Системная инженерия

1. Понятие системной инженерии

Системная инженерия, или системотехника — это научно-методологическая дисциплина, которая изучает вопросы проектирования, создания и эксплуатации структурно сложных, крупномасштабных, человеко-машинных и социотехнических систем (см. Система), а также предлагает принципы, методы и средства их разработки. При разработке и конструировании подобных систем, как правило возникают проблемы, относящиеся не только к свойствам их составных частей (элементов, подсистем и связей), но и к закономерностям функционирования системного объекта в целом и обеспечения его жизненного цикла (общесистемные проблемы), а также широкий круг специфических задач, таких как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между подсистемами и элементами, учёт влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования, оптимальное управление системой, связанные технологические процессы и так далее. По мере развития и усложнения инженерно-технических и человеко-машинных систем всё более значительное место в этой области отводится общесистемным вопросам, которые и составляют основное содержание научной (главным образом, математической) системной инженерии. Ответственность за систему как целое и связанная c этим междисциплинарность подхода к другим инженериям отличают системную инженерию от всех других инженерных дисциплин.

Теоретическую и методологическую основу системной инженерии составляют системный подход (см. Системный подход) и общая теория систем (см. Общая теория систем), а также методы исследований с привлечением математической логики, математической статистики, системного анализа, теории алгоритмов, теории игр, теории ситуаций, теории информации, комбинаторики и ряда других. В системной инженерии тесно переплетены элементы науки и практики. Хотя её основой считают общесистемные теории, системная инженерия, однако, заимствует у них лишь самые общие исходные представления и предпосылки. Её методологический статус весьма необычен: с одной стороны, системная инженерия располагает методами и процедурами, почерпнутыми из современной науки и созданными специально для неё, что ставит её в ряд с другими прикладными направлениями современной методологии, с другой — в развитии системной инженерии отсутствует тенденция к оформлению его в строгую и законченную теорию. Это связано, прежде всего, с тем, что чрезвычайно высокая сложность и разнообразие крупномасштабных систем существенно затрудняет использование точных формализованных методов при их создании. Поэтому основные концепции, методы и технологии современной системной инженерии формировались, главным образом, в рамках практики успешных разработок. В настоящее время системная инженерия представляет собой междисциплинарный комплекс исследований, подходов и методологий к построению и эксплуатации сложных систем любого масштаба и назначения в различных областях человеческой деятельности (см. Деятельность).

2. Развитие системной инженерии

Первые разработки в области сложных (преимущественно, инженерно-технических) систем, основанные на системном подходе и системных методах, отмечаются в 1940-х годах в США во время Второй мировой войны. В послевоенное время значительные успехи науки, техники и технологий наряду с быстро возраставшими потребностями в автоматизации процессов и производств на основе стремительно совершенствовавшихся компьютерных технологий стимулировали начало индустриального создания так называемых крупномасштабных систем высокой сложности. Эти системы отличались как количественными показателями (существенным ростом числа составных частей и выполняемых функций, высокой степенью автоматизации, значительно возросшей стоимостью создаваемых систем и важностью решаемых ими задач и так далее), так и качественными показателями (принципиально иным уровнем организации и управления, высокой сложностью функционирования системы в целом и её составных частей, повышением Гетерогенности, необходимостью взаимодействия с другими сложными системами и так далее).

В 1957 году в одной из первых работ по системной инженерии (Harry H. Goode, Robert E. Machol. System Engineering: An Introduction to the Design of Large-scale Systems, 1957) её авторы Г. Х. Гуд и Р.-Э. Макол отмечали, что создаваемые человеком сложные и крупномасштабные системы отличаются следующими признаками:

• целостностью, или единством системы, что подразумевает наличие каких-либо общих целей и общее назначение;
• большими размерами систем, которые, в частности, являются большими и по числу частей, и по числу выполняемых функций, и по числу входов, и по своей стоимости;
• сложностью поведения системы, например тем, что изменение одного параметра может повлечь за собой изменение многих других параметров, характеризующих и поведение, и состояние системы;
• высокой степенью автоматизации, что позволяет решать не только технические, но и организационно-управленческие задачи;
• нерегулярностью поступления внешних возмущений, с вытекающей отсюда невозможностью точного предсказания нагрузки;
• наличием (в большинстве случаев) в составе системы конкурирующих сторон;
• усилением внимания к возможностям и функционированию человека-оператора и существенным повышением роли эффективной организации человеко-машинного взаимодействия;
• повышением требований к использованию адекватных методов, облегчающих принятие решений персоналом;
• появлением новых способов организации деятельности по созданию систем с особым акцентом на коллективные методы работы.

В основу работ по созданию подобных систем были положены достижения общей теории систем, а также системного анализа, исследования операций, теории информации, вычислительной техники и кибернетики. Эти достижения стали целенаправленно использоваться при комплексном решении инженерных и организационно-управленческих задач, возникающих при создании таких систем, что в итоге привело к появлению нового междисциплинарного методологического подхода, получившего название «системная инженерия». Как самостоятельная дисциплина системная инженерия начала оформляться в конце 1950-х — начале 1960-х годов в рамках общей теории систем, будучи отнесена создателем этой концепции Л. фон Берталанфи к её прикладной [технической] области, наряду с двумя другими методологическими дисциплинами — исследованием операций (Operations Research) и инженерной психологией (Human Engineering) (Bertalanfy L. von. General System Theory. — A Critical Review. — General Systems. Vol. VII. 1962. P. 1–20).

