Kỹ thuật hệ thống

Kỹ thuật hệ thống , kỹ thuật sử dụng kiến ​​thức từ các ngành kỹ thuật và khoa học khác nhau để đưa các đổi mới công nghệ vào các giai đoạn lập kế hoạch và phát triển của một hệ thống.

Kỹ thuật hệ thống không phải là một nhánh của kỹ thuật vì nó là một kỹ thuật áp dụng kiến ​​thức từ các ngành khác của kỹ thuật và các ngành khoa học trong sự kết hợp hiệu quả để giải quyết một vấn đề kỹ thuật đa diện. Nó liên quan đến nghiên cứu hoạt động nhưng khác với nó ở chỗ nó là một chức năng lập kế hoạch và thiết kế, thường xuyên liên quan đến đổi mới kỹ thuật. Có lẽ khía cạnh quan trọng nhất của kỹ thuật hệ thống là ứng dụng của nó vào việc phát triển các khả năng công nghệ mới với mục tiêu cụ thể là đưa chúng vào sử dụng nhanh nhất khi các cân nhắc về kinh tế và kỹ thuật cho phép. Theo nghĩa này, nó có thể được coi là bà đỡ của sự phát triển công nghệ.

Từ “hệ thống” cũng thường được sử dụng trong các cách kết hợp khác, đặc biệt khi các yếu tố của tiến bộ công nghệ không quá quan trọng. Phân tích hệ thống là một ví dụ. Lý thuyết hệ thống, hoặc đôi khi là khoa học hệ thống, thường xuyên được áp dụng để phân tích các hệ thống động vật lý. Ví dụ sẽ là một mạng điện phức tạp với một hoặc nhiều vòng phản hồi, trong đó các tác động của quá trình quay trở lại gây ra những thay đổi trong nguồn của quá trình.

Trong sự phát triển của các ngành kỹ thuật khác nhau trong thế kỷ 19 và 20, không thể tránh khỏi sự chồng chéo đáng kể giữa các lĩnh vực khác nhau; ví dụ, kỹ thuật hóa học và kỹ thuật cơ khí đều liên quan đến truyền nhiệt và dòng chất lỏng. Sự gia tăng hơn nữa các chuyên ngành, như trong nhiều ngành của kỹ thuật điện và điện tử, chẳng hạn như lý thuyết truyền thông, điều khiển học và lý thuyết máy tính, dẫn đến sự chồng chéo hơn nữa. Kỹ thuật hệ thống có thể được coi là bước cuối cùng hợp lý trong quy trình. Các kỹ sư hệ thống thường có nền tảng về điện tử hoặc truyền thông và sử dụng rộng rãi máy tính và công nghệ truyền thông. Tuy nhiên, kỹ thuật hệ thống không được nhầm lẫn với các lĩnh vực khác này. Về cơ bản là một quan điểm hoặc một phương pháp tấn công,nó không nên được xác định với bất kỳ khu vực nội dung cụ thể nào. Về bản chất và bản chất của các vấn đề mà nó tấn công, nó có tính liên ngành, một thủ tục để đưa các kỹ thuật và phần kiến ​​thức riêng biệt lại với nhau để đạt được một mục tiêu đã định một cách hiệu quả.

Nhìn chung, cách tiếp cận kỹ thuật hệ thống có khả năng khác với cách tiếp cận thiết kế thông thường bằng cách thể hiện tính tổng quát tăng lên trong khung logic cơ bản của nó và tăng mối quan tâm đến các mục tiêu cơ bản cần đạt được. Do đó, ở mỗi giai đoạn, kỹ sư hệ thống có khả năng hỏi cả lý do và cách thức, thay vì chỉ đơn thuần là như thế nào.

