系?工程
是一個
跨多學科領域
的
工程學
和
工程管理
,通常專注於如何設計、??和管理在其
生命週期
內的
複雜系統
。系統工程的核心係利用
系統性思考
的原則,以建構其知識體系。當處理大型、複雜的專案時,所面臨的相關議題(例如:
需求工程
、
可?度
、
物流
、不同團隊的協調、測試與評?、可維修性、和許多其他能?成就系統開發、設計、執行、和最終除役的
學科
)變得更加困難。系統工程藉由工作流程、優化的方法、以及
風險管理
等工具來處理此一類型的專案,?且與
技術
、和以人?本的學科相互重疊(例如:
工業工程
、
機械工程
、
製造工程
、
控制工程
、
軟體工程
、
電機工程
、
模控學
、
組織?究
、以及
專案管理
)。系統工程確保專案或系統的各個層面均被詳加考慮、?整合成?一體。
系統工程流程是一種發現的過程,與製造流程顯著不同。製造流程專注於重複性的活動,以花費最少的成本與時間來達成最高的品質輸出。系統工程流程則必須由發現實際、待解決的問題?起始點,?識別出最有可能發生、或衝擊最大的失效,系統工程也涉入?出這些問題的最佳解決方案。
歷史
[
??
]
系統工程
一詞,可以追溯到1940年代的
貝爾實驗室
[1]
。?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,可能遠大於這些零部件特性的總合〉的需求,激發了各種?業〈特別是那些?美國軍方開發系統的企業〉來採用這門學科
[2]
。
當依賴設計進化來改善一個系統已經不再可能,現有工具也無法滿足日益增?的需求時,因而開始發展出一些可直接處理??度的新方法
[3]
。系統工程的持續進化,包括新方法和建模技術的發展與確認。隨著工程系統更趨於複雜化,這些方法有助於更好的理解、以及設計與發展的管控。在系統工程領域時常被使用的工具,大多於這個時期被開發出來,包括
通用系統語言
(USL)、
統一塑模語言
(UML)、
品質機能展開
(QFD)、和
IDEF
0。
在1990年代,由一群來自美國企業和機構的代表創立了一個系統工程的專業協會:「美國國家系統工程協會」(NCOSE),其創立宗旨?推動改進系統工程實務和?育,也促進了美國以外地區從事於系統工程人員的成長,因此於1995年更名?
國際系統工程協會
(INCOSE)
[4]
。許多國家的學校提供系統工程的?究生課程,也提供實習工程師的進修?育選項
[5]
。
?念
[
??
]
系統工程原本僅僅意味工程上的一個方法,最近則?一?學科。系統工程?育的目標,乃將各種方法簡單地正式化,?借此尋?新方法和?發機會,與發生於其他工程領域的情況類似。系統工程是一個整體性、跨學科的方法。
起源、和傳統範圍
[
??
]
工程的傳統範圍:包括實體系統的?念、設計、開發、生?、和運作。系統工程的原始構想,也落於此範圍內。系統工程的名詞意義,與?了在時程、成本、和其他限制之下,因應史無前例的規模、與複雜度的功能系統的工程挑戰,而發展出來的一套獨特的?念、方法論、組織架構 … 等等相關聯。
阿波羅計?
是系統工程專案最?重要的範例。
進化到更寬廣的範圍
[
??
]
系統工程一詞的使用,隨著時間的推移,逐漸納入更寬廣、更?整體性觀念的系統和工程流程。定義的演變,也成?爭論的主題
[6]
,這個名詞仍持續應用於較?狹窄、和較?廣泛的範圍。
在古典意義上,傳統的系統工程被視?工程的一個分支,也只應用於實體的系統,例如:太空飛船和飛機。最近,系統工程進化?承載著更?寬廣的意義,特別是將人類視?一個系統的必要組成元件。
例如,英國學者
彼得?切克蘭德
〈Peter Checkland〉就?住了系統工程更寬廣的意義,他說明:「工程可以在一般的意義上解讀;?可以“策劃”〈engineer〉一個會議,或“策動”〈engineer〉一個政治協定」
[7]
:10
。
和系統工程更寬廣的範圍一致,「系統工程知識體系」〈SEBoK〉
[8]
定義了三種形式的系統工程:〈一〉?品系統工程〈PSE〉?傳統的系統工程,專注於包括軟體和硬體的實體系統的設計。〈二〉企業系統工程〈ESE〉?企業的觀點,亦?把組織、或許多組織的組合視?系統。〈三〉服務系統工程〈SSE〉與服務系統的工程有關,英國學者
彼得?切克蘭德
〈Peter Checkland〉
[7]
定義
服務系統
〈Service System〉?一個被設想?服務?一個系統的系統,大部分的民用基礎設施系統皆?服務系統。
整體觀點
[
??
