بررسی علم مهندسی و معماری سیستم‌ها

مهندسی و معماری سیستم‌ها

چکیده
در ایجاد سیستم‌هایی که نمونه‌هایی از آنها موجود است، مهندسی سیستم‌ها به کار گرفته می‌شود. پیچیدگی این گونه سیستم‌ها معمولاً کم است. اما وقتی موضوع ایجاد یک سیستم جدید یا سیستم‌های پیچیده که دارای کنترل‌پذیری کم هستند، مطرح می‌شود مهندسی سیستم‌ها پاسخگو نخواهد بود و معماری سیستم‌ها استفاده می‌شود. این مقاله به معرفی معماری سیستم‌ها، مقایسه معماری سیستم‌ها با مهندسی سیستم‌ها، و متدولوژی معماری سیستم‌ها می‌پردازد.
کلیدواژه : معماری سیستم‌ها؛ مهندسی سیستم‌ها؛ ایجاد سیستم‌ها؛ سیستم‌های پیچیده؛ سیستم‌های اجتماعی؛ متدواوژی

بیشتر مطالب این مقاله از رکتین (۱۹۹۱) و مایر و رکتین (۲۰۰۰) گرفته شده است.
۱- مراحل ایجاد سیستم‌ها
هر پروژه‌ای، چه ساخت یک کلبه باشد چه یک هواپیما، با ظهور یا حضور کاربر بالقوه، یک احساس نیاز و یک مجموعه از منابع شامل منابع انسانی و فیزیکی آغاز می‌شود. با بررسی تاریخچه پروژه‌ها، می‌بینیم که بیشتر پروژه‌ها به عنوان تطبیق تکاملی و تدریجی ساختار‌های موجود انجام می‌شوند. به عنوان مثال ساختار یک کشتی سالهاست که طراحی شده است. این ساختار بر پایه اصولی شکل گرفته که کمتر تغییر یافته است. آنچه تغییر می‌کند و تکامل می‌یابد تواناییهای آن ساختار از ابعاد مختلف است؛ مواد اولیه استفاده شده، قابلیتهای فنی، ظاهر و غیره. به عنوان مثال دیگر می‌توان به یک سیستم اطلاعات مدیریت اشاره کرد. اصول چنین سیستم اطلاعاتی چندین سال است که پایه‌ریزی شده است و بیشتر تلاش‌های صورت پذیرفته در جهت پیاده‌سازی، اجرا و تکمیل آن بوده است. در چنین پروژه‌هایی تنها اقتباس ساده‌ای از ساختارهایی می‌شود که مقصود و مفهوم آنها کاملاً روشن و بدیهی است. مراحلی که در ایجاد چنین سیستم‌هایی طی می‌شود در شکل ۱ آمده است (خط‌های وصل کننده به عمد بدون جهتند، یعنی این فرایند رفت و برگشتی است): 
اولین مشکلی که در چنین فرایند سرراستی اتفاق می‌افتد هنگامی است که یک نوع جدید از ساختار در راستای مفاهیم ساختار موجود مورد نیاز باشد که اصول و فناوری‌های جدیدی را طلب کند. اینجاست که به یک نوع فعالیت مهندسی نیاز است (شکل ۲).  
هر چه ساختار پیچیده‌تر می‌شود جریان پروژه نیز پیچیده‌تر می‌شود. معمولاً جریان پروژه‌های سیستم را در قالب «مدل آبشاری۱» به صورت زیر نمایش می‌دهند (شکل ۳):
در چنین فرایندی گروه‌های متفاوتی انجام وظیفه می‌کنند و مهندسین سیستم عهده‌دار تطبیق عناصر ساختار در جاهایی هستند که «فصل مشترک‌ها۲» نامیده می‌شوند.
