Ingeniería de sistemas

El ámbito tradicional de la ingeniería abarca la concepción, el diseño, el desarrollo, la producción y el funcionamiento de sistemas físicos. La ingeniería de sistemas, tal como se concibió originalmente, se enmarca dentro de este ámbito. En este sentido, la "ingeniería de sistemas" se refiere a la construcción de conceptos de ingeniería.

El uso del término «ingeniero de sistemas» ha evolucionado con el tiempo para abarcar un concepto más amplio e integral de «sistemas» y de procesos de ingeniería. Esta evolución de la definición ha sido objeto de controversia constante, ^{[ 13 ]} y el término continúa aplicándose tanto a un ámbito más restringido como a uno más amplio.

La ingeniería de sistemas tradicional se consideraba una rama de la ingeniería en el sentido clásico, es decir, aplicada únicamente a sistemas físicos, como naves espaciales y aeronaves. Más recientemente, la ingeniería de sistemas ha evolucionado para adquirir un significado más amplio, especialmente cuando se ha considerado a los seres humanos como un componente esencial de un sistema. Peter Checkland , por ejemplo, capta el significado más amplio de la ingeniería de sistemas al afirmar que «ingeniería» «puede interpretarse en su sentido general; se puede diseñar una reunión o un acuerdo político». ^{[ 14 ] : 10}

En consonancia con el alcance más amplio de la ingeniería de sistemas, el Cuerpo de Conocimientos de Ingeniería de Sistemas (SEBoK) ^{[ 15 ]} ha definido tres tipos de ingeniería de sistemas:

• La ingeniería de sistemas de producto (PSE, por sus siglas en inglés) es la ingeniería de sistemas tradicional centrada en el diseño de sistemas físicos compuestos de hardware y software.
• La ingeniería de sistemas empresariales (ESE, por sus siglas en inglés) se refiere a la visión de las empresas, es decir, las organizaciones o combinaciones de organizaciones, como sistemas.
• La ingeniería de sistemas de servicios (SSE, por sus siglas en inglés) se ocupa de la ingeniería de sistemas de servicios. Checkland define un sistema de servicios como un sistema concebido para servir a otro sistema. ^{[ 14 ]} La mayoría de los sistemas de infraestructura civil son sistemas de servicios.

La ingeniería de sistemas se centra en analizar y obtener las necesidades del cliente y la funcionalidad requerida al inicio del ciclo de desarrollo , documentar los requisitos y, posteriormente, proceder con la síntesis del diseño y la validación del sistema, considerando el problema completo y el ciclo de vida del sistema . Esto incluye comprender plenamente a todas las partes interesadas. Oliver et al. afirman que el proceso de ingeniería de sistemas se puede descomponer en:

• Un proceso técnico de ingeniería de sistemas
• Un proceso de gestión de ingeniería de sistemas

Dentro del modelo de Oliver, el objetivo del Proceso de Gestión es organizar el esfuerzo técnico en el ciclo de vida, mientras que el Proceso Técnico incluye evaluar la información disponible , definir medidas de efectividad , crear un modelo de comportamiento , crear un modelo de estructura , realizar un análisis de compensaciones y crear un plan secuencial de construcción y prueba . ^{[ 16 ]}

Dependiendo de su aplicación, si bien existen varios modelos que se utilizan en la industria, todos ellos buscan identificar la relación entre las distintas etapas mencionadas anteriormente e incorporar la retroalimentación. Ejemplos de estos modelos incluyen el modelo en cascada y el modelo VEE (también llamado modelo V). ^{[ 17 ]}

El desarrollo de sistemas a menudo requiere la contribución de diversas disciplinas técnicas. ^{[ 18 ]} Al proporcionar una visión sistémica ( holística ) del esfuerzo de desarrollo, la ingeniería de sistemas ayuda a integrar a todos los colaboradores técnicos en un esfuerzo de equipo unificado, formando un proceso de desarrollo estructurado que avanza desde el concepto hasta la producción, la operación y, en algunos casos, la terminación y la eliminación. En una adquisición, la disciplina integradora holística combina las contribuciones y equilibra las compensaciones entre costo, cronograma y rendimiento, manteniendo un nivel de riesgo aceptable que abarca todo el ciclo de vida del elemento. ^{[ 19 ]}