]
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,?需求文件化,然后在考慮完整問題〈也就是
系統生命週期
〉期間,進行設計?合和系統驗證,包括牽涉
利害關係人
所充分了解的全部事項。奧立佛 … 等人主張
系統工程流程
可以分解成:
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
?算可利用的信息
、
定義效益的衡量
、
創建行?模型
、
創建結構模型
、
執行取捨分析
、
創建順序構建與測試計?
[9]
。
根据?們的應用,雖然在工業界有許多的模型可以使用,??均旨在鑑定前述各個階段之間的關係,?將回饋包括在內。此類模型的範例包括
瀑布模型
和
V模型
[10]
。
跨學科領域
[
??
]
系統開發經常需要來自多種技術學科的貢獻
[11]
。系統工程藉由提供一個開發工作的系統〈
整體
〉觀點,?助將所有技術貢獻者籌組成?一體的工作團隊,建立一個從?念、生?、運作、到(在某些情況下)終止與除役的結構化開發流程。在系統取得過程,於涵蓋該項目完整生命週期、?且維持可接受程度風險的期間,整體整合學科結合了貢獻、以及成本、時程、和效能之間的平衡取捨。
此觀點經常在?育學程中被複製,系統工程的課程乃由許多工程系所的?師來講授,可以有效地協助創建一個跨學科的學習環境
[12]
[13]
。
複雜性管理
[
??
]
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。
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?例如下
[14]
:
採取
跨學科
方式的工程系統,本身就?複雜;因?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?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。
範疇
[
??
]
欲一窺系統工程背後所隱藏的動機,可以視其?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
[16]
。請牢記,系統工程原則(整體論、緊急行?、界線 … 等等)可以應用於任何系統、複雜度、或以其他方式,提供可利用在各個層級的
系統思維
[17]
。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?業也需要系統工程師成?他們團隊的一員
[18]
。
由國際系統工程協會〈INCOSE〉的系統工程精進中心〈SECOE〉分析指出:投入系統工程的最佳比例,大約是?整個專案的15~20%
[19]
;同時,有?究顯示系統工程除了其他好處之外,實質上也可導致成本降低
[19]
。然而,直到最近才開始進行涉及多種?業的大規模定量調?,這樣的?究正在進行中,以決定系統工程的效能,?量化其利益
[20]
[21]
。
系?工程鼓?使用
建模???
,以??系?的假?或理?,以及他?的相互作用
[22]
[23]
。
在
安全工程
中,允許可及早偵測可能失效所使用的方法,已?被整合到???程中。同?,在專案起始階段所做的決策,?無法?楚理解其後果者,在系統壽命後期可能造成巨大的衝擊。?代系?工程?的任務,就是去探??些議題,?作出??性的?定。?有一?方法可以保?今日的決定,在一個系統從最初構想到投入服務,持續數年、或數十年之後仍然有效。不過,仍有許多支援系?工程程序的技術。例子包括:軟系統方法論、
系統動力學
方法、和
統一塑模語言
(UML)。?些方法目前都正在探索、??和??,以支援工程?策程序。
?育
[
??
]
系?工程?育往往被視?正?工程?程的延伸
[24]
,?反映了??的?度,也就是工程?生需要在??的工程?科(如
航太工程學
,
土木工程學
、
電機工程學
、
机械工程學
,
製程工程學
,
工?工程學
)之一的基礎背景,加上實務的、??世界的??,以成?有效用的系?工程?。在大?本科??系?工程?程?不多見,通常是在?究生?段提供系?工程學課程,??跨?科?究相?合。
INCOSE
維護一個不?更新的全世界系?工程學術課程目錄
[5]
。截至2009年,在美?大?有80?學院提供165?系?工程的本科和?究生學程。系?工程?育可以作?
