مهندسی و معماری سیستم ها

در ایجاد سیستم هایی كه نمونه هایی از آنها موجود است, مهندسی سیستم ها به كار گرفته می شود پیچیدگی این گونه سیستم ها معمولاً كم است اما وقتی موضوع ایجاد یك سیستم جدید یا سیستم های پیچیده كه دارای كنترل پذیری كم هستند, مطرح می شود مهندسی سیستم ها پاسخگو نخواهد بود و معماری سیستم ها استفاده می شود

۱- مراحل ایجاد سیستم‌ها

هر پروژه‌ای، چه ساخت یك كلبه باشد چه یك هواپیما، با ظهور یا حضور كاربر بالقوه، یك احساس نیاز و یك مجموعه از منابع شامل منابع انسانی و فیزیكی آغاز می‌شود. با بررسی تاریخچه پروژه‌ها، می‌بینیم كه بیشتر پروژه‌ها به عنوان تطبیق تكاملی و تدریجی ساختار‌های موجود انجام می‌شوند. به عنوان مثال ساختار یك كشتی سالهاست كه طراحی شده است. این ساختار بر پایه اصولی شكل گرفته كه كمتر تغییر یافته است. آنچه تغییر می‌كند و تكامل می‌یابد تواناییهای آن ساختار از ابعاد مختلف است؛ مواد اولیه استفاده شده، قابلیتهای فنی، ظاهر و غیره. به عنوان مثال دیگر می‌توان به یك سیستم اطلاعات مدیریت اشاره كرد. اصول چنین سیستم اطلاعاتی چندین سال است كه پایه‌ریزی شده است و بیشتر تلاش‌های صورت پذیرفته در جهت پیاده‌سازی، اجرا و تكمیل آن بوده است. در چنین پروژه‌هایی تنها اقتباس ساده‌ای از ساختارهایی می‌شود كه مقصود و مفهوم آنها كاملاً روشن و بدیهی است.

اولین مشكلی كه در چنین فرایند سرراستی اتفاق می‌افتد هنگامی است كه یك نوع جدید از ساختار در راستای مفاهیم ساختار موجود مورد نیاز باشد كه اصول و فناوری‌های جدیدی را طلب كند. اینجاست كه به یك نوع فعالیت مهندسی نیاز است.در چنین فرایندی گروه‌های متفاوتی انجام وظیفه می‌كنند و مهندسین سیستم عهده‌دار تطبیق عناصر ساختار در جاهایی هستند كه «فصل مشترك‌ها۲» نامیده می‌شوند.

۲- پیچیدگی در سیستم‌ها

واژه «پیچیدگی۳» از ابعاد گوناگون قابل بررسی است. از دیدگاه كمی و ریاضی، بهترین راه شناخت پیچیدگی آن است كه آن را به مثابه یك مفهوم آماری در نظر بگیریم؛ یعنی مفهوم پیچیدگی، برحسب احتمال قرار گرفتن یك سیستم در یك حالت خاص و در یك زمان معین، به بهترین وجه قابل تشریح است. در حالی كه از دیدگاه غیركمی، پیچیدگی را كیفیت یا خاصیتی برای سیستم تلقی می‌كنند كه در اثر تلفیق پنج عامل (رضائیان ۱۳۷۶، ۱۰۰-۱۰۲) زیر به وجود می‌آید:

(۱) تعداد عناصر تشكیل دهنده سیستم

(۲) میزان تعامل عناصر مختلف سیستم

(۳) نحوه تعامل عناصر مختلف سیستم

(۴) ویژگیهای هر یك از عناصر سیستم

(۵) درجه نظام یافتگی ذاتی سیستم

بنابراین اكتفا به برخی از شاخصهای مذكور برای تشخیص میزان پیچیدگی، گمراه كننده است. در واقع، برای به دست آوردن یك شاخص معنی‌دارتر، باید علاوه بر «تعداد عناصر» و «میزان تعاملهای میان آنها‍»، «نحوه تعامل»، «ویژگیهای هر یك 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 ممكن قابل تصور برای سیستم دست یابد. برای مثال هنگام تعیین حیطه نظارت یك سرپرست، اگر كار خیلی تكراری باشد و اعضای گروه نیز خوب آموزش دیده باشند، با فرض اینكه 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 ممكن است موجب كاهش قابل ملاحظه تعاملهای مذكور شود. بنابراین، پیچیدگی یك مفهوم نسبی است كه در اثر تعامل مجموعه عوامل پنج‌گانه مذكور معین می‌شود (نه فقط برخی از آنها، نظیر «تعداد عناصر‍» و «میزان تعامل»). برای مثال، سرپرستی كه دو متخصص انرژی (كه یكی ذغال سنگ را به مثابه امیدواركننده‌ترین منبع انرژی آینده در نظر می‌گیرد و دیگری بر مزایای انرژی هسته‌ای تأكید دارد؛ یعنی وجود دیدگاه‌های متفاوت) زیر نظر وی كار می‌كنند، در مقایسه با كسی كه حدود بیست مهندس نفت را سرپرستی می‌كند، 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 كه 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 كاملاً روشن نیستند و نتایج كوتاه مدت و بلند مدت خیلی متفاوتند. اقدامات اعمال شده بر روی بخش‌های مختلف سیستم نتایج متفاوتی دارند و ممكن است دخالت‌های حساب شده و روشن، نتایج غیر قابل پیش‌بینی و غیر منتظره داشته باشند. رفتار كلی سیستم به سختی قابل پیش‌بینی است. رفتار كلی سیستم در كل 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 كه داده كافی و پایا وجود ندارد (ساسمن ۲۰۰۰).

برای مثال، قوانین و مقررات مدون حاكم بر نحوه تعامل عناصر سیستم و عوامل تعیین كننده ویژگیهای آن عناصر، بر میزان پیچیدگی سیستم اثر می‌گذارند. برخی برای سنجش میزان پیچیدگی یك سیستم از دو عامل یا معیار «تعداد عناصر تشكیل دهنده سیستم» و «میزان تعامل عناصر مختلف سیستم» استفاده می‌كنند كه ممكن در برخی موارد سطحی و گمراه كننده باشد. اگر كسی بررسی خود را به این دو بعد محدود كند، به مسیری هدایت می‌شود كه ممكن است موتور ماشین سواری را در شمار سیستم‌های بسیار پیچیده قرار دهد. زیرا موتور ماشین از تعداد قطعات زیادی تشكیل شده و به همین میزان نیز میان اجزای آن تعامل وجود دارد. همچنین براساس این دو شاخص پیچیدگی، تعامل میان دو نفر انسان (یك 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 كه اگر فرد مذكور، در تحلیل خود به نقش سه عامل دیگر مؤثر بر پیچیدگی (یعنی «نحوه تعامل عناصر مختلف سیستم»، «ویژگیهای هر یك از عناصر» و «درجه نظام یافتگی ذاتی سیستم») نیز توجه كند، به نتیجه دیگری خواهد رسید. در مورد موتور ماشین، تحلیلگر مشاهده خواهد كرد كه میزان تعامل موجود میان قطعات آن، از قوانین و توالی معینی تبعیت می‌كنند و ویژگیهای عناصر آن از پیش تعیین شده‌اند. بدین ترتیب با استفاده از این پنج شاخص پیچیدگی، تحلیلگر متوجه می‌شود كه موتور ماشین در واقع یك سیستم بسیار ساده است در حالی كه سیستم «تعامل میان دو انسان» كه به ظاهر ساده به نظر می‌رسید، در واقع سیستم بسیار پیچیده‌ای است زیرا ویژگیهای هیچ یك از عناصر آن، از پیش قابل تعیین نیستند. از آنجا كه احتمال شرطی بودن رفتار آنها، علی‌رغم وجود برخی قوانین ثابت در مكالمه و تعامل، بسیار كم 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 كه این سیستم دو نفره، در واقع یك سیستم بسیار پیچیده است.

۳- پیچیدگی و كنترل‌پذیری (رضائیان ۱۳۷۶، ۸۰-۸۳)

در صورتی كه ویژگی «میزان پیچیدگی» را مبنای طبقه‌بندی سیستمها فرض كنیم، مجموعه‌ای مشتمل بر سیستمهای ساده، سیستمهای پیچیده، و سیستمهای بسیار پیچیده قابل تشخیص خواهد بود.

سیستم ساده، سیستمی است كه تعداد اجزای تشكیل دهنده آن كم بوده و روابط محدودی میان آنها برقرار باشد در حالی كه سیستم پیچیده، سیستمی است كه دارای اجزای بسیار زیاد و به هم وابسته‌ای باشد و سیستم بسیار پیچیده نیز سیستمی است كه شناسایی و تشریح دقیق اجزاء و ویژگی‌های آن، امكانپذیر نباشد.

ویژگی دوم (قابلیت پیش‌بینی) با ماهیت سیستم از حیث «میزان قطعی بودن یا احتمالی بودن»، سر و كار دارد. در این مورد، دو وضعیت قابل تصور است: در وضعیت اول، اجزای سیستم به گونه‌ای كاملاً قابل پیش‌بینی با یكدیگر تعامل دارند در حالی كه در وضعیت دیگر، رفتار سیستم قابل پیش‌بینی نیست، ولی ممكن است آنچه اتفاق می‌افتد، قابل پیش‌بینی باشد.

رفتار سیستمهای قطعی قابل پیش‌بینی است و سازمانها در شمار مصادیق آنها قرار نمی‌گیرند (برخلاف سیستمهای باز كه شامل سازمانها نیز می‌شوند). از این رو، بندرت جلب توجه می‌كنند. مجموعه سیستمهای قطعی، سیستمهایی نظیر قرقره، ماشین تحریر، ماشینهای اداری، پردازش قطعات بر روی خط تولید، پردازش خودكار چك در بانك، و غیره را در بر می‌گیرد كه در همه آنها خروجی سیستم از طریق نظارت بر ورودیهای سیستم، كنترل می‌شود.

پس از سیستمهای قطعی ساده، سیستمهای قطعی پیچیده مطرح می‌شوند كه فقط از حیث «درجه پیچیدگی» با هم تفاوت دارند؛ برای مثال، كامپیوترها كه بسیار پیچیده‌تر از «سیستمهای قطعی ساده» هستند، به طور كاملاً قابل پیش‌بینی كار می‌كنند. وجوه تمایز این دسته‌ها، نسبی و نامعین است. برای مثال، كامپیوترها به منزله سیستمهای قطعی پیچیده مطرح شدند در حالی كه ممكن است از نظر یك متخصص، فاقد پیچیدگی باشند. همچنین بسیاری از افراد، موتور یك خودرو را سیستمی پیچیده به شمار می‌آورند در حالی كه همین سیستم، از نظر «نیروهای فنی» یك سیستم قطعی ساده محسوب می‌شود. در همه مثالهای فوق، ماهیت سیستم «یك حالته» است یعنی رفتار آن به وسیله ترتیب ساختاری عناصر تشكیل دهنده‌اش معین می‌شود زیرا اگر ترتیب عناصر یك «سیستم قطعی» صحیح باشد، طبق الگویی كه برایش تعیین شده است، عمل خواهد كرد.

اگر تعداد حالتهای قابل تصور برای نتایج عملكرد یك سیستم، بیشتر از یك باشد، ماهیت سیستم «احتمالی» است. مجموعه مصادیق سیستمهای احتمالی، از ساده‌ترین موارد ممكن (مانند پرتاب سكه كه فقط دو حالت محتمل دارد) تا پیچیده‌ترین سیستمهای اجتماعی و سازمانها را (كه حالتهای محتمل بسیاری برای آنها قابل تصور است) در بر می‌گیرد.

مثالهایی نظیر سیستم كنترل كیفیت و تناوب توقف دستگاهها، برای سیستمهای احتمالی ساده مطرح می‌شوند. در فرایندهای تولید دستی، با توجه به تفاوتهای فردی كاركنان، ممكن است كیفیت محصولات تولیدی متفاوت باشد به همین دلیل، برای تضمین حداقل كیفیت مورد نظر، از فنون كنترل كیفیت آماری استفاده می‌شود. همچنین با توجه به میزان فرسودگی قطعات و تناوب استفاده از یك ماشین، باید آن را در فواصل زمانی معینی تعمیر كرد. در چنین مواردی نیز توصیه می‌شود كه برای كنترل، از روشهای آماری استفاده شود.

با افزایش پیچیدگی یك سیستم احتمالی و افزوده شدن بر تعداد حالتهای ممكن برای آن، پیش‌بینی نتایج عملكرد و كنترل رفتار آن سیستم، دشوارتر خواهد شد. در واقع، كنترل ورودیهای یك سیستم قطعی ممكن است به پیش‌بینی خروجیهای آن بینجامد در حالی كه كنترل ورودیهای یك 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 علمكردی متغیری دارند. برای مثال، یك سازمان بزرگ كه خود از خرده سیستمهای زیادی تشكیل شده است، با سیستمهای بیرونی متعددی مانند دولت، رقبا، اتحادیه‌ها، تأمین كنندگان مواد اولیه، و بانكها سر و كار دارد. گاهی تعامل واحدهای داخلی و اجزای تشكیل دهنده سازمان با خرده سیستمهای محیطی، آنقدر با ظرافت و پویایی صورت می‌گیرد كه تعریف تفصیلی سیستم را غیرممكن می‌سازد.

سیستمهای احتمالی ساده با روشهای آماری كنترل می‌شوند. در حالی كه سیستمهای احتمالی پیچده را باید با روشهای پیچیده پژوهش در عملیات كنترل كرد. البته كارآیی روشهای پژوهش در عملیات نیز محدود است به طوری كه برای كنترل «سیستمهای احتمالی بسیار پیچیده» (كه به طور دقیق قابل تعریف نیستند) كفایت ندارند زیرا این گونه سیستمها، جزئیاتی غیرقابل تعریف دارند و نمی‌توان آنها را با «روش سنتی تجزیه و تحلیل» بررسی كرد.

در محیطهای كاری 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 كه علمكرد آن احتمالاً توأم با درصدی از خطاست، سیستمی احتمالی محسوب می‌شود. بررسی اینگونه سیستمها و روشهای كنترل آنها، معمولاً به صورت مجرد و انتزاعی انجام می‌گیرد. با وجود این، نتایج حاصل از این بررسیها، در سیستمهای واقعی نیز قابل استفاده هستند.

نویسنده: مجید امیدوار

پی‌نوشت‌ها

۱. waterfall model

۲. interfaces

۳. complexity

۴. conceptualization

۵. structure

۶. architecture

۷. engine

۸. architecting

۹. engineering

۱۰. architect

۱۱. engineer

۱۲. structuring

۱۳. form

۱۴. function

۱۵. closed-form

۱۶. open architecture

۱۷. normative

۱۸. rational

۱۹. participative

۲۰. heuristic

۲۱. concurrent engineering

۲۲. common sense

مراجع

رضائیان، علی. ۱۳۷۶. تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم. تهران: سمت.

Maier, M. W., and Rechtin, E. ۲۰۰۰. The Art of Systems Architecting. ۲nd ed. New York. CRC Press.

Rechtin, E. ۱۹۹۱. Systems Architecting: Creating and Building Complex Systems. London: Printice Hall.

Sussman, JR., J. M. ۲۰۰۰. Ideas on complexity in systems: Twenty views. MIT Engineering Systems Division Working Papers Series ESD-WP-۲۰۰۰-۰۲.

---