Esta perspectiva se reproduce a menudo en los programas educativos, ya que los cursos de ingeniería de sistemas son impartidos por profesores de otros departamentos de ingeniería, lo que ayuda a crear un entorno interdisciplinario. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

La necesidad de la ingeniería de sistemas surgió con el aumento de la complejidad de los sistemas y proyectos, lo que a su vez incrementó exponencialmente la posibilidad de fricción entre componentes y, por consiguiente, la falta de fiabilidad del diseño. En este contexto, la complejidad abarca no solo los sistemas de ingeniería, sino también la organización lógica humana de los datos. Asimismo, un sistema puede volverse más complejo debido a un aumento de tamaño, así como a un incremento en la cantidad de datos, variables o campos involucrados en el diseño. La Estación Espacial Internacional es un ejemplo de este tipo de sistema.

El desarrollo de algoritmos de control más inteligentes , el diseño de microprocesadores y el análisis de sistemas ambientales también entran dentro del ámbito de la ingeniería de sistemas. La ingeniería de sistemas fomenta el uso de herramientas y métodos para comprender y gestionar mejor la complejidad de los sistemas. Algunos ejemplos de estas herramientas se pueden ver aquí: ^{[ 22 ]}

• Arquitectura del sistema
• Modelo de sistema , modelado y simulación
• Optimización matemática
• dinámica de sistemas
• Análisis de sistemas
• Análisis estadístico
• Ingeniería de confiabilidad
• Toma de decisiones

Adoptar un enfoque interdisciplinario en la ingeniería de sistemas es inherentemente complejo, ya que el comportamiento y la interacción entre los componentes del sistema no siempre están bien definidos o comprendidos de inmediato. Definir y caracterizar dichos sistemas y subsistemas, así como las interacciones entre ellos, es uno de los objetivos de la ingeniería de sistemas. De esta manera, se logra superar la brecha existente entre los requisitos informales de usuarios, operadores y organizaciones de marketing , y las especificaciones técnicas .

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Los principios de la ingeniería de sistemas  —holismo, comportamiento emergente, límites, etc.—  pueden aplicarse a cualquier sistema, complejo o no, siempre que se emplee el pensamiento sistémico en todos los niveles. ^{[ 24 ]} Además de la defensa y la industria aeroespacial, muchas empresas de información y tecnología, empresas de desarrollo de software e industrias del sector de la electrónica y las comunicaciones requieren ingenieros de sistemas como parte de su equipo. ^{[ 25 ]}

Un análisis del Centro de Excelencia en Ingeniería de Sistemas (SECOE) de INCOSE indica que el esfuerzo óptimo dedicado a la ingeniería de sistemas es aproximadamente del 15 al 20 % del esfuerzo total del proyecto. ^{[ 26 ]} Al mismo tiempo, los estudios han demostrado que la ingeniería de sistemas conduce esencialmente a una reducción de costos, entre otros beneficios. ^{[ 26 ]} Sin embargo, hasta hace poco no se había realizado ninguna encuesta cuantitativa a gran escala que abarcara una amplia variedad de industrias. Dichos estudios están en marcha para determinar la efectividad y cuantificar los beneficios de la ingeniería de sistemas. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

La ingeniería de sistemas fomenta el uso de modelos y simulaciones para validar supuestos o teorías sobre los sistemas y las interacciones dentro de ellos. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

En ingeniería de seguridad , el uso de métodos que permiten la detección temprana de posibles fallos se integra en el proceso de diseño. Al mismo tiempo, las decisiones tomadas al inicio de un proyecto cuyas consecuencias no se comprenden claramente pueden tener enormes repercusiones posteriormente en la vida útil del sistema, y ​​es tarea del ingeniero de sistemas moderno analizar estas cuestiones y tomar decisiones críticas. Ningún método garantiza que las decisiones actuales sigan siendo válidas cuando un sistema entre en servicio años o décadas después de su concepción inicial. Sin embargo, existen técnicas que apoyan el proceso de ingeniería de sistemas. Algunos ejemplos son la metodología de sistemas blandos, el método de dinámica de sistemas de Jay Wright Forrester y el Lenguaje Unificado de Modelado (UML), todos ellos actualmente en fase de exploración, evaluación y desarrollo para apoyar el proceso de toma de decisiones en ingeniería.