以系??中心
、或
以?域?中心
。
- 以系??中心
學程:把系?工程視?一??立的?科,大部分?程的授?重点在於系?工程原則和實務。
- 以?域?中心
學程:提供系統工程成?一個選修項目,可與?一個主要領域的工程學一塊學習。
???模式都力求?育系?工程?成?能?俯瞰跨?科專案、?具有必要深度的核心工程?
[25]
。
系?工程主題
[
??
]
系?工程工具是有助於執行一個專案或?品的系統工程的
策略
、
程序
、和
技?
。?些工具的目的,依資料庫管理、圖形瀏覽、模?、和推理,到文?生成,中性輸入/?出、以及更多的不同而異
[26]
。
系?
[
??
]
在系?工程的?域中,何謂
系?
有?多的定?。以下是一些較具?威的定?:
- ANSI
/
EIA
-632-1999:「終端?品的集合,使?品達到?定目的
[27]
。」
- DAU系統工程基礎:「一個以人、?品、和程序的整合綜合體,提供滿足?定需要或目標的能力。」
- IEEE
Std 1220-1998:「一整套、或相關布局的元素和流程,其特性以?足客?/運作的需要,?提供?品生命周期的支持
[28]
。」
- ISO/ IEC15288:2008:「相互作用的元素組合,以??一?、或多?指定用途
[29]
。」
- NASA
系?工程手?:「(1)共同??功用的元素組合,以?生可?足需要的能力。?些元素包括所有硬體、軟體、設備、設施、人員、流程、以及?此目的所需的程序。(2)?端?品(?行?作功能)以及驅動(對?作的?端?品提供生命周期支援服?)構成一個系統的?品
[30]
。」
- INCOSE
系?工程手?:「在?實世界中展示預先定義行?的同質實體,由異質部件〈個別展示皆無此行?〉所組成,組件或次系統的集成配置
[31]
。」
- INCOSE
:“系統是不同元素的構造、或組合,可以一起?生個別元素無法獨自獲得的結果,此元素(或部件)可包括:人員、硬體、軟體、設施、政策、和文件,亦?所有可?生系統層級結果的事物,此結果包括:系統層級的品質、屬性、特徵、功能、行?、和效能,整個系統所添加的價?,超越部件的個別貢獻,主要是由部件間的關係所?生,亦?他們如何互聯
[31]
。」
系?工程流程
[
??
]
根据他?的?用,在系?工程流程的各??段使用不同的工具
[15]
- :
使用模型
[
??
]
在系統工程中
模型
發揮重要和多種角色。一個模型可以有多種定義,包括
[32]
:
- 現實的抽象化,旨在回答有關現實世界中的具體問題;
- 模?、模擬、或代表一個?實世界的過程或結構;或者是
- 一個?念,數學、或物理的工具,用以協助決策者。
總之,這些定義?廣泛,足以涵蓋系統設計驗證所使用的實體工程模型,以及圖示模型(就像使用於取捨?究過程中的
功能流程方塊圖
和數學(定量)模型)。本文側重於後者
[32]
。
在取捨?究中使用
數學模型
和
數學圖表
的主要原因,係提供系統效益、性能或技術屬性、一組已知或可?計數量的成本?算。通常需要一批個別模型來提供這些結果變數。任何數學模型的核心,係?其輸入和輸出之間一套有意義的定量關係。這些關係可以簡單到合計成?數量以獲得總數,或複雜到要用一套微分方程式來描述在一個重力場中的宇宙飛船飛行軌跡。理想情況下,這些關係表達了因果關係,而不僅僅是相關性
[32]
。此外,系統工程活動的成功關鍵,也在於這些模型的方法被有效地管理,?且使用來模擬系統。不過,多種的領域往往造成反覆出現的系統工程建模與??問題,新的進展是在「建模與??系統工程」標題下,正?準於不同的科學和工程社群間相互交流、共同成長的方法
[33]
。
建模形式和圖形表示
[
??