В центре внимания системной инженерии оказались вопросы научного планирования, проектирования, оценки, конструирования и эксплуатации систем, создаваемых человеком для удовлетворения установленных потребностей, а также проблемы организации коллективных методов работы при создании таких систем. В качестве первоочередного результата системная инженерия предложила комплекс пригодных к адаптации и автоматизации методов разработки систем, сущность которых состояла в применении систематизированного, основанного на системном анализе подходе к принятию решений, обеспечивающих эффективный переход от концепции системы к пригодным для успешной реализации проектным решениям и в конечном счёте к пригодной для использования системной продукции. Эти методы особенно быстрыми темпами развивались в 1960–1970-х годах в интересах аэрокосмической и оборонной отраслей промышленности в США и ряда связанных с ними крупных государственных проектов.

В 1965 году А. Д. Холл впервые описал методологию системной инженерии (Arthur D. Hall. A Methodology for Systems Engineering, 1965), определив её как организованную творческую технологию и выделив в качестве основы три положения:

1. Системная инженерия многоаспектна, и этот факт должен быть обязательно отражён при определении её предмета.
2. В основу деятельности системного инженера должно быть положено понимание, что целью всего процесса системной инженерии является оптимальное проведение функциональных границ между человеческими интересами, системой и её окружением. В самом же окружении выделяются три главных составных части: 1) физическое и техническое окружение; 2) деловое и экономическое окружение; 3) социальное окружение.
3. Системная инженерия уделяет первостепенное внимание исследованию потребностей, в основе которого должно быть положено использование передовых экономических теорий, учёт потребностей рынка и возможность изменения этих потребностей как в настоящем, так и в будущем.

В течение 1960–1970-х годов системная инженерия на основе объединения достижений различных дисциплин и групп специальностей предоставила методологический базис и средства для успешной реализации согласованных, командных усилий по формированию и реализации деятельности по созданию систем различных классов, отвечающих установленным требованиям, деятельности, которая охватывает все стадии жизненного цикла системы — от замысла до изготовления, эксплуатации и прекращения применения.

Наряду с этим сформировался целый ряд системно-ориентированных дисциплин и смежных направлений исследований, которые тесно связаны с системной инженерией или включаются в её состав на тех или иных основаниях. Среди них в частности:

• Системный анализ (Systems Analysis).
• Когнитивная системная инженерия (Cognitive Systems Engineering).
• Конфигурационное управление (Configuration Management).
• Автоматическое управление (Control Engineering).
• Промышленная системная инженерия (Industrial Engineering).
• Мехатронная инженерия (Mechatronic Engineering).
• Исследование операций (Operations Research).
• Программная инженерия (Software Engineering).
• Инженерия производительности (Performance Engineering).
• Управление программами и проектами (Program and Project Management).
• Проектирование интерфейсов (Interface Design).
• Системное планирование (Scheduling).
• Инженерная психология (Human Engineering).
• Инженерия безопасности (Safety Engineering).
• Управление рисками (Risk Management).

Системная инженерия использовала достижения других дисциплин таким образом, чтобы в результате коллективных усилий был сформирован и успешно реализован исчерпывающий набор процессов, необходимых для построения системы в её развитии. На основе сбалансированного рассмотрения и всестороннего учёта как деловых, так и технических потребностей заинтересованных сторон системная инженерия, используя достижения инженерных дисциплин в целях определения технических решений и создания архитектуры систем, оказалась нацелена на формирование таких процессов разработки и жизненного цикла систем, которые позволяют сбалансировать затраты времени и средств в интересах достижения необходимого качества продукции и услуг, обеспечивая тем самым конкурентоспособность создаваемых систем.

К концу XX века развитие науки и технологий, информатизация общества, глобализация экономики, интеграционные процессы вызывают потребность в создании всё более совершенных оборонных, производственных, транспортных, энергетических, коммуникационных и других систем, а также их комплексов. В ответ на требования развития эти системы постоянно усложняются: в составе систем появляется всё больше элементов, границы становятся подвижными, для описания поведения используются всё более трудные для понимания модели. В современных сложных системах число составляющих их отдельных элементов, которые необходимо согласовать между собой (в проектировании), а часто и создать с нуля (в конструировании) в инженерно-технических системах достигает миллионов, а иногда и миллиардов единиц. Проблема постоянного роста сложности систем существенно обостряется в условиях высокой скорости появления и освоения новых технологий. Помимо указанной проблемы инженерной сложности (которая определяется, главным образом, как число различных элементов, которые включает в себя целевая система), скорость технологических изменений ставит перед создателями систем и другие вызовы (например, заставляет существенно, иногда неоднократно, продлевать жизненный цикл систем, уже введённых в эксплуатацию).

Усложняются не только системы, но и деятельность по их созданию. В некоторых крупных системных проектах насчитываются тысячи подрядчиков на один проект, причём у каждого подрядчика свой профессиональный язык общения. Наряду с этим, многие системы носят комплексный и мультидисциплинарный характер и взаимосвязанным образом включают в себя технические, информационные и организационные аспекты. Требования и спецификации проекта поступают с самых разных сторон и непрерывно меняются. Создавать такие сложные системы могут только крупные многодисциплинарные коллективы, которые требуют соответствующей междисциплинарной организации в разделении интеллектуального труда. Вопросы удержания междисциплинарной целостности и организации междисциплинарных работ также решает системная инженерия, обеспечивая этот процесс за счёт использования общего междисциплинарного языка.

