Kỹ thuật hệ thống

Kỹ thuật hệ thống () là ngành bao hàm các lĩnh vực kỹ thuật và kỹ thuật quản lý tập trung vào việc làm thế nào để có thể thiết kế và quản lý một hệ thống phức tạp trong suốt vòng đời của nó. Cốt lõi của kỹ thuật hệ thống là tận dụng các nguyên lý của tư duy hệ thống để tổ chức tổ hợp tri thức đó. Các vấn đề như  điều kiện kỹ thuật, độ tin cậy, hậu cần, điều phối các nhóm khác nhau, kiểm tra và đánh giá, bảo trì và nhiều lĩnh vực khác là cơ sở cần thiết để thành công phát triển hệ thống, thiết kế, cải tiến, và rỡ bỏ, đã trở nên khó khăn hơn khi  làm việc với một hệ thống lớn hoặc phức tạp. Kỹ thuật hệ thống giải quyết các vấn đề trong quá trình làm việc, các phương pháp tối ưu, và công cụ quản lý rủi ro trong hệ thống đó. Nó gối lên các lĩnh vực kỹ thuật và quản lý con người như: kỹ thuật công nghiệp, kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật sản xuất, kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật phần mềm, kỹ thuật điện, phỏng sinh học, khoa học quản lý, kỹ thuật quản lý và quản lý dự án. Kỹ thuật hệ thống đảm bảo tất cả các thành phần của dự án và hệ thống sẽ được cân nhắc, và được tích hợp trong toàn thể.
Quá trình trong kỹ thuật hệ thống là một quá trình khám phá nó hoàn toàn khác với quá trình sản xuất. Một quá trình sản xuất tập trung vào những hoạt động lặp đi lặp lại sao cho đầu ra đạt được chất lượng cao nhất với chi phí thấp nhất. Trong khi quá trình kỹ thuật hệ thống bắt đầu bởi việc khám phá những vấn đề thực tế cần phải giải quết, và xác định khả năng cao nhất hoặc ảnh hưởng lớn nhất mà các sự cố có thể gây ra - kỹ thuật hệ thống bao gồm việc tìm kiếm những giải pháp khéo léo để giải quyết những vấn đề này.
Lịch sử.
Khái niệm "kỹ thuật hệ thống" có thể được bắt nguồn từ phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories vào những năm 1940s. Với sự cần thiết của việc phát hiện và chi phối những đặc tính của hệ thống trong cách nhìn toàn thể đối với hệ thống, đó là những đặc tính trong những dự án kỹ thuật phức tạp có thể có sự khác biệt lớn đối với những đặc tính thành phần, đã tạo động lực cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau, đặc biệt là những hệ thống được phát triển cho Quân đội Mỹ, để áp dụng lĩnh vực này 
Khi không còn có thể trông cậy vào sự tiến triển trong quá trình thiết kế để cải thiện hệ thống ở trên và những công cụ có sẵn không còn thích hợp để thỏa mãn yêu cầu ngày cang tăng cao, một phương pháp mới đã được phát triển theo hường tiếp cận sự phức tạp của hệ thống một cách trực tiếp. Sự tiến hóa liên tục của ngành kỹ thuật hệ thống bao gồm quá trình phát triển và nhận dạng của những phương pháp mới và kỹ thuật mô hình hóa. Những phương pháp đó hỗ trợ cho việc lĩnh hội và thiết kế và sự phát triển trong việc điều khiển những hệ thống kỹ thuật khi nó trở nên ngày càng phức tạp. Một số công cụ phổ biến đã được phát triển trong giai đoạn này là: USL, UML, QFD và IDEF0.
Trong năm 1990, một cộng đồng chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật hệ thống, "Hội đồng quốc gia về kỹ thuật hệ thống" (INCOSE); đã được thành lập bởi các đại diện đến từ nhiều tập đoàn và tổ chức tại Mỹ. Việc thành lập NCOSE đã chỉ ra sự cần thiết trong việc cải thiện việc giáo dục và thực hành kỹ thuật hệ thống. Với sự tăng trưởng về số lượng kỹ sư hệ thống bên ngoài nước Mỹ tham gia., vào năm 1995 tên của tổ chức đã được đổi thành "Hội đồng quốc tế về kỹ thuật hệ thống" (INCOSE). Các trường đại học tại một vài quốc gia đã cung cấp chương trình đào tạo về kỹ thuật hệ thống, và cũng đã có sẵn lựa chọn đào tạo liên thông cho các kỹ sư thực hành.
