Происхождение системной инженерии

Невозможно назвать конкретную дату возникновения системной инженерии как отдельной дисциплины. Ее принципы на том или ином уровне применялись еще при строительстве пирамид, а может быть, и того раньше. (В Библии сказано, что Ноев ковчег был построен согласно системной спецификации.)

Выделение системной инженерии в качестве особой сферы деятельности часто связывают с последствиями Второй мировой войны, особенно с 1950-1960- ми годами, когда вышло несколько учебников, где системная инженерия впервые трактовалась как самостоятельная дисциплина и было определено ее место в процессе создания систем. Вообще, признание системной инженерии в качестве самостоятельного, особого вида деятельности явилось неизбежным следствием быстрого возникновения новых технологий и их применения в крупных военных и коммерческих разработках во второй половине XX века.

Пожар Второй мировой войны, охвативший весь мир, резко ускорил развитие технологий с целью получения военного преимущества. Разработка высокоманевренных самолетов, военных радаров, дистанционных взрывателей, немецких ракет Фау-1 и Фау-2 и особенно атомной бомбы потребовали революционных прорывов в области энергетики, материаловедения и информационных технологий. Эти системы были сложны, сочетали в себе достижения нескольких технических дисциплин, и при их разработке возникли инженерные задачи куда более сложные, чем те, с которыми приходилось сталкиваться ранее. К тому же предельно сжатые сроки, диктуемые войной, обусловили необходимость такого уровня организации и эффективности, который потребовал новых подходов к планированию программ и проектов, технической координации и управлению инженерной деятельностью. Системная инженерия в том виде, в каком мы ее сегодня знаем, стала ответом на эти вызовы.

Во времена «холодной войны» в период 50-х, 60-х и 70-х годов требования военных продолжали стимулировать технологический прогресс в области реактивных двигателей, систем управления и разработки новых материалов. Однако более значительное влияние на развитие технологий оказало, пожалуй, другое направление - полупроводниковая электроника. Именно благодаря ней стал возможен длящийся и поныне «век информации», когда вычислительная техника, сети и средства связи позволили расширить возможности и сферу использования систем далеко за ранее мыслимые пределы.

В этой связи особую значимость приобретает создание цифрового компьютера и управляющего им программного обеспечения, благодаря чему на смену ручному стало приходить автоматическое управление системами. Компьютерное управление позволяет качественно повысить сложность систем и представляет особый интерес для системной инженерии.

Связь современной системной инженерии с ее истоками проще всего понять, приняв во внимание три основных фактора:

1. Технический прогресс, который дает шансы для повышения функциональных и других возможностей системы, но одновременно приводит к появлению рисков, относящихся непосредственно к разработке, для управления которыми требуется руководство со стороны системного инженера; ни в какой другой области это не проявляется столь наглядно, как в сфере автоматизации. Технологические достижения в области человеко-машинного взаимодействия, робототехнических устройств и программного обеспечения делают именно эту область одним из мест, где с наибольшей скоростью возрастает влияние технологий на системное проектирование.
2. Конкуренция, различные формы которой требуют поиска лучших (а значит и более передовых) системных решений, для чего необходимо на различных уровнях системной иерархии искать компромиссы между альтернативными подходами.
3. Специализация, которая требует разбиения системы на составные части, соответствующие конкретным типам изделий, которые могут быть спроектированы и изготовлены специалистами, а также наличия строго установленных правил сопряжения этих частей и взаимодействия между ними.

Технический прогресс: риски

Взрывное развитие технологий во второй половине XX века и в веке нынешнем стало важнейшим фактором, повлекшим признание системной инженерии неотъемлемой частью инженерной деятельности по созданию сложных систем. Технический прогресс не просто существенно расширил возможности прежних систем, например самолетов, телекоммуникационных систем и электростанций, но и привел к созданию совершенно новых систем, основанных на использовании реактивных двигателей, спутниковой связи и навигации, а также целого ряда основанных на компьютерах систем в сфере производства, финансов, транспорта, развлечений, здравоохранения и других продуктов и услуг. Развитие технологий не только оказало влияние на природу продукции, но и принципиально изменило способы проектирования, производства и эксплуатации.