Учитывая эволюцию, которую в результате технологических изменений и требований глобального развития претерпело понимание системной инженерии, можно констатировать, что с течением времени имело место всё более значительное расширение сферы её применения и содержания её задач. Сегодня мировое научное и индустриальное сообщества признают системную инженерию в качестве методологической основы организации и осуществления деятельности по созданию систем любого масштаба и назначения. Поэтому и для многих крупных корпораций, занятых на глобальном рынке, и для ведущих мировых технических университетов системная инженерия стала одной наиболее важных дисциплин, овладение которой в целом наряду с углублённым изучением её наиболее важных разделов является обязательным для специалистов, предполагающих заниматься созданием и/или эксплуатацией сложных систем. К настоящему времени силами международного инженерного и академического сообщества разработана и успешно апробирована совокупность теоретических и практических рекомендаций по созданию сложных систем и управлению их жизненным циклом. Близок к завершению процесс формирования интегрированной системы международных стандартов и лучших практик, обеспечивающих поддержку деятельности по созданию эффективных систем. Наряду с этим, активно разрабатывается аналитический программный инструментарий для помощи в практической реализации этих правил и положений.

3. Системная инженерия и её аналоги в СССР и России

Аналогичная системной инженерии дисциплина формировалась в 1960-х годах в СССР под названием «системотехника», после того как в 1962 году вышел перевод указанной выше работы по системной инженерии «System Engineering: An Introduction to the Design of Large-scale Systems» Г. Х. Гуда и Р.-Э. Макола. При переводе книги в редакции издательства «Советское радио» было принято решение заменить термин «системная инженерия» вновь изобретённым термином «системотехника» (по неподтверждённым данным его автором является редактор русского перевода книги профессор Г. Н. Поваров, по другим данным профессор Ф. Е. Темников). Поскольку термин «системотехника» в явном виде утверждал узкотехническую направленность данной дисциплины, она довольно быстро получила применение в приложениях системных методов только к техническим направлениям и в итоге утратила первоначальный смысл междисциплинарного подхода и прикладного раздела теории систем, превратившись со временем в узкое научно-техническое понятие из области проектирования инженерно-технических систем и автоматизированных систем управления (АСУ). Активные разработки в области системотехники велись в СССР до середины 1980-х годов. В настоящее время термин «системотехника» не имеет устойчивого применения и относится скорее к области информационных технологий.

Некоторые специалисты указывают, что первым крупномасштабным системно-инженерным проектом в СССР можно считать план ГОЭЛРО, разработанный в 1920 году на основе указаний В. И. Ленина. ГОЭЛРО представлял собой комплексный проект электрификации России, включавший не только развитие электроэнергетики, но и ряд связанных проектов по индустриализации и развитию инфраструктуры, в свою очередь привязанным к планам развития территорий. Для его реализации была создана Комиссия по разработке плана электрификации под руководством Г. М. Кржижановского, к работе которой было привлечено более 200 учёных и инженеров. Проект был рассчитан на период от 10 до 15 лет с чётким распределением конкретных работ и выдерживанием их сроков, и отличался детальной проработанностью: в нём определялись тенденции, структура и пропорции развития не только для каждой отрасли, но и для каждого региона. В 1935 году, то есть к концу пятнадцатилетнего срока реализации проекта, советская электроэнергетика вышла на уровень мировых стандартов и заняла третье место в мире — после США и Германии. Накопленные при реализации плана ГОЭЛРО методы и опыт были в дальнейшем применены при осуществлении индустриализации СССР, разработке системы планирования экономики и других государственных проектов. Как в теоретическом, так и в практическом аспекте план ГОЭЛРО не имел аналогов в мировой практике, а успешная практическая реализация этого проекта стала обусловила отдельные попытки его копирования в ряде ведущих стран мира. В частности, в период 1923–1931 годов появились аналогичные государственные программы электрификации в США, Англии, Франции, Польше и Японии, однако все они закончились неудачей ещё на стадии планирования и технико-экономических разработок.

Начиная с 1960-х годов в СССР активные системно-инженерные разработки велись в области создания автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП). Одной из первых таких систем стала автоматизированная система управления (АСУ) «Кунцево», которая позиционировалась как комплексная или типовая система управления производством Московского радиотехнического завода (20 тысяч сотрудников) на базе использования электронно-вычислительных машин Минск–22 и позднее Минск–32. В результате обобщения накопленного опыта и использования принципов системного подхода в указанных процессах и разработках оборонного значения был издан «Справочник проектировщика систем автоматизации производством», в котором нашли отражение такие понятия как «системный подход», «анализ операций» и «системный анализ». В 1977–1979-х годах были подготовлены и вступили в силу государственные стандарты (ГОСТ) класса 19 «Единая система программной документации» (ЕСПД). Таким образом, на имеющихся в то время средствах вычислительной техники выделись две системы: АСУ (АСУП) и ЕСПД. Принципы системного подхода, опробованные при создании АСУ «Кунцево», впоследствии широко применялись на предприятиях оборонных министерств. Активное развитие процессов автоматизации производства, совершенствование технической базы и вычислительных машин привело к созданию в 1980–1985-х годах ГОСТ 24 класса «Единая система стандартов автоматизированных систем управления». Система стандартов ГОСТ 24 включала более 20 спецификаций. В ГОСТах этого класса в частности были введены понятия типовых проектных решений в АСУ, способы оценки наиболее важных характеристик АСУ и другие положения. Следует отметить, что стандарты ГОСТ 24, хотя и не обновлялись с конца 1980-х годов, по сей день широко используются на практике. Обобщение опыта создания систем различного назначения в различных предметных областях привело к созданию и утверждению ГОСТ 34 класса «Информационная технология», изданных в 1989–1995-х годах, который фактически заменил и расширил стадии ГОСТов 19 класса: требования, концепция, техническое задание, эскизный проект, технический проект, рабочая документация, ввод в действие, сопровождение и другие. Дальнейшее развитие системно-инженерных методов и стандартов в России оставалось в русле информационных технологий и программной инженерии. В середине 2000-х годов в течение короткого периода российские специалисты пытались интегрироваться в мировое сообщество создателей нормативно-технического обеспечения системной инженерии. Они, в частности, приняли участие в разработке стандарта ISO/IEC 15288. Однако в дальнейшем российское участие в работе международного экспертного сообщества, формирующего нормативно-техническое обеспечение системной инженерии, по существу, прекратилось.

