Системная инженерия ЛЕКЦИЯ 1. Введение в системную инженерию
 Скачать 212 Kb.
|
|
1.5 ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМНОМУ ИНЖЕНЕРУ [Образование в системной инженерии – проблемы подготовки специалистов для создания конкурентоспособных систем. В. К. Батоврин, к. т. н., заведующий кафедрой «Информационные системы» Тел.: (495) 434-94-45, e-mail: batovrin@mirea.ru Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) – МИРЭА www.mirea.ru] Поскольку в отечественных источниках затруднительно найти ответ на вопрос: «Каким требованиям должен отвечать системный инженер?», обратимся к опыту крупных зарубежных компаний. В недавней публикации 15 сотрудников НАСА, имеющих в общей сложности 390-летний (почти четыре века) коллективный опыт работы в системной инженерии и реализации системных проектов в аэрокосмической области, выделили основные личные качества, которыми на их взгляд должен обладать хороший системный инженер [12]. Было названо 11 таких качеств, а именно: 1) интеллектуальная любознательность, выражающаяся в первую очередь в способности и желании постоянно учиться новому; 2) способность видеть целое даже при наличии множества мелких деталей, включающая, в частности, умение не терять основную главную цель и объединять для разговора на одном языке ученых, разработчиков, операторов и другие заинтересованные стороны, невзирая на изменения, возникающие по мере развития ЖЦ; 3) способность к выделению общесистемных связей и закономерностей, с помощью которой первоклассный системный инженер может помочь другим членам команды проекта в установлении места их системных решений в общей картине и в работе на достижение общих системных целей; 4) высокая коммуникабельность – способность слушать, писать и говорить таким образом, который способствует наведению мостов между инженерами и управленцами на основе использования единых терминов, процессов и процедур; 5) выраженная готовность к лидерству и к работе в команде, предполагающая, в частности, наличие глубоких и многосторонних технических знаний, энтузиазма в достижении поставленных целей, креативности и инженерного инстинкта; 6) готовность к изменениям, предполагающая в числе прочего и понимание неизбежности изменений; 7) приспособленность к работе в условиях неопределенности и недостаточности информации, предполагающая, в частности, способность к толкованию неполных и противоречивых требований; 8) специфическая убежденность в том, что следует надеяться на лучшее, но планировать худшее, предполагающая, в частности, что системный инженер постоянно проверяет и перепроверяет детали, имеющие отношение к обеспечению технической целостности системы; 9) наличие разнообразных технических навыков – способность применять обоснованные технические решения, что требует от системного инженера знания множества технических дисциплин на уровне эксперта; 10) уверенность в себе и решительность, но не высокомерие, т. к. даже хороший системный инженер может ошибиться; 11) способность строго выполнять предписания по реализации процесса при понимании того, когда надо остановиться и внести изменения, что предполагает способность системного инженера не только формально описать, но и «почувствовать» процессы. Важность этих выводов понятна, их, безусловно, надо принимать во внимание, но в нашей сегодняшней ситуации указанные рекомендации скорее стоит рассматривать как пожелания на будущее, которые надо учесть при формировании требований к компетенциям системных инженеров, на основании которых вузы будут в дальнейшем разрабатывать свои образовательные программы. Зарубежные публикации, помимо описания требований к личным качествам системного инженера, содержат также описание требований к компетенциям специалистов, претендующих на работу в качестве системных инженеров, см., например, [13]. Среди важнейших компетенций системного инженера, в частности, называются: 1) умение управлять требованиями на всех уровнях системной иерархии; 2) владение современными методами и инструментами разработки систем включая архитектурный подход; 3) владение методами и инструментами анализа систем включая моделирование, анализ надежности, анализ рисков, анализ технико-экономических характеристик и т. п. 4) умение организовывать и проводить испытания систем и анализировать результаты испытаний; 5) умение налаживать эффективное человеко-машинное взаимодействие; 6) умение реализовывать интегрированные системные решения, учитывающие гетерогенность и возможную распределенность элементов, составляющих систему; 7) владение процессным подходом; 8) умение управлять