En el campo de la ingeniería de sistemas, existen muchas definiciones de lo que es un sistema . A continuación, se presentan algunas definiciones autorizadas:

• ANSI / EIA -632-1999: "Una agregación de productos finales y productos habilitadores para lograr un propósito determinado." ^{[ 34 ]}
• Fundamentos de ingeniería de sistemas de DAU : "un compuesto integrado de personas, productos y procesos que proporcionan la capacidad de satisfacer una necesidad u objetivo declarado". ^{[ 35 ]}
• IEEE Std 1220-1998: "Un conjunto o disposición de elementos y procesos que están relacionados y cuyo comportamiento satisface las necesidades operativas/del cliente y proporciona el mantenimiento del ciclo de vida de los productos." ^{[ 36 ]}
• Manual de Ingeniería de Sistemas de INCOSE: "entidad homogénea que exhibe un comportamiento predefinido en el mundo real y está compuesta de partes heterogéneas que no exhiben individualmente ese comportamiento y una configuración integrada de componentes y/o subsistemas." ^{[ 37 ]}
• INCOSE: "Un sistema es una construcción o conjunto de diferentes elementos que, en conjunto, producen resultados que no se podrían obtener individualmente. Los elementos, o partes, pueden incluir personas, hardware, software, instalaciones, políticas y documentos; es decir, todo lo necesario para producir resultados a nivel de sistema. Los resultados incluyen cualidades, propiedades, características, funciones, comportamiento y rendimiento a nivel de sistema. El valor añadido por el sistema en su conjunto, más allá del aportado independientemente por las partes, se crea principalmente por la relación entre las partes; es decir, por cómo están interconectadas." ^{[ 38 ]}
• ISO/IEC 15288:2008: "Una combinación de elementos que interactúan y que están organizados para lograr uno o más propósitos establecidos." ^{[ 39 ]}
• Manual de Ingeniería de Sistemas de la NASA : "(1) La combinación de elementos que funcionan conjuntamente para producir la capacidad de satisfacer una necesidad. Los elementos incluyen todo el hardware, software, equipo, instalaciones, personal, procesos y procedimientos necesarios para este fin. (2) El producto final (que realiza funciones operativas) y los productos habilitadores (que proporcionan servicios de soporte del ciclo de vida a los productos finales operativos) que conforman un sistema." ^{[ 40 ]}

Los procesos de ingeniería de sistemas abarcan todas las actividades creativas, manuales y técnicas necesarias para definir el producto y que deben llevarse a cabo para convertir una definición de sistema en una especificación de diseño de sistema suficientemente detallada para la fabricación y el despliegue del producto. El diseño y desarrollo de un sistema se puede dividir en cuatro etapas, cada una con definiciones diferentes: ^{[ 41 ]}

• Definición de la tarea (definición informativa)
• Etapa conceptual (definición cardinal)
• Etapa de diseño (definición formativa)
• Etapa de implementación (definición de fabricación)

Según su aplicación, las herramientas se utilizan en diversas etapas del proceso de ingeniería de sistemas: ^{[ 23 ]}

Los modelos desempeñan funciones importantes y diversas en la ingeniería de sistemas. Un modelo puede definirse de varias maneras, entre ellas: ^{[ 42 ]}

• Una abstracción de la realidad diseñada para responder preguntas específicas sobre el mundo real.
• Una imitación, analogía o representación de un proceso o estructura del mundo real; o
• Una herramienta conceptual, matemática o física para ayudar a quien toma decisiones.

