系统工程

系统工程技术用于复杂的项目:印刷电路板设计,机器人技术,桥梁建筑,软件集成和航天器设计。系统工程使用许多工具,包括建模和仿真,需求分析以及安排来管理复杂性。

系统工程工程工程管理跨学科领域,重点是如何设计,集成和管理其生命周期复杂系统。系统工程以其核心利用系统思考原理来组织这一知识。这种努力的个人结果,即工程系统,可以定义为在协同中起作用以共同执行有用功能的组件组合。

诸如需求工程,可靠性,物流,不同团队的协调,测试和评估,可维护性以及成功的系统设计,开发,实施,实施和最终退役所需的许多其他学科等问题,在处理大型或复杂项目时变得更加困难。系统工程涉及此类项目中的工作流程,优化方法和风险管理工具。它重叠了技术和以人为本的学科,例如工业工程,生产系统工程,工艺系统工程机械工程制造工程生产工程,控制工程软件工程电气工程网络网络航空网络工程,组织工程,组织工程,土木工程土木工程土木工程和土木工程和项目管理。系统工程确保将项目或系统的所有可能方面考虑并集成到整个过程中。

系统工程过程是一个发现过程,与制造过程完全不同。制造过程的重点是重复的活动,这些活动以最低的成本和时间达到了高质量的产出。系统工程过程必须首先发现需要解决的实际问题,并确定可能发生的最可能发生的或最高影响的故障。系统工程涉及找到解决这些问题的解决方案。

历史

QFD企业产品开发过程的质量之家

系统工程术语可以追溯到1940年代的贝尔电话实验室。需要识别和操纵整个系统的属性,在复杂的工程项目中可能与零件的特性总和有很大差异,这些特性的总和是激发了各种行业,尤其​​是那些为美军开发系统的系统,以应用该纪律。

如果不再有可能依靠设计进化来改进系统,而现有工具不足以满足不断增长的需求,则开始开发直接解决复杂性的新方法。系统工程的持续演变包括新方法和建模技术的开发和识别。这些方法有助于更好地理解工程系统的设计和发展控制,因为它们变得越来越复杂。在这些时期中开发了系统工程环境中经常使用的流行工具,包括USLUMLQFDIDEF

1990年,由美国公司和组织的代表建立了一个系统工程专业社会,国家系统工程委员会(NCOSE)。创建了NCOSE来满足改进系统工程实践和教育的需求。由于美国以外的系统工程师的参与日益加剧,该组织的名称于1995年更改为国际系统工程委员会(INCOSE)。几个国家的学校提供​​系统工程研究生课程,以及继续教育的选择,也可用于执业工程师。

概念

一些定义
西蒙·拉莫(Simon Ramo)被某些人认为是现代系统工程的创始人,将该学科定义为:全部考虑了所有方面和所有变量,并将社会与技术联系起来。” -征服复杂性,2004年。
“一种跨学科的方法和手段,可以实现成功的系统” - Incose Handbook,2004年。
“系统工程是系统的设计,创建和操作的一种强大方法。简单地说,该方法包括对系统目标的识别和量化,创建替代系统设计概念,设计交易的性能,选择和实施最佳设计,是否正确构建和集成了设计,以及对系统如何满足(或满足)目标的实施后评估。” - NASA系统工程手册,1995年。
“创建有效系统,使用整个系统,整个生命原则的艺术和科学”或“为复杂问题和问题创造最佳解决方案系统的艺术和科学” -前总裁Incose的前总裁Systems Synersering教授Derek Hitchins(英国) ,2007年。
“从工程角度来看,这个概念是工程科学家的发展(即保持广泛展望的科学家)。该方法是团队方法的方法。在大规模系统问题上,科学家和工程师的团队,通才,通才。除专家外,还要努力找到解决方案并在身体上实现它……该技术被称为系统方法或团队开发方法。” - Harry H. Goode和Robert E. Machol,1957年。
“系统工程方法识别每个系统是一个整体的整体,即使由多样化的专业结构和子功能组成。它进一步认识到任何系统都有许多目标,并且它们之间的平衡在系统之间的平衡可能会大大差异。这些方法试图根据加权目标优化整体系统功能,并实现其零件的最大兼容性。” - Harold Chestnut的系统工具工具,1965年。

