بخشی از مقاله
مهندسي و معماري سيستمها
چكيده
در ايجاد سيستمهايي كه نمونههايي از آنها موجود است، مهندسي سيستمها به كار گرفته ميشود. پيچيدگي اين گونه سيستمها معمولاً كم است. اما وقتي موضوع ايجاد يك سيستم جديد يا سيستمهاي پيچيده كه داراي كنترلپذيري كم هستند، مطرح ميشود مهندسي سيستمها پاسخگو نخواهد بود و معماري سيستمها استفاده ميشود. اين مقاله به معرفي معماري سيستمها، مقايسه معماري سيستمها با مهندسي سيستمها، و متدولوژي معماري سيستمها ميپردازد.
كليدواژه : معماري سيستمها؛ مهندسي سيستمها؛ ايجاد سيستمها؛ سيستمهاي پيچيده؛ سيستمهاي اجتماعي؛ متدواوژي
بيشتر مطالب اين مقاله از ركتين (1991) و ماير و ركتين (2000) گرفته شده است.
1- مراحل ايجاد سيستمها
هر پروژهاي، چه ساخت يك كلبه باشد چه يك هواپيما، با ظهور يا حضور كاربر بالقوه، يك احساس نياز و يك مجموعه از منابع شامل منابع انساني و فيزيكي آغاز ميشود. با بررسي تاريخچه پروژهها، ميبينيم كه بيشتر پروژهها به عنوان تطبيق تكاملي و تدريجي ساختارهاي موجود انجام ميشوند. به عنوان مثال ساختار يك كشتي سالهاست كه طراحي شده است. اين ساختار بر پايه اصولي شكل گرفته كه كمتر تغيير يافته است. آنچه تغيير ميكند و تكامل مييابد تواناييهاي آن ساختار از ابعاد مختلف است؛ مواد اوليه استفاده شده، قابليتهاي فني، ظاهر و غيره. به عنوان مثال ديگر ميتوان به يك سيستم اطلاعات مديريت اشاره كرد. اصول چنين سيستم اطلاعاتي چندين سال است كه پايهريزي شده است و بيشتر تلاشهاي صورت پذيرفته در جهت پيادهسازي، اجرا و
تكميل آن بوده است. در چنين پروژههايي تنها اقتباس سادهاي از ساختارهايي ميشود كه مقصود و مفهوم آنها كاملاً روشن و بديهي است. مراحلي كه در ايجاد چنين سيستمهايي طي ميشود در شكل 1 آمده است (خطهاي وصل كننده به عمد بدون جهتند، يعني اين فرايند رفت و برگشتي است):
اولين مشكلي كه در چنين فرايند سرراستي اتفاق ميافتد هنگامي است كه يك نوع جديد از ساختار در راستاي مفاهيم ساختار موجود مورد نياز باشد كه اصول و فناوريهاي جديدي را طلب كند. اينجاست كه به يك نوع فعاليت مهندسي نياز است (شكل 2).
هر چه ساختار پيچيدهتر ميشود جريان پروژه نيز پيچيدهتر ميشود. معمولاً جريان پروژههاي سيستم را در قالب «مدل آبشاري1» به صورت زير نمايش ميدهند (شكل 3):
در چنين فرايندي گروههاي متفاوتي انجام وظيفه ميكنند و مهندسين سيستم عهدهدار تطبيق عناصر ساختار در جاهايي هستند كه «فصل مشتركها2» ناميده ميشوند.
2- پيچيدگي در سيستمها
واژه «پيچيدگي3» از ابعاد گوناگون قابل بررسي است. از ديدگاه كمي و رياضي، بهترين راه شناخت پيچيدگي آن است كه آن را به مثابه يك مفهوم آماري در نظر بگيريم؛ يعني مفهوم پيچيدگي، برحسب احتمال قرار گرفتن يك سيستم در يك حالت خاص و در يك زمان معين، به بهترين وجه قابل تشريح است. در حالي كه از ديدگاه غيركمي، پيچيدگي را كيفيت يا خاصيتي براي سيستم تلقي ميكنند كه در اثر تلفيق پنج عامل (رضائيان 1376، 100-102) زير به وجود ميآيد:
(1) تعداد عناصر تشكيل دهنده سيستم
(2) ميزان تعامل عناصر مختلف سيستم
(3) نحوه تعامل عناصر مختلف سيستم
(4) ويژگيهاي هر يك از عناصر سيستم
(5) درجه نظام يافتگي ذاتي سيستم
بنابراين اكتفا به برخي از شاخصهاي مذكور براي تشخيص ميزان پيچيدگي، گمراه كننده است. در واقع، براي به دست آوردن يك شاخص معنيدارتر، بايد علاوه بر «تعداد عناصر» و «ميزان تعاملهاي ميان آنها»، «نحوه تعامل»، «ويژگيهاي هر يك از عناصر» و «درجه نظام يافتگي سيستم» نيز مورد ملاحظه قرار گيرند. به اين ترتيب، تحليلگر ميتواند با استفاده از مجموعه اين پنج شاخص، به مجموعه حالتهاي ممكن قابل تصور براي سيستم دست يابد. براي مثال هنگام تعيين حيطه نظارت يك سرپرست، اگر كار خيلي تكراري باشد و اعضاي گروه نيز خوب آموزش ديده باشند، با فرض اينكه هيچ تلاش عمدي براي به زحمت انداختن سرپرست انجام نشود، و نسبت بالايي از تعاملهاي بالقوه به تعامل بالفعل تبديل نشود، سيستم موردنظر، سيستمي ساده تلقي ميشود. البته مجموعه قوانين و
رويههاي موجود نيز ممكن است موجب كاهش قابل ملاحظه تعاملهاي مذكور شود. بنابراين، پيچيدگي يك مفهوم نسبي است كه در اثر تعامل مجموعه عوامل پنجگانه مذكور معين ميشود (نه فقط برخي از آنها، نظير «تعداد عناصر» و «ميزان تعامل»). براي مثال، سرپرستي كه دو متخصص انرژي (كه يكي ذغال سنگ را به مثابه اميدواركنندهترين منبع انرژي آينده در نظر ميگيرد و ديگري بر مزاياي انرژي هستهاي تأكيد دارد؛ يعني وجود ديدگاههاي متفاوت) زير نظر وي كار ميكنند، در مقايسه با كسي كه حدود بيست مهندس نفت را سرپرستي ميكند، با سيستمي بمراتب پيچيدهتر مواجه است.
در واقع دو عامل اول به پيچيدگي «ساختاري» و سه عامل آخر به پيچيدگي «رفتاري» سيستم اشاره دارند. آنچه كه در اين جا مدنظر ماست بيشتر پيچيدگي رفتاري است. در پيچيدگي ساختاري تعداد عناصر سيستم خيلي زياد بوده و ميزان تعامل بين آنها بسيار زياد يا حتي بيشمار است. در پيچيدگي رفتاري روابط علت و معلول كاملاً روشن نيستند و نتايج كوتاه مدت و بلند مدت خيلي متفاوتند. اقدامات اعمال شده بر روي بخشهاي مختلف سيستم نتايج متفاوتي دارند و ممكن است دخالتهاي حساب شده و روشن، نتايج غير قابل پيشبيني و غير منتظره داشته باشند. رفتار كلي سيستم به سختي قابل پيشبيني است. رفتار كلي سيستم در كل قابل مشاهده نبوده و اندازهگيري آن مخرب يا غير قابل انجام است. به سختي ميتوان پيچيدگي رفتاري را بر اساس قوانين حاصل از نظريات بيان نمود چرا كه داده كافي و پايا وجود ندارد (ساسمن 2000).
براي مثال، قوانين و مقررات مدون حاكم بر نحوه تعامل عناصر سيستم و عوامل تعيين كننده ويژگيهاي آن عناصر، بر ميزان پيچيدگي سيستم اثر ميگذارند. برخي براي سنجش ميزان پيچيدگي يك سيستم از دو عامل يا معيار «تعداد عناصر تشكيل دهنده سيستم» و «ميزان تعامل عناصر مختلف سيستم» استفاده ميكنند كه ممكن در برخي موارد سطحي و گمراه كننده باشد. اگر كسي بررسي خود را به اين دو بعد محدود كند، به مسيري هدايت ميشود كه ممكن است موتور ماشين سواري را در شمار سيستمهاي بسيار پيچيده قرار دهد. زيرا موتور ماشين از تعداد قطعات زيادي تشكيل شده و به همين ميزان نيز ميان اجزاي آن تعامل وجود دارد. همچنين براساس اين دو شاخص پيچيدگي
، تعامل ميان دو نفر انسان (يك سيستم اجتماعي)، در شمار سيستمهاي بسيار ساده قرار ميگيرد زيرا اين سيستم فقط دو عنصر دارد و ميان آنها فقط دو رابطه تعاملي قابل تصور است. در صورتي كه اگر فرد مذكور، در تحليل خود به نقش سه عامل ديگر مؤثر بر پيچيدگي (يعني «نحوه تعامل عناصر مختلف سيستم»، «ويژگيهاي هر يك از عناصر» و «درجه نظام يافتگي ذاتي سيستم») نيز توجه كند، به نتيجه ديگري خواهد رسيد. در مورد موتور ماشين، تحليلگر مشاهده خواهد كرد كه ميزان تعامل موجود ميان قطعات آن، از قوانين و توالي معيني تبعيت ميكنند و ويژگيهاي عناصر آن از پيش تعيين شدهاند. بدين ترتيب با استفاده از اين پنج شاخص پيچيدگي، تحليلگر متوجه ميشود كه موتور ماشين در واقع يك سيستم بسيار ساده است در حالي كه سيستم «تعامل ميان دو انسان» كه به ظاهر ساده به نظر ميرسيد، در واقع سيستم بسيار پيچيدهاي است زيرا ويژگيهاي هيچ يك از عناصر آن، از پيش قابل تعيين نيستند. از آنجا كه احتمال شرطي بودن رفتار آنها، عليرغم وجود برخي قوانين ثابت در مكالمه و تعامل، بسيار كم است، نتيجه نهايي تعامل يا گفتگو قابل پيشبيني نيست زيرا عناصر اين سيستم در رعايت يا عدم رعايت آداب معاشرت، آزادي عمل دارند و درجه قابليت پيشبيني حالت نهايي برخورد آنها، بسيار پايين است. بنابراين، تحليلگر متوجه ميشود كه اين سيستم دو نفره، در واقع يك سيستم بسيار پيچيده است.
3- پيچيدگي و كنترلپذيري (رضائيان 1376، 80-83)
در صورتي كه ويژگي «ميزان پيچيدگي» را مبناي طبقهبندي سيستمها فرض كنيم، مجموعهاي مشتمل بر سيستمهاي ساده، سيستمهاي پيچيده، و سيستمهاي بسيار پيچيده قابل تشخيص خواهد بود.
سيستم ساده، سيستمي است كه تعداد اجزاي تشكيل دهنده آن كم بوده و روابط محدودي ميان آنها برقرار باشد در حالي كه سيستم پيچيده، سيستمي است كه داراي اجزاي بسيار زياد و به هم وابستهاي باشد و سيستم بسيار پيچيده نيز سيستمي است كه شناسايي و تشريح دقيق اجزاء و ويژگيهاي آن، امكانپذير نباشد.
ويژگي دوم (قابليت پيشبيني) با ماهيت سيستم از حيث «ميزان قطعي بودن يا احتمالي بودن»، سر و كار دارد. در اين مورد، دو وضعيت قابل تصور است: در وضعيت اول، اجزاي سيستم به گونهاي كاملاً قابل پيشبيني با يكديگر تعامل دارند در حالي كه در وضعيت ديگر، رفتار سيستم قابل پيشبيني نيست، ولي ممكن است آنچه اتفاق ميافتد، قابل پيشبيني باشد.
رفتار سيستمهاي قطعي قابل پيشبيني است و سازمانها در شمار مصاديق آنها قرار نميگيرند (برخلاف سيستمهاي باز كه شامل سازمانها نيز ميشوند). از اين رو، بندرت جلب توجه ميكنند. مجموعه سيستمهاي قطعي، سيستمهايي نظير قرقره، ماشين تحرير، ماشينهاي اداري، پردازش قطعات بر روي خط توليد، پردازش خودكار چك در بانك، و غيره را در بر ميگيرد كه در همه آنها خروجي سيستم از طريق نظارت بر وروديهاي سيستم، كنترل ميشود.
پس از سيستمهاي قطعي ساده، سيستمهاي قطعي پيچيده مطرح ميشوند كه فقط از حيث «درجه پيچيدگي» با هم تفاوت دارند؛ براي مثال، كامپيوترها كه بسيار پيچيدهتر از «سيستمهاي قطعي ساده» هستند، به طور كاملاً قابل پيشبيني كار ميكنند. وجوه تمايز اين دستهها، نسبي و نامعين است. براي مثال، كامپيوترها به منزله سيستمهاي قطعي پيچيده مطرح شدند در حالي كه ممكن است از نظر يك متخصص، فاقد پيچيدگي باشند. همچنين بسياري از افراد، موتور يك خودرو را سيستمي پيچيده به شمار ميآورند در حالي كه همين سيستم، از نظر «نيروهاي فني» يك سيستم قطعي ساده محسوب ميشود. در همه مثالهاي فوق، ماهيت سيستم «يك حالته» است يعني رفتار آن به وسيله ترتيب ساختاري عناصر تشكيل دهندهاش معين ميشود زيرا اگر ترتيب عناصر يك «سيستم قطعي» صحيح باشد، طبق الگويي كه برايش تعيين شده است، عمل خواهد كرد.
اگر تعداد حالتهاي قابل تصور براي نتايج عملكرد يك سيستم، بيشتر از يك باشد، ماهيت سيستم «احتمالي» است. مجموعه مصاديق سيستمهاي احتمالي، از سادهترين موارد ممكن (مانند پرتاب سكه كه فقط دو حالت محتمل دارد) تا پيچيدهترين سيستمهاي اجتماعي و سازمانها را (كه حالتهاي محتمل بسياري براي آنها قابل تصور است) در بر ميگيرد.
مثالهايي نظير سيستم كنترل كيفيت و تناوب توقف دستگاهها، براي سيستمهاي احتمالي ساده مطرح ميشوند. در فرايندهاي توليد دستي، با توجه به تفاوتهاي فردي كاركنان، ممكن است كيفيت محصولات توليدي متفاوت باشد به همين دليل، براي تضمين حداقل كيفيت مورد نظر، از فنون كنترل كيفيت آماري استفاده ميشود. همچنين با توجه به ميزان فرسودگي قطعات و تناوب استفاده از يك ماشين، بايد آن را در فواصل زماني معيني تعمير كرد. در چنين مواردي نيز توصيه ميشود كه براي كنترل، از روشهاي آماري استفاده شود.
با افزايش پيچيدگي يك سيستم احتمالي و افزوده شدن بر تعداد حالتهاي ممكن براي آن، پيشبيني نتايج عملكرد و كنترل رفتار آن سيستم، دشوارتر خواهد شد. در واقع، كنترل وروديهاي يك سيستم قطعي ممكن است به پيشبيني خروجيهاي آن بينجامد در حالي كه كنترل وروديهاي يك سيستم احتمالي فقط ميتواند به پيشبيني دامنه نوسانات خروجيها منجر شود.
سيستمهايي نظير انسان، سازمانهاي بزرگ، و سيستمهاي اقتصادي و اجتماعي، نمونههايي از سيستمهاي احتمالي بسيار پيچيده هستند. اينگونه سيستمها، حالتهاي رفتاري و علمكردي متغيري دارند. براي مثال، يك سازمان بزرگ كه خود از خرده سيستمهاي زيادي تشكيل شده است، با سيستمهاي بيروني متعددي مانند دولت، رقبا، اتحاديهها، تأمين كنندگان مواد اوليه، و بانكها سر و كار دارد. گاهي تعامل واحدهاي داخلي و اجزاي تشكيل دهنده سازمان با خرده سيستمهاي محيطي، آنقدر با ظرافت و پويايي صورت ميگيرد كه تعريف تفصيلي سيستم را غيرممكن ميسازد.
سيستمهاي احتمالي ساده با روشهاي آماري كنترل ميشوند. در حالي كه سيستمهاي احتمالي پيچده را بايد با روشهاي پيچيده پژوهش در عمليات كنترل كرد. البته كارآيي روشهاي پژوهش در عمليات نيز محدود است به طوري كه براي كنترل «سيستمهاي احتمالي بسيار پيچيده» (كه به طور دقيق قابل تعريف نيستند) كفايت ندارند زيرا اين گونه سيستمها، جزئياتي غيرقابل تعريف دارند و نميتوان آنها را با «روش سنتي تجزيه و تحليل» بررسي كرد.
در محيطهاي كاري بندرت با سيتمهاي قطعي مواجه ميشويم زيرا بيشتر سيستمها، هم از حيث ساختاري و هم از حيث رفتاري، سيستمهايي احتمالي به شمار ميآيند. در واقع هر سيستمي كه علمكرد آن احتمالاً توأم با درصدي از خطاست، سيستمي احتمالي محسوب ميشود. بررسي اينگونه سيستمها و روشهاي كنترل آنها، معمولاً به صورت مجرد و انتزاعي انجام ميگيرد. با وجود اين، نتايج حاصل از اين بررسيها، در سيستمهاي واقعي نيز قابل استفاده هستند.
4- پيچيدگي در سيستمهاي اجتماعي
سيستمهاي اجتماعي، سيستمهاي بسيار پيچيدهاي از جنبه ساختاري و رفتاري هستند. انسان به همراه نقشهاي خود، اصليترين جزء اين گونه سيستمهاست. هر سيستم اجتماعي شامل تعداد قابل ملاحظهاي از افراد، گروه و واحدهاي سازماني است كه از جنبههاي مختلفي با هم ديگر تعامل دارند. فرهنگ، ارزش، اعتقادات، مسائل سياسي، اقتصادي، اجتماعي، و حرفهاي چيزهايي است كه بر نحوه تعامل بين آنها تأثير ميگذارد. اثرات ناشي از اين عوامل و نحوه تعاملات حاصل به سختي قابل بررسي است. عناصر سيستمهاي اجتماعي از پويايي زيادي برخوردارند. سيستمهاي اجتماعي كمتر نظم يافته هستند و به مرور زمان تغيير ميكنند. اهداف سيستمهاي اجتماعي در طول زمان دستخوش تغيير ميشوند. به عنوان يك سيستم باز، محيط سيستمهاي اجتماعي تأثير زياد بر آن ميگذارد و تشخيص اين تأثير دشوار است. اطلاعات در مورد شرايط سيستم كم يا غيرقابل دستيابي است. مسائل سيستمهاي اجتماعي چند بعدي، مهم و وابسته به يكديگر هستند.
شرايط فوق عموماً در سيستمهاي اجتماعي وجود دارند اما ميزان پيچيدگي در بين سيستمهاي اجتماعي متفاوت است. به عنوان مثال، پيچيدگي در يك سازمان بوروكراتيك كمتر از پيچيدگي يك سازمان نوآورانه است و پيچدگي يك جامعه خيلي بيشتر از پيچيدگي يك سازمان معمولي است. آنچه كه در اينجا مد نظر ماست سيستمهاي اجتماعي بسيار پيچيده هستند كه كاهش پيچيدگي آنها دشوار يا غير ممكن است.
5- ايجاد سيستمهاي پيچيده
آنچه در مورد مراحل ايجاد سيستم در بخش 1 گفته شد مراحل عمومي همه سيستمها بود. اما در سيستمهاي پيچيده اين مراحل به تنهايي نميتوانند پاسخگوي ما باشند. در سيستمهاي پيچيده ممكن است نيازها و مسائل به خوبي تعريف نشده باشند. سفارش دهنده سيستم تصوير و آگاهي كامل از آنچه كه مطلوب اوست ندارد. نيازهاي وي ممكن است با هم سازگار نباشند. ساختار سيستم مانند سيستمهاي معمول تعريف شده نيست. مفاهيم و مباني سيستم موجود نيستند يا مدون نشدهاند. روشهاي كمي و استفاده ازروشهاي تحليلي نميتواند همه ابعاد سيستم را مورد بررسي قرار دهد چرا كه خيلي از عناصر، ويژگيهاي آنها و تعامل آنها با ديگر عناصر داراي مباني روشن، تعريف شده و كمي نيستند. مهندسي سيستم نميتواند به صورت كامل مفاهيم و مباني سيستم را تعريف و تدوين نمايد. خروجيهاي سيستم به سادگي قابل پيشبيني نيستند. عوامل اجتماعي، سياسي، اقتصادي و فناورانه زيادي بر سيستم تأثير ميگذارند.
شرايط فوق باعث ميشوند در كنار توسعه مهندسي سيستمها، حوزه معماري سيستمها نيز شكل گرفته و توسعه يابد كه ريشه در مقايسه مهندسي ساختمان و معماري ساختمان و رابطه بين آنها دارد. مهندس ساختمان با استفاده از اصول مهندسي سعي در ارائه طرحي دارد كه داراي ويژگيهاي فني و كاربري مورد نياز بوده و نكات مهندسي در آن رعايت شده باشد. اما معمار ساختمان سعي در ارائه ساختاري دارد كه تا حد ممكن منطبق بر نياز مشتري باشد و عوامل اقليمي، فرهنگي، زيباشناختي، همخواني با محيط و غيره در آن رعايت شده باشند. بخشي از كار معمار ساختمان هنري و ذهني است كه از تجربه، شناخت و بينش حاصل شده است و جنبه كمي و مهندسي ندارد.
6- معماري سيستمها
معماري در پاسخ به مسائل بسيار پيچيدهاي ظاهر ميشود كه نميتوانند با استفاده از قواعد و رويههاي از پيش وضع شده حل شوند. تعريف كلاسيك معماري عبارتست از «طرحريزي و ساخت ساختارها». اگر واژه «ساختار» در سطح وسيعتري شامل آرايشها و تركيبها، چارچوبها و شبكهها و سيستمها فرض شود آنگاه معماري سيستمها، طرحريزي و ساخت سيستمهاست. معماري سيستمها تركيبي از اصول و مفاهيم سيستمها و معماري است. به بيان ديگر معماري سيستمها، نظريه سيستمها و مهندسي سيستمها را با نظريه، رسم و رسوم و حرفه معماري تركيب ميكند. هسته معماري در مفهومسازي4 سيستم است. در زير مقايسهاي بين واژگان معماري و مهندسي شده است:
ساختار5 (يا معماري6 ) ماشين7
معماري8
مهندسي9
معمار10
مهندس11
اساس معماري، ساختاربندي12 است. ساختاربندي يعني تبديل شكل13 به كاركرد14 ، ايجاد نظم و ترتيب در هرج و مرج يا تبديل ايدههاي ناقص شكل گرفته يك مشتري به يك مدل مفهومي عملي. ايجاد تعادل بين نيازها، هماهنگ كردن فصل مشتركها و بين افراط و تفريط حد واسط را گرفتن، فنون كليدي ساختاربندي هستند.
7- معماري سيستمها در مقابل مهندسي سيستمها
يك بعد از مقايسه معماري و مهندسي سيستمها، بررسي جايگاه آنها در مراحل ايجاد سيستمهاست. در شكل 4 مدل آبشاري ترسيم شده از مراحل ايجاد سيستم در بخش 1، توسعه داده شده و جايگاه معماري سيستمها در آن مشخص شده است. جايگاه معماري چه در شكل زير و چه در عمل، به جاي اينكه به طور مستقيم در جريان ايجاد سيستم قرار گيرد در يك طرف آن قرار داشته و موازي با آن است. ارتباط بين مشتري و معماري بايد خيلي قوي باشد به گونهاي كه اغلب معمار نماينده مشتري است حتي اگر از جهت قراردادي به واسطه سازنده يا شخص ثالثي استخدام شده باشد.
