Ingegneria dei sistemi , tecnica di utilizzo della conoscenza di vari rami dell'ingegneria e della scienza per introdurre innovazioni tecnologiche nelle fasi di pianificazione e sviluppo di un sistema.
L'ingegneria dei sistemi non è tanto una branca dell'ingegneria quanto una tecnica per applicare la conoscenza di altri rami dell'ingegneria e discipline della scienza in una combinazione efficace per risolvere un problema ingegneristico multiforme. È correlato alla ricerca operativa ma differisce da esso in quanto è più una funzione di pianificazione e progettazione, che spesso coinvolge l'innovazione tecnica. Probabilmente l'aspetto più importante dell'ingegneria dei sistemi è la sua applicazione allo sviluppo di nuove possibilità tecnologiche con l'obiettivo specifico di metterle a disposizione con la rapidità consentita da considerazioni economiche e tecniche. In questo senso può essere vista come l'ostetrica dello sviluppo tecnologico.
La parola “sistemi” è usata frequentemente anche in altre combinazioni, soprattutto quando gli elementi del progresso tecnologico non sono così importanti. L'analisi dei sistemi è un esempio. La teoria dei sistemi, o talvolta la scienza dei sistemi, è spesso applicata all'analisi dei sistemi dinamici fisici. Un esempio potrebbe essere una rete elettrica complessa con uno o più circuiti di retroazione, in cui gli effetti di un processo tornano a causare cambiamenti nella sorgente del processo.
Nello sviluppo delle varie discipline ingegneristiche dell'Ottocento e del Novecento erano inevitabili notevoli sovrapposizioni tra i diversi campi; per esempio, l'ingegneria chimica e l'ingegneria meccanica erano entrambe interessate al trasferimento di calore e al flusso dei fluidi. L'ulteriore proliferazione di specializzazioni, come nei molti rami dell'ingegneria elettrica ed elettronica, come la teoria delle comunicazioni, la cibernetica e la teoria dei computer, ha portato a ulteriori sovrapposizioni. L'ingegneria dei sistemi può essere vista come l'ultimo passo logico del processo. Gli ingegneri di sistema hanno spesso un background in elettronica o comunicazione e fanno ampio uso di computer e tecnologia di comunicazione. Tuttavia l'ingegneria dei sistemi non deve essere confusa con questi altri campi. Fondamentalmente un punto di vista o un metodo di attacco,non dovrebbe essere identificato con nessuna particolare area sostanziale. Nella sua natura e nella natura dei problemi che affronta, è interdisciplinare, una procedura per mettere insieme tecniche e corpi di conoscenza separati per raggiungere un obiettivo prestabilito in modo efficace.
In generale, è probabile che un approccio di ingegneria dei sistemi differisca da un approccio di progettazione convenzionale esibendo una maggiore generalità nel suo quadro logico di base e una maggiore attenzione per gli obiettivi fondamentali da raggiungere. Pertanto, in ogni fase è probabile che l'ingegnere di sistemi chieda sia perché sia come, piuttosto che semplicemente come.
Oltre all'ingegneria dei sistemi, è importante definire i sistemi stessi. I sistemi di cui si occupa un sistemista sono prima di tutto artificiali. In secondo luogo, sono grandi e complessi; le loro parti componenti interagiscono così ampiamente che un cambiamento in una parte può influenzare molte altre. A meno che non ci sia tale interazione, c'è poco da fare per l'ingegnere di sistemi, almeno a livello di sistema; può rivolgersi immediatamente ai componenti stessi. Un'altra caratteristica importante dei sistemi è che i loro input sono normalmente stocastici; cioè, gli input sono essenzialmente funzioni casuali del tempo, sebbene possano mostrare regolarità statistiche. Pertanto, non ci si può aspettare di prevedere esattamente a cosa sarà esposto il sistema durante il funzionamento effettivo,e le sue prestazioni devono essere valutate come media statistica delle risposte a una serie di possibili input. Un calcolo basato su una singola funzione di input definita con precisione non funzionerà.