系统工程仅表示一种方法,最近是工程学的学科。系统工程教育的目的是简单地对各种方法进行形式化,并在此过程中确定与其他工程领域相似的新方法和研究机会。作为一种方法,系统工程是整体的,风味的跨学科。

起源和传统范围

传统的工程范围涵盖了物理系统的概念,设计,开发,生产和操作。最初构思的系统工程属于此范围。从这个术语中,“系统工程”是指建立工程概念。

发展到更广泛的范围

随着时间的推移,“系统工程师”一词的使用已经发展,以接受更广泛的,更全面的“系统”和工程过程的概念。定义的这种演变一直是持续争议的主题,该术语继续适用于狭窄和更广泛的范围。

传统的系统工程在经典意义上被视为工程学的一个分支,即仅适用于物理系统,例如航天器和飞机。最近,系统工程已经发展为具有更广泛的含义,尤其是当人类被视为系统的重要组成部分时。例如,彼得·奇特兰(Peter Checkland)通过指出“工程学”“可以从一般意义上阅读”来捕捉系统工程的更广泛的含义;您可以设计会议或政治协议。”

与系统工程的更广泛范围一致,系统工程知识体(SEBOK)定义了三种类型的系统工程:

  • 产品系统工程(PSE)是传统的系统工程,专注于由硬件和软件组成的物理系统设计。
  • 企业系统工程(ESE)与企业的观点有关,即组织或组织的组合作为系统。
  • 服务系统工程(SSE)与服务系统的工程有关。 Checkland将服务系统定义为被认为是服务另一个系统的系统。大多数民用基础设施系统是服务系统。

整体看来

系统工程专注于在开发周期的早期分析和征求客户需求,并需要进行所需的功能,并记录需求,然后在考虑完整的问题(系统生命周期)的同时进行设计综合和系统验证。这包括完全了解所有相关者。 Oliver等。声称可以将系统工程过程分解为:

  • 系统工程技术过程
  • 系统工程管理过程

在奥利弗(Oliver)的模型中,管理过程的目标是组织生命周期中的技术工作,而技术过程包括评估可用信息定义有效性措施创建行为模型创建一个结构模型执行权衡分析,并创建顺序构建和测试计划

根据其应用的不同,尽管行业中有几种模型,但所有模型都旨在确定上述各个阶段之间的关系并包含反馈。此类模型的示例包括瀑布模型VEE模型(也称为V模型)。

跨学科领域

系统开发通常需要各种技术学科的贡献。通过提供对开发工作的系统(整体)观点,系统工程有助于将所有技术贡献者塑造成统一的团队工作,形成一个结构化的开发过程,从概念到生产到运营,在某些情况下进行终止和处置。在收购中,整体综合纪律结合了成本,日程安排和绩效之间的贡献和平衡权衡,同时保持可接受的风险水平,涵盖了项目的整个生命周期。

这种观点通常在教育计划中复制,因为系统工程课程是由其他工程部门的教师教授的,这有助于创建跨学科的环境。

管理复杂性

系统工程的需求随着系统和项目的复杂性的增加而产生,进而增加了组件摩擦的可能性,因此设计的可能性也增加了。在这种情况下说话时,复杂性不仅包含工程系统,而且还包含逻辑人类数据组织。同时,由于大小的增加以及数据,变量或设计中涉及的字段数量的增加,系统可能会变得更加复杂。国际空间站就是这样一个系统的一个例子。

国际空间站是一个非常复杂的系统需要系统工程的示例。

智能控制算法微处理器设计环境系统分析的开发也在系统工程的权限范围内。系统工程鼓励使用工具和方法,以更好地理解和管理系统中的复杂性。这些工具的一些示例在这里可以看到:

在工程系统上采用跨学科的方法本质上是复杂的,因为系统组件之间的行为和相互作用的行为和相互作用并不总是立即定义或理解。定义和表征此类系统和子系统以及它们之间的相互作用是系统工程的目标之一。这样一来,用户,运营商营销组织和技术规范的非正式要求之间存在差距。

范围

系统工程活动的范围

系统工程的原理 - 整体,紧急行为,边界等。 - 只要在各个级别采用系统思维,就可以应用于任何复杂或其他系统的系统。除了国防和航空航天外,许多信息和技术的公司,电子和通信领域的软件开发公司以及行业都需要系统工程师作为团队的一部分。