Kỹ thuật hệ thống chỉ là một phương pháp tiếp cận, và gần đây đã trở thành một ngành kỹ thuật. Mục đích của việc giáo dục kỹ thuật hệ thống là để định hình một số cách tiếp cận và cách làm đơn giản và cách làm như vậy, phát hiện những phương pháp mới và cơ hội nghiên cứu tương tự như thế xảy ra ở trong các lĩnh vực kỹ thuật khác. Với hình thức là một cách tiếp cận, kỹ thuật hệ thống đem lại một cách nhìn toàn diện và mang tính liên ngành.
Nguồn gốc và phạm vi truyền thống.
Phạm vi truyền thống của kỹ thuật bao gồm toàn bộ quá trình từ khái niệm, thiết kế, phát triển, sản xuất và vận hành một hệ thống vật lý. Kỹ thuật hệ thống với quan niệm gốc của nó nằm trong phạm vi này. "Kỹ thuật hệ thống", ở trong những điều trên quy vào một tập hợp các nhóm riêng biệt về các khái niệm, các phương pháp, các cấu trúc tổ chức (và một số thứ khác) đã được phát triển để có thể đáp ứng những thách thức về một hệ thống chức năng kỹ thuật hiệu quả của hệ thống có kích cỡ và độ phức tạp chưa từng có trong pham vi giới hạn về thời gian, kinh phí và các giới hạn khác. Chương trình Apollo là một ví dụ tiêu biểu về một dự án kỹ thuật hệ thống như vậy.
Phát triển và mở rộng phạm vi.
Việc sử dụng khái niệm "kỹ sư hệ thống" đã tiến hóa theo thời gian để bao trùm lấy một khái niệm rộng hơn, toàn diện hơn là khái niệm "hệ thống" và các quá trình kỹ thuật. Sự tiến hóa của khái niệm này đã và đang là chủ đề của các cuộc tranh cãi và định nghĩa này vẫn còn được tiếp tục được sử dụng cho cả hai  phạm vi hẹp và rộng.
Kỹ thuật hệ thống truyền thống được xem như là một nhánh kỹ thuật trong tri giác cổ điển, đó là, một cách áp dụng dành riêng cho hệ thống vật lý, như tàu vũ trụ và máy bay. Trong thời gian gân đây, kỹ thuật hệ thống đã tiến hóa thành một nghĩa rộng hơn đặc biệt là khi yếu tố con người đã được xem như là mọt thành phần quan trọng trong hệ thống. Một ví dụ từ Checkland, nắm bắt một nghĩa rộng hơn của kỹ thuật hệ thống bằng phát biểu rằng 'kỹ thuật' "có thế được đọc bằng tri giác thông thường; bạn có thể thiết kế một buổi gặp mặt hay một  thỏa thuận chính trị" 
Nhất quán với phạm vi rộng hơn của kỹ thuật hệ thống, trong Kiến thức trọng tâm của kỹ thuật hệ thống (Systems Engineering Body of Knowledge - SEBoK) đã có định nghĩa về ba loại hệ thống kỹ thuật: (1) Kỹ thuật hệ thống sản phẩm (PSE) là nhánh truyền thống của ngành kỹ thuật hệ thống tập trung vào việc thiết kế những hệ thống vật lý bao gồm cả phần cứng và phần mềm. (2) Kỹ thuật hệ thống doanh nghiệp (ESE) gắn liền với cánh nhìn từ phía doanh nghiệp, đó là coi những tố chức hoặc những tổ chức kết hợp, như là những hệ thống. (3) Kỹ thuật hệ thống dịch vụ (SSE) làm việc với hệ thống dịch vụ. Checkland định nghĩa rằng một hệ thống dịch vụ là một hệ thống được hình thành để phục vụ hệ thống khác. Hầu hết các hệ thống hạ tầng xây dựng là những hệ thống dịch vụ.
Cái nhìn toàn diện.
Kỹ thuật hệ thống tập trung vào việc phân tích và gợi ý những nhu cầu của khách hàng và chức năng này yêu cầu phải diễn ra sớm trong chu trình phát triển, xây dựng tài liệu về điều kiện yêu cầu, và sau đó tiến hành với việc xây dựng thiết kế và kiểm toán hệ thống trong khi tiếp tục cân nhắc giải quyết vấn đề, vòng đời hệ thống. Điều này bao gồm sự hiểu biết đầy đủ với tất cả những nhà đầu tư tham gia. Oliver et al. tuyên bố rằng quá trình kỹ thuật hệ thống có thể được phân tách thành:
Trong mô hình của Oliver, mục tiêu của quá trình quản lý là tổ chức sự nỗ lực kỹ thuật trong vòng đời, trong khi quá trình hệ thống kỹ thuật bao gồm truy cập những thông tin có sẵn, định nghĩa xác định sự hiệu quả, để tạo ra một mô hình hành vi, mô hình cấu trúc, thực hiện việc phân tích điều hòa, và tạo ra quy trình xây dựng và kiểm chứng.
