システムエンジニアリング

システムエンジニアリング、工学および科学のさまざまな分野の知識を使用して、システムの計画および開発段階に技術革新を導入する手法。

システムエンジニアリングは、エンジニアリングの他のブランチや科学の分野の知識を効果的に組み合わせて多面的なエンジニアリングの問題を解決するためのテクニックであるため、それほどエンジニアリングのブランチではありません。これはオペレーションズリサーチに関連していますが、より多くの場合、技術革新を伴う計画および設計機能であるという点で異なります。おそらく、システムエンジニアリングの最も重要な側面は、経済的および技術的な考慮事項が許す限り迅速に使用できるようにするという特定の目的を持つ、新しい技術の可能性の開発への応用です。その意味で、技術開発の助産師と言えるかもしれません。

「システム」という言葉は、特に技術の進歩の要素がそれほど重要でない場合に、他の組み合わせでも頻繁に使用されます。システム分析はその一例です。システム理論、または時にはシステムサイエンスは、物理動的システムの分析に頻繁に適用されます。例としては、1つまたは複数のフィードバックループを持つ複雑な電気ネットワークが挙げられます。この場合、プロセスの影響が戻ってプロセスのソースに変化が生じます。

19世紀と20世紀のさまざまな工学分野の発展において、さまざまな分野でかなりの重複が避けられなかった。たとえば、化学工学と機械工学はどちらも熱伝達と流体の流れに関係していました。通信理論、サイバネティックス、コンピューター理論など、電気および電子工学の多くの分野と同様に、専門分野のさらなる普及により、さらに重複が生じました。システムエンジニアリングは、プロセスの論理的な最後のステップと見なすことができます。システムエンジニアは、電子工学や通信のバックグラウンドを持っていることが多く、コンピュータや通信技術を幅広く利用しています。しかし、システムエンジニアリングをこれらの他の分野と混同しないでください。基本的には見方や攻撃方法、特定の実体的な領域と識別されるべきではありません。その性質とそれが攻撃する問題の性質において、それは学際的であり、効果的な方法で所定の目標を達成するために別々の技術と知識の集まりを組み合わせる手順です。

一般に、システムエンジニアリングアプローチは、基本的な論理フレームワークの一般性が高くなり、達成すべき基本的な目的に対する関心が高まるため、従来の設計アプローチとは異なる可能性があります。したがって、各段階でシステムエンジニアは、単に方法ではなく、理由と方法の両方を尋ねる可能性があります。

システムエンジニアリングに加えて、システム自体を定義することが重要です。システムエンジニアが関係するシステムは、まず第一に人工です。第二に、それらは大きく複雑です。それらのコンポーネント部分は非常に広範囲に相互作用するため、1つの部分の変更は他の多くの部分に影響を与える可能性があります。そのような相互作用がない限り、少なくともシステムレベルでは、システムエンジニアが行うことはほとんどありません。彼はすぐにコンポーネント自体に目を向けることができます。システムのもう1つの重要な特性は、入力が通常確率的であることです。つまり、統計的な規則性を示す可能性がありますが、入力は本質的に時間のランダム関数です。したがって、実際の運用でシステムが何にさらされるかを正確に予測することはできません。そして、そのパフォーマンスは、可能な入力の範囲に対する応答の統計的平均として評価されなければなりません。正確に定義された単一の入力関数に基づく計算は行いません。

システムはまた、その運用に入る人間の判断の量に応じて異なる場合があります。もちろん、完全に確定した方法で動作する電気回路、自動化された生産設備、ロボットなどのシステムがあります。もう1つの極端な例として、ビジネスと軍事の両方の目的のための管理および制御システムがあり、ある意味では機械はほとんどの作業を行いますが、人間の監督と重要なポイントでの意思決定を行います。明らかに、これらの人間と機械の混合システムは、システムエンジニアに可能性と問題の両方を提供します。そのようなシステムの側面は、ヒューマンファクターエンジニアリングの記事で扱われています。

システム工学の発展

数理モデリング

システムアプローチは、いくつかのソースから生じています。広い意味で、それは標準的な科学的方法論の単純な拡張と見なすことができます。特定の状況に影響を与える可能性のあるすべての要因をリストし、完全なリストから重要と思われるものを選択することは、科学(およびその他の場所)で一般的な手順です。数学的モデリングは、おそらくシステムエンジニアリングの最も基本的なツールであり、十分に定量的になった科学のあらゆる分野で遭遇する技術です。したがって、この広義では、システムアプローチは、数世紀ではないとしても数世代は古いという伝統の継承者にすぎません。