INCOSE系统工程卓越中心(SECOE)的分析表明,在系统工程上花费的最佳努力约为项目总努力的15-20%。同时,研究表明,系统工程实质上导致其他收益的成本降低。但是,直到最近,还没有在大规模上进行大规模的定量调查。此类研究正在进行确定有效性并量化系统工程的好处。

系统工程鼓励使用建模和仿真来验证系统及其内部相互作用的假设或理论。

安全工程中,使用允许尽早发现可能发生故障的方法将其整合到设计过程中。同时,在一个项目开头做出的决定,其后果未清楚地理解在系统的后期,其后果可能具有巨大的影响,而现代系统工程师的任务是探索这些问题并做出关键决策。当系统进入服务几年或第一次构思后的几年或数十年时,没有任何方法保证今天的决定仍然有效。但是,有一些技术支持系统工程的过程。示例包括软系统方法论, Jay Wright Forrester系统动力学方法以及统一的建模语言(UML) - 目前正在探索,评估和开发所有以支持工程决策过程。

教育

系统工程教育通常被视为对常规工程课程的扩展,这反映了工程专业学生需要在传统工程学科之一中需要基本背景的行业态度(例如航空航天工程土木工程,电气工程,电气工程机械工程,制造工程,制造工程工业工程化学工程) - 作为系统工程师有效的实用,现实世界的经验。在系统工程中明确的大学课程的数量正在增长,但很少见,包括这些材料在内的学位最常作为工业工程中的BS呈现。通常在学术和专业轨道上以研究生水平开始提供课程(自己或与跨学科研究结合在一起),从而获得了MS / MengPh.D。 /英语学位。

Incose史蒂文斯技术学院的系统工程研究中心合作,在适当认可的机构中定期更新了全球学术课程的目录。截至2017年,它列出了北美140多所大学,提供了400多个系统工程的本科和研究生课程。最近,对该领域的广泛制度承认是一个独特的子学科。 2009年的同一出版物分别报告了此类学校和课程的数量,分别仅为80和165。

系统工程中的教育可以以系统为中心以域为中心

  • 以系统为中心的程序将系统工程视为单独的学科,并且大多数课程都集中在系统的系统原理和实践上。
  • 以域中为中心的程序将系统工程作为一种选择,可以通过工程上的另一个主要领域行使。

这两种模式都在努力教育能够以核心工程师要求的深度监督跨学科项目的系统工程师。

系统工程主题

系统工程工具是有助于在项目产品上执行系统工程的策略,程序和技术。这些工具的目的因数据库管理,图形浏览,仿真和推理而异,都可以记录生产,中性进口/导出等。

系统

系统工程领域的系统有很多定义。以下是一些权威定义:

  • ANSI / EIA -632-1999:“最终产品的汇总和使产品实现给定目的。”
  • DAU Systems Synersering基本面:“人,产品和流程的综合组合,提供了满足既定需求或客观的能力。”
  • IEEE STD 1220-1998:“相关的要素和过程的集合或安排,其行为满足客户/运营需求,并为生命周期的维持提供了产品。”
  • Incose系统工程手册:“在现实世界中表现出预定义行为的同质实体,由不单独表现出该行为的异质部件和组件和/或子系统的集成配置组成。”
  • incose :“系统是不同元素的构造或集合,共同产生不仅元素而无法获得的结果。元素或零件可以包括人员,硬件,软件,设施,政策和文档;也就是说,所有事物产生系统级结果所需的结果。结果包括系统级质量,属性,特征,功能,行为和性能。整个系统所添加的值,超出部分由零件贡献,主要由部分之间的关​​系;即它们如何相互联系。 ”
  • ISO/IEC 15288:2008:“与实现一个或多个陈述目的的相互作用元素的组合。”
  • NASA系统工程手册:“(1)共同起作用的元素的组合以产生满足需求的能力。这些元素包括所有硬件,软件,设备,设施,设施,人员,人员,流程和程序以及此目的所需的程序。(2 2 )最终产品(执行操作功能)和构成系统的产品(为运营最终产品提供生命周期支持服务)。”

系统工程过程

系统工程流程涵盖了定义产品所需的所有创意,手动和技术活动,并且需要执行将系统定义转换为针对产品制造和部署的足够详细的系统设计规范。系统的设计和开发可以分为四个阶段,每个阶段都有不同的定义:

  • 任务定义(信息定义)
  • 概念阶段(基本定义)
  • 设计阶段(形成性定义)
  • 实施阶段(制造定义)

根据其应用的不同,工具用于系统工程过程的各个阶段:

使用型号

模型在系统工程中扮演着重要而多样的角色。模型可以通过多种方式定义,包括:

  • 旨在回答有关现实世界的特定问题的现实的抽象
  • 现实世界过程或结构的模仿,模拟或表示;或者
  • 一种概念,数学或物理工具,可帮助决策者。

总之,这些定义足够宽,可以涵盖用于验证系统设计的物理工程模型,以及诸如贸易研究过程中使用的功能流量框图和数学(IE定量)模型之类的示意图模型。本节重点介绍了最后一节。

在贸易研究中使用数学模型图表的主要原因是提供系统效率,性能或技术属性以及一组已知或可估计数量的成本的估计。通常,需要一组单独的模型来提供所有这些结果变量。任何数学模型的核心都是其输入和输出之间的一组有意义的定量关系。这些关系可以很简单,就像将构成数量添加以获取总数一样复杂,或者像描述引力场中航天器轨迹的一组微分方程一样复杂。理想情况下,关系表达因果关系,而不仅仅是相关性。此外,成功进行系统工程活动的关键也是这些模型可以有效地管理和用于模拟系统的方法。但是,各种领域通常会出现系统工程的建模和模拟的反复出现的问题,而新的进步旨在以“基于建模和模拟的系统工程”的标题为标题,以在不同的科学和工程社区之间进行交叉施用。

建模形式主义和图形表示

最初,当系统工程师的主要目的是理解一个复杂的问题时,系统的图形表示用于传达系统的功能和数据要求。常见的图形表示包括:

图形表示通过功能,数据或接口将系统的各个子系统或部分联系起来。以上任何一种或每种方法都根据其要求在行业中使用。例如,在系统之间的接口很重要的情况下,可以使用N2图。设计阶段的一部分是创建系统的结构行为模型

一旦理解了要求,现在系统工程师的责任是完善它们,并与其他工程师一起确定工作的最佳技术。此时,从贸易研究开始,系统工程鼓励使用加权选择来确定最佳选择。决策矩阵或pugh方法是在考虑所有重要标准的同时做出此选择的一种方法( QFD是另一种方法)。贸易研究反过来介绍了设计,这再次影响了系统的图形表示(没有改变要求)。在SE过程中,此阶段代表进行的迭代步骤,直到找到可行的解决方案。决策矩阵通常是使用统计分析,可靠性分析,系统动态(反馈控制)和优化方法等技术填充的。

其他工具

系统建模语言

系统建模语言(SYSML)是一种用于系统工程应用程序的建模语言,支持广泛的复杂系统的规范,分析,设计,验证和验证。

生命周期建模语言

生命周期建模语言(LML)是一种为系统工程设计的开放标准建模语言,它支持完整的生命周期:概念,利用,支持和退休阶段。

相关字段和子场

许多相关的字段可能被认为与系统工程紧密耦合。以下领域为系统工程作为一个独特的实体的发展做出了贡献:

认知系统工程

认知系统工程(CSE)是对人机系统社会技术系统描述和分析的特定方法。 CSE的三个主要主题是人类如何应对复杂性,如何通过使用工件来完成工作,以及如何将人类机器系统和社会技术系统描述为关节认知系统。自开始以来,CSE已成为公认的科学学科,有时也称为认知工程。联合认知系统(JCS)的概念特别广泛地用作理解如何以不同程度的解决方案来描述复杂的社会技术系统的一种方式。已广泛描述了20多年的CSE经验。

配置管理

像系统工程一样,国防航空航天行业实践的配置管理也是一种广泛的系统级实践。该领域与系统工程的任务相同;在系统工程处理需求开发,分配开发项目和验证的地方,配置管理处理需求捕获,对开发项目的可追溯性以及开发项目的审核,以确保其达到系统工程和/或测试和/或测试以及通过客观测试证明了验证工程。

控制工程

控制工程及其在几乎每个行业中广泛使用的控制系统的设计和实施都是系统工程的大型子场。汽车上的巡航控制和弹道导弹的指导系统是两个例子。控制系统理论是应用数学的活跃领域,涉及解决方案空间的研究和开发用于控制过程的新方法。