изменениями. При разработке учебных программ по системной инженерии и смежным дисциплинам в качестве основного пути видится максимально глубокая интеграция отечественной высшей школы, специалистов и организаций в мировое сообщество разработчиков сложных систем, ускоренное освоение достижений мировой научной и инженерной мысли в этой области, широкое использование зарубежных программ и методик в наших условиях. Необходимо также проводить целенаправленную адаптацию сохранившихся отечественных методик и традиций разработки сложных систем к признанной международным сообществом традиции системных разработок, планомерно сглаживать возникающие на этом пути культурные и психологические барьеры. Важное место в этой работе должны занять освоение и творческое применение создаваемого сейчас свода знаний и учебного плана по современной системной инженерии [14]. 1.6 ПОНЯТИЕ «СИСТЕМА» Прежде всего, уточним, что систем как таковых в природе не существует, а имеются лишь конкретные предметы, и объекты, процессы и явления. Иначе говоря, система - это искусственно введенное понятие, служащее средством представления достаточно сложных объектов и используемое в целях их более качественного исследования и совершенствования. Отметим также, что до сих пор отсутствует общепринятое определение как самой системы, так и некоторых ее наиболее существенных характеристик - структуры, например. Следует подчеркнуть, что основоположником общей теории систем был наш соотечественник А.А. Богданов (известный из - за критики его <технологии> В.И. Лениным), хотя официально признанными основателями ныне считаются Л. Берталанфи и У. Эшби. Кстати, многие из привнесших существенный вклад в развитие данного научного подхода были биологами и врачами, т.е. занимались решением сходных проблем, но на несколько ином, чем человеко-машинная система, уровне. (из grachev.distudy.ru/Uch_kurs/Gosslugba/Chapter1/Chapter13.htm) Слово «система» (от греч. systema) означает нечто составленное из частей, соединение [Философский словарь. - М.: Политиздат, 1980], и характеризует упорядоченность и целостность естественных объектов. Система означала единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе [Большая советская энциклопедия. Т.39. С.158]. В период античной философии было осознано, что целое больше суммы его частей. К 30-м годам ХХ века в организменной биологии, гештальт психологии и экологии были сформулированы ключевые критерии системного мышления. Изучение организмов, их частей и сообществ, привело ученых к выводу, что эти организации могут характеризоваться понятиями «целостность», «связность», «взаимоотношения». Эти представления были поддержаны революционными открытиями в квантовой физике, в мире атомов и субатомных частиц [Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. - М.: 1961]. В наше время слово «система» стали применять слишком широко. Это и система здравоохранения, и система образования, и нервная система, солнечная система и т. п. Начавшийся в 50 – 60 годы “системный бум” не только не уменьшил, но даже увеличил неопределенность толкования понятия система. Значительно возросло число его трактовок. В настоящее время существует немало работ, подробно разбирающих взгляды на это понятие. Несмотря на то, что понятие система известно с давних времен, первые попытки определить его как самостоятельную научную категорию делаются лишь в тридцатые годы нашего столетия с появлением первых концепций общей теории систем (А. Богданов, Л. Берталанфи). Л. фон Берталанфи определял систему как комплекс взаимодействующих элементов. «Всё состоящее из связанных друг с другом частей будем называть системой» [5]. Это определение самое широкое и самое простое потому, что в мире всё каким либо образом связано, и может быть названо системой. Дальнейший период весьма богат разнообразными подходами к пониманию смысла понятия “система”. Например, в математике характерно понимание системы как отношения. Кибернетика делает акцент на выделение в системе входов, выходов, и способах переработки информации. Целесообразно провести классификацию множества определений. Первую группу составляют наиболее общие определения системы как комплекса элементов, находящихся во взаимодействии [6]. Рассмотрим примеры, выделяя ключевые слова. 1. В самом общем и широком смысле системой принято называть любое достаточно сложное образование, состоящее из множества взаимосвязанных элементов, которые как единое целое взаимодействуют с внешней средой [7]. 2. «В настоящее время достаточно рассмотреть систему как группу физических объектов в ограниченном пространстве, которая остаётся тождественной как группа в оцениваемом периоде времени» (Г. Бергман.) [Цит. по 1]. 