В целом, в СССР было реализовано большое количество сложных и крупномасштабных системно-инженерных проектов, как гражданских, так и военных. Соответственно, был накоплен значительный опыт как в области управления проектами и процессами, так и в области собственно инженерной. Однако, поскольку в стране существовал высокий уровень секретности как на ведомственном, так и на общегосударственном уровне, вследствие этого информация об управленческих и инженерных методологиях была и до сих пор остаётся недоступной исследователям, а большинство инженерных руководителей этих проектов уже ушли из жизни. Всё это привело к тому, что имеющийся советский опыт комплексного создания сложных систем фактически остался вне системы инженерной науки и образования (за исключением отдельных направлений, таких как разработка, создание и внедрение АСУ). В настоящее время немногочисленные примеры российского опыта по комплексному использованию практик системной инженерии можно найти среди отдельных проектов, реализуемых государственными корпорациями «РосАтом» и «РусГидро». По косвенным признакам можно судить об использовании элементов программно насыщенной системной инженерии (программной инженерии) в некоторых крупных российских телекоммуникационных компаниях.

Наряду с практическими разработками, в СССР активно проводились теоретические разработки, основанные на инженерно-методологическом системном подходе, прежде всего в рамках советской школы системного анализа и теории систем, а также школы системо-мыследеятельностной методологии (СМД-методологии).

Предшественником советской школы системного анализа был А. А. Богданов, предложивший в начале XX века концепцию всеобщей организационной науки — тектологии, послужившей предтечей общей теории систем. Первые методики системного анализа в СССР были разработаны Ю. И. Черняком, С. А. Валуевым, Е. П. Голубковым. Затем начался период разработки методик структуризации, основанных на философских концепциях. Для развития этого направления при Всесоюзном научно-техническом обществе радиотехники, электроники и связи в 1973 году был создан семинар «Системный анализ в проектировании и управлении» (Ф. Е. Темников, Ю. И. Черняк, В. Н. Волкова). В дальнейшем отдельные школы системного анализа продолжали системные исследования при высших учебных заведениях.

Школа системо-мыследеятельностной методологии (см. СМД-методология), которую обычно связывают с именем Г. П. Щедровицкого, возникла как методологическое направление в гуманитарном знании, оформившееся на основе презумпций, генетически восходящих к идеям Московского методологического кружка (ММК). История движения начинается с 1952–1954 годов, когда образовался Московский логический кружок (А. А. Зиновьев, Г. П. Щедровицкий, Б. А. Грушин, М. К. Мамардашвили и другие). Это был период разработки содержательно-генетической логики, ассимиляции культурно-исторической концепции Л. С. Выготского, запрещённой в те годы в СССР кибернетики и разворачивающихся системных исследований. В 1950–1970-х годах участники методологического движения были заняты разработкой теории деятельности и теории мышления, исследованиями в области теории систем и системным проектированием. С 1979 года начинается новый этап разработки СМД-методологии, когда возникают исследовательские и проектные группы не только в Москве, но и в других городах. С этого времени основной формой деятельности СМД-методологов становится организационно-деятельностная игра (ОДИ), которая строится по схеме мыследеятельности. Результаты деятельности СМД-методологов в ряде случаев предвосхитили западные успехи в области системной инженерии. Однако эти результаты с настороженностью принимались советским философским и научным сообществом, учитывая повышенную вовлечённость научных дискуссий и разработок в политические и идеологические процессы в СССР. Немалую роль в этом сыграл сложный и специфический язык, используемый в СМД-методологии, так и достаточно радикальные философские идеи. В результате большая часть работ, проделанных в рамках Московского методологического кружка, осталась неопубликованной, а многие перспективные направления исследований были закрыты после 1968 года. Так, был арестован тираж сборника «Проблемы исследования систем и структур» (1965), монография «Разработка и внедрение автоматизированных систем в проектировании» (1975) вышла в отраслевом издательстве небольшим тиражом и повлекла репрессии против издателей. Ряд участников движения были вынуждены эмигрировать из страны (А. А. Зиновьев, В. Я. Дубровский, В. А. Лефевр и другие). Перспективное системно-инженерное философское направление исследований не получило, таким образом, ни поддержки, ни признания.

4. Определения системной инженерии

5. Основания системной инженерии

В основании системной инженерии лежит ряд концепций — общих абстрактных представлений, связанных с пониманием её предмета, а также совокупность принципов, то есть исходных, принимаемых за истину правил, которые используются в качестве основы для рассуждений и/или для принятия решений. Концепции системной инженерии направляют мышление системного инженера, а принципы предоставляют необходимые для этого правила и нормы. Концепции и принципы предоставляют знания и навыки, необходимые для развития совокупности приёмов и операций практической деятельности системного инженера, то есть для обоснования метода системной инженерии. Метод системной инженерии является руководством и практическим инструментом для достижения цели, то есть для создания успешной системы, а также для достижения состояния стабильного, устойчивого развития посредством принятия непротиворечивых решений на протяжении жизненного цикла системы.