工业工程

工业工程工程学的一个分支,涉及人员,货币,知识,信息,设备,能源,材料和过程的集成系统的发展,改进,实施和评估。工业工程借鉴了工程分析和综合的原理和方法,以及数学,物理和社会科学,以及工程分析和设计的原理和方法,以指定,预测和评估从这些系统中获得的结果。

生产系统工程

生产系统工程(PSE)是旨在揭示生产系统基本原理的工程的新兴分支,并利用它们进行分析,持续改进和设计。

接口设计

界面设计及其规格涉及确保系统的零件与系统的其他部分以及必要的外部系统连接并与外部系统进行连接。接口设计还包括确保系统接口能够接受新功能,包括机械,电气和逻辑接口,包括保留的电线,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类计算机互动(HCI)或人机接口(HMI)是界面设计的另一个方面,是现代系统工程的关键方面。系统工程原理应用于用于局域网广域网络通信协议的设计。

机甲工程

机甲工程(例如系统工程)是一个多学科的工程领域,它使用动态系统建模来表达有形的结构。在这方面,它几乎与系统工程无法区分,但是将其与众不同的是关注较小的细节,而不是较大的概括和关系。因此,这两个领域都以其项目的范围而不是实践方法来区分。

行动调查

操作研究支持系统工程。简而言之,操作研究与在多个约束下的过程进行优化有关。

性能工程

绩效工程是确保系统满足客户对绩效的期望的学科。性能通常定义为执行特定操作的速度或在一个时间单位内执行许多此类操作的能力。当有限的系统容量限制执行的操作时,性能可能会降低。例如,数据包切换网络的性能的特征是端到端数据包运输延迟或一个小时内切换的数据包数量。高性能系统的设计使用分析或模拟建模,而高性能实施的交付涉及彻底的性能测试。绩效工程在很大程度上取决于其工具和过程的统计排队理论概率理论

计划管理和项目管理

程序管理(或程序管理)与系统工程有许多相似之处,但基于系统工程的工程性具有更广泛的起源。项目管理也与计划管理和系统工程密切相关。

提案工程

提案工程是科学和数学原则在设计,构建和运营成本效益的提案开发系统上的应用。基本上,提案工程使用“系统工程过程”来创建一个具有成本效益的建议并增加了成功提案的机率。

可靠性工程

可靠性工程是确保系统符合客户对可靠性一生的期望的学科(即,失败的频率不会比预期的更频繁)。在预测失败之后,这与预防失败同样重要。可靠性工程适用于系统的各个方面。它与可维护性可用性(某些人首选的可靠性公羊)和物流工程密切相关。可靠性工程始终是安全工程的关键组成部分,因为在故障模式和效果分析(FMEA)和危险过故障树分析以及安全工程中。

风险管理

风险管理,评估和处理风险的做法是系统工程的跨学科部分之一。在开发,获取或运营活动中,在具有成本,时间表和绩效特征的权衡处包括风险,涉及可追溯性的迭代复杂配置管理和对跨域的日程安排和需求管理的评估以及对系统生命周期的需求管理系统工程的跨学科技术方法。系统工程的风险管理定义,量身定制,实施和监视风险管理的结构化过程,该过程已集成到整体工作中。

安全工程

非专业工程师可以应用安全工程技术的技术来设计复杂的系统,以最大程度地减少关键性失败的可能性。 “系统安全工程”功能有助于识别新兴设计中的“安全危害”,并可能有助于“减轻”无法通过系统设计的(潜在的)危险条件的影响。

调度

调度是系统工程支持工具之一,作为评估配置管理下的跨学科问题的实践和项目。特别是,资源,绩效特征和风险与任务持续时间的直接关系或任务之间的依赖关系链接以及整个系统生命周期的影响是系统工程的关注点。

安全工程

安全工程可以看作是一个跨学科领域,该领域整合了控制系统设计,可靠性,安全性和系统工程的实践社区。它可能涉及诸如系统用户,系统目标和其他人的身份验证:人员,对象和过程。

软件工程

从一开始,软件工程有助于塑造现代系统工程实践。处理大型软件密集型系统复杂性时使用的技术对系统工程的工具,方法和过程的塑造和重塑产生了重大影响。

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