۲- پیچیدگی در سیستم‌ها
واژه «پیچیدگی۳» از ابعاد گوناگون قابل بررسی است. از دیدگاه کمی و ریاضی، بهترین راه شناخت پیچیدگی آن است که آن را به مثابه یک مفهوم آماری در نظر بگیریم؛ یعنی مفهوم پیچیدگی، برحسب احتمال قرار گرفتن یک سیستم در یک حالت خاص و در یک زمان معین، به بهترین وجه قابل تشریح است. در حالی که از دیدگاه غیرکمی، پیچیدگی را کیفیت یا خاصیتی برای سیستم تلقی می‌کنند که در اثر تلفیق پنج عامل (رضائیان ۱۳۷۶، ۱۰۰-۱۰۲) زیر به وجود می‌آید:
(۱) تعداد عناصر تشکیل دهنده سیستم
(۲) میزان تعامل عناصر مختلف سیستم
(۳) نحوه تعامل عناصر مختلف سیستم
(۴) ویژگیهای هر یک از عناصر سیستم
(۵) درجه نظام یافتگی ذاتی سیستم
بنابراین اکتفا به برخی از شاخصهای مذکور برای تشخیص میزان پیچیدگی، گمراه کننده است. در واقع، برای به دست آوردن یک شاخص معنی‌دارتر، باید علاوه بر «تعداد عناصر» و «میزان تعاملهای میان آنها‍»، «نحوه تعامل»، «ویژگیهای هر یک از عناصر‍» و «درجه نظام یافتگی سیستم» نیز مورد ملاحظه قرار گیرند. به این ترتیب، تحلیلگر می‌تواند با استفاده از مجموعه این پنج شاخص، به مجموعه حالتهای ممکن قابل تصور برای سیستم دست یابد. برای مثال هنگام تعیین حیطه نظارت یک سرپرست، اگر کار خیلی تکراری باشد و اعضای گروه نیز خوب آموزش دیده باشند، با فرض اینکه هیچ تلاش عمدی برای به زحمت انداختن سرپرست انجام نشود، و نسبت بالایی از تعاملهای بالقوه به تعامل بالفعل تبدیل نشود، سیستم موردنظر، سیستمی ساده تلقی می‌شود. البته مجموعه قوانین و رویه‌های موجود نیز ممکن است موجب کاهش قابل ملاحظه تعاملهای مذکور شود. بنابراین، پیچیدگی یک مفهوم نسبی است که در اثر تعامل مجموعه عوامل پنج‌گانه مذکور معین می‌شود (نه فقط برخی از آنها، نظیر «تعداد عناصر‍» و «میزان تعامل»). برای مثال، سرپرستی که دو متخصص انرژی (که یکی ذغال سنگ را به مثابه امیدوارکننده‌ترین منبع انرژی آینده در نظر می‌گیرد و دیگری بر مزایای انرژی هسته‌ای تأکید دارد؛ یعنی وجود دیدگاه‌های متفاوت) زیر نظر وی کار می‌کنند، در مقایسه با کسی که حدود بیست مهندس نفت را سرپرستی می‌کند، با سیستمی بمراتب پیچیده‌تر مواجه است.
در واقع دو عامل اول به پیچیدگی «ساختاری» و سه عامل آخر به پیچیدگی «رفتاری» سیستم اشاره دارند. آنچه که در این جا مدنظر ماست بیشتر پیچیدگی رفتاری است. در پیچیدگی ساختاری تعداد عناصر سیستم خیلی زیاد بوده و میزان تعامل بین آنها بسیار زیاد یا حتی بی‌شمار است. در پیچیدگی رفتاری روابط علت و معلول کاملاً روشن نیستند و نتایج کوتاه مدت و بلند مدت خیلی متفاوتند. اقدامات اعمال شده بر روی بخش‌های مختلف سیستم نتایج متفاوتی دارند و ممکن است دخالت‌های حساب شده و روشن، نتایج غیر قابل پیش‌بینی و غیر منتظره داشته باشند. رفتار کلی سیستم به سختی قابل پیش‌بینی است. رفتار کلی سیستم در کل قابل مشاهده نبوده و اندازه‌گیری آن مخرب یا غیر قابل انجام است. به سختی می‌توان پیچیدگی رفتاری را بر اساس قوانین حاصل از نظریات بیان نمود چرا که داده کافی و پایا وجود ندارد (ساسمن ۲۰۰۰).