5.1. Концепции системной инженерии

Основные концепции системной инженерии включают следующие понятия:

1. Система (System).
2. Жизненный цикл (System Life Cycle).
3. Заинтересованные стороны (Stakeholders).

5.1.1. Система

В системной инженерии рассматриваются не любые, а именно большие (крупномасштабные) и сложные системы. Общепризнанной границы, разделяющей большие и сложные системы, нет. Однако отмечается, что термин «большая система» характеризует многокомпонентные системы, включающие значительное число элементов с однотипными многоуровневыми связями. Большие системы — это пространственно-распределённые системы высокой степени сложности, в которых подсистемы (их составные части) также относятся к категориям сложных. Дополнительными признаками, характеризующими большую систему, являются:

• большие размеры;
• сложная иерархическая структура;
• циркуляция в системе больших информационных, энергетических и материальных потоков;
• высокий уровень неопределённости в описании системы.

В свою очередь, термин «сложная система» характеризует структурно и функционально сложные многокомпонентные системы с большим числом взаимосвязанных и взаимодействующих элементов различного типа и с многочисленными и разнородными связями между ними. Сложные системы отличаются многомерностью, разнородностью структуры, многообразием природы элементов и связей, организационной разносопротивляемостью и разночувствительностью к воздействиям, асимметричностью потенциальных возможностей осуществления функциональных и дисфункциональных изменений. При этом каждый из элементов подобной системы может быть также представлен в виде системы (подсистемы). К сложной можно отнести систему, обладающую по крайней мере одним из следующих признаков:

• система в целом обладает свойствами, которыми не обладает ни один из составляющих её элементов;
• систему можно разделить на подсистемы и изучать каждую из них отдельно;
• система функционирует в условиях существенной неопределённости и воздействия среды на неё, что обусловливает случайный характер изменения её показателей;
• система осуществляет целенаправленный выбор своего поведения.

Концепция системы в системной инженерии тесно связана с понятиями системного мышления и системного подхода (System Approach). На начальных этапах развития в центре внимания системной инженерии находились инженерно-технические системы — машины, механизмы, сооружения и тому подобные, в дальнейшем в поле её зрения были включены социотехнические системы, системы предприятий, а также системы систем. В современной системной инженерии система определяется как совокупность взаимодействующих элементов, организованная для достижения одной или нескольких установленных целей (ISO/IEC 15288:2008; Systems Engineering Body of Knowledge. — May 2014; INCOSE Systems Engineering Handbook, v. 3.2.2. — October 2011). Восприятие и определение конкретной системы, её архитектуры и элементов зависит от интересов и обязанностей наблюдателя, то есть в системной инженерии для описания архитектуры системы обязательно используется одновременно несколько точек зрения (ISO/IEC/IEEE 42010:2011).

5.1.2. Жизненный цикл

В 1981 году Б. Бланчард и У. Фабрицки описали подход жизненного цикла, который рекомендовали в качестве фундаментальной основы практики системной инженерии (Blanchard B., Fabrycky W. Systems Engineering and Analysis. — Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1981). Данный подход предполагает использование системными инженерами понятия жизненного цикла системы в качестве рамочной, организационной основы инженерного мышления, что при создании сложных инженерных объектов позволяет рассматривать все системные аспекты в их полноте и взаимосвязи. Системный подход в сочетании с подходом жизненного цикла дают системному инженеру надёжную основу для мышления и деятельности на языке систем.

В системной инженерии жизненный цикл системы понимается как эволюция во времени системы, продукта, проекта или другой созданной человеком сущности — от концепции, создания и использования до прекращения функционирования или применения (ISO/IEC 15288:2008). Эволюция целевой системы связывается в системной инженерии с прохождением последовательности определённых стадий, увязанных с совокупностью управленческих решений, для обоснования которых используются объективные свидетельства того, что система на принятом уровне материализации является достаточно зрелой для перехода от одной стадии жизненного цикла к другой. При этом, на каждом этапе жизненного цикла система имеет относительно стабильный набор характеристик. При моделировании жизненного цикла используются совокупности процессов жизненного цикла. Для этого имеется ряд нормативно-технических документов, содержащих описание полной совокупности процессов, необходимых для моделирования жизненного цикла широкого спектра систем, создаваемых человеком.

5.1.3. Заинтересованные стороны

С первых шагов своего развития и по настоящее время, системная инженерия в качестве основы деятельности по созданию систем выделяет необходимость комплексного учёта потребностей заинтересованных сторон. В системной инженерии заинтересованная сторона понимается как лицо или организация, имеющие права, долю, требования или интересы к системе или к использованию её свойств, отвечающих их потребностям и ожиданиям (ISO/IEC 15288:2008). Заинтересованные стороны преследуют различные цели, которые должны быть гармонично учтены на основе баланса их интересов, в том числе через регулирование отношений: между группами заинтересованных сторон; между заинтересованными сторонами и объектом интереса.

Выявление ключевых заинтересованных сторон и их интересов, вопросы анализа баланса интересов заинтересованных сторон с учётом механизмов их возникновения и необходимости гармонизации точек зрения, а также оценка относительной степени влияния разных заинтересованных сторон на принимаемые решения является в системной инженерии критически важной задачей.