Ngoài kỹ thuật hệ thống, điều quan trọng là phải xác định chính hệ thống. Các hệ thống mà một kỹ sư hệ thống quan tâm trước hết là do con người tạo ra. Thứ hai, chúng lớn và phức tạp; các bộ phận thành phần của chúng tương tác rộng rãi đến mức sự thay đổi ở một bộ phận có khả năng ảnh hưởng đến nhiều bộ phận khác. Trừ khi có sự tương tác như vậy, kỹ sư hệ thống có rất ít việc phải làm, ít nhất là ở cấp hệ thống; anh ta có thể chuyển ngay sang chính các thành phần. Một đặc điểm quan trọng khác của các hệ thống là đầu vào của chúng thường là ngẫu nhiên; nghĩa là, các đầu vào về cơ bản là các hàm ngẫu nhiên của thời gian, mặc dù chúng có thể thể hiện các quy luật thống kê. Vì vậy, người ta không thể mong đợi trước chính xác những gì hệ thống sẽ tiếp xúc với hoạt động thực tế,và hiệu suất của nó phải được đánh giá là trung bình thống kê của các phản hồi đối với một loạt các yếu tố đầu vào có thể có. Một phép tính dựa trên một hàm đầu vào được xác định chính xác sẽ không thực hiện được.

Các hệ thống cũng có thể khác nhau tùy thuộc vào lượng phán đoán của con người đi vào hoạt động của chúng. Tất nhiên, có những hệ thống như mạch điện, thiết bị sản xuất tự động hoặc robot có thể hoạt động theo cách hoàn toàn xác định. Ở một khía cạnh khác, có các hệ thống quản lý và kiểm soát, cho cả mục đích kinh doanh và quân sự, trong đó máy móc thực hiện hầu hết công việc nhưng với sự giám sát của con người và ra quyết định ở những điểm quan trọng. Rõ ràng những hệ thống hỗn hợp giữa người và máy này mang lại nhiều khả năng và vấn đề nhất cho kỹ sư hệ thống. Các khía cạnh của hệ thống như vậy được xử lý trong bài báo về kỹ thuật yếu tố con người.

Sự phát triển của kỹ thuật hệ thống

Mô hình toán học

Phương pháp tiếp cận hệ thống bắt nguồn từ một số nguồn. Theo nghĩa rộng, nó có thể được coi là sự mở rộng đơn giản của phương pháp luận khoa học tiêu chuẩn. Đây là một quy trình phổ biến trong khoa học (và những nơi khác) để liệt kê tất cả các yếu tố có thể ảnh hưởng đến một tình huống nhất định và chọn từ danh sách đầy đủ những yếu tố có vẻ quan trọng. Mô hình toán học, có lẽ là công cụ cơ bản nhất trong kỹ thuật hệ thống, là một kỹ thuật gặp phải trong bất kỳ ngành khoa học nào đã đủ định lượng. Do đó, theo nghĩa rộng này, cách tiếp cận hệ thống chỉ đơn giản là sự kế thừa của một truyền thống lâu đời từ nhiều thế hệ, nếu không muốn nói là nhiều thế kỷ.