I sistemi possono anche variare a seconda della quantità di giudizio umano che entra nel loro funzionamento. Esistono, ovviamente, sistemi come circuiti elettrici, apparecchiature di produzione automatizzate o robot che possono funzionare in modo completamente determinato. All'altro estremo, ci sono sistemi di gestione e controllo, sia per scopi commerciali che militari, in cui le macchine in un certo senso svolgono la maggior parte del lavoro ma con la supervisione umana e il processo decisionale nei punti critici. Chiaramente questi sistemi misti uomo-macchina offrono la più grande varietà di possibilità e problemi per l'ingegnere di sistemi. Gli aspetti di tali sistemi sono trattati nell'articolo ingegneria dei fattori umani.
Lo sviluppo dell'ingegneria dei sistemi
Modellazione matematica
L'approccio sistemico deriva da una serie di fonti. In senso lato può essere considerato come una semplice estensione della metodologia scientifica standard. È una procedura comune nella scienza (e altrove) elencare tutti i fattori che potrebbero influenzare una data situazione e selezionare dall'elenco completo quelli che appaiono critici. La modellazione matematica, forse lo strumento più basilare nell'ingegneria dei sistemi, è una tecnica incontrata in qualsiasi branca della scienza che è diventata sufficientemente quantitativa. Quindi, in questo senso ampio, l'approccio sistemico è semplicemente l'erede di una tradizione che è vecchia di generazioni, se non di secoli.
Nella ricerca di fonti più recenti e più specifiche per l'approccio sistemico, invece, ce ne sono due in particolare che si distinguono. Il primo è il campo generale delle comunicazioni, in particolare la telefonia commerciale, in cui l'ingegneria dei sistemi è apparsa per la prima volta come una disciplina esplicita a sé stante. Tracce dell'approccio sistemico si possono trovare nell'ingegneria telefonica almeno fin dall'inizio del secolo e le idee sui sistemi erano abbastanza comuni nella telefonia negli anni '20 e '30. Quando Bell Telephone Laboratories, il braccio di ricerca della American Telephone & Telegraph Company, fu ufficialmente costituita nel 1925, le sue due principali divisioni ingegneristiche furono chiamate rispettivamente Apparatus Development e Systems Development. Una dottrina formale completa del ruolo dell'ingegneria dei sistemi, tuttavia,emerse per la prima volta negli anni dopo la seconda guerra mondiale come parte di uno sforzo per ridefinire la politica e la struttura della ricerca e sviluppo. Questa dottrina poneva lo sforzo ingegneristico su un livello di parità logica con gli sforzi di ricerca e sviluppo e lo rendeva di dimensioni reali quasi comparabili, almeno con la ricerca. L'ingegnere di sistema aveva una moltitudine di funzioni, con un'enfasi particolare sull'utilizzo efficace dei progressi scientifici e tecnici nella pianificazione di nuovi sistemi di comunicazione. Questo particolare insieme di idee, ovviamente, rifletteva le esigenze speciali della telefonia. Tuttavia, come esempio e punto di partenza, ha avuto un ampio effetto. Sembra essere uno dei motivi per cui un argomento così esoterico come l'ingegneria dei sistemi è avanzato così rapidamente come ha fatto. (Per una discussione dettagliata degli aspetti di ricerca e sviluppo dell'ingegneria dei sistemi,vedere l'articolo ricerca e sviluppo.)
Ricerca operativa e ingegneria dei sistemi
Una seconda fonte importante per l'ingegneria dei sistemi è la ricerca operativa, che ha avuto origine in una forma riconoscibile in Gran Bretagna durante la seconda guerra mondiale e inizialmente si occupava del miglior impiego di attrezzature militari. Esempi tipici includevano la determinazione del miglior impiego di un dato numero di bombardieri, il modo migliore per organizzare i convogli contro l'attacco dei sottomarini e il modo migliore di utilizzare gli intercettori contro un attacco di bombardamento. La ricerca operativa è stata efficace in questi casi e da allora è fiorita sia in contesti civili che militari.