5.2. Принципы системной инженерии

В процессе развития системной инженерии сложились её основные принципы:

1. Переход от редукционистского к системному подходу.
2. Переход от монодисциплинарного к междисциплинарному подходу.
3. Переход от структурного к процессному подходу.
4. Переход от рабочего проектирования и конструирования к архитектурному проектному подходу.
5. Переход от непосредственной реализации к моделецентричной реализации.
6. Переход от одной группы описаний ко множественности групп описаний.
7. Переход от приоритета документов к приоритету данных.
8. Переход от единой верификации к раздельным верификации и валидации.
9. Переход от управления жизненным циклом как «технологическим конвейером» к «заказам-поставкам».
10. Переход от работы «для одного заказчика» к работе со множеством заинтересованных сторон.
11. Переход от методов жёсткого планирования к использованию гибких прогнозных методов.

Один из крупнейших специалистов по системной инженерии Д. Хитчинс, рассмотрев правила, базовые предположения и рекомендации, часто упоминаемые в исследованиях по системам и системной инженерии, пришёл к выводу, что принципы системной инженерии напрямую связаны с концепциями системы, инженерной деятельности и управления, причём имеется четыре фундаментальных и три дополнительных, руководящих принципа, которые лежат в основе системной инженерии по существу с момента её создания (Hitchins D. What are the General Principles Applicable to Systems? — INCOSE INSIGHT. — V. 12, Issue 4. — December 2009. — pp. 59–64). При выделении принципов системной инженерии он ориентировался на системные концепции, типичные для инженерно-технических и социотехнических систем.

Базовые принципы системной инженерии по Д. Хитчинсу:

1. Системный подход (The Systems Approach) — целевая система рассматривается как открытая и в контексте её взаимодействия и приспособления к другим системам, находящимся в среде функционирования, как имеющая в своём составе открытые, взаимодействующие между собой подсистемы и как представляющая собой часть системы в более широком смысле или объемлющей системы.
2. Синтез (Synthesis) — для получения решения части или подсистемы соединяются между собой, чтобы функционировать и взаимодействовать как единое целое, демонстрируя повышение эффективности работы в результате соединения, интеграции, слияния отдельных частей в единую систему (синергический эффект). При этом основная задача системной инженерии состоит в выборе (описании, проектировании, селекции) «правильных» составных частей, их соединении между собой так, чтобы достигалось необходимое взаимодействие и в правильном сочетании этих взаимодействий таким образом, чтобы достигались необходимые свойства целого.
3. Холизм (Holism) — при принятии решений проблема, её решение и система рассматриваются в целом.
4. Органицизм (Organicism) — свойства и поведение систем рассматриваются в динамике, причём в основе деятельности системного инженера лежат скорее представления о развитии биологического организма, нежели механистическая метафора классического инженерного подхода.

Дополнительные принципы системной инженерии по Д. Хитчинсу:

1. Адаптивная оптимизация (Adaptive Optimizing) — проблемы следует решать постепенно во времени, то есть так, чтобы адаптировать характеристики сложной системы к новым ситуациям и изменениям, происходящим в состоянии системы, во внешней среде и в других системах, взаимодействующих с целевой, а также учесть возникающие дополнительные факторы. Наиболее важный аспект адаптивной оптимизации — обеспечение возможности непрерывного улучшения характеристик системы для сохранения оптимальной эффективности в условиях изменений в среде функционирования.
2. Постепенное уменьшение энтропии (Progressive Entropy Reduction) — процесс системной инженерии продолжается на протяжении всего жизненного цикла системы, в результате чего энтропия, характеризующая целевую систему, постепенно уменьшается с переходом от состояния беспорядка (высокая энтропия) к состоянию порядка (низкая энтропия) в конце цикла.
3. Разумная достаточность (Adaptive Satisfying) — успешная системная инженерия включает процесс непрерывной адаптации требований к системе и решений для получения результатов, которые в данных условиях позволяют в наибольшей степени удовлетворить критически важные заинтересованные стороны. Это включает две составляющих:
   1. система успешна тогда и только тогда, когда с её помощью добиваются успеха все ключевые заинтересованные стороны;
   2. для того, чтобы система позволяла ключевым заинтересованным сторонам добиться успеха требуется:
      • идентифицировать все критически важные заинтересованных сторон;
      • определить, в чём видят успех заинтересованные стороны;
      • договориться с заинтересованными сторонами о взаимовыгодном наборе планов создания и производства системы, а также реализации процессов;
      • контролировать, с учётом баланса интересов заинтересованных сторон, реализацию планов, включая адаптацию к происходящим изменениям.

Коллектив во главе с Б. Боэмом, известным специалистом в области программной инженерии, предложил, применительно к программно-насыщенным системам, четыре принципа успешной системной инженерии (Boehm B. et al. Principles for Successful Systems Engineering. — Procedia Computer Science — № 8, 2012. — pp. 297–302):

1. Описание и развитие системы в разрезе ценности для заинтересованных сторон (Stakeholder Value-based System Definition and Evolution) — система будет успешной тогда и только тогда, когда в выигрыше окажутся все критически важные заинтересованные стороны.
2. Поэтапный рост ответственности и обязательств (Incremental Commitment and Accountability) — доверие между заинтересованными сторонами невозможно установить в отсутствии ведущих специалистов, отвечающих за создание системы. С другой стороны, критически важные заинтересованные стороны должны нести ответственность за свои обязательства и своевременно обеспечивать их выполнение, а также принятие необходимых решений.
3. Согласованное мультидисциплинарное описание и разработка системы (Concurrent Multidiscipline System Definition and Development) — для понимания потребностей, анализа обстоятельств, выявления целей и определения требований, а также для разработки архитектурных решений и проектирования системы, включая аппаратное и программное обеспечение, а также операторов и, наконец, для получения свидетельств осуществимости решения, важно придерживаться правила параллельной, а не последовательной организации работ.
4. Доказательно обоснованное принятие решений на основе фактов и с учётом риска (Evidence and RIsk-driven Decision Making) — наиболее важным фактором при принятии решений является наличие доказательно обоснованного факта, а не плана, графика или календарного события.