برای مثال، قوانین و مقررات مدون حاکم بر نحوه تعامل عناصر سیستم و عوامل تعیین کننده ویژگیهای آن عناصر، بر میزان پیچیدگی سیستم اثر می‌گذارند. برخی برای سنجش میزان پیچیدگی یک سیستم از دو عامل یا معیار «تعداد عناصر تشکیل دهنده سیستم» و «میزان تعامل عناصر مختلف سیستم» استفاده می‌کنند که ممکن در برخی موارد سطحی و گمراه کننده باشد. اگر کسی بررسی خود را به این دو بعد محدود کند، به مسیری هدایت می‌شود که ممکن است  موتور ماشین سواری را در شمار سیستم‌های بسیار پیچیده قرار دهد. زیرا موتور ماشین از تعداد قطعات زیادی تشکیل شده و به همین میزان نیز میان اجزای آن تعامل وجود دارد. همچنین براساس این دو شاخص پیچیدگی، تعامل میان دو نفر انسان (یک سیستم اجتماعی)، در شمار سیستمهای بسیار ساده قرار می‌گیرد زیرا این سیستم فقط دو عنصر دارد و میان آنها فقط دو رابطه تعاملی قابل تصور است. در صورتی که اگر فرد مذکور، در تحلیل خود به نقش سه عامل دیگر مؤثر بر پیچیدگی (یعنی «نحوه تعامل عناصر مختلف سیستم»،  «ویژگیهای هر یک از عناصر» و «درجه نظام یافتگی ذاتی سیستم») نیز توجه کند، به نتیجه دیگری خواهد رسید. در مورد موتور ماشین، تحلیلگر مشاهده خواهد کرد که میزان تعامل موجود میان قطعات آن، از قوانین و توالی معینی تبعیت می‌کنند و ویژگیهای عناصر آن از پیش تعیین شده‌اند. بدین ترتیب با استفاده از این پنج شاخص پیچیدگی، تحلیلگر متوجه می‌شود که موتور ماشین در واقع یک سیستم بسیار ساده است در حالی که سیستم «تعامل میان دو انسان» که به ظاهر ساده به نظر می‌رسید، در واقع سیستم بسیار پیچیده‌ای است زیرا ویژگیهای هیچ یک از عناصر آن، از پیش قابل تعیین نیستند. از آنجا که احتمال شرطی بودن رفتار آنها، علی‌رغم وجود برخی قوانین ثابت در مکالمه و تعامل، بسیار کم است، نتیجه نهایی تعامل یا گفتگو قابل پیش‌بینی نیست زیرا عناصر این سیستم در رعایت یا عدم رعایت آداب معاشرت، آزادی عمل دارند و درجه قابلیت پیش‌بینی حالت نهایی برخورد آنها، بسیار پایین است. بنابراین، تحلیلگر متوجه می‌شود که این سیستم دو نفره، در واقع یک سیستم بسیار پیچیده است.
۳- پیچیدگی و کنترل‌پذیری (رضائیان ۱۳۷۶، ۸۰-۸۳)
در صورتی که ویژگی «میزان پیچیدگی» را مبنای طبقه‌بندی سیستمها فرض کنیم، مجموعه‌ای مشتمل بر سیستمهای ساده، سیستمهای پیچیده، و سیستمهای بسیار پیچیده قابل تشخیص خواهد بود.
سیستم ساده، سیستمی است که تعداد اجزای تشکیل دهنده آن کم بوده و روابط محدودی میان آنها برقرار باشد در حالی که سیستم پیچیده، سیستمی است که دارای اجزای بسیار زیاد و به هم وابسته‌ای باشد و سیستم بسیار پیچیده نیز سیستمی است که شناسایی و تشریح دقیق اجزاء و ویژگی‌های آن، امکانپذیر نباشد.
ویژگی دوم (قابلیت پیش‌بینی) با ماهیت سیستم از حیث «میزان قطعی بودن یا احتمالی بودن»، سر و کار دارد. در این مورد، دو وضعیت قابل تصور است: در وضعیت اول، اجزای سیستم به گونه‌ای کاملاً قابل پیش‌بینی با یکدیگر تعامل دارند در حالی که در وضعیت دیگر، رفتار سیستم قابل پیش‌بینی نیست، ولی ممکن است آنچه اتفاق می‌افتد، قابل پیش‌بینی باشد.
رفتار سیستمهای قطعی قابل پیش‌بینی است و سازمانها در شمار مصادیق آنها قرار نمی‌گیرند (برخلاف سیستمهای باز که شامل سازمانها نیز می‌شوند). از این رو، بندرت جلب توجه می‌کنند. مجموعه سیستمهای قطعی، سیستمهایی نظیر قرقره، ماشین تحریر، ماشینهای اداری، پردازش قطعات بر روی خط تولید، پردازش خودکار چک در بانک، و غیره را در بر می‌گیرد که در همه آنها خروجی سیستم از طریق نظارت بر ورودیهای سیستم، کنترل می‌شود.
پس از سیستمهای قطعی ساده، سیستمهای قطعی پیچیده مطرح می‌شوند که فقط از حیث «درجه پیچیدگی» با هم تفاوت دارند؛ برای مثال، کامپیوترها که بسیار پیچیده‌تر از «سیستمهای قطعی ساده» هستند، به طور کاملاً قابل پیش‌بینی کار می‌کنند. وجوه تمایز این دسته‌ها، نسبی و نامعین است. برای مثال، کامپیوترها به منزله سیستمهای قطعی پیچیده مطرح شدند در حالی که ممکن است از نظر یک متخصص، فاقد پیچیدگی باشند. همچنین بسیاری از افراد، موتور یک خودرو را سیستمی پیچیده به شمار می‌آورند در حالی که همین سیستم، از نظر «نیروهای فنی» یک سیستم قطعی ساده محسوب می‌شود. در همه مثالهای فوق، ماهیت سیستم «یک حالته» است  یعنی رفتار آن به وسیله ترتیب ساختاری عناصر تشکیل دهنده‌اش معین می‌شود زیرا اگر ترتیب عناصر یک «سیستم قطعی» صحیح باشد، طبق الگویی که برایش تعیین شده است، عمل خواهد کرد.
