Ingénierie des systèmes , technique d'utilisation des connaissances de diverses branches de l'ingénierie et de la science pour introduire des innovations technologiques dans les étapes de planification et de développement d'un système.
L'ingénierie des systèmes n'est pas tant une branche de l'ingénierie qu'une technique permettant d'appliquer les connaissances d'autres branches de l'ingénierie et des disciplines scientifiques en combinaison efficace pour résoudre un problème d'ingénierie à multiples facettes. Il est lié à la recherche opérationnelle mais en diffère en ce qu'il s'agit davantage d'une fonction de planification et de conception, impliquant souvent des innovations techniques. L'aspect le plus important de l'ingénierie des systèmes est probablement son application au développement de nouvelles possibilités technologiques dans le but spécifique de les mettre en œuvre aussi rapidement que les considérations économiques et techniques le permettent. En ce sens, elle peut être considérée comme la sage-femme du développement technologique.
Le mot «systèmes» est également fréquemment utilisé dans d'autres combinaisons, en particulier lorsque les éléments du progrès technologique ne sont pas si importants. L'analyse des systèmes en est un exemple. La théorie des systèmes, ou parfois la science des systèmes, est fréquemment appliquée à l'analyse des systèmes dynamiques physiques. Un exemple serait un réseau électrique complexe avec une ou plusieurs boucles de rétroaction, dans lequel les effets d'un processus reviennent pour provoquer des changements dans la source du processus.
Dans le développement des diverses disciplines de l'ingénierie aux XIXe et XXe siècles, un chevauchement considérable était inévitable entre les différents domaines; par exemple, le génie chimique et le génie mécanique étaient tous deux concernés par le transfert de chaleur et l'écoulement des fluides. La prolifération des spécialisations, comme dans les nombreuses branches de l'ingénierie électrique et électronique, telles que la théorie des communications, la cybernétique et la théorie informatique, a conduit à de nouveaux chevauchements. L'ingénierie des systèmes peut être considérée comme la dernière étape logique du processus. Les ingénieurs système ont souvent une formation en électronique ou en communication et font un usage intensif des ordinateurs et des technologies de communication. Pourtant, l'ingénierie des systèmes ne doit pas être confondue avec ces autres domaines. Fondamentalement, un point de vue ou une méthode d'attaque,il ne doit pas être identifié à un domaine de fond particulier. De par sa nature et par la nature des problèmes qu'elle s'attaque, elle est interdisciplinaire, une procédure permettant de rassembler des techniques et des ensembles de connaissances séparés pour atteindre un objectif prescrit de manière efficace.
En général, une approche d'ingénierie des systèmes est susceptible de différer d'une approche de conception conventionnelle en montrant une généralité accrue dans son cadre logique de base et une préoccupation accrue pour les objectifs fondamentaux à atteindre. Ainsi, à chaque étape, l'ingénieur système est susceptible de demander à la fois pourquoi et comment, plutôt que simplement comment.
En plus de l'ingénierie des systèmes, il est important de définir les systèmes eux-mêmes. Les systèmes dont s'occupe un ingénieur système sont avant tout fabriqués par l'homme. Deuxièmement, ils sont vastes et complexes; leurs composants interagissent si largement qu'un changement dans une partie est susceptible d'en affecter beaucoup d'autres. À moins qu'il n'y ait une telle interaction, il n'y a pas grand-chose à faire pour l'ingénieur système, du moins au niveau système; il peut se tourner immédiatement vers les composants eux-mêmes. Une autre caractéristique importante des systèmes est que leurs entrées sont normalement stochastiques; autrement dit, les entrées sont essentiellement des fonctions aléatoires du temps, bien qu'elles puissent présenter des régularités statistiques. Ainsi, on ne peut pas s'attendre à prévoir exactement à quoi le système sera exposé en fonctionnement réel,et sa performance doit être évaluée comme une moyenne statistique des réponses à une gamme d'entrées possibles. Un calcul basé sur une seule fonction d'entrée définie avec précision ne fonctionnera pas.