Mặt khác, khi tìm kiếm các nguồn mới hơn và cụ thể hơn cho cách tiếp cận hệ thống, có hai nguồn đặc biệt nổi bật. Đầu tiên là lĩnh vực truyền thông nói chung, đặc biệt là điện thoại thương mại, nơi kỹ thuật hệ thống lần đầu tiên xuất hiện như một ngành học rõ ràng theo đúng nghĩa của nó. Dấu vết của cách tiếp cận hệ thống đã được tìm thấy trong kỹ thuật điện thoại ít nhất là từ những năm đầu thế kỷ này, và các ý tưởng hệ thống khá phổ biến trong điện thoại vào những năm 1920 và 30. Khi Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell, chi nhánh nghiên cứu của Công ty Điện thoại & Điện báo Hoa Kỳ, chính thức được thành lập vào năm 1925, hai bộ phận kỹ thuật chính của nó lần lượt được gọi là Phát triển Thiết bị và Phát triển Hệ thống. Tuy nhiên, một học thuyết chính thức hoàn chỉnh về vai trò của kỹ thuật hệ thống,lần đầu tiên xuất hiện vào những năm sau Thế chiến thứ hai như một phần của nỗ lực xác định lại chính sách và cấu trúc của nghiên cứu và phát triển. Học thuyết này đặt nỗ lực kỹ thuật trên một mức độ hợp lý tương đương với các nỗ lực nghiên cứu và phát triển và làm cho nó có kích thước thực tế gần như tương đương, ít nhất là với nghiên cứu. Kỹ sư hệ thống có vô số chức năng, đặc biệt chú trọng vào việc sử dụng hiệu quả các tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong việc lập kế hoạch các hệ thống thông tin liên lạc mới. Tất nhiên, tập hợp ý tưởng đặc biệt này phản ánh nhu cầu đặc biệt của điện thoại. Tuy nhiên, như một ví dụ và một điểm xuất phát, nó có tác dụng rộng rãi. Đó dường như là một trong những lý do tại sao một môn học bí truyền khi kỹ thuật hệ thống phát triển nhanh chóng như nó đã làm. (Để thảo luận chi tiết về các khía cạnh nghiên cứu và phát triển của kỹ thuật hệ thống,xem nghiên cứu và phát triển bài báo.)

Nghiên cứu hoạt động và kỹ thuật hệ thống

Nguồn chính thứ hai cho kỹ thuật hệ thống là nghiên cứu hoạt động, bắt nguồn từ một hình thức dễ nhận biết ở Anh trong Thế chiến thứ hai và ban đầu quan tâm đến việc sử dụng tốt nhất các thiết bị quân sự. Các ví dụ điển hình bao gồm xác định việc sử dụng tốt nhất một số lượng máy bay ném bom nhất định, cách tốt nhất để bố trí các đoàn tàu chống lại cuộc tấn công của tàu ngầm và cách tốt nhất để sử dụng máy bay đánh chặn chống lại một cuộc tấn công ném bom. Nghiên cứu hoạt động có hiệu quả trong những trường hợp như vậy và đã phát triển mạnh mẽ kể từ đó trong cả bối cảnh dân sự và quân sự.

Có sự phân biệt rõ ràng giữa nghiên cứu hoạt động và kỹ thuật hệ thống. Bởi vì nghiên cứu hoạt động liên quan đến việc sử dụng tốt nhất các thiết bị hiện có, những bất ổn về công nghệ sẽ không phát sinh. Mặt khác, kỹ thuật hệ thống thường quan tâm đến việc lập kế hoạch thiết bị mới, và những điều không chắc chắn như vậy có thể rất quan trọng. Tuy nhiên, trên thực tế, nghiên cứu kỹ thuật và vận hành hệ thống có nhiều điểm chung. Đặc biệt, họ chia sẻ nhiều kỹ thuật phân tích giống nhau. Điều này phần lớn dẫn đến việc một kỹ sư hệ thống có khả năng đánh giá hiệu quả của một thiết kế dự kiến ​​bằng các phương pháp giống như một chuyên gia nghiên cứu hoạt động sẽ sử dụng với phần cứng thực tế.

Một lý do khác cho sự chồng chéo là thực tế là sự phân biệt giữa thiết bị mới và thiết bị hiện có không hoàn toàn rõ ràng. Tính mới trong thiết bị là một vấn đề tương đối. Nếu thiết bị mới đủ tốt dựa trên các kỹ thuật thiết kế hiện có và dường như có ít sự không chắc chắn về kỹ thuật, thì vấn đề trở nên không quan trọng. Câu hỏi là một trong những mức độ và, ở một mức độ, của sự phán xét.

Hầu hết đặc điểm hiện tại của kỹ thuật hệ thống có nguồn gốc lịch sử từ đầu những năm 1950. Đã có một số sự kiện đáng chú ý trong những năm ngay sau Thế chiến II, bao gồm, chẳng hạn, sự ra đời của lập trình tuyến tính vào năm 1947 và việc thành lập các tổ chức khác nhau để tiếp tục phát triển lĩnh vực này vào cuối những năm 1940. Tuy nhiên, về tổng thể, đây là thời kỳ hợp nhất của những tiến bộ trước đó. Do đó, trong lĩnh vực thông tin liên lạc, các hệ thống chính là một số hệ thống truyền dẫn đường dài đã được khởi xướng trước chiến tranh và đã bị gián đoạn bởi các hoạt động chiến tranh.