Esiste una chiara distinzione tra ricerca operativa e ingegneria dei sistemi. Poiché la ricerca operativa si occupa del miglior impiego delle apparecchiature esistenti, non sorgono incertezze tecnologiche. L'ingegneria dei sistemi, d'altra parte, si occupa normalmente della pianificazione di nuove apparecchiature e tali incertezze possono essere importanti. In pratica, tuttavia, l'ingegneria dei sistemi e la ricerca operativa hanno molto in comune. In particolare, condividono molte delle stesse tecniche analitiche. Ciò deriva in gran parte dal fatto che è probabile che un ingegnere di sistemi valuti l'efficacia di un progetto provvisorio con gli stessi metodi che uno specialista di ricerca operativa utilizzerebbe con l'hardware reale.
Un altro motivo di sovrapposizione è il fatto che la distinzione tra apparecchiature nuove ed esistenti non è del tutto netta. La novità nell'attrezzatura è una questione relativa. Se la nuova attrezzatura è sufficientemente ben basata sulle tecniche di progettazione esistenti e sembra comportare poche abbastanza incertezze tecniche, la questione diventa irrilevante. La questione è di grado e, in una certa misura, di giudizio.
La maggior parte del carattere attuale dell'ingegneria dei sistemi deriva storicamente dai primi anni '50. C'erano stati alcuni eventi degni di nota negli anni subito dopo la seconda guerra mondiale, tra cui, ad esempio, l'introduzione della programmazione lineare nel 1947 e la fondazione di varie organizzazioni per lo sviluppo continuo del settore alla fine degli anni '40. Nel complesso, tuttavia, questo è stato un periodo di consolidamento degli anticipi precedenti. Pertanto, nel campo delle comunicazioni i sistemi principali erano alcuni sistemi di trasmissione a lunga distanza che erano stati avviati prima della guerra ed erano stati interrotti da attività belliche.
Negli anni '50 il ritmo di crescita ha subito un'accelerazione considerevole. Il primo libro di testo generale sull'ingegneria dei sistemi apparve nel 1957 e fu seguito da una serie di altri lavori che trattavano applicazioni sia industriali che militari. Queste pubblicazioni si sono dimostrate sufficienti per stabilire l'ingegneria dei sistemi come disciplina accademica accettata, e i suoi corsi sono ora tenuti in molte università nei paesi sviluppati del mondo. Esistono società e riviste professionali in Francia, India, Giappone, Germania, Regno Unito e Stati Uniti.
Comunicazioni ed elettronica
Lo sviluppo dell'ingegneria dei sistemi dopo il 1950 è derivato, in gran parte, dall'impatto di grandi progressi nei settori adiacenti, in particolare le comunicazioni e l'elettronica. Un sistema di controllo automatico è un buon esempio. Un sistema di controllo ha la caratteristica principale che i componenti interagiscono ampiamente e che il sistema nel suo insieme ha determinate proprietà , ad esempio stabilità, che non si può dire aderiscano a qualsiasi singolo componente. Così i sistemi di controllo hanno fornito utili esempi da manuale per l'ingegneria dei sistemi.
Lo sviluppo della teoria dell'informazione come punto di partenza fondamentale per l'ingegneria delle comunicazioni, negli anni immediatamente successivi alla seconda guerra mondiale, fu anche influente nel plasmare l'evoluzione dell'ingegneria dei sistemi. Si è scoperto che i vari sottosistemi in molti sistemi completi erano tenuti insieme da quelli che erano, in effetti, canali di comunicazione. Pertanto le idee sul trasferimento di informazioni da una parte all'altra del sistema si sono dimostrate utili per comprendere il funzionamento della struttura nel suo insieme.
Computer e ingegneria dei sistemi
L'ingegneria dei sistemi ha anche beneficiato dell'avvento dei computer e del successivo sviluppo di potenti linguaggi di programmazione di alto livello, che hanno influenzato il campo in due modi principali. In primo luogo, hanno fornito nuovi strumenti per analizzare sistemi complessi mediante calcoli estesi o simulazione diretta. In secondo luogo, potrebbero essere utilizzati per digerire grandi quantità di dati o come componenti effettivi di sistemi complessi, in particolare quelli che si occupano principalmente della trasmissione di informazioni. Ciò ha aperto la possibilità di elaborare le informazioni e di trasmetterle semplicemente in tali sistemi (vedere anche elaborazione delle informazioni).
L'impatto dei problemi relativi alle armi militari sull'ingegneria dei sistemi iniziò subito dopo la seconda guerra mondiale. Una data fondamentale fu il 1945, quando fu avviato lo sviluppo di Nike Ajax, un sistema missilistico di difesa aerea statunitense.
Nel 1945 la propulsione a razzo disponibile sembrava appena sufficiente per dare al missile una portata tattica soddisfacente. È stato scoperto che la portata raggiungibile dipendeva da diversi parametri, come il peso e le dimensioni della testata, la finezza del design aerodinamico del missile, il grado di manovrabilità fornito dal sistema di controllo e la forma della traiettoria e la velocità media lungo di esso. Così è stato avviato un efficace sforzo di ingegneria dei sistemi in cui sono state esplorate una varietà di combinazioni delle proprietà del missile, con l'obiettivo di raggiungere il miglior equilibrio tra portata e altre caratteristiche tattiche.
Anche le domande di controllo e feedback erano aspetti importanti del problema generale dei sistemi. L'intero sistema era in realtà un gigantesco circuito di feedback perché il missile era controllato da ordini inviati da un computer di terra, e l'input del computer includeva informazioni su ciò che il radar di tracciamento osservava il missile fare. Quindi c'era un ciclo di feedback chiuso dal missile al computer e di nuovo al missile. C'erano anche circuiti di feedback sussidiari come quello dell'autopilota che controllava l'assetto del missile, e la risposta dinamica del sistema era ulteriormente influenzata dalla necessità di elaborare i segnali radar per rimuovere il "jitter" del radar. L'analisi di sistemi dinamici così elaborati che coinvolgono percorsi di feedback interlacciati è diventata una parte speciale importante dell'area dei sistemi generali.
Negli anni '50 e '60 l'ingegneria dei sistemi è cresciuta anche in altre direzioni, in gran parte come risultato di progetti di sistemi d'arma associati alla Guerra Fredda. Quindi lo studio dell'Ajax si è occupato della dinamica di un singolo missile isolato. D'altra parte, i sistemi di difesa che sono cresciuti negli anni '50 hanno comportato il funzionamento coordinato di un gran numero di missili, cannoni, intercettori e installazioni radar sparsi su un'area considerevole. Questi erano tutti tenuti insieme da un grande computer digitale, che divenne così l'elemento centrale del sistema. Il sistema SAGE (semiautomatic ground environment) negli Stati Uniti è un buon esempio.
Negli stessi anni l'approccio sistemico si è sempre più identificato anche con le funzioni gestionali. Così la frase "ingegneria dei sistemi e direzione tecnica" è entrata in uso per descrivere il ruolo di un ingegnere di sistemi responsabile sia della pianificazione iniziale di un progetto che della sua gestione successiva. Le cosiddette tecniche di pianificazione, programmazione e budget (PPB) sono state sviluppate per fornire combinazioni simili di ingegneria dei sistemi e gestione finanziaria.
Nei campi non militari l'ingegneria dei sistemi si è sviluppata lungo linee simili, anche se più modeste. È probabile che le prime applicazioni sollecitassero i sistemi di controllo del feedback in impianti di produzione automatizzati su larga scala, come laminatoi di acciaio e raffinerie di petrolio. Le applicazioni successive hanno posto l'accento sui sistemi di controllo e informazioni di gestione basati su computer simili a quelli che erano stati sviluppati in precedenza per la difesa aerea. In anni più recenti l'approccio sistemico è stato occasionalmente applicato a imprese civili molto più grandi, come la pianificazione di nuove città.