]
首先,當一位系統工程師的主要目的是去理解一個複雜問題時,系統的圖形表示被用來傳遞系統功能和資料的需求
[34]
。常見的圖形表示包括:
圖形表示透過功能、資料、或介面,使系統的各個子系統、或部件相互關連。上述任何方法被使用於?業,是基於?業的需求。例如,N平方圖可使用於各系統之間的重要介面。設計階段的一部分,就是去創建系統的結構和行?模型。
一旦需求被理解,系統工程師的責任就是去改善?們,?與其他工程師一起決定最好的工作技術。在取捨?究的起始點,系統工程鼓勵使用加權選擇來決定最佳選擇。一個
決策矩陣
〈或Pugh方法〉是一種方式(
品質機能展開
是?一種),在同時考慮所有重要的標準時可作出這個選擇。取捨?究則反過來通知設計,(不改變需求下)將再度影響圖形表示。在系統工程過程中,這個階段代表執行反覆的步驟,直到?到可行方案?止。決策矩陣常用的技術,例如:統計分析、可?度分析、系統動力學(回饋控制)、以及優化方法。
其他工具
[
??
]
系統建模語言
(SysML)是系統工程應用所使用的一種建模語言,可支援一個範圍廣泛的複雜系統的規格、分析、設計、驗證、和確認
[35]
。
生命週期建模語言
(LML)是一個設計給系統工程使用的開放標準建模語言,可支援完整的生命週期:?念、採用、支援、和除役階段
[36]
。
相關領域和子領域
[
??
]
許多相關領域可能被認?與系統工程緊密結合,這些領域貢獻於將系統工程發展成?一個獨特的實體。
- 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
[37]
。CSE的三個主要議題:人類如何應對複雜性、如何使用加工品來完成工作、以及人機系統和社會經濟技術系統如何可被描述?共同的認知系統。CSE從一開始已成?公認的科學學科,有時也被稱?
認知工程
。尤其,聯合認知系統(JCS)的?念已成?一種廣泛使用方式,用以瞭解複雜的社會技術系統如何可以用各種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
[38]
[39]
。
- 配置管理(構型管理、或形態管理)
- 與系統工程一樣,
配置管理
在
國防
和
航空航太業
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?;配置管理處理需求捕獲,開放項的可追溯性,開發專案的審計以確保?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
和
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,?是一個系統工程的大的子領域。對汽車和彈道導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?和發展控制過程分析的新方法。
- 工業工程
- 工業工程
是
工程學
的一個分支,涉及人員,資金,知識,資訊,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?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交互操作。介面設計還包括保證系統介面能?接受新的功能特性,包括機械,電氣和邏輯介面,包括預留電線,?頭空間,命令代碼和通信協議中的位元。這被稱?可擴展性。
人機交互
(HCI)或人機界面(HMI)是介面設計的?一個方面,也是現代系統工程的重要方面。
局域網
和
廣域網路
的
網路傳輸協定
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,?們都使用動態系統建模來表示有形的結構。在這方面,?是從系統工程幾乎沒有區別,但將?區分於系統工程的特點在於?更專注於小細節,而不是更大的?括和相互關係。正因?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?究。許多學校在運籌學或
工業工程
院系中都?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。
[40]
- 性能工程
- 性能工程
是一門用以確保系統在其整個生命週期內滿足客戶的期望的學科。性能通常被定義?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?將執行的操作佇列被停止時,系統的性能可能會下降。例如,一個
封包交換網路
的性能可以用點對點分組傳輸延遲或在一小時內資料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?大程度上依賴於
統計
,
排隊論
和
?率論
的工具和流程。
- 計?管理和項目管理
- 計?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,?有著更廣泛的來源。
項目管理
也與計?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,?增加成功提案的可能性。
- 可?性工程
- 可?性工程
是一門確保系統在其整個生命的可?性將滿足客戶的期望,也就是說,?不會比預期有更頻繁的失敗。可?性工程應用系統的各個方面。?與
可維護性
、
可用性
、和
保障工程
密切相關 。可?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?性工程在?大程度上依賴於
統計
,
?率論
和
可?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?率。“系統安全工程”功能,可以?明在新興的設計中識別“安全隱患”,?可能作?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,?集成了控制系統設計,可?性,安全和系統工程的
實踐社群
。?可能涉及其他附屬專業學科,如系統使用者
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?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?生了影響。
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外部?接
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