Современные технологии оказали огромное влияние на сам подход к инженерному делу. Традиционно инженерия сводилась к применению известных принципов к практическим задачам. Однако инновации приносят с собой новые материалы, устройства и процессы, характеристики которых еще не до конца известны и поняты. При использовании новых технологий в процессе создания новых систем возрастает риск столкнуться с неожиданными свойствами и эффектами, которые могут повлиять на работу системы, а также потребовать внесения дорогостоящих изменений и привести к приостановке программы или проекта.

Но и отказ от применения новейших технологий влечет за собой риски, а именно риск создать неполноценную систему, которая слишком быстро устареет. Если конкуренту удастся преодолеть проблемы, связанные с внедрением новых технологий, то его решение будет иметь больше шансов на успех. 

Поэтому на правильно организованном предприятии допускаются тщательно взвешенные технологические риски, которые преодолеваются посредством умелого проектирования, а также искусного применения системной инженерии и управления проектом.Подход системной инженерии к опережающему использованию новейших технологий воплощается в практике «управления риском». Управление риском - это процесс, предполагающий оценку риска путем надлежащей организации процессов анализа, разработки, испытаний и технического надзора.

Учет рисков - одна из важнейших задач системной инженерии; она требует обширных знаний о системе в целом и об ее критических элементах. В частности, именно системная инженерия лежит в основе принятия решения об оптимальном балансе рисков, то есть о том, какие элементы системы больше всего выиграют от применения новых технологий, а какие лучше делать из проверенных временем компонентов. Кроме того, системная инженерия помогает принять решения и о том, как уменьшить неизбежные риски посредством правильно организованных процессов разработки и испытаний.

Появление цифрового компьютера и технологий создания программного обеспечения, о которых говорилось выше, заслуживает отдельного упоминания. Это событие привело к масштабному внедрению средств автоматизации в самые разные системы управления, применяемые на заводах, в учреждениях, больницах и в обществе в целом. Автоматизация, сводящаяся главным образом к программно-аппаратной обработке информации, и ее родная сестра - автономность, которая добавляет возможность управления и контроля, развиваются очень быстрыми темпами и оказывают огромное влияние на разработку современных систем.

Повышение степени автоматизации сказывается и на людях, эксплуатирующих системы: их количество уменьшается, но при этом растут требования к квалификации и, следовательно, к прохождению специального обучения. Человеко-машинный интерфейс и другие виды взаимодействия между человеком и системой также являются предметом системной инженерии. Постоянно расширяется сфера применения программных средств в инженерном деле; благодаря своей мощи и гибкости программные средства могут заменить технические средства при реализации некоторых системных функций, и доля таких функций постоянно растет. Таким образом, возможности современных систем все в большей мере зависят от того, должным ли образом спроектированы и сопровождаются программные компоненты системы. В результате усилия системных инженеров во все возрастающей степени направляются на управление проектированием программного обеспечения и его применение.

Конкуренция: компромиссы

Конкуренция оказывает давление на процесс разработки системы на нескольких различных уровнях. В случае оборонительных систем основным стимулом является рост военного потенциала предполагаемого противника, что снижает эффективность систем противодействия. В конечном счете такое давление вынуждает осуществлять программы разработок с целью восстановления паритета в военной области за счет создания новой, более эффективной системы или кардинальной модернизации существующей.

Еще один источник конкуренции связан с использованием тендеров на модернизацию системы. На протяжении тендера, который может охватывать и начальные этапы разработки новой системы, участники стремятся придумать наиболее экономически эффективную программу или проект создания продукции, превосходящей по своим качествам предложения конкурентов.

При разработке коммерческой продукции почти всегда имеется несколько компаний, конкурирующих на одном и том же рынке. В таком случае задача состоит в том, чтобы создать новый рынок или захватить большую долю рынка, выпустив продукт, превосходящий предложения конкурентов с отрывом, который будет сохраняться еще на протяжении ряда лет. Во всех перечисленных ситуациях для получения конкурентного преимущества почти всегда требуется применять наиболее современные технологии.

Привлечение средств в объемах, достаточных для финансирования разработки новой сложной системы, также подразумевает конкуренцию, но на совершенно другом уровне. В частности, как в правительственных учреждениях, так и в промышленных компаниях заявок на ресурсы гораздо больше, чем можно удовлетворить, поэтому приходится тщательно взвешивать относительную окупаемость предлагаемых программ. Это основная причина, по которой к разработкам новых систем применяется поэтапный подход, когда для перехода ко все более дорогостоящим последующим этапам требуются обоснование и формальное утверждение. Результаты, полученные на каждом этапе крупного проекта, должны убедить ответственных за принятие решения в том, что конечная цель будет с высокой вероятностью достигнута в рамках выделенного бюджета и в запланированные сроки.