Phụ thuộc vào từng ứng dụng, mặc dù có một vài các mô hình có sử dụng trong công nghiệp, và tất cả chúng đều hướng tới việc xác định mối quan hệ giữa những giai đoạn đã được đề cập ở trên và kết hợp với phản hồi. Những ví dụ cho mô hình như: mô hình thác nước và mô hình VEE 
Lĩnh vực đa ngành.
Việc phát triển hệ thống thông thường cần phải có sự đóng góp từ nhiều ngành kỹ thuật khác nhau. Bằng việc cung cấp những cách nhìn hệ thống (toàn diện) của sức phát triển, kỹ thuật hệ thống giúp cho việc định hình tất cả những sự đóng góp kỹ thuật thành một nhóm thống nhất, hình thành một cấu trúc cho quá trình phát triển từ đó thực thi từ việc hình thành ý tưởng đến việc sản xuất và đến vận hành và, trong một số trường hợp dừng và thải bỏ. Trong việc thu mua, việc tích hợp toàn diện các lĩnh vực vào trong sự đóng góp và cân bằng trao đổi với chi phí, kế hoạch, và hiệu suất trong khi đảm bảo mức độ nguy cơ chấp nhận được trong toàn bộ vòng đời của hạng mục.
Quan điểm này thông thường được lặp lại trong chương trình giáo dục, trong các khóa kỹ thuật hệ thống được dạy bởi giảng viên từ những khoa kỹ thuật khác, để giúp tạo ra một môi trường đa ngành.
Quản lý sự phức tạp.
Sự cần thiết của kỹ thuật hệ thống được khẳng định cùng với sự tăng cường mức độ phức tạp của các hệ thống và dự án, với mức độ tăng theo hàm mũ theo sự tăng các khả năng tương tác có thể của các thành phần trong hệ thống, và theo đó là việc giảm độ tin cậy của thiết kế. Khi nói về vấn đề này sự phức tạp không chỉ nằm trong những hệ thống kỹ thuật mà còn trong hệ thống quản lý thông tin lô gíc. Đồng thời, một hệ thống có thể phức tạp hơn khi tăng về quy mô cũng như lượng thông tin, biến, hoặc một số những thứ khác có liên quan đến việc thiết kế. Trạm vũ trụ quốc tế ISS là một ví dụ về hệ thống như vậy.
Sự phát triển của các thuật toán điều khiển thông minh hơn, thiết kế chíp, và những phân tích môi trường hệ thống cũng nằm trong tầm nhìn của kỹ thuật hệ thống. Kỹ thuật hệ thống khuyến khích việc sử dụng những công cụ này và những phương pháp để lĩnh hội và quản lý tốt hơn những hệ thống phức tạp. Một số ví dụ về những công cụ có được thể hiện sau đây:
Việc đưa vào cách tiếp cập đa ngành vào hệ thống kỹ thuật là sự phức tạp vốn có khi hành vi tương tác của các thành phần hệ thống không phải lúc nào cũng được định nghĩa một cách rõ ràng hoặc được hiểu. Viêc định nghĩa và xác định đặc tính những hệ thống và hệ thống phụ và sự tương tác giữa chúng là một trong những mục tiêu của kỹ thuật hệ thống. Để làm được điều này, khoảng cách tồn tại giữa những yêu cầu không chính thống từ những người dùng, người vận hành, tổ chức maketing, và thông số kỹ thuật cần phải được lấp đầy thành công.
Phạm vi.
Một cách để hiểu động lực đăng sau kỹ thuật hệ thống là thấy được những phương pháp hoặc thực hành để xác định và cải thiện những quy tắc thông thường tồn tại trong sự đa dạng của hệ thống. Hãy luôn nhớ lấy điều này, nguyên lý của kỹ thuật hệ thống - sự chỉnh thể, hành vi thể hiện ra, và ranh giới, et al - có thể được áp dụng vào bất kỳ hệ thống nào, dù phức tạp hay không, cung cấp phương pháp tư duy hệ thống được sử dụng trong mọi mức độ. Bên cạnh hệ thống phòng thủ và hàng không, nhiều những công ty dựa vào thông tin và công nghệ, các hãng phần mềm, và các ngành công nghiệp trong lĩnh vực điện tử và truyền thông cần những kỹ sư hệ thống trong nhóm của họ.