3. Система - это “ансамбль взаимосвязанных элементов”. (Г. Е. Зборовский и Г. П. Орлов) [Цит. по 1]. 4. «Система – упорядоченная совокупность элементов, между которыми существуют или могут быть созданы определённые отношения» [8]. 5. Система есть «целое, составленное из многих частей. Ансамбль признаков» (К. Черри) [Цит. по 1]. 6. Система - размещение физических компонентов, связанных или соотносящихся между собой таким образом, что они образуют или действуют как целостность» (Дистефано) [Цит. по 1]. 7. Под системой обычно понимают наличие множества объектов с набором связей между ними и их свойствами. Объекты (части системы) функционируют во времени как единое целое [9]. 8. Система – это множество элементов с отношениями между ними и между их атрибутами (А Холл, Р. Фейджин) [10]. 9. Взаимосвязь самых различных элементов. Всё, состоящее из связанных друг с другом частей, есть система [11]. 10. Сеть взаимосвязанных элементов любого типа, концепций, объектов, людей. Систему можно определить как любую сущность, концептуальную или физическую, которая состоит из взаимосвязанных частей [12]. 11. У. Гослинг понимает под системой «собрание простых частей» [1]. 12. «Система» - взаимодействующий комплекс, характеризующийся многими взаимными путями причинно-следственных воздействий» (К. Уотт) [Цит. по 1]. 13. Собрание или соединение объектов, объединенных регулярным взаимодействием или взаимозависимостью» есть система [13]. 14. Система – это «упорядоченно действующая целостность» [13]. 15. По определению И. Миллера система представляет собой “множество элементов вместе с их отношениями” [Цит. по 1]. При всех тех нюансах, которые отличают эти определения, у них есть общее. Данная группа определений обобщённо характеризует систему как совокупность (сеть, собрание, комплекс, ансамбль, группа, образование) множества частей, связанных (взаимодействующих, состоящих в отношениях, упорядоченных) между собой. Отметим основные понятия, входящие в это определение. Части системы — это подсистемы, элементы. Взаимосвязи между элементами осуществляются как процесс взаимодействий. Все системы содержат множество элементов, которые находятся в неразрывной взаимосвязи друг с другом и в определенных отношениях. В свою очередь, эти отношения и связи образуют целое, отличное от простой суммы его составляющих. По этому определению системой могут оказаться два любых произвольно выбранных объекта с очень слабыми связями. Однако кибернетический подход к системам не признает «слабые» связи. Современная теория информации утверждает, что при распространении сигнала его интенсивность падает, возрастает количество помех (шумов). Кибернетика изучает только такие системы, в которых сигнал не просто должен дойти до адресата, но и вызвать в нем реакцию обратной связи. Реакция сложного объекта возникает только на те сигналы, которые превышают «порог чувствительности» приёмника [14]. Ослабленные сигналы взаимодействия не вызовут реакции и не возникнет процесс авторегулирования. Однако, не принятые кибернетикой определения первой группы, хорошо согласуются с философским пониманием системы. Наблюдения показывают, что все «уголки» видимой Вселенной подчиняются единым законам развития. Атом водорода на расстоянии в миллиарды световых лет излучает такой же спектр, как и водород Солнца. Строение галактик единообразно. Когерентность развития Вселенной наводит на мысль о её единстве, целостности, связанности (т.е. системности), хотя удлинение связей во Вселенной (тем более до бесконечности) должно ослаблять взаимодействие между частями (практически до нуля). С позиций кибернетики, ослабление связей разрушает систему, превращает её в конгломерат и Вселенную нельзя признавать системой [15]. Налицо противоречие. Современная естественно – научная трактовка понятия «система» не совпадает с её философским звучанием, в котором достаточно существования любой связи (взаимодействия) между её частями, чтобы признать Вселенную системой. Расхождение, по-видимому, заключаются в том, что для философии важен сам факт взаимосвязи (даже на бесконечно малом уровне), а для кибернетики, теории управления интерес представляют только функционально значимые связи. Проведенное сопоставление ещё раз подчеркивает незавершённость «Общей теории систем». Не исключено, что «вселенские» связи осуществляются не только электромагнитными и гравитационными взаимодействиями, ослабевающими пропорционально квадрату расстояния, но и малоизученными пока взаимодействиями, например, торсионными [16]. Если это так, то противоречие снимается. Вторая группа определений отражает точку зрения кибернетики, согласно которой выделяются входы и выходы системы. Входы и выходы связывают кибернетическую систему с окружающей средой. Через входы действуют стимулы внешней среды. Реакции системы осуществляются через выходы. При этом используется концепция «черного ящика», т.