният инженер вероятно ще оцени ефективността на ориентировъчен дизайн по същите методи, които специалистът по оперативни изследвания би използвал с действителния хардуер.
Друга причина за припокриване е фактът, че разликата между ново и съществуващо оборудване не е съвсем ясна. Новостта в оборудването е относителна тема. Ако новото оборудване е достатъчно добре основано на съществуващите техники за проектиране и изглежда, че включва малко достатъчно технически несигурности, въпросът става маловажен. Въпросът е за степента и до известна степен за преценката.
Повечето от настоящия характер на системното инженерство произхождат исторически от началото на 50-те години. Имаше някои забележителни събития в годините непосредствено след Втората световна война, включително например въвеждането на линейно програмиране през 1947 г. и основаването на различни организации за продължаващо развитие на областта в края на 40-те години. Като цяло обаче това беше период на консолидиране на по-ранните аванси. По този начин в областта на комуникациите основните системи са някои системи за предаване на дълги разстояния, които са били инициирани преди войната и са били прекъснати от военни дейности.
През 50-те години темпът на растеж се ускори значително. Първият общ учебник по системно инженерство се появява през 1957 г. и е последван от редица други произведения, които третират както промишлени, така и военни приложения. Тези публикации се оказаха достатъчни, за да утвърдят системното инженерство като приета академична дисциплина и курсовете по него сега се преподават в много университети в развитите страни по света. Професионални общества и списания съществуват във Франция, Индия, Япония, Германия, Обединеното кралство и САЩ.
Комуникации и електроника
Развитието на системното инженерство след 1950 г. до голяма степен произтича от въздействието на голям напредък в съседни области, по-специално комуникациите и електрониката. Системата за автоматично управление е добър пример. Системата за управление има основната характеристика, че компонентите си взаимодействат екстензивно и че системата като цяло има определени свойства - например стабилност -, за които не може да се каже, че се придържат към всеки отделен компонент. По този начин системите за управление предоставиха удобни учебни примери за системно инженерство.
Развитието на теорията на информацията като основна отправна точка за комуникационното инженерство, в годините непосредствено след Втората световна война, също оказа влияние върху формирането на еволюцията на системното инженерство. Установено е, че различните подсистеми в много цялостни системи се държат заедно от това, което всъщност е било комуникационни канали. По този начин идеите за трансфер на информация от една част на системата в друга се оказаха полезни при разбирането на работата на структурата като цяло.
Компютри и системно инженерство
Системното инженерство също се възползва от появата на компютри и последвалото развитие на мощни езици за програмиране на високо ниво, които повлияха на областта по два основни начина. Първо, те предоставиха нови инструменти за анализ на сложни системи чрез обширни изчисления или директна симулация. На второ място, те могат да се използват за смилане на големи количества данни или като действителни съставки на сложни системи, особено тези, които се занимават предимно с предаването на информация. Това отвори възможността за обработка на информация, както и просто предаването й в такива системи (вж. Също обработка на информация).
Въздействието на проблемите с военните оръжия върху системното инженерство започва скоро след Втората световна война. Знаменателна дата е 1945 г., когато е започнато разработването на американската ракетна система за противовъздушна отбрана Nike Ajax.
През 1945 г. наличното ракетно задвижване изглеждаше едва достатъчно, за да даде на ракетата задоволителен тактически обсег. Беше открито, че постижимият обхват зависи от няколко параметъра, като теглото и размера на бойната глава, фиността на аеродинамичния дизайн на ракетата, степента на маневреност, осигурена от системата за управление, и формата на траекторията и средната скорост по нея. По този начин беше монтирано ефективно инженерно усилие на системите, при което бяха изследвани различни комбинации от свойствата на ракетата, с цел постигане на най-добрия баланс между обсега и други тактически характеристики.
Въпросите за контрол и обратна връзка също бяха важни аспекти на цялостния системен проблем. Цялата система всъщност представляваше гигантска верига за обратна връзка, тъй като ракетата се контролираше от заповеди, изпратени от наземен компютър, а компютърният вход включваше информация за това, което проследяващият радар наблюдаваше, че ракетата прави. По този начин имаше затворен цикъл за обратна връзка от ракета до компютър и обратно към ракетата отново. Имаше и такива спомагателни вериги за обратна връзка като тази на автопилота, контролираща отношението на ракетата, а динамичната реакция на системата беше допълнително повлияна от необходимостта да се обработват радарните сигнали за премахване на „трептенето“ на радара. Анализът на такива сложни динамични системи, включващи преплетени пътища за обратна връзка, се превърна във важна специална част от общата област на системите.
През 50-те и 60-те години системното инженерство също нараства в други посоки, до голяма степен в резултат на проекти за оръжейни системи, свързани със Студената война. По този начин изследването на Ajax се занимава с динамиката на една изолирана ракета. От друга страна, отбранителните системи, израснали през 50-те години, включват координирана операция на голям брой ракети, оръдия, прехващачи и радарни инсталации, разпръснати на значителна площ. Всички те се държаха заедно от голям цифров компютър, който по този начин се превърна в централен елемент на системата. Системата SAGE (полуавтоматична наземна среда) в Съединените щати е добър пример.
През същите години системният подход също все повече се идентифицира с управленските функции. По този начин фразата „системно инженерство и техническо ръководство“ се използва за описание на ролята на системен инженер, отговорен както за първоначалното планиране на даден проект, така и за последващото му управление. Така наречените техники за планиране, програмиране и бюджетиране (PPB) бяха разработени, за да осигурят подобни комбинации от системно инженерство и финансов мениджмънт.
В невоенните области системното инженерство се развива по сходни, макар и по-скромни линии. Ранните приложения вероятно ще наблегнат на системите за контрол на обратната връзка в мащабни автоматизирани производствени съоръжения, като валцовъчни заводи и петролни рафинерии. По-късните приложения наблягат на компютърно базирани системи за управление и контрол донякъде като тези, които по-рано бяха разработени за ПВО. През последните години системният подход понякога се прилага за много по-големи граждански предприятия, като планирането на нови градове.