Trong những năm 1950, tốc độ tăng trưởng đã tăng nhanh đáng kể. Cuốn sách giáo khoa tổng quát đầu tiên về kỹ thuật hệ thống xuất hiện vào năm 1957 và tiếp theo là một số tác phẩm khác xử lý các ứng dụng công nghiệp và quân sự. Các ấn phẩm này đã chứng minh đủ để thiết lập kỹ thuật hệ thống như một ngành học được chấp nhận và các khóa học trong đó hiện được giảng dạy ở nhiều trường đại học ở khắp các nước phát triển trên thế giới. Các tổ chức và tạp chí chuyên nghiệp tồn tại ở Pháp, Ấn Độ, Nhật Bản, Đức, Vương quốc Anh và Hoa Kỳ.

Truyền thông và điện tử

Sự phát triển của kỹ thuật hệ thống sau năm 1950, phần lớn bắt nguồn từ tác động của những tiến bộ vượt bậc trong các lĩnh vực liền kề, đặc biệt là truyền thông và điện tử. Một hệ thống điều khiển tự động là một ví dụ điển hình. Một hệ thống điều khiển có đặc điểm cơ bản là các thành phần tương tác rộng rãi và toàn bộ hệ thống có một số đặc tính nhất định — ví dụ, tính ổn định — không thể nói là tuân theo bất kỳ thành phần riêng lẻ nào. Do đó, hệ thống điều khiển cung cấp các ví dụ sách giáo khoa thuận tiện cho kỹ thuật hệ thống.

Sự phát triển của lý thuyết thông tin như một điểm khởi đầu cơ bản cho kỹ thuật truyền thông, trong những năm ngay sau Thế chiến II, cũng có ảnh hưởng trong việc định hình sự phát triển của kỹ thuật hệ thống. Các hệ thống con khác nhau trong nhiều hệ thống hoàn chỉnh đã được kết hợp với nhau bằng các kênh liên lạc, trên thực tế. Do đó, các ý tưởng chuyển giao thông tin từ một phần của hệ thống sang phần khác tỏ ra hữu ích trong việc hiểu hoạt động của cấu trúc nói chung.

Kỹ thuật máy tính và hệ thống

Kỹ thuật hệ thống cũng được hưởng lợi từ sự ra đời của máy tính và sự phát triển sau đó của các ngôn ngữ lập trình cấp cao, mạnh mẽ, ảnh hưởng đến lĩnh vực này theo hai cách chính. Đầu tiên, họ cung cấp các công cụ mới để phân tích các hệ thống phức tạp bằng các phép tính mở rộng hoặc mô phỏng trực tiếp. Ở vị trí thứ hai, chúng có thể được sử dụng để tiêu hóa một lượng lớn dữ liệu hoặc như các thành phần thực tế của các hệ thống phức tạp, đặc biệt là những hệ thống liên quan phần lớn đến việc truyền thông tin. Điều này mở ra khả năng xử lý thông tin cũng như đơn giản truyền nó trong các hệ thống như vậy (xem thêm phần xử lý thông tin).

Tác động của các vấn đề vũ khí quân sự đối với kỹ thuật hệ thống bắt đầu ngay sau Thế chiến thứ hai. Một ngày quan trọng là năm 1945, khi sự phát triển của Nike Ajax, một hệ thống tên lửa phòng không của Hoa Kỳ, được bắt đầu.