Les systèmes peuvent également varier en fonction de la quantité de jugement humain qui entre dans leur fonctionnement. Il existe, bien entendu, des systèmes tels que des circuits électriques, des équipements de production automatisés ou des robots qui peuvent fonctionner de manière complètement déterminée. À l'autre extrême, il existe des systèmes de gestion et de contrôle, à la fois commerciaux et militaires, dans lesquels les machines effectuent en un sens la plus grande partie du travail, mais avec une supervision humaine et une prise de décision aux points critiques. Il est clair que ces systèmes mixtes homme-machine offrent la plus grande variété de possibilités et de problèmes pour l'ingénieur système. Des aspects de ces systèmes sont traités dans l'article sur l'ingénierie des facteurs humains.
Le développement de l'ingénierie des systèmes
Modélisation mathématique
L'approche systémique découle de plusieurs sources. Au sens large, il peut être considéré comme une simple extension de la méthodologie scientifique standard. C'est une procédure courante en science (et ailleurs) pour lister tous les facteurs qui pourraient affecter une situation donnée et sélectionner dans la liste complète ceux qui semblent critiques. La modélisation mathématique, peut-être l'outil le plus élémentaire de l'ingénierie des systèmes, est une technique rencontrée dans toute branche de la science devenue suffisamment quantitative. Ainsi, dans ce sens large, l'approche systémique est simplement l'héritière d'une tradition vieille de plusieurs générations, voire de plusieurs siècles.
En recherchant des sources plus récentes et plus spécifiques pour l'approche systémique, en revanche, il y en a deux en particulier qui se démarquent. Il y a d'abord le domaine général des communications, en particulier la téléphonie commerciale, où l'ingénierie des systèmes est apparue pour la première fois comme une discipline explicite à part entière. Des traces de l'approche systémique se trouvent dans l'ingénierie téléphonique au moins dès le début du siècle, et les idées de systèmes étaient assez courantes en téléphonie dans les années 1920 et 1930. Lorsque Bell Telephone Laboratories, la branche de recherche de l'American Telephone & Telegraph Company, a été officiellement constituée en 1925, ses deux principales divisions d'ingénierie ont été appelées respectivement Développement d'appareils et Développement de systèmes. Une doctrine formelle complète du rôle de l'ingénierie des systèmes, cependant,est apparu pour la première fois dans les années qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale dans le cadre d'un effort visant à redéfinir la politique et la structure de la recherche et du développement. Cette doctrine a placé l'effort d'ingénierie à un niveau de parité logique avec les efforts de recherche et développement et en a fait une taille réelle presque comparable, du moins avec la recherche. L'ingénieur système avait une multitude de fonctions, avec un accent particulier sur l'utilisation efficace des progrès scientifiques et techniques dans la planification de nouveaux systèmes de communication. Cet ensemble particulier d'idées reflétait bien entendu les besoins particuliers de la téléphonie. Néanmoins, à titre d'exemple et de point de départ, il a eu un large effet. Cela semble être l'une des raisons pour lesquelles un sujet aussi ésotérique que l'ingénierie des systèmes a progressé aussi rapidement qu'il l'a fait. (Pour une discussion détaillée des aspects de recherche et développement de l'ingénierie des systèmes,voir l'article recherche et développement.)
Recherche opérationnelle et ingénierie des systèmes
Une deuxième source majeure pour l'ingénierie des systèmes est la recherche opérationnelle, qui est née sous une forme reconnaissable en Grande-Bretagne pendant la Seconde Guerre mondiale et était initialement concernée par le meilleur emploi de l'équipement militaire. Les exemples typiques comprenaient la détermination du meilleur emploi d'un nombre donné de bombardiers, la meilleure façon d'organiser les convois contre une attaque sous-marine et la meilleure façon d'utiliser des intercepteurs contre une attaque de bombardement. La recherche opérationnelle a été efficace dans de tels cas et a prospéré depuis dans des contextes civils et militaires.