е. не раскрывается внутреннее, структурное содержание системы (ящика). «Черный ящик» является вещью в себе, его нельзя представить совокупностью элементов, т.к. неизвестно его устройство. Представление о системах в кибернетике ограничивается совокупностью абстрактных функций. Достаточно знания функциональной связи входов и выходов. Приведем примеры «кибернетических» определений системы. 1.«Система – любая совокупность переменных, которую наблюдатель выбирает из переменных, свойственных реальной «машине» (У. Росс Эшби) [1]. 2.«Теория систем исходит из предположения, что внешнее поведение любого физического устройства может быть описано соответствующей математической моделью, которая идентифицирует все критические свойства, влияющие на операции устройства. Получающаяся в результате этого математическая модель называется системой» (Т. Бус) [1]. 3. «Система – в современном языке – есть устройство, которое принимает один или более входов и генерирует один или более выходов» (Дреник) [1]. 4. Система представляет собой отображение входов и состояний объекта в его выходах [17]. 5. У. Эшби [18] и Дж. Клир [19] определяют систему как совокупность переменных. «Система есть множество предметов вместе со связями между ними и между их признаками» [196]. 6. О. Ланге, понимающий под системой «множество связанных, действующих элементов, рассматривает связь как один из видов отношений [1]. Видно, что кибернетическое понятие «система» максимально формализовано и символично (совокупность переменных, математическая модель, функции входа и выхода). Кибернетиков не интересовало, что находится внутри «черного ящика», важно как связаны функции на входе системы с функциями выхода. Именно это обобщение позволило увидеть сходство управления в машине и в организме [20, 21]. Однако любое упрощение неизбежно становится тормозом развития, к чему и привела концепция «черного ящика». Выше уже отмечалось, что с точки зрения кибернетики понятие «система» можно распространять только до некоторого «горизонта» взаимовлияния. Сигнал по ходу движения рассеивается, ослабляется, засоряется помехами. С некоторым объектом может взаимодействовать только часть внешней среды, которую принято называть «полем деятельности» [7]. На объект существенное влияние может оказывать только часть факторов поля деятельности. Эту часть называют сегментом поля деятельности. И, наконец, внутри сегмента поля деятельности факторы являются неравноценными по своему влиянию на конечный (или этапный) результат деятельности объекта. Например, на поведение каждого человека влияет общество. Но наиболее сильное влияние оказывает небольшая группа людей (семья, начальство, друзья и др.). Для осуществления во внешней среде той или иной функции должно происходить взаимосодействие системы со средой, причем в этом взаимосодействии конкретная функция может реализоваться только частью элементов системы на базе использования только некоторых их свойств. Например, бухгалтерия взаимодействует с внешней финансовой системой, а маркетинговая служба – с рынком. Кастлер [7] предлагает назвать эту часть системы сигнатурой. К основным системным единицам, можно отнести все элементы, оказывающие эффективное влияние на выполнение и обеспечение наиболее важных функций системы. «Кибернетический «взгляд на системы отличается прагматичностью, селективностью. Сознание строит систему, исходя из потребностей. «Лишнее» отсекается, задача упрощается для формального описания. Но при селекции важно знать меру, т.к. вместе с водой «из корыта можно выплеснуть и ребенка». Прагматичность кибернетики упрощает действительность, оставляет вне поля зрения многие стороны реальности. Например, известное явление «телепатия» (передача мыслей на расстоянии) не может признаваться кибернетикой, т.к. неизвестны каналы телепатической связи. А если нет связей, то нет и системы. Однако, могут существовать ещё непознанные наукой каналы связи. В этом случае кибернетическая теория систем, отрицающая факт телепатии, становится «тормозом» в развитии науки. Третью группу составляют определения системы, связывающие её с целенаправленной активностью. Цель - это состояние, которое система должна достичь в процессе своего функционирования [22]. Цель – это направленность поведения открытой нелинейной системы, наличие «конечного состояния» (завершающего лишь некоторый этап её развития). Система – это «сложное единство, сформированное многими, как правило, различными факторами и имеющее общий план или служащее для достижения общей цели» [1]. Например, Верещагиным И. М. система определяется как «организованный комплекс средств достижения общей цели. Ухтомский А. А. ввел понятие функционального органа – временного сочетания функционально различных элементов. Это направление было развито П. К. Анохиным [23,24], исследовавшим нейронные системы мозга. «Система – это функциональная совокупность материальных образований, взаимосодействующих достижению определённого результата (цели), необходимого для удовлетворения исходной потребности». Строгое сочетание процессов и структур, объединенных для достижения цели, носит название функциональной системы. В функциональную систему включаются только те элементы, которые содействуют достижению цели. Все элементы и функции, не помогающие этому результату, мысленно устраняются. Системный анализ объекта, заключается в формировании субъективного образа функциональной системы, выделении сознанием среди множества элементов и связей только тех, которые приносят пользу в достижении целей системы. Использование принципа цели в определении системы вызывает много вопросов. Представления о целеустремленности систем появилось из исследований творческой деятельности человека. Всем сознательным действиям человека предшествует формулирование цели. Сложилось ложное впечатление, что для целеполагания требуется воля, разум человека. Позже понятие «цель» распространили на неживые системы. В более широком определении цель представляет собой направление «внутренней активности объекта» [25]. «Основное и характерное направление активности в данный момент времени можно назвать целью деятельности объекта, а его поведение, обусловленное этим направлением активности — целенаправленным» [26]. Однако для многих природных систем цель развития неизвестна. Например, биоценозы содержат множество элементов, связанных между собой. Поддерживается гомеостазис, наблюдается эволюция, но для какой цели? Какая цель у развивающейся Вселенной? Или какова цель гипотетического творца? Очень часто в человеческой деятельности истинные цели скрываются. У каждого сложного объекта должно существовать множество целей (дерево целей), тогда какую цель принять за системообразующую? Однако у всех длительно существующих объектов среди неизвестных целей обязательно присутствует цель самосохранения, выживания. Можно сделать заключение, что принцип цели не является универсальным для всех определений систем, а только для тех, в которых можно безошибочно определить цель. Четвертую группу определений системы выводят через указание признаков, которыми должен обладать объект, чтобы его можно было отнести к категории «система» [27]. А. И. Уёмов считает, что «наличие вещей и отношений между ними является необходимым, но недостаточным условием образования системы». По его мнению, необходимо привлечь ещё одну категорию – «свойства». Таким образом, основой концептуального аппарата, используемого в рассматриваемом варианте общей теории систем, являются категории: «вещи», «свойства» и «отношения» [28]. Такая методологическая установка отрицает возможность определять системы только по принципу взаимосвязанности (первая группа определений). Всякое взаимодействие лишь тогда приобретает системные признаки, когда оно получает своё оформление через свойства «целостность» и «интегративность» (эмерджентность). Приведём примеры таких определений. 1.Система – это совокупность элементов, организованных таким образом, что изменение, исключение или введение нового элемента закономерно отражается на остальных элементах [29]. 2. «Системой является не всякая совокупность элементов, а лишь такое образование, в котором все элементы настолько тесно связаны, что данное образование противостоит внешним телам как единое целое [30]. 3.«Системой» является «совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и определяющих определённую целостность, единство» [31]. 4. Система – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которые образуют определённую целостность, единство [32]. 5. Под системой понимается совокупность элементов, соединенных отношениями, порождающими интегративное или системное свойство, отличающее данную совокупность от среды и приобщающее к этому качеству каждый из её компонентов [33]. 