Vào năm 1945, lực đẩy tên lửa có sẵn dường như hầu như không đủ để cung cấp cho tên lửa một tầm chiến thuật thỏa đáng. Người ta phát hiện ra rằng tầm bắn có thể đạt được phụ thuộc vào một số tham số, chẳng hạn như trọng lượng và kích thước của đầu đạn, độ mịn của thiết kế khí động học của tên lửa, mức độ cơ động do hệ thống điều khiển cung cấp, hình dạng quỹ đạo và tốc độ trung bình dọc theo nó. Do đó, một nỗ lực kỹ thuật hệ thống hiệu quả đã được thực hiện trong đó khám phá nhiều tổ hợp các đặc tính của tên lửa, với mục tiêu đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa tầm bắn và các đặc tính kỹ chiến thuật khác.

Các câu hỏi kiểm soát và phản hồi cũng là những khía cạnh quan trọng của vấn đề hệ thống tổng thể. Trên thực tế, toàn bộ hệ thống là một vòng phản hồi khổng lồ vì tên lửa được điều khiển theo lệnh gửi từ máy tính mặt đất và đầu vào máy tính bao gồm thông tin về những gì radar theo dõi quan sát được tên lửa đang làm. Do đó, có một vòng phản hồi khép kín từ tên lửa đến máy tính và quay lại tên lửa một lần nữa. Cũng có các vòng phản hồi phụ như vòng lặp của chế độ lái tự động kiểm soát thái độ của tên lửa, và phản ứng động của hệ thống bị ảnh hưởng nhiều hơn do yêu cầu xử lý tín hiệu radar để loại bỏ hiện tượng "chập chờn" của radar. Việc phân tích các hệ thống động lực phức tạp liên quan đến các đường phản hồi xen kẽ đã trở thành một phần đặc biệt quan trọng của lĩnh vực hệ thống chung.

Trong những năm 1950 và 1960, kỹ thuật hệ thống cũng phát triển theo các hướng khác, phần lớn là kết quả của các dự án hệ thống vũ khí liên quan đến Chiến tranh Lạnh. Do đó, nghiên cứu của Ajax đã quan tâm đến động lực của một tên lửa đơn lẻ. Mặt khác, các hệ thống phòng thủ phát triển trong những năm 1950 bao gồm hoạt động phối hợp của một số lượng lớn tên lửa, pháo, máy bay đánh chặn và hệ thống radar nằm rải rác trên một khu vực đáng kể. Tất cả những thứ này được kết hợp với nhau bằng một máy tính kỹ thuật số lớn, do đó trở thành yếu tố trung tâm của hệ thống. Hệ thống SAGE (môi trường mặt đất bán tự động) ở Hoa Kỳ là một ví dụ điển hình.

Trong cùng những năm, cách tiếp cận hệ thống cũng ngày càng được đồng nhất với các chức năng quản lý. Do đó, cụm từ “kỹ thuật hệ thống và chỉ đạo kỹ thuật” được sử dụng để mô tả vai trò của một kỹ sư hệ thống chịu trách nhiệm cho cả việc lập kế hoạch ban đầu của một dự án và quản lý tiếp theo của nó. Cái gọi là kỹ thuật lập kế hoạch, lập trình và lập ngân sách (PPB) được phát triển để cung cấp sự kết hợp tương tự giữa kỹ thuật hệ thống và quản lý tài chính.

Trong các lĩnh vực phi quân sự, kỹ thuật hệ thống đã phát triển theo những dòng tương tự mặc dù khiêm tốn hơn. Các ứng dụng ban đầu có khả năng làm căng thẳng các hệ thống điều khiển phản hồi trong các cơ sở sản xuất tự động quy mô lớn, chẳng hạn như nhà máy cán thép và nhà máy lọc dầu. Các ứng dụng sau này nhấn mạnh vào hệ thống điều khiển và thông tin quản lý dựa trên máy tính giống như những hệ thống đã được phát triển trước đó cho phòng không. Trong những năm gần đây, phương pháp tiếp cận hệ thống đôi khi được áp dụng cho các doanh nghiệp dân sự lớn hơn nhiều, chẳng hạn như quy hoạch các thành phố mới.