Il existe une distinction claire entre la recherche opérationnelle et l'ingénierie des systèmes. Comme la recherche opérationnelle vise à utiliser au mieux les équipements existants, les incertitudes technologiques ne surviennent pas. L'ingénierie des systèmes, en revanche, est normalement concernée par la planification de nouveaux équipements, et ces incertitudes peuvent être importantes. Dans la pratique, cependant, l'ingénierie des systèmes et la recherche opérationnelle ont de nombreux points communs. En particulier, ils partagent bon nombre des mêmes techniques analytiques. Cela résulte en grande partie du fait qu'un ingénieur système est susceptible d'évaluer l'efficacité d'une conception provisoire par les mêmes méthodes qu'un spécialiste de la recherche opérationnelle utiliserait avec du matériel réel.
Une autre raison de chevauchement est le fait que la distinction entre les équipements nouveaux et existants n'est pas tout à fait claire. La nouveauté de l'équipement est une question relative. Si le nouvel équipement est suffisamment bien basé sur les techniques de conception existantes et semble impliquer assez peu d'incertitudes techniques, la question devient sans importance. La question est celle du degré et, dans une certaine mesure, du jugement.
La majeure partie du caractère actuel de l'ingénierie des systèmes dérive historiquement du début des années 1950. Il y a eu des événements marquants dans les années qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale, y compris, par exemple, l'introduction de la programmation linéaire en 1947 et la création de diverses organisations pour le développement continu du domaine à la fin des années 1940. Dans l'ensemble, cependant, il s'agissait d'une période de consolidation des avancées antérieures. Ainsi, dans le domaine des communications, les principaux systèmes étaient des systèmes de transmission longue distance qui avaient été lancés avant la guerre et avaient été interrompus par des activités de guerre.
Dans les années 50, le rythme de la croissance s'est sensiblement accéléré. Le premier manuel général sur l'ingénierie des systèmes est apparu en 1957 et a été suivi par un certain nombre d'autres ouvrages traitant à la fois des applications industrielles et militaires. Ces publications se sont avérées suffisantes pour faire de l'ingénierie des systèmes une discipline académique acceptée, et des cours y sont maintenant dispensés dans de nombreuses universités des pays développés du monde. Des sociétés professionnelles et des revues existent en France, en Inde, au Japon, en Allemagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis.
Communications et électronique
Le développement de l'ingénierie des systèmes après 1950 résulte, en grande partie, de l'impact de grandes avancées dans des domaines voisins, notamment les communications et l'électronique. Un système de contrôle automatique en est un bon exemple. Un système de commande a la caractéristique principale que les composants interagissent intensivement et que le système dans son ensemble a certaines propriétés - par exemple, la stabilité - dont on ne peut dire qu'elles adhèrent à un composant individuel. Ainsi, les systèmes de contrôle ont fourni des exemples pratiques pour l'ingénierie des systèmes.
Le développement de la théorie de l'information comme point de départ de base de l'ingénierie des communications, dans les années qui ont suivi la Seconde Guerre mondiale, a également joué un rôle déterminant dans l'évolution de l'ingénierie des systèmes. Les divers sous-systèmes de nombreux systèmes complets se sont avérés être maintenus ensemble par ce qui était en fait des canaux de communication. Ainsi, les idées de transfert d'informations d'une partie du système à une autre se sont avérées utiles pour comprendre le fonctionnement de la structure dans son ensemble.
Ingénierie informatique et systèmes
L'ingénierie des systèmes a également profité de l'avènement des ordinateurs et du développement ultérieur de puissants langages de programmation de haut niveau, qui ont affecté le domaine de deux manières principales. Premièrement, ils ont fourni de nouveaux outils pour analyser des systèmes complexes au moyen de calculs extensifs ou de simulation directe. En second lieu, ils pourraient être utilisés pour digérer de grandes quantités de données ou en tant que composants réels de systèmes complexes, en particulier ceux qui concernent largement la transmission d'informations. Cela ouvrait la possibilité de traiter les informations ainsi que de les transmettre simplement dans de tels systèmes (voir aussi traitement de l'information).
L'impact des problèmes d'armes militaires sur l'ingénierie des systèmes a commencé peu après la Seconde Guerre mondiale. Une date marquante était 1945, lorsque le développement de Nike Ajax, un système de missile de défense aérienne américain, a été lancé.
En 1945, la propulsion des fusées disponibles semblait à peine suffisante pour donner au missile une portée tactique satisfaisante. Il a été découvert que la portée réalisable dépendait de plusieurs paramètres, tels que le poids et la taille de l'ogive, la finesse de la conception aérodynamique du missile, le degré de manoeuvrabilité fourni par le système de contrôle, et la forme de la trajectoire et la vitesse moyenne le long de celui-ci. Ainsi, un effort d'ingénierie des systèmes efficace a été mis en place dans lequel une variété de combinaisons des propriétés du missile ont été explorées, dans le but d'atteindre le meilleur équilibre entre la portée et d'autres caractéristiques tactiques.
Les questions de contrôle et de rétroaction étaient également des aspects importants du problème global des systèmes. L'ensemble du système était en fait une gigantesque boucle de rétroaction car le missile était contrôlé par des ordres envoyés à partir d'un ordinateur au sol, et l'entrée de l'ordinateur comprenait des informations sur ce que le radar de suivi observait le missile faire. Il y avait donc une boucle de rétroaction fermée du missile à l'ordinateur et de nouveau au missile. Il y avait aussi des boucles de rétroaction subsidiaires comme celle du pilote automatique contrôlant l'attitude du missile, et la réponse dynamique du système était en outre affectée par la nécessité de traiter les signaux radar pour éliminer la «gigue» radar. L'analyse de tels systèmes dynamiques élaborés impliquant des chemins de rétroaction entrelacés est devenue une partie spéciale importante du domaine des systèmes généraux.
Dans les années 50 et 60, l'ingénierie des systèmes s'est également développée dans d'autres directions, en grande partie grâce aux projets de systèmes d'armes associés à la guerre froide. Ainsi, l'étude Ajax s'est intéressée à la dynamique d'un seul missile isolé. D'autre part, les systèmes de défense qui se sont développés dans les années 1950 impliquaient l'opération coordonnée d'un grand nombre de missiles, canons, intercepteurs et installations radar dispersés sur une zone considérable. Celles-ci étaient toutes maintenues ensemble par un grand ordinateur numérique, qui est ainsi devenu l'élément central du système. Le système SAGE (semi-automatique au sol) aux États-Unis en est un bon exemple.
Au cours des mêmes années, l'approche systémique s'est également de plus en plus identifiée aux fonctions de gestion. Ainsi, l'expression «ingénierie des systèmes et direction technique» a été utilisée pour décrire le rôle d'un ingénieur système responsable à la fois de la planification initiale d'un projet et de sa gestion ultérieure. Des techniques dites de planification, de programmation et de budgétisation (PPB) ont été développées pour fournir des combinaisons similaires d'ingénierie des systèmes et de gestion financière.
Dans les domaines non militaires, l'ingénierie des systèmes s'est développée selon des lignes similaires mais plus modestes. Les premières applications étaient susceptibles de stresser les systèmes de contrôle par rétroaction dans les installations de production automatisées à grande échelle, telles que les laminoirs d'acier et les raffineries de pétrole. Les applications ultérieures ont mis l'accent sur les informations de gestion et les systèmes de contrôle informatisés un peu comme ceux qui avaient été développés précédemment pour la défense aérienne. Ces dernières années, l'approche systémique a parfois été appliquée à des entreprises civiles beaucoup plus grandes, telles que la planification de nouvelles villes.