En conjunto, estas definiciones son lo suficientemente amplias como para abarcar modelos de ingeniería física utilizados en la verificación del diseño de un sistema, así como modelos esquemáticos como un diagrama de bloques de flujo funcional y modelos matemáticos (es decir, cuantitativos) utilizados en el proceso de estudio de viabilidad. Esta sección se centra en estos últimos. ^{[ 42 ]}

La principal razón para utilizar modelos y diagramas matemáticos en estudios de viabilidad es proporcionar estimaciones de la efectividad, el rendimiento o los atributos técnicos del sistema, así como de su costo, a partir de un conjunto de cantidades conocidas o estimables. Por lo general, se necesita una colección de modelos separados para proporcionar todas estas variables de resultado. El núcleo de cualquier modelo matemático es un conjunto de relaciones cuantitativas significativas entre sus entradas y salidas. Estas relaciones pueden ser tan simples como sumar cantidades constituyentes para obtener un total, o tan complejas como un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen la trayectoria de una nave espacial en un campo gravitatorio . Idealmente, las relaciones expresan causalidad, no solo correlación. ^{[ 42 ]} Además, la clave para el éxito de las actividades de ingeniería de sistemas reside en los métodos con los que estos modelos se gestionan y utilizan de manera eficiente y efectiva para simular los sistemas. Sin embargo, diversos dominios suelen presentar problemas recurrentes de modelado y simulación para la ingeniería de sistemas, y los nuevos avances buscan la fertilización cruzada de métodos entre distintas comunidades científicas y de ingeniería, bajo el nombre de «Ingeniería de Sistemas basada en Modelado y Simulación». ^{[ 43 ]}

Inicialmente, cuando el objetivo principal de un ingeniero de sistemas es comprender un problema complejo, se utilizan representaciones gráficas de un sistema para comunicar los requisitos funcionales y de datos del mismo. ^{[ 44 ]} Las representaciones gráficas comunes incluyen:

• Diagrama de bloques de flujo funcional (FFBD)
• Diseño basado en modelos
• Diagrama de flujo de datos (DFD)
• Gráfico N2
• Diagrama IDEF0
• Diagrama de casos de uso
• Diagrama de secuencia
• Diagrama de bloques
• Diagrama de flujo de señales
• Mapas de funciones y mapas de tipos de USL
• marcos de arquitectura empresarial

Una representación gráfica relaciona los distintos subsistemas o partes de un sistema mediante funciones, datos o interfaces. En una industria, se utiliza cualquiera de estos métodos, o todos ellos, según sus necesidades. Por ejemplo, el diagrama N2 puede utilizarse cuando las interfaces entre sistemas son importantes. Parte de la fase de diseño consiste en crear modelos estructurales y de comportamiento del sistema.

Una vez comprendidos los requisitos, es responsabilidad del ingeniero de sistemas refinarlos y determinar, junto con otros ingenieros, la mejor tecnología para cada tarea. En esta etapa, comenzando con un estudio comparativo, la ingeniería de sistemas fomenta el uso de ponderaciones para determinar la mejor opción. Una matriz de decisión , o método de Pugh, es una forma (QFD es otra) de tomar esta decisión considerando todos los criterios importantes. El estudio comparativo, a su vez, influye en el diseño, lo que afecta las representaciones gráficas del sistema (sin modificar los requisitos). En un proceso de ingeniería de sistemas, esta etapa representa el paso iterativo que se lleva a cabo hasta encontrar una solución factible. Una matriz de decisión se suele completar utilizando técnicas como el análisis estadístico, el análisis de fiabilidad, la dinámica de sistemas ( control por retroalimentación ) y métodos de optimización.

La ingeniería de sistemas cognitivos (CSE) es un enfoque específico para la descripción y el análisis de sistemas hombre-máquina o sistemas sociotécnicos . ^{[ 47 ]} Los tres temas principales de la CSE son cómo los humanos se enfrentan a la complejidad, cómo se realiza el trabajo mediante el uso de artefactos y cómo los sistemas hombre-máquina y los sistemas sociotécnicos pueden describirse como sistemas cognitivos conjuntos. Desde sus inicios, la CSE se ha convertido en una disciplina científica reconocida, a veces también denominada ingeniería cognitiva . El concepto de Sistema Cognitivo Conjunto (SCC) se ha utilizado ampliamente, en particular, como una forma de comprender cómo se pueden describir los sistemas sociotécnicos complejos con diferentes grados de resolución. Los más de 20 años de experiencia con la CSE se han descrito extensamente. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Al igual que la ingeniería de sistemas, la gestión de la configuración, tal como se practica en la industria de defensa y aeroespacial , es una práctica integral a nivel de sistemas. Este campo se asemeja a las tareas de la ingeniería de sistemas; mientras que esta última se ocupa del desarrollo de requisitos, su asignación a elementos de desarrollo y su verificación, la gestión de la configuración se ocupa de la captura de requisitos, la trazabilidad hasta el elemento de desarrollo y la auditoría de dicho elemento para garantizar que haya alcanzado la funcionalidad y los resultados deseados, obtenidos y comprobados mediante pruebas objetivas por la ingeniería de sistemas y/o la ingeniería de pruebas y verificación.

La ingeniería de control , que incluye el diseño e implementación de sistemas de control , ampliamente utilizados en casi todos los sectores industriales, constituye un importante subcampo de la ingeniería de sistemas. El control de crucero de un automóvil y el sistema de guiado de un misil balístico son dos ejemplos. La teoría de sistemas de control es un campo activo de las matemáticas aplicadas que abarca la investigación de espacios de soluciones y el desarrollo de nuevos métodos para el análisis del proceso de control.

La ingeniería industrial es una rama de la ingeniería que se ocupa del desarrollo, la mejora, la implementación y la evaluación de sistemas integrados de personas, recursos financieros, conocimiento, información, equipos, energía, materiales y procesos. La ingeniería industrial se basa en los principios y métodos del análisis y la síntesis de ingeniería, así como en las ciencias matemáticas, físicas y sociales, junto con los principios y métodos del análisis y el diseño de ingeniería, para especificar, predecir y evaluar los resultados obtenidos de dichos sistemas.

La ingeniería de sistemas de producción (PSE, por sus siglas en inglés) es una rama emergente de la ingeniería que busca descubrir los principios fundamentales de los sistemas de producción y utilizarlos para el análisis, la mejora continua y el diseño. ^{[ 50 ]}

El diseño de interfaces y su especificación se ocupan de asegurar que las partes de un sistema se conecten e interoperan con otras partes del sistema y con sistemas externos según sea necesario. El diseño de interfaces también incluye asegurar que las interfaces del sistema puedan aceptar nuevas características, incluidas interfaces mecánicas, eléctricas y lógicas, incluyendo cables reservados, espacio de conexión, códigos de comando y bits en protocolos de comunicación. Esto se conoce como extensibilidad . La interacción persona-computadora (HCI) o interfaz hombre-máquina (HMI) es otro aspecto del diseño de interfaces y es un aspecto crítico de la ingeniería de sistemas moderna. Los principios de la ingeniería de sistemas se aplican en el diseño de protocolos de comunicación para redes de área local y redes de área amplia .

La ingeniería mecatrónica , al igual que la ingeniería de sistemas, es un campo multidisciplinario que utiliza el modelado de sistemas dinámicos para expresar construcciones tangibles. En este sentido, es prácticamente indistinguible de la ingeniería de sistemas, pero lo que la diferencia es su enfoque en los detalles más pequeños en lugar de en generalizaciones y relaciones más amplias. Por lo tanto, ambos campos se distinguen por el alcance de sus proyectos más que por la metodología que emplean.

La investigación operativa apoya la ingeniería de sistemas. En resumen, la investigación operativa se ocupa de la optimización de un proceso bajo múltiples restricciones. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

La ingeniería de rendimiento es la disciplina que garantiza que un sistema cumpla con las expectativas del cliente en cuanto a rendimiento a lo largo de su vida útil. El rendimiento se define generalmente como la velocidad con la que se ejecuta una operación determinada o la capacidad de ejecutar varias operaciones de este tipo en una unidad de tiempo. El rendimiento puede degradarse cuando las operaciones en cola para su ejecución se ven limitadas por la capacidad reducida del sistema . Por ejemplo, el rendimiento de una red de conmutación de paquetes se caracteriza por el retardo de tránsito de los paquetes de extremo a extremo o el número de paquetes conmutados en una hora. El diseño de sistemas de alto rendimiento utiliza modelos analíticos o de simulación, mientras que la implementación de alto rendimiento implica pruebas de rendimiento exhaustivas. La ingeniería de rendimiento se basa en gran medida en la estadística , la teoría de colas y la teoría de la probabilidad para sus herramientas y procesos.