اگر تعداد حالتهای قابل تصور برای نتایج عملکرد یک سیستم، بیشتر از یک باشد، ماهیت سیستم «احتمالی» است. مجموعه مصادیق سیستمهای احتمالی، از ساده‌ترین موارد ممکن (مانند پرتاب سکه که فقط دو حالت محتمل دارد) تا پیچیده‌ترین سیستمهای اجتماعی و سازمانها را (که حالتهای محتمل بسیاری برای آنها قابل تصور است) در بر می‌گیرد.
مثالهایی نظیر سیستم کنترل کیفیت و تناوب توقف دستگاهها، برای سیستمهای احتمالی ساده مطرح می‌شوند. در فرایندهای تولید دستی، با توجه به تفاوتهای فردی کارکنان، ممکن است کیفیت محصولات تولیدی متفاوت باشد به همین دلیل، برای تضمین حداقل کیفیت مورد نظر، از فنون کنترل کیفیت آماری استفاده می‌شود. همچنین با توجه به میزان فرسودگی قطعات و تناوب استفاده از یک ماشین، باید آن را در فواصل زمانی معینی تعمیر کرد. در چنین مواردی نیز توصیه می‌شود که برای کنترل، از روشهای آماری استفاده شود.
با افزایش پیچیدگی یک سیستم احتمالی و افزوده شدن بر تعداد حالتهای ممکن برای آن، پیش‌بینی نتایج عملکرد و کنترل رفتار آن سیستم، دشوارتر خواهد شد. در واقع، کنترل ورودیهای یک سیستم قطعی ممکن است به پیش‌بینی خروجیهای آن بینجامد در حالی که کنترل ورودیهای یک سیستم احتمالی فقط می‌تواند به پیش‌بینی دامنه نوسانات خروجیها منجر شود.
سیستمهایی نظیر انسان، سازمانهای بزرگ، و سیستمهای اقتصادی و اجتماعی، نمونه‌هایی از سیستمهای احتمالی بسیار پیچیده هستند. این‌گونه سیستمها، حالتهای رفتاری و علمکردی متغیری دارند. برای مثال، یک سازمان بزرگ که خود از خرده سیستمهای زیادی تشکیل شده است، با سیستمهای بیرونی متعددی مانند دولت، رقبا، اتحادیه‌ها، تأمین کنندگان مواد اولیه، و بانکها سر و کار دارد. گاهی تعامل واحدهای داخلی و اجزای تشکیل دهنده سازمان با خرده سیستمهای محیطی، آنقدر با ظرافت و پویایی صورت می‌گیرد که تعریف تفصیلی سیستم را غیرممکن می‌سازد.
سیستمهای احتمالی ساده با روشهای آماری کنترل می‌شوند. در حالی که سیستمهای احتمالی پیچده را باید با روشهای پیچیده پژوهش در عملیات کنترل کرد. البته کارآیی روشهای پژوهش در عملیات نیز محدود است به طوری که برای کنترل «سیستمهای احتمالی بسیار پیچیده» (که به طور دقیق قابل تعریف نیستند) کفایت ندارند زیرا این گونه سیستمها، جزئیاتی غیرقابل تعریف دارند و نمی‌توان آنها را با «روش سنتی تجزیه و تحلیل» بررسی کرد.
در محیطهای کاری بندرت با سیتمهای قطعی مواجه می‌شویم زیرا بیشتر سیستمها، هم از حیث ساختاری و هم از حیث رفتاری، سیستمهایی احتمالی به شمار می‌آیند. در واقع هر سیستمی که علمکرد آن احتمالاً توأم با درصدی از خطاست، سیستمی احتمالی محسوب می‌شود. بررسی اینگونه سیستمها و روشهای کنترل آنها، معمولاً به صورت مجرد و انتزاعی انجام می‌گیرد. با وجود این، نتایج حاصل از این بررسیها، در سیستمهای واقعی نیز قابل استفاده هستند…

مراجع
رضائیان، علی. ۱۳۷۶. تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم. تهران: سمت.
Maier, M. W., and Rechtin, E. 2000. The Art of Systems Architecting. 2nd ed. New York. CRC Press.
Rechtin, E. 1991. Systems Architecting: Creating and Building Complex Systems. London: Printice Hall.
Sussman, JR., J. M. 2000. Ideas on complexity in systems: Twenty views. MIT Engineering Systems Division Working Papers Series ESD-WP-2000-02.