系統工程

系統工程是工程和工程管理的跨學科領域，重點是如何設計，集成和管理其生命週期的複雜系統。系統工程以其核心利用系統思考原理來組織這一知識。這種努力的個人結果，即工程系統，可以定義為在協同中起作用以共同執行有用功能的組件組合。

諸如需求工程，可靠性，物流，不同團隊的協調，測試和評估，可維護性以及成功的系統設計，開發，實施，實施和最終退役所需的許多其他學科等問題，在處理大型或複雜項目時變得更加困難。系統工程涉及此類項目中的工作流程，優化方法和風險管理工具。它重疊了技術和以人為本的學科，例如工業工程，生產系統工程，工藝系統工程，機械工程，製造工程，生產工程，控制工程，軟件工程，電氣工程，網絡網絡，航空網絡工程，組織工程，組織工程，土木工程，土木工程和土木工程和土木工程和項目管理。系統工程確保將項目或系統的所有可能方面考慮並集成到整個過程中。

系統工程過程是一個發現過程，與製造過程完全不同。製造過程的重點是重複的活動，這些活動以最低的成本和時間達到了高質量的產出。系統工程過程必須首先發現需要解決的實際問題，並確定可能發生的最可能發生的或最高影響的故障。系統工程涉及找到解決這些問題的解決方案。

歷史

系統工程術語可以追溯到1940年代的貝爾電話實驗室。需要識別和操縱整個系統的屬性，在復雜的工程項目中可能與零件的特性總和有很大差異，這些特性的總和是激發了各種行業，尤其​​是那些為美軍開發系統的系統，以應用該紀律。

如果不再有可能依靠設計進化來改進系統，而現有工具不足以滿足不斷增長的需求，則開始開發直接解決複雜性的新方法。系統工程的持續演變包括新方法和建模技術的開發和識別。這些方法有助於更好地理解工程系統的設計和發展控制，因為它們變得越來越複雜。在這些時期中開發了系統工程環境中經常使用的流行工具，包括USL ， UML ， QFD和IDEF 。

1990年，由美國公司和組織的代表建立了一個系統工程專業社會，國家系統工程委員會（NCOSE）。創建了NCOSE來滿足改進系統工程實踐和教育的需求。由於美國以外的系統工程師的參與日益加劇，該組織的名稱於1995年更改為國際系統工程委員會（INCOSE）。幾個國家的學校提供​​系統工程研究生課程，以及繼續教育的選擇，也可用於執業工程師。

概念

系統工程僅表示一種方法，最近是工程學的學科。系統工程教育的目的是簡單地對各種方法進行形式化，並在此過程中確定與其他工程領域相似的新方法和研究機會。作為一種方法，系統工程是整體的，風味的跨學科。

起源和傳統範圍

傳統的工程範圍涵蓋了物理系統的概念，設計，開發，生產和操作。最初構思的系統工程屬於此範圍。從這個術語中，“系統工程”是指建立工程概念。

發展到更廣泛的範圍

隨著時間的推移，“系統工程師”一詞的使用已經發展，以接受更廣泛的，更全面的“系統”和工程過程的概念。定義的這種演變一直是持續爭議的主題，該術語繼續適用於狹窄和更廣泛的範圍。

傳統的系統工程在經典意義上被視為工程學的一個分支，即僅適用於物理系統，例如航天器和飛機。最近，系統工程已經發展為具有更廣泛的含義，尤其是當人類被視為系統的重要組成部分時。例如，彼得·奇特蘭（Peter Checkland）通過指出“工程學”“可以從一般意義上閱讀”來捕捉系統工程的更廣泛的含義；您可以設計會議或政治協議。”

與系統工程的更廣泛範圍一致，系統工程知識體（SEBOK）定義了三種類型的系統工程：

• 產品系統工程（PSE）是傳統的系統工程，專注於由硬件和軟件組成的物理系統設計。
• 企業系統工程（ESE）與企業的觀點有關，即組織或組織的組合作為系統。
• 服務系統工程（SSE）與服務系統的工程有關。 Checkland將服務系統定義為被認為是服務另一個系統的系統。大多數民用基礎設施系統是服務系統。