Trong một phân tích bởi trung tâm kỹ thuật hệ thống ưu tú (SECOE) của INCOSE chỉ ra rằng phần nguồn lực tối ưu dành cho kỹ thuật hệ thống chiếm khoảng 15-20% tổng nguồn lực dự án. Cùng với đó những nghiên cứu cũng chỉ ra rằng kỹ thuật hệ thống là cần thiết để giảm chi phí và nhiều lợi ích khác. Tuy nhiên, chưa có một khảo sát nào với quy mô lớn bao phủ trong phạm vi rộng những ngành công nghiệp được thực hiện gần đây. Những nghiên cứu đó vẫn đang còn trong quá trình để xác định tính và lượng hiệu quả của kỹ thuật hệ thống.
Kỹ thuật hệ thống khuyến khích việc sử dụng mô hình hóa và mô phỏng để xác thực những phỏng đoán hoặc lý thuyết trên hệ thống và tương tác với chúng.
Việc sử dụng những phương pháp cho phép việc xác định sớm những khả năng thất bại, trong kỹ thuật an toàn, được tích hợp vào trong quá trình thiết kế. Đồng thời, những quyết định được tạo ra ngay từ đầu của dự án mà hệ quả của nó chưa được hiểu rõ có thể có hậu quả to lớn sau này trong hoạt động của hệ thống, và nó là nhiệm vụ của kỹ sư hệ thống ngày nay trong việc khám phá những vấn đề đó và đưa ra những quyết định quan trọng. Không có một phương pháp nào đảm bảo rằng những quyết định ngày nay vẫn còn hợp lý khi hệ thống đưa vào vận hành trong vài năm hoặc vài thập kỷ sau khi chúng được áp dụng lần đầu tiên. Những ví dụ bao gồm phương pháp hệ thống mềm, phương pháp hệ thống động của Jay Wright Forrester, và Ngôn ngữ mô hình thống nhất (UML) - tất cả đều đang được khám phá, đánh giá, và phát triển để hỗ trợ cho quá trình đưa ra các quyết định kỹ thuật.
Giáo dục.
Giáo dục trong kỹ thuật hệ thống thông thường được xem như là một phần mở rộng trong các khóa học kỹ thuật thông thường, phản ánh quan điểm công nghiệp cho rằng sinh viên kỹ thuật cần phải có cơ sở nền tảng về một trong những lĩnh vực kỹ thuật truyền thống (ví dụ như, kỹ thuật hàng không, xây dựng, kỹ thuật điện, cơ khí, kỹ thuật sản xuất, kỹ thuật công nghiệp) thêm vào đó là một phần kinh nghiệm thực tiễn để có thể làm một kỹ sư hệ thống có năng lực. Chương trình đại học về kỹ thuật hệ thống rất hiếm. Bình thường, kỹ thuật hệ thống được cung cấp ở mức độ cao hơn trong sự kết hợp với việc học liên ngành.
INCOSE duy trì liên tục việc cập nhật danh bạ những chương trình Học thuật về kỹ thuật hệ thống trên phạm vi toàn thế giới. Như trong năm 2009, có khoảng 80 học viện tại mỹ cung cấp 165 chương trình đại học và sau đại học về kỹ thuật hệ thống. Giáo dục kỹ thuật hệ thống có thể được đi theo hai hướng Hướng hệ thống và Hướng lĩnh vực.
Cả hai kiểu đều cố gắng đào tạo kỹ sư hệ thống để có thể giám sát những dự án liên ngành với cốt lõi là kỹ sư kỹ thuật.
Những đề tài kỹ thuật hệ thống.
Những công cụ kỹ thuật hệ thống bao gồm những chiến lược, tiến trình, và kỹ thuật hỗ trợ cho việc thực hiện kỹ thuật hệ thống trên một dự án hay sản phẩm. Mục tiêu của những công cụ này đa dạng từ hệ quản trị dữ liệu, duyệt đồ họa, mô phỏng, và lập luận, cho đến việc tạo văn bản, xuất nhập trung gian mà nhiều thứ khác.
Hệ thống.
Có rất nhiều các định nghĩa khác nhau về như thế nào là một hệ thống trong kỹ thuật hệ thống. Dưới đây là một số các định nghĩa được công nhận: