Sistem mühendisliği

SİSTEM MÜHENDİSLİĞİ

Türk Dil Kurumu’nun Güncel Türkçe Sözlüğü’nde mühendis kelimesi şöyle tanımlanmış: “İnsanların her türlü ihtiyacını karşılamaya dayalı yol, köprü, bina gibi bayındırlık; tarım, beslenme gibi gıda; fizik, kimya, biyoloji, elektrik, elektronik gibi fen; uçak, otomobil, motor, iş makineleri gibi teknik ve sosyal alanlarda uzmanlaşmış, belli bir eğitim görmüş kimse.” [Türk Dil Kurumu, Güncel Türkçe Sözlük, 2020. https://sozluk.gov.tr/.] Mühendislik ise, yine aynı sözlüğe göre “mühendis olma durumu” olarak tarif edilmiş.

Tanımda sözü geçen bayındırlık, fen, teknik ve sosyal alanları kısaca “bilim ve teknoloji” ifadesiyle özetlersek, mühendisliği şöyle tarif edebiliriz: “Bilim ve teknoloji yoluyla elde ettiğimiz bilgi ve yöntemlerin, insan yapımı ürünlerin gerçekleştirilmesi için kullanılması.” Elektronik, elektrik, mekanik, yazılım, vb. alanlara ait tasarım mühendislikleri için yukarıdaki tanım anlaşılabilirdir. Ancak bu tanımın sistem mühendisliğine uygulanması durumunda şu iki soru aklımıza takılabilir:

- Tasarım mühendislikleri; elektronik, elektriksel, mekanik, yazılım vb. ürünleri ele alır. Sistem mühendisliği neyi ele alır?

- Tasarım mühendislikleri bir bilime dayanır. Sistem mühendisliği pratiklerini hangi bilime dayandırıyoruz?

Sistem Kavramı

Yukarıdaki ilk sorunun cevabı, sistem mühendisliği “sistemleri” ele alır şeklinde verilebilir elbette. Ancak sistem terimi bugün pek çok anlamda kullanılmaktadır. Bu nedenle daha belirgin bir tanıma ihtiyacımız var. Sistemi şöyle tanımlayabiliriz: “Sistem, ortak bir amaca ulaşmak veya bir misyonu yerine getirmek için birlikte çalışan, birbiriyle ilişkili bileşenler kümesidir.” [R. Cloutier, C. Baldwin ve M. A. Bone, Systems Engineering Simplified, CRC Press, 2015.] Bu tanımdan, iki önemli karakteristik özellik çıkartılabilir:

- Sistem, bileşenlerden oluşur.

- Bir sistem bileşeni, parçası olduğu sistemin bir amacını tek başına gerçekleştiremez. Ancak diğer bileşenlerle etkileşerek bunu yapabilir. Aksi halde o sistemin bileşeni değildir.

Örneğin “bisiklet” bir sistem olarak düşünülebilir. Bisiklet, bir biniciyi varış yerine kadar taşımak için görev yapan birbiriyle ilişkili parçalardan (gidon, tekerlekler, gövde, sele, vb.) oluşmuştur. Bu durumda bisikletin misyonu biniciyi taşımaktır.

Sistem kavramının diğer bir özelliği, sistemin, bileşenlerinin de kendi amaçları kapsamında bir sistem olmasıdır. Bu özellikten faydalanırsak, bir sistemi tanımlamak için kullanacağımız yöntemleri, onun bileşenlerini tanımlamak için de kullanabiliriz. Sistemi bileşenlerine ayırdıkça bileşenlerin işlevi (misyonu) somutlaşmaktadır. Bisiklet örneğine devam edersek, bisikletin ana işlevi biniciyi taşımaktır. Onun bir bileşeni olan gidonun amacı, bisikletin ön tekerleğini sağa veya sola yöneltmektir. Burada biniciyi taşıma işlevi, tekerleği yöneltmek işlevinden daha soyut (üst düzey) bir işlevdir ve birden çok tasarım teknolojisiyle ancak tasarlanabilir. Oysa tekerleği yöneltme işlevi, örneğin sadece makine mühendisliği teknikleriyle tasarlanabilir. Sistem, bileşenlerine ayrıştırıldıkça sistem mühendisliğinden tasarım mühendisliğine geçiş yapılır (Şekil 1).

Sistem hiyerarşisi içerisinde bileşenler, karakteristik bir seviyededir. Bileşenler, operasyonel sahada insanlar tarafından kullanılabilen, değiştirilebilen veya bakımı yapılabilen sistem elemanlarıdır. Bu seviyenin üstündeki sistem ve alt sistemlerin tasarımında, bütünüyle sistem mühendisliği yöntemleri kullanılabilir. Bu seviyenin altında, bütünüyle ilgili tasarım disiplininin pratikleri ve yöntemleri kullanılabilir. Bileşen seviyesinde ise sistem mühendisliği yaklaşımı kullanılmaya devam edebilir. Bu sebeple bu seviyedeki mühendislik faaliyetleri donanım/yazılım sistem mühendisliği olarak adlandırılabilir.

Sistem Bilimi

İlk bölümde sorduğumuz ikinci soru “sistem mühendisliği hangi bilime dayanıyor” şeklindeydi. Bu sorunun cevabını sistem bilimi (systems science) olarak verebiliriz. Bazen sistem düşüncesi (systems thinking) veya sistem yaklaşımı (systems approach) terimlerini de duyarız.

Sistem biliminin izleri 18’nci yüzyıla kadar sürülebilir. Bu devirde özellikle doğal ve fiziksel bilimlerdeki bilgi dağarcığı hızlı bir artış göstermiştir. Sistem biliminin gelişmesinde makina çağı ve sistem çağı olarak adlandırabileceğimiz iki önemli aşama vardır. Bu aşamalar doğrudan sistem mühendisliği alanının oluşmasını ve gelişmesini sağlamıştır [D. Liu, Systems Engineering, Design Principles and Models, CRC PRess, 2016.].

Makina çağı büyük oranda indirgemeciliğe (reductionism) dayanır. İndirgemecilik, sistem davranışının tamamen sistem bileşenleri ile açıklanabileceği düşüncesidir. Makina çağında daha önce insan eliyle yapılan işler teker teker makinalar vasıtasıyla yapılmaya başlanmıştır. Buhar makinaları ve araç-gereç yapımındaki ilerlemeler buna birer örnektir. Gittikçe daha çok makina insanın yerini almış ve daha önce sistem bileşenleri sadece insan iken bu çağda makina ve insan birlikteliğinden oluşan sistemler ortaya çıkmıştır. Bu çağın temel yaklaşımı şöyle özetlenebilir: “Bileşenleri geliştirip bunları tümleştirerek (integration) daha büyük sistemler yapabiliriz.” Bu yaklaşım “aşağıdan-yukarı süreç” (bottom-up process) olarak adlandırılır.

Sistem bileşenleri arasında makinaların payının zamanla hızla artması sonucunda çok daha karmaşık sistemler ortaya çıkmaya başlamıştır. Üstelik bileşen olarak bakıldığında makinaların teknolojik karmaşıklığı da artmıştır. Sonuçta görülmüştür ki bu karmaşık sistemlerde, tasarlanan bileşenler tam olarak tariflerine uygun davrandığı halde bu bileşenlerin oluşturduğu sistem istendiği gibi davranmayabilmektedir.

Karmaşıklık (bileşen sayısı ve aralarındaki ilişkiler yumağı) arttıkça sistemin davranışı beklendiği gibi olmayabilir. Aşağıdan-yukarı tasarım anlayışında her sistem bileşenini ayrı tasarlayıp sonra sistemi oluşturmak için bunları tümleştirmek çoğu zaman sistem seviyesinde optimum olmayan sonuçlar doğurur.

Özünde bu sebeplerden dolayı makina çağında karmaşık sistemlerin ortaya çıkmasıyla birlikte indirgemecilik düşüncesi yetersiz kalmıştır. Zamanla sistem tasarımı, makina çağının alt seviyesinden sistem çağına evrilmiştir. Sistem çağında, bir sisteme tümleşik bir bütün olarak bakılır. Sistemin bileşenleri, aralarında etkileşerek sistemin amaçlarını gerçekleştirir. Sistem çağının öne çıkan karakteristiği, öncelikle bileşenlere bakmak yerine sistemleri yukarıdan aşağı bir yaklaşımla (top-down approach) tasarlamaktır. Buna parçalardan önce “büyük resmi görmek” de diyebiliriz. Zaman içerisinde, karmaşık sistemlerin tasarımında sistem mühendisliği standart bir yaklaşım olmuştur.

Sistem Mühendisliği Yaklaşımı

Sistem mühendisliği yaklaşımı (yöntemi) başlıca şu aşamaları içerir:

- Misyon analizi

- Operasyonel analiz

- Gereksinim analizi

- Mantıksal tanımlama 4Ön tasarım

Sistem mühendisliği, hem ihtiyaç sahibi hem de tedarikçi (geliştirici) tarafında icra edilebilir. Özellikle ilk iki aşama ihtiyaç sahibi tarafında yürütülür.

Misyon analizi

Bu aşamanın ana sorusu şudur: Misyon nasıl yerine getirilir ve aksaklıklar nelerdir? Burada ihtiyaç makamının kendi misyonu kastedilmiştir. Aslında ihtiyaç sahibinin misyon süreçleri zaten tanımlı olmalıdır. Ancak bazı durumlar için bu tanımların yeniden yapılması gerekebilir.

Örnek olarak, su numunelerini analiz etmekle görevli bir kurumun işleyişi şöyle olsun:

 - Müşteri analiz için başvurur. Başvuruyu bir personel karşılar ve numune kabını müşteriye verir. (Problem: Müşteri başvuru için kuruma gelmek zorunda kalıyor.)

- Müşteri su numunesini kaba koyar, yeniden kuruma gelir ve teslim eder.

- Laboratuvar personeli su numunesini alır ve elle yürütülen bir yöntemle (çeşitli kimyasallar ve mikroskop incelemesiyle) numuneyi analiz eder. Sonuçları yazılı bir rapor haline getirir ve müşteriyi raporun hazır olduğuna dair bilgilendirir. Müşteri kuruma gelir ve yazılı raporu teslim alır. (Problem: Elle yapılan analizler yavaş olabiliyor ve hata ihtimali yüksek oluyor. Müşteri sonuçları almak için kuruma gelmek zorunda kalıyor.)

Aşamanın sonuçları, işletim kavramı (CONOPS: Concept of Operations) belgesi olarak yazılır.

Operasyonel analiz

Bu aşamanın ana sorusu şudur: Kullanıcılar yeni sistemden ne bekliyor? Bu aşamada, kurum faaliyetlerinden hangilerinin sistem tarafından destekleneceği kararlaştırılarak bir operasyonel kavram oluşturulur. Daha önceki aşamada belirlenen problemler, operasyonel olarak çözüme kavuşturulur. Önceki örneği devam ettirirsek:

- Müşteri kuruma gelmeden analiz için başvurabilsin.

- Sistem, başvuruyu otomatik kaydetsin ve numune kabını müşteriye göndersin.

- Müşteri, su numunesini koyduğu kabı bulunduğu yerden kuruma göndersin ve kuruma girişi yapılsın.

- Laboratuvar personeli, su numunesi analizini tam otomatize bir cihaz kullanarak yapsın, raporu sistem hazırlasın ve müşteriye kuruma gelmesine gerek olmadan bildirsin.

Bu ifadeler ayrıca gereksinim formunda kaydedilir. Aşamanın sonuçları, operasyonel kavram tanımı (OPSCON: Operational Concept Description) ve paydaş gereksinimleri belgesi olarak yazılır.

Gereksinim analizi

Bu aşamanın ana sorusu şudur: Operasyonel kavramı ve ilişkili paydaş gereksinimlerini karşılamak için sistem ne yapacak ve ne gibi özelliklere sahip olacaktır? Bu aşamada paydaş gereksinimlerini karşılayacak teknik bir çözüm belirlenir ve bu çözümün teknik gereksinimleri tanımlanır.

Örnek üzerinden devam edersek:

- Sistem, web tarayıcı ile erişilebilecek bir ortam sunacak ve analiz başvurularını bu şekilde alacaktır.

- Sistem, başvuru ile ilgili kurum personeline mesaj atacak ve iş listesine ekleyecektir. Personel tarafından üzerine alınmadığı sürece görev hatırlatması yapacak ve tüm zaman istatistiklerini tutacaktır. Kurum personelinin görevi üstlenmesiyle birlikte bir analiz etiketi oluşturacak ve etiket basım makinesinden çıktı alacaktır.

- Sistem, müşteriden gelen kaptaki su numunesi üzerinde yapılan talebe uygun olarak A, B ve C analizlerini uygulayacaktır. Analiz esnasında oluşan atıkları özel bir kabine gönderecektir.

- Sistem, analiz sonuçlarını içeren bir dosya oluşturup web sitesinde müşterinin erişimine açacaktır.

- Sistem, analiz verilerinin gizliliğini, bütünlüğünü koruyacaktır. Sistem, müşteri başvurusunun ve rapor teslimatının yapıldığına dair bilgilerin inkâr edilemezliğini temin edecektir. Aşamanın sonuçları, sistem gereksinimleri belgesi olarak yazılır.

Mantıksal tanımlama

Bu aşamanın ana sorusu şudur: Teknik gereksinimlerini karşılamak için sistem nasıl bir işleyişe sahip olacaktır? Bu aşamada teknik gereksinimleri karşılayan bir sistemin alt işlevleri belirlenir ve her bir alt işlevi icra edecek sistem elemanları tespit edilir. Bu elemanlar, sistemin birbirinden bağımsız ama iletişim halindeki sistem bileşenleridir. Her bileşen, kendine atanmış olan işlevleri yürütecek işlem gücüne, performansa, belleğe ve diğer kalite unsurlarına (güvenilirlik, sürdürülebilirlik, vb.) sahip olmalıdır.

Bu aşamada belirlenen sistem elemanları kavramsaldır ve teknolojik kararları içermez. Mantıksal yapı, zaman içindeki teknolojik gelişmelere karşı ön tasarıma kıyasla daha uzun ömürlüdür. Bu aşamanın sonuçları bir rapor içerisinde yazılır.

Ön tasarım Bu aşamanın ana sorusu şudur: Sistem, hangi teknolojik bileşenlerden oluşacak ve inşa edilecektir? Bu aşamada, mantıksal tanımlama sırasında belirlenmiş olan sistem bileşenlerini hayata geçirmek için kullanılabilecek en uygun (optimum) teknolojik elemanlara (bilgisayarlar, cihazlar, mekanik parçalar, yazılımlar, vb.) ve bunlar arasındaki arayüzlere karar verilir. Bu aşamanın sonucu, ön tasarım dokümanlarıyla kaydedilir.