一方、システムアプローチのより最近のより具体的な情報源を探す場合、特に2つ目立っています。 1つ目は、一般的な通信分野、特に商用電話です。システムエンジニアリングは、それ自体が明確な分野として最初に登場しました。システムアプローチの痕跡は、少なくとも世紀の初めにさかのぼる電話エンジニアリングで発見され、システムのアイデアは、1920年代と30年代までのテレフォニーではかなり一般的でした。 American Telephone&Telegraph Companyの研究部門であるBell Telephone Laboratoriesが1925年に正式に設立されたとき、その2つの主要なエンジニアリング部門は、それぞれ装置開発とシステム開発と呼ばれていました。ただし、システムエンジニアリングの役割の完全な正式な原則研究開発の方針と構造を再定義しようとする取り組みの一環として、第二次世界大戦後の数年間に最初に登場しました。この教義は、エンジニアリングの取り組みを、研究開発の取り組みと論理的に同等のレベルに設定し、少なくとも研究では、ほぼ同等の実際のサイズにした。システムエンジニアには多数の機能があり、特に新しい通信システムの計画における科学的および技術的進歩の効果的な利用に重点が置かれていました。もちろん、この特定の一連のアイデアは、テレフォニーの特別なニーズを反映しています。それにもかかわらず、例として、そして出発点として、それは幅広い効果をもたらしました。システムエンジニアリングが急速に進歩したので、これが難解な主題である理由の1つであると思われます。 (システムエンジニアリングの研究開発の側面の詳細な説明については、記事の研究開発を参照してください。)

オペレーションズリサーチとシステムエンジニアリング

システムエンジニアリングの2番目の主要な情報源は運用研究です。これは第二次世界大戦中にイギリスで認識できる形で始まり、当初は軍事機器の最良の雇用に関係していました。典型的な例としては、特定数の爆撃機の最適な雇用、潜水艦攻撃に対する護送船団の最適な配置、爆撃攻撃に対する迎撃機の最適な配置などがあります。オペレーションズリサーチはそのような場合に効果的であり、それ以来、文民と軍事の両方の文脈で盛んになりました。

オペレーションズリサーチとシステムエンジニアリングの間には明確な違いがあります。オペレーションズリサーチは既存の機器の最適な利用に関係しているため、技術的な不確実性は発生しません。一方、システムエンジニアリングは通常、新しい機器の計画に関係しており、そのような不確実性が重要になる場合があります。それでも実際には、システムエンジニアリングと運用研究にはかなりの共通点があります。特に、同じ分析手法の多くを共有しています。これは、システムエンジニアが運用設計のスペシャリストが実際のハードウェアで使用するのと同じ方法で暫定設計の有効性を評価する可能性が高いという事実に大きく起因しています。

重複のもう1つの理由は、新しい機器と既存の機器の違いが明確でないことです。設備の新しさは相対的な問題です。新しい装置が既存の設計手法に基づいて十分に機能し、十分な技術的不確実性がほとんどないように見える場合、問題は重要ではなくなります。問題は、ある程度、そしてある程度は判断です。

システムエンジニアリングの現在の特徴のほとんどは、歴史的に1950年代初頭に由来しています。第二次世界大戦直後の数年間、たとえば1947年の線形計画法の導入や1940年代後半の分野の継続的発展のためのさまざまな組織の設立など、いくつかの注目に値するイベントがありました。しかし、全体として、これは以前の進歩が統合された時期でした。したがって、通信分野では、主要なシステムは、戦前に開始され、戦争活動によって中断されたいくつかの長距離伝送システムでした。

1950年代には、成長のペースはかなり加速しました。システムエンジニアリングに関する最初の一般的な教科書は1957年に登場し、その後、産業用と軍事用の両方を扱う他の多くの研究が続きました。これらの出版物は、受け入れられた学問分野としてシステムエンジニアリングを確立するのに十分であることが証明され、その中でのコースは現在、世界の先進国中の多くの大学で教えられています。フランス、インド、日本、ドイツ、イギリス、アメリカに専門学会とジャーナルがあります。

通信およびエレクトロニクス

1950年以降のシステムエンジニアリングの発展は、主に、隣接する分野、特に通信とエレクトロニクスにおける大きな進歩の影響によるものでした。自動制御システムが良い例です。制御システムは、コンポーネントが広範囲に相互作用し、システム全体が特定の特性安定性など)を持ち個々のコンポーネントに付着しているとは言えないという主要な特性を持っています。このように、制御システムはシステム工学のための便利な教科書の例を提供しました。

第二次世界大戦直後の数年における通信工学の基本的な出発点としての情報理論の発展は、システム工学の進化を形作るのにも影響を及ぼしました。多くの完全なシステムのさまざまなサブシステムは、実際には通信チャネルであったものが一緒になっていることがわかりました。したがって、システムのある部分から別の部分への情報転送のアイデアは、構造全体の動作を理解するのに役立ちます。

コンピュータおよびシステム工学

システムエンジニアリングは、コンピュータの登場とその後の強力な高水準プログラミング言語の開発からも利益を得ました。これらは、2つの主要な方法でフィールドに影響を与えました。最初に、彼らは、広範な計算または直接シミュレーションによって複雑なシステムを分析するための新しいツールを提供しました。第二に、それらは、大量のデータをダイジェストするために、または複雑なシステムの実際の構成要素として、特に情報伝送に主に関係するものとして使用できます。これにより、情報を処理するだけでなく、単にそのようなシステムで情報を送信する可能性が開かれました(情報処理も参照)。

軍事兵器の問題がシステムエンジニアリングに与える影響は、第二次世界大戦後すぐに始まりました。画期的な日付は1945年で、米国防空ミサイルシステムであるNike Ajaxの開発が開始されました。

1945年に利用可能なロケット推進力はミサイルに十分な戦術範囲を与えるのにかろうじて十分であるように見えました。達成可能な範囲は、弾頭の重量とサイズ、ミサイルの空力設計の細かさ、制御システムによって提供される操縦性の程度、弾道の形状とそれに沿った平均速度など、いくつかのパラメーターに依存することが発見されました。このように、ミサイルの特性のさまざまな組み合わせが探求され、範囲と他の戦術特性との間の最良のバランスを達成することを目的として、効果的なシステムエンジニアリングの取り組みが行われました。

制御とフィードバックの質問も、システム全体の問題の重要な側面でした。ミサイルは地上コンピューターから送られる命令によって制御され、コンピューター入力には追跡レーダーがミサイルの動作を観測したことに関する情報が含まれていたため、システム全体は実際には巨大なフィードバックループでした。したがって、ミサイルからコンピュータへ、そして再びミサイルへ戻る閉じたフィードバックループがありました。また、ミサイルの姿勢を制御するオートパイロットのような補助的なフィードバックループもあり、システムの動的応答は、レーダーの「ジッター」を取り除くためにレーダー信号を処理する必要性によってさらに影響を受けました。インターレースフィードバックパスを含むこのような精巧な動的システムの分析は、一般的なシステム領域の重要な特別な部分になっています。

1950年代と1960年代には、主に冷戦に関連した兵器システムプロジェクトの結果として、システムエンジニアリングは他の方向にも成長しました。したがって、Ajaxの研究は単一の孤立したミサイルのダイナミクスに関係していました。一方、1950年代に成長した防衛システムには、かなりの面積に散在する多数のミサイル、銃、迎撃機、レーダー設備の協調運用が含まれていました。これらはすべて、大型のデジタルコンピュータによってまとめられ、システムの中心的な要素となりました。米国のSAGE(半自動地上環境)システムはその良い例です。

同じ年の間に、システムアプローチも管理機能とますます識別されるようになりました。したがって、「システムエンジニアリングと技術的方向性」というフレーズは、プロジェクトの初期計画とその後の管理の両方に責任を持つシステムエンジニアの役割を説明するために使用されました。いわゆる計画、プログラミング、予算編成(PPB)手法は、システムエンジニアリングと財務管理の同様の組み合わせを提供するために開発されました。

非軍事分野では、システムエンジニアリングは似ていますがより控えめな方向に沿って発展しています。初期のアプリケーションでは、製鋼工場や石油精製所などの大規模な自動化生産設備のフィードバック制御システムにストレスがかかる可能性がありました。後のアプリケーションでは、コンピュータベースの管理情報と制御システムに、以前は防空用に開発されていたものと同様のストレスがかかりました。近年では、システムアプローチは、新しい都市の計画など、はるかに大規模な民間企業に時々適用されています。