整體看來

系統工程專注於在開發週期的早期分析和徵求客戶需求，並需要進行所需的功能，並記錄需求，然後在考慮完整的問題（系統生命週期）的同時進行設計綜合和系統驗證。這包括完全了解所有相關者。 Oliver等。聲稱可以將系統工程過程分解為：

• 系統工程技術過程
• 系統工程管理過程

在奧利弗（Oliver）的模型中，管理過程的目標是組織生命週期中的技術工作，而技術過程包括評估可用信息，定義有效性措施，創建行為模型，創建一個結構模型，執行權衡分析，並創建順序構建和測試計劃。

根據其應用的不同，儘管行業中有幾種模型，但所有模型都旨在確定上述各個階段之間的關係並包含反饋。此類模型的示例包括瀑布模型和VEE模型（也稱為V模型）。

跨學科領域

系統開發通常需要各種技術學科的貢獻。通過提供對開發工作的系統（整體）觀點，系統工程有助於將所有技術貢獻者塑造成統一的團隊工作，形成一個結構化的開發過程，從概念到生產到運營，在某些情況下進行終止和處置。在收購中，整體綜合紀律結合了成本，日程安排和績效之間的貢獻和平衡權衡，同時保持可接受的風險水平，涵蓋了項目的整個生命週期。

這種觀點通常在教育計劃中復制，因為系統工程課程是由其他工程部門的教師教授的，這有助於創建跨學科的環境。

管理複雜性

系統工程的需求隨著系統和項目的複雜性的增加而產生，進而增加了組件摩擦的可能性，因此設計的可能性也增加了。在這種情況下說話時，複雜性不僅包含工程系統，而且還包含邏輯人類數據組織。同時，由於大小的增加以及數據，變量或設計中涉及的字段數量的增加，系統可能會變得更加複雜。國際空間站就是這樣一個系統的一個例子。

智能控制算法，微處理器設計和環境系統分析的開發也在系統工程的權限範圍內。系統工程鼓勵使用工具和方法，以更好地理解和管理系統中的複雜性。這些工具的一些示例在這裡可以看到：

• 系統架構
• 系統模型，建模和仿真
• 數學優化
• 系統動力學
• 系統分析
• 統計分析
• 可靠性工程
• 決策

在工程系統上採用跨學科的方法本質上是複雜的，因為系統組件之間的行為和相互作用的行為和相互作用並不總是立即定義或理解。定義和表徵此類系統和子系統以及它們之間的相互作用是系統工程的目標之一。這樣一來，用戶，運營商，營銷組織和技術規範的非正式要求之間存在差距。

範圍

系統工程的原理 - 整體，緊急行為，邊界等。 - 只要在各個級別採用系統思維，就可以應用於任何復雜或其他系統的系統。除了國防和航空航天外，許多信息和技術的公司，電子和通信領域的軟件開發公司以及行業都需要係統工程師作為團隊的一部分。

INCOSE系統工程卓越中心（SECOE）的分析表明，在系統工程上花費的最佳努力約為項目總努力的15-20％。同時，研究表明，系統工程實質上導致其他收益的成本降低。但是，直到最近，還沒有在大規模上進行大規模的定量調查。此類研究正在進行確定有效性並量化系統工程的好處。

系統工程鼓勵使用建模和仿真來驗證系統及其內部相互作用的假設或理論。

在安全工程中，使用允許儘早發現可能發生故障的方法將其整合到設計過程中。同時，在一個項目開頭做出的決定，其後果未清楚地理解在系統的後期，其後果可能具有巨大的影響，而現代系統工程師的任務是探索這些問題並做出關鍵決策。當系統進入服務幾年或第一次構思後的幾年或數十年時，沒有任何方法保證今天的決定仍然有效。但是，有一些技術支持系統工程的過程。示例包括軟系統方法論， Jay Wright Forrester的系統動力學方法以及統一的建模語言（UML） - 目前正在探索，評估和開發所有以支持工程決策過程。

教育

系統工程教育通常被視為對常規工程課程的擴展，這反映了工程專業學生需要在傳統工程學科之一中需要基本背景的行業態度（例如航空航天工程，土木工程，電氣工程，電氣工程，機械工程，製造工程，製造工程，工業工程，化學工程） - 作為系統工程師有效的實用，現實世界的經驗。在系統工程中明確的大學課程的數量正在增長，但很少見，包括這些材料在內的學位最常作為工業工程中的BS呈現。通常在學術和專業軌道上以研究生水平開始提供課程（自己或與跨學科研究結合在一起），從而獲得了MS / Meng或Ph.D。 /英語學位。

Incose與史蒂文斯技術學院的系統工程研究中心合作，在適當認可的機構中定期更新了全球學術課程的目錄。截至2017年，它列出了北美140多所大學，提供了400多個系統工程的本科和研究生課程。最近，對該領域的廣泛制度承認是一個獨特的子學科。 2009年的同一出版物分別報告了此類學校和課程的數量，分別僅為80和165。

系統工程中的教育可以以系統為中心或以域為中心：

• 以系統為中心的程序將系統工程視為單獨的學科，並且大多數課程都集中在系統的系統原理和實踐上。
• 以域中為中心的程序將系統工程作為一種選擇，可以通過工程上的另一個主要領域行使。

這兩種模式都在努力教育能夠以核心工程師要求的深度監督跨學科項目的系統工程師。

系統工程主題

系統工程工具是有助於在項目或產品上執行系統工程的策略，程序和技術。這些工具的目的因數據庫管理，圖形瀏覽，仿真和推理而異，都可以記錄生產，中性進口/導出等。

系統

系統工程領域的系統有很多定義。以下是一些權威定義：

• ANSI / EIA -632-1999：“最終產品的匯總和使產品實現給定目的。”
• DAU Systems Synersering基本面：“人，產品和流程的綜合組合，提供了滿足既定需求或客觀的能力。”
• IEEE STD 1220-1998：“相關的要素和過程的集合或安排，其行為滿足客戶/運營需求，並為生命週期的維持提供了產品。”
• Incose系統工程手冊：“在現實世界中表現出預定義行為的同質實體，由不單獨表現出該行為的異質部件和組件和/或子系統的集成配置組成。”
• incose ：“系統是不同元素的構造或集合，共同產生不僅元素而無法獲得的結果。元素或零件可以包括人員，硬件，軟件，設施，政策和文檔；也就是說，所有事物產生系統級結果所需的結果。結果包括系統級質量，屬性，特徵，功能，行為和性能。整個系統所添加的值，超出部分由零件貢獻，主要由部分之間的關​​系；即它們如何相互聯繫。 ”
• ISO/IEC 15288：2008：“與實現一個或多個陳述目的的相互作用元素的組合。”
• NASA系統工程手冊：“（1）共同起作用的元素的組合以產生滿足需求的能力。這些元素包括所有硬件，軟件，設備，設施，設施，人員，人員，流程和程序以及此目的所需的程序。（2 2 ）最終產品（執行操作功能）和構成系統的產品（為運營最終產品提供生命週期支持服務）。”

系統工程過程

系統工程流程涵蓋了定義產品所需的所有創意，手動和技術活動，並且需要執行將系統定義轉換為針對產品製造和部署的足夠詳細的系統設計規範。系統的設計和開發可以分為四個階段，每個階段都有不同的定義：

• 任務定義（信息定義）
• 概念階段（基本定義）
• 設計階段（形成性定義）
• 實施階段（製造定義）

根據其應用的不同，工具用於系統工程過程的各個階段：

使用型號

模型在系統工程中扮演著重要而多樣的角色。模型可以通過多種方式定義，包括：

• 旨在回答有關現實世界的特定問題的現實的抽象
• 現實世界過程或結構的模仿，模擬或表示；或者
• 一種概念，數學或物理工具，可幫助決策者。

總之，這些定義足夠寬，可以涵蓋用於驗證系統設計的物理工程模型，以及諸如貿易研究過程中使用的功能流量框圖和數學（IE定量）模型之類的示意圖模型。本節重點介紹了最後一節。

在貿易研究中使用數學模型和圖表的主要原因是提供系統效率，性能或技術屬性以及一組已知或可估計數量的成本的估計。通常，需要一組單獨的模型來提供所有這些結果變量。任何數學模型的核心都是其輸入和輸出之間的一組有意義的定量關係。這些關係可以很簡單，就像將構成數量添加以獲取總數一樣複雜，或者像描述引力場中航天器軌蹟的一組微分方程一樣複雜。理想情況下，關係表達因果關係，而不僅僅是相關性。此外，成功進行系統工程活動的關鍵也是這些模型可以有效地管理和用於模擬系統的方法。但是，各種領域通常會出現系統工程的建模和模擬的反復出現的問題，而新的進步旨在以“基於建模和模擬的系統工程”的標題為標題，以在不同的科學和工程社區之間進行交叉施用。

建模形式主義和圖形表示

最初，當系統工程師的主要目的是理解一個複雜的問題時，系統的圖形表示用於傳達系統的功能和數據要求。常見的圖形表示包括：

• 功能流框圖（FFBD）
• 基於模型的設計
• 數據流程圖（DFD）
• N2圖
• IDEF0圖
• 用例圖
• 序列圖
• 框圖
• 信號流圖
• USL功能地圖和類型地圖
• 企業體系結構框架

圖形表示通過功能，數據或接口將系統的各個子系統或部分聯繫起來。以上任何一種或每種方法都根據其要求在行業中使用。例如，在系統之間的接口很重要的情況下，可以使用N2圖。設計階段的一部分是創建系統的結構和行為模型。

一旦理解了要求，現在系統工程師的責任是完善它們，並與其他工程師一起確定工作的最佳技術。此時，從貿易研究開始，系統工程鼓勵使用加權選擇來確定最佳選擇。決策矩陣或pugh方法是在考慮所有重要標準的同時做出此選擇的一種方法（ QFD是另一種方法）。貿易研究反過來介紹了設計，這再次影響了系統的圖形表示（沒有改變要求）。在SE過程中，此階段代表進行的迭代步驟，直到找到可行的解決方案。決策矩陣通常是使用統計分析，可靠性分析，系統動態（反饋控制）和優化方法等技術填充的。

其他工具

系統建模語言

系統建模語言（SYSML）是一種用於系統工程應用程序的建模語言，支持廣泛的複雜系統的規範，分析，設計，驗證和驗證。

生命週期建模語言

生命週期建模語言（LML）是一種為系統工程設計的開放標準建模語言，它支持完整的生命週期：概念，利用，支持和退休階段。

相關字段和子場

許多相關的字段可能被認為與系統工程緊密耦合。以下領域為系統工程作為一個獨特的實體的發展做出了貢獻：

認知系統工程

認知系統工程（CSE）是對人機系統或社會技術系統描述和分析的特定方法。 CSE的三個主要主題是人類如何應對複雜性，如何通過使用工件來完成工作，以及如何將人類機器系統和社會技術系統描述為關節認知系統。自開始以來，CSE已成為公認的科學學科，有時也稱為認知工程。聯合認知系統（JCS）的概念特別廣泛地用作理解如何以不同程度的解決方案來描述複雜的社會技術系統的一種方式。已廣泛描述了20多年的CSE經驗。

配置管理

像系統工程一樣，國防和航空航天行業實踐的配置管理也是一種廣泛的系統級實踐。該領域與系統工程的任務相同；在系統工程處理需求開發，分配開發項目和驗證的地方，配置管理處理需求捕獲，對開發項目的可追溯性以及開發項目的審核，以確保其達到系統工程和/或測試和/或測試以及通過客觀測試證明了驗證工程。

控制工程

控制工程及其在幾乎每個行業中廣泛使用的控制系統的設計和實施都是系統工程的大型子場。汽車上的巡航控制和彈道導彈的指導系統是兩個例子。控制系統理論是應用數學的活躍領域，涉及解決方案空間的研究和開髮用於控製過程的新方法。

工業工程

工業工程是工程學的一個分支，涉及人員，貨幣，知識，信息，設備，能源，材料和過程的集成系統的發展，改進，實施和評估。工業工程借鑒了工程分析和綜合的原理和方法，以及數學，物理和社會科學，以及工程分析和設計的原理和方法，以指定，預測和評估從這些系統中獲得的結果。