Существует также конкуренция между существенными характеристиками системы, и ее обязательно следует учитывать при разработке. Например, всегда имеется конкуренция между функциональными характеристиками, стоимостью и сроками разработки; оптимизировать все сразу невозможно. Многие программы проваливались из-за попыток добиться уровней показателей функционирования, при которых проект оказывался неприемлемо дорогим. Можно провести аналогию с такими показателями функционирования автомобиля, как скорость и пробег. Они не являются независимыми - эффективность большинства транспортных средств, а значит, и пробег, снижаются с увеличением скорости. Поэтому необходимо исследовать, в каких пределах могут изменяться эти характеристики, и выбирать сочетание, которое наилучшим образом отвечает потребностям пользователя.

Все виды конкуренции так или иначе влияют на процесс разработки, заставляя стремиться к созданию системы, обладающей наилучшими характеристиками, с наименьшими расходами и в кратчайшие сроки. Для выбора наиболее целесообразного подхода требуется исследовать многочисленные альтернативы и обладать широким техническим кругозором и аналитическими способностями, имеющимися только у опытных системных инженеров. Эта процедура, которую часто называют «анализом компромиссов», является одним из краеугольных камней системной инженерии.

Специализация: сопряжения

Сложная система, выполняющая разнообразные функции, должна при необходимости иметь такую компоновку, чтобы каждая важная функция была воплощена в отдельном компоненте, который, в свою очередь, может быть специфицирован, разработан, изготовлен и испытан как независимый объект. Такой подход к делению системы на части позволяет задействовать опыт организаций, специализирующихся на производстве конкретных изделий, а значит, способных разработать и произвести компоненты высочайшего качества по наименьшей цене.

Необъятность и разнообразие инженерных знаний, объем которых постоянно возрастает, вынуждают выстраивать образовательный процесс и практическую инженерную деятельность с учетом принятого перечня инженерных специальностей, а именно: механика, электротехника, авиация и т. д. Чтобы приобрести достаточно глубокие знания в любой из этих областей, необходима дальнейшая специализация: робототехника, проектирование цифровых схем, гидродинамика. Таким образом, инженерная специализация является первостепенным условием в сфере инженерной деятельности и производства, ее следует рассматривать как важнейшее обстоятельство в процессе разработки систем.

Во всех инженерных отраслях созданы специализированные инструменты и средства для автоматизации проектирования и производства изделий. Крупные и мелкие компании обычно формируют одну или несколько инженерных групп для разработки и производства устройств, отвечающих потребностям коммерческого рынка или системно-ориентированной отрасли промышленности. Разработка взаимозаменяемых частей и автоматизированной сборки стали одним из величайших достижений индустрии США.

Но за удобство разбиения сложной системы на отдельные составные части приходится платить. Этой платой является комплексирование (агрегирование) разрозненных частей в эффективно и бесперебойно функционирующую систему. Успешное комплексирование означает, что каждая из частей идеально состыкована со своими соседями и с внешним окружением, с которым она взаимодействует. «Стыковка» должна быть не только физической, но и функциональной, то есть конструкция одного элемента оказывает влияние на конструкцию и поведение других элементов и сама зависит от них, а общая задача состоит в том, чтобы система откликалась на поступающие из внешнего окружения сигналы точно так, как предусмотрено проектом. Физическая стыковка на границах компонентов называется сопряжением, или интерфейсом. Функциональные связи называются взаимодействиями.

Задача анализа, спецификации и валидации сопряжений компонентов между собой и с внешним окружением выходит за рамки компетенции отдельных специалистов по проектированию и является прерогативой системного инженера. 

Прямым следствием того, что систему принято разбивать на составные части, является концепция модульности. Модульность - это мера, характеризующая степень взаимной независимости отдельных компонентов системы. Важнейшая цель системной инженерии заключается в достижении высокой степени модульности для того, чтобы интерфейсы и взаимодействия были максимально простыми. Достижение этой цели позволяет эффективно организовать производство и комплексирование системы, ее испытания, техническое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации, а также повысить надежность и облегчить модернизацию без вывода из эксплуатации. Процесс разбиения системы на составные части-модули мы будем называть функциональной декомпозицией; этот процесс является еще одним важнейшим инструментом системной инженерии.