5.3. Методы системной инженерии

Системная инженерия отвечает за интеграцию всех технических аспектов, экспертов предметной области и специализированных групп в рамках всех усилий команды разработки целевой системы. Работа в области системной инженерии начинается с определения потребностей заинтересованных сторон и необходимой функциональности, управления множеством [функциональных и нефункциональных] требований, которые затем должны быть преобразованы в ответный рабочий проект системы и её архитектуру при помощи синтеза проектных решений, после чего система проходит этапы верификации и валидации.

В обобщённой форме набор методов (процессов) системной инженерии включает, как минимум, следующие действия, которые необходимы для получения оптимальной системы:

• обеспечение надёжного проектного репозитория, который поддерживает необходимые инструменты для совместной работы множества специалистов над мультидисциплинарной информацией в ходе создания системы и управления её жизненным циклом;
• точную оценку доступной информации и определение недостающей;
• точное определение критериев производительности и эффективности, которые определяют успех или неудачу системного проекта;
• получение и анализ всех исходных требований, которые отражают запросы пользователей и цели заинтересованных сторон;
• проведение системного анализа для разработки проектных решений, отражающих поведение системы, которые должны соответствовать всем функциональным требованиям и требованиям к производительности;
• распределение всех поведенческих элементов системы по соответствующим (подходящим) им элементам архитектуры;
• проведение анализа компромиссных решений по альтернативным проектным решениям или архитектуре для поддержки процесса принятия решений;
• создание исполняемых моделей для верификации и валидации работы системы.

Опыт множества системных разработок показывает, что несмотря на отличия в целевых системах, совокупность действий, повторяющихся по мере прохождения стадий и этапов жизненного цикла в своей основе остаётся постоянной. Поэтому на практике системная инженерия стремится формализовать процесс разработки систем. Совокупность подобных типовых, повторяющихся действий получила особое название — процессы системной инженерии (Systems Engineering Process) или методы системной инженерии (Systems Engineering Method).

Все известные методы (процессы) системной инженерии предполагают итеративное применение процедур синтеза, анализа, оценки:

1. Синтез включает формирование определённой совокупности нужд и требований клиента и других заинтересованных сторон, описанных на языке функционирования. Основными элементами обеспечения синтеза являются команда разработчиков, а также традиционные и компьютерно-ориентированные инструменты синтеза. Синтез наиболее эффективен при одновременном использовании как восходящих, так и нисходящих действий, причём учитываются результаты прикладных исследований и возможности использования известных технологий. Существующие и вновь спроектированные, компоненты, узлы и подсистемы комплексируются в виде, пригодном для анализа и оценки.
2. Анализ вариантов системных решений включает вычисление и предсказание значения параметров, зависящих от конструктивных решений (технических характеристик), а также определение или предсказание параметров, не зависящих от конструктивных решений. Во всех случаях используется информация о физических процессах и явлениях, техническая информация, а также экономическая информация, хранящаяся в базах данных. Системный анализ и исследование операций являются необходимыми шагами на пути оценки проектных вариантов системы, но требуется обязательная адаптация соответствующих моделей и методов к особенностям предметной области. В целом, применение анализа — это необходимая, но не достаточная составляющая процедуры принятия решения о выборе проектного варианта системы.
3. Оценка подразумевает, что каждый вариант решения (или альтернатива) оценивается в сравнении с другими вариантами, а также проверяется на соответствие требованиям заинтересованных сторон. Оценка каждого из вариантов выполняется после получения сведений о его характеристиках, зависящих от конструктивных решений. Данные о характеристиках, не зависящих от конструктивных решений, являются внешними факторами, которые используются по отношению ко всем кандидатам, подвергаемым оценке. Каждый кандидат подвергается окончательной оценке с выбранными оптимальными характеристиками, после чего передаётся для принятия окончательного решения. Поскольку выбор всегда субъективен решение, в конечном счёте, принимается ключевыми заинтересованными сторонами.

Итеративное использование триады «синтез — анализ — оценка» — принципиально важная особенность методов (процессов) системной инженерии. Применение метода начинается с осознания потребностей заинтересованных сторон и определения их требований, которые далее преобразуются по определённым правилам для получения исходного описания системных решений. В дальнейшем описание системы уточняется и детализируется, причём на более низких уровнях системной иерархии процесс системной инженерии используется уже рекурсивно, что позволяет добиться высокого уровня конкретизации при описании системы. Использование метода «синтез — анализ — оценка» позволяет описывать и строить систему, обеспечивая и постепенный обратный переход от уровня детального описания составных частей к более крупным элементам и узлам.

5.4. Предмет системной инженерии

В соответствии с современными представлениями, предметом системной инженерии является интегрированное, целостное рассмотрение крупномасштабных, комплексных, высокотехнологичных систем, взаимодействующих преимущественно на уровне предприятий с использованием человеко-машинных интерфейсов. Создание таких систем требует усиленного внимания к следующим процедурам:

• разработке архитектуры систем, проектированию систем и их элементов;
• системному анализу и исследованию операций;
• управлению инженерной деятельностью;
• выбору технологий и методик;
• эффективному управлению жизненным циклом системы.