6. «Системой будет являться любой объект, в котором имеет место какое-то отношение, удовлетворяющее некоторым заранее определённым свойствам» [34]. Приведенная группа определений, предполагает существование систем (где присутствует интегративность) и не систем (где отсутствует интегративность). Очевидно, что любой объект человеческое сознание умеет выделять на фоне сплошной среды. Выделение осуществляется по некоторым отличительным признакам. Это могут быть свойства, форма, функции. Если сознание его идентифицировало, следовательно, объект отличается от среды какими – то интегративными свойствами. Если объект не отличим от среды, то для сознания он отсутствует, следовательно, не может быть представлен в виде системы. Только после выделения объекта из среды его начинают расчленять на элементы, связи, отношения. Итак, существует семейство понятий «система». При всех нюансах, которые отличают все эти определения, у них есть и общее - завершённость внутреннего строения. Система дифференцируется относительно среды по характерному набору признаков (свойств), оставаясь с ней связанной. Устойчивость признаков при возмущающем воздействии среды определяется внутренней активностью системы. Эта активность называется самоорганизацией. Следует подчеркнуть, что понятие «завершённость» имеет отношение к той среде, в которой система функционирует. Изменение среды создаст конфликт, и структура системы перейдет в ранг незавершенных структур. Самоорганизация будет создавать вектор развития в направлении завершенности (адаптация). Наиболее общим определением понятия «система» является: целостная совокупность множества связанных элементов», обладающая различимыми свойствами и сохраняющая их некоторое время. При этом свойство самой системы не сводится к сумме свойств составляющих её элементов. Стремление сохранять свойства (гомеостатирование, самосохранение) является общим признаком всех консервативных систем. Итак, понятия элемент, связь, граница и цель системы являются результатом аналитической деятельности человека. Каждый исследователь видит то, что его интересует, поэтому напомним определение Клира: «Системой является все, что мы хотим рассматривать как систему». Каков интеллект, такова и система. Поэтому ОТС - это еще не законченная теория, а комплект концепций, находящийся в развитии. В этой связи можно рассмотреть вопрос о классификации систем на открытые и закрытые. В сплошной, непрерывной, связанной среде не может существовать изолированных фрагментов. Только сознание способно создать изолированную модель. Если игнорирование внешних связей не приведет к ошибочным выводам, то такое упрощение допустимо. Но известны факты из истории науки, когда такое упрощение приводило к ложным заключениям. Речь идет о прогнозе тепловой смерти Вселенной, основанном на законах классической термодинамики. Законы, выведенные на основе упрощенных, изолированных систем, оказались ложными (приложение 1). Идеи глобального эволюционизма вносят новые взгляды в понятие «система». Развивающаяся гносеология (теория познания), переводит понятие «система» из сферы объективного в область субъективного. Системами мы будем называть любые существующие в мире или воображаемые объекты или явления (включая знаки и символы), если они обладают всеми четырьмя перечисленными признаками:
Между этими элементами, и между элементами и внешним окружением, могут быть выделены связи, взаимодействия. Может быть определено назначение системы, то есть можно указать какие-то результаты (материальные или информационные, в специальных случаях - продукты), предоставляемые внешнему миру. Система – это то, что может быть выделено из окружения, разделено на имеющее связи элементы, и имеет какое-то назначение для внешнего окружения. Создаваемые людьми системы могут включать в себя и людей, и целые организации. На многие вопросы в рамках описанных ниже подходов просто невозможно ответить, рассматривая системы только лишь как совокупности сооружений, оборудования и компьютеров. Как система могут быть рассмотрены не только объекты, но и явления. Для нас одним из основных применений системного подхода будет рассмотрение примеров человеческой деятельности (процессов, проектов) как систем. Выделяя систему из внешнего мира, мы зачастую одновременно выделяем во внешнем мире иные системы, с которыми взаимодействует интересующая нас система. Чтобы отличать ту систему, которая нас интересует, от иных систем, мы будем иногда называть интересующую нас систему целевой системой. Роли систем во внешнем мире тоже могут быть уточнены: обеспечивающая система, система в операционном окружении.
|