生產系統工程

生產系統工程（PSE）是旨在揭示生產系統基本原理的工程的新興分支，並利用它們進行分析，持續改進和設計。

接口設計

界面設計及其規格涉及確保系統的零件與系統的其他部分以及必要的外部系統連接並與外部系統進行連接。接口設計還包括確保系統接口能夠接受新功能，包括機械，電氣和邏輯接口，包括保留的電線，插頭空間，命令代碼和通信協議中的位。這被稱為可擴展性。人類計算機互動（HCI）或人機接口（HMI）是界面設計的另一個方面，是現代系統工程的關鍵方面。系統工程原理應用於用於局域網和廣域網絡的通信協議的設計。

機甲工程

機甲工程（例如係統工程）是一個多學科的工程領域，它使用動態系統建模來表達有形的結構。在這方面，它幾乎與系統工程無法區分，但是將其與眾不同的是關注較小的細節，而不是較大的概括和關係。因此，這兩個領域都以其項目的範圍而不是實踐方法來區分。

行動調查

操作研究支持系統工程。簡而言之，操作研究與在多個約束下的過程進行優化有關。

性能工程

績效工程是確保系統滿足客戶對績效的期望的學科。性能通常定義為執行特定操作的速度或在一個時間單位內執行許多此類操作的能力。當有限的系統容量限制執行的操作時，性能可能會降低。例如，數據包切換網絡的性能的特徵是端到端數據包運輸延遲或一個小時內切換的數據包數量。高性能係統的設計使用分析或模擬建模，而高性能實施的交付涉及徹底的性能測試。績效工程在很大程度上取決於其工具和過程的統計，排隊理論和概率理論。

計劃管理和項目管理

程序管理（或程序管理）與系統工程有許多相似之處，但基於系統工程的工程性具有更廣泛的起源。項目管理也與計劃管理和系統工程密切相關。

提案工程

提案工程是科學和數學原則在設計，構建和運營成本效益的提案開發系統上的應用。基本上，提案工程使用“系統工程過程”來創建一個具有成本效益的建議並增加了成功提案的機率。

可靠性工程

可靠性工程是確保系統符合客戶對可靠性一生的期望的學科（即，失敗的頻率不會比預期的更頻繁）。在預測失敗之後，這與預防失敗同樣重要。可靠性工程適用於系統的各個方面。它與可維護性，可用性（某些人首選的可靠性或公羊）和物流工程密切相關。可靠性工程始終是安全工程的關鍵組成部分，因為在故障模式和效果分析（FMEA）和危險過故障樹分析以及安全工程中。

風險管理

風險管理，評估和處理風險的做法是系統工程的跨學科部分之一。在開發，獲取或運營活動中，在具有成本，時間表和績效特徵的權衡處包括風險，涉及可追溯性的迭代複雜配置管理和對跨域的日程安排和需求管理的評估以及對系統生命週期的需求管理系統工程的跨學科技術方法。系統工程的風險管理定義，量身定制，實施和監視風險管理的結構化過程，該過程已集成到整體工作中。

安全工程

非專業工程師可以應用安全工程技術的技術來設計複雜的系統，以最大程度地減少關鍵性失敗的可能性。 “系統安全工程”功能有助於識別新興設計中的“安全危害”，並可能有助於“減輕”無法通過系統設計的（潛在的）危險條件的影響。

調度

調度是系統工程支持工具之一，作為評估配置管理下的跨學科問題的實踐和項目。特別是，資源，績效特徵和風險與任務持續時間的直接關係或任務之間的依賴關係鏈接以及整個系統生命週期的影響是系統工程的關注點。

安全工程

安全工程可以看作是一個跨學科領域，該領域整合了控制系統設計，可靠性，安全性和系統工程的實踐社區。它可能涉及諸如係統用戶，系統目標和其他人的身份驗證：人員，對象和過程。

軟件工程

從一開始，軟件工程有助於塑造現代系統工程實踐。處理大型軟件密集型系統複雜性時使用的技術對系統工程的工具，方法和過程的塑造和重塑產生了重大影響。

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