La gestión de programas (o gestión de proyectos) comparte muchas similitudes con la ingeniería de sistemas, pero sus orígenes son más amplios que los de esta última. La gestión de proyectos también guarda una estrecha relación con ambas. Ambas incluyen la planificación como herramienta de apoyo a la ingeniería para evaluar aspectos interdisciplinarios dentro del proceso de gestión. En particular, la relación directa entre los recursos, las características de rendimiento y el riesgo con la duración de una tarea, así como los vínculos de dependencia entre tareas y sus impactos a lo largo del ciclo de vida del sistema, son aspectos propios de la ingeniería de sistemas.

La ingeniería de propuestas consiste en la aplicación de principios científicos y matemáticos para diseñar, construir y operar un sistema rentable de desarrollo de propuestas. Básicamente, la ingeniería de propuestas utiliza el proceso de ingeniería de sistemas para crear una propuesta rentable y aumentar las probabilidades de éxito.

La ingeniería de confiabilidad es la disciplina que garantiza que un sistema cumpla con las expectativas del cliente en cuanto a confiabilidad a lo largo de su vida útil (es decir, que no falle con más frecuencia de la esperada). Además de la predicción de fallas, también se centra en su prevención. La ingeniería de confiabilidad se aplica a todos los aspectos del sistema. Está estrechamente relacionada con la mantenibilidad , la disponibilidad ( o confiabilidad o RAMS , como prefieren algunos) y el soporte logístico integrado . La ingeniería de confiabilidad es siempre un componente crítico de la ingeniería de seguridad, como en el análisis de modos y efectos de falla (FMEA) y el análisis de árbol de fallas de peligro , y de la ingeniería de seguridad .

La gestión de riesgos , la práctica de evaluar y abordar los riesgos, es una de las partes interdisciplinarias de la ingeniería de sistemas. En las actividades de desarrollo, adquisición u operación, la inclusión del riesgo en las compensaciones con las características de costo, cronograma y rendimiento implica la gestión iterativa de la configuración compleja de la trazabilidad y la evaluación hasta la gestión de la programación y los requisitos en todos los dominios y para el ciclo de vida del sistema , lo que requiere el enfoque técnico interdisciplinario de la ingeniería de sistemas. La ingeniería de sistemas cuenta con la gestión de riesgos para definir, adaptar, implementar y monitorear un proceso estructurado para la gestión de riesgos que se integra en el esfuerzo general. ^{[ 53 ]}

Las técnicas de ingeniería de seguridad pueden ser aplicadas por ingenieros no especializados en el diseño de sistemas complejos para minimizar la probabilidad de fallos críticos para la seguridad. La función de "Ingeniería de Seguridad de Sistemas" ayuda a identificar riesgos para la seguridad en diseños emergentes y puede contribuir con técnicas para mitigar los efectos de condiciones potencialmente peligrosas que no pueden eliminarse mediante el diseño de los sistemas.

La ingeniería de seguridad puede considerarse un campo interdisciplinario que integra la comunidad de práctica del diseño de sistemas de control, la confiabilidad, la seguridad y la ingeniería de sistemas. Puede abarcar subespecialidades como la autenticación de usuarios, objetivos y otros elementos del sistema: personas, objetos y procesos.

Desde sus inicios, la ingeniería de software ha contribuido a dar forma a la práctica moderna de la ingeniería de sistemas. Las técnicas utilizadas para gestionar la complejidad de los grandes sistemas con uso intensivo de software han tenido un impacto significativo en la configuración y la reformulación de las herramientas, los métodos y los procesos de la ingeniería de sistemas.