Профиль современной системной инженерии включает следующие основные области деятельности:

1. Управление организацией (организационно-управленческая деятельность).
2. Управление проектами (проектно-управленческая деятельность).
3. Управление инженерными решениями (проектно-инженерная деятельность).
4. Специальные инженерные дисциплины (технологическая деятельность).

6. Стандарты в области системной инженерии

Специфика и разнообразие сложных и крупномасштабных систем существенно затрудняет использование точных формализованных методов при их создании, поэтому основные концепции, методы и технологии современной системной инженерии формировались, главным образом, в рамках практики успешных разработок. Как следствие, наиболее важные аспекты, связанные как собственно с современным процессами разработки систем, так и с управлением их жизненным циклом, нашли наиболее полное и формализованное отражение в комплексе международных стандартов, ставших ключевым компонентом методологического базиса современной системной инженерии. Такие стандарты выделены в семейство стандартов системной и программной инженерии, развитие которых идёт путём совершенствования системы официальных международных стандартов, а также за счёт ускоренного формирования развитого набора фактических стандартов.

В целом, стандарты системной инженерии разрабатываются как открытые универсальные спецификации, имеющие рамочный характер и применяемые на добровольной основе. Они требуют адаптации к условиям организации или проекта и, соответственно, высокой квалификации использующего их персонала, поскольку регламенты в области системной инженерии не разрабатываются. Основным объектом стандартизации в области системной инженерии сегодня являются процессы создания систем, кроме того, стандартизируются методы оценки качества и зрелости этих процессов, а также способы описания системных артефактов. Ведутся работы по гармонизации комплекса стандартов системной инженерии с постепенным формированием единого информационного пространства нормативного обеспечения деятельности по созданию сложных систем.

6.1. Официальные стандарты в области системной инженерии

Признанные международным индустриальным сообществом стандарты и нормативные руководства по системной инженерии разрабатываются, в основном, тремя организациями:

1. Седьмой подкомитет Объединённого технического комитета Международной организации стандартизации (International Standard Organization; ISO) и Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission; IEC) «Системная и программная инженерия» (ISO/IEC JTC1/SC7 Software and Systems Engineering).
2. Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE).
3. Международный совет по системной инженерии (International Council on Systems Engineering; INCOSE).

Эти три организации проводят работу по стандартизации в области системной инженерии по согласованным программам, начиная с 1995 года. Кроме того, существенный вклад в разработку нормативной базы системной инженерии внесли Альянс отраслей электронной промышленности (Electronics Industries Alliance; ЕIA), Институт программной инженерии Университета Карнеги-Меллон (Software Engineering Institute Carnegie Mellon University; SEI CMU), Международная ассоциация по управлению проектами (International Project Management Association; IPMA) и ряд других, имеющих международное признание организаций. С другой стороны, активную работу по построению связанного семейства стандартов, необходимых для создания производственных систем и их интеграции как внутри, так и между предприятиями, включая управление цепочками поставок и электронный бизнес, ведёт Технический комитет 184 «Системы промышленной автоматизации и интеграция» (ISO/TC 184 Industrial Automation Systems and Integration).

В целом, сегодня в составе комплекса стандартов системной инженерии имеется около 40 действующих спецификаций, примерно 20 документов находятся на различных этапах разработки.

6.2. Фактические стандарты в области системной инженерии

Важная особенность официальных стандартов системной инженерии состоит в том, что системно-инженерные спецификации не являются стандартами прямого действия. Они содержат преимущественно рекомендации и положения относительно того, что следует делать, оставляя решение о том, как это следует делать, на усмотрение сторон, создающих систему и управляющих проектом. Поэтому многие спецификации носят явно выраженный рамочный характер, то есть предполагается, что содержащиеся в этих стандартах рекомендации должны обязательно адаптироваться к условиям конкретной системно-инженерной деятельности. Такой подход предполагает, что в той или иной отрасли или в крупной организации с учётом рекомендаций официальных стандартов могут быть разработаны свои нормативные документы, регулирующие системно-инженерную деятельность.

Подобные рекомендации разрабатываются профессиональными сообществами, государственными организациями, осуществляющими закупки систем в интересах правительства, а также крупными корпорациями, занятыми созданием сложных систем. В качестве примера можно привести перечень так называемых фактических стандартов, объединённых в «Руководстве к своду знаний в области системной инженерии» (Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge; SEBoK). Это руководство в течение последних лет разрабатывается ведущими мировыми экспертами по системной инженерии в рамках международного проекта «Свод знаний и учебный план для современной системной инженерии» (Body of Knowledge and Curriculum to Advance Systems Engineering; BKCASE). Среди других руководств по системной инженерии известны Руководство федерального управления гражданской авиации США (U. S. Department of Transportation. Federal Aviation Administration. Requirements Engineering Management Handbook), Руководство военно-морского ведомства США (Naval «Systems of Systems» Systems Engineering Guidebook), Руководство Национального космического агентства США (NASA Systems Engineering Handbook). Кроме того, военные ведомства, которые в больших количествах закупают сложные системы, разрабатывают собственные отраслевые стандарты системной инженерии.

Фактические стандарты не имеют официального статуса и могут быть представлены в произвольной форме, однако высокая заинтересованность разработчиков этих стандартов в их широком практическом применении, направленность на решение конкретных технических задач при создании и реализации продукции и услуг, высокая скорость разработки и возможность использования фактического стандарта ещё до того, как он будет утверждён и принят, делают спецификации этого типа весьма востребованными на рынке системно-инженерных разработок.