系統(tǒng)分析與項目管理

傳統(tǒng)的分析設計方法一般是把設計對象分解為許多獨立的部分來分別進行研究。由于這是孤立地，且多是靜止地分析問題，因此所得出的結論常帶有片面性和局部性。
現(xiàn)代工程往往是一些大系統(tǒng)的巨大工程。例如，CIM就是一個包括NC技術、成組技術、柔性系統(tǒng)、CAD、CAPP、CAM、機器人、物料運輸和存儲、生產(chǎn)管理、檢測、信息通訊網(wǎng)絡技術等的大系統(tǒng)、大工程。它涉及到機械、電子、液壓、管理、測量、控制、計算機技術、人工智能以及信息處理等科學技術領域，因而是一個多學科的綜合技術系統(tǒng)。所以，在系統(tǒng)分析設計法中，就應該把設計對象看作是一個系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的概念進行分析和綜合，并且按產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)的進程進行設計，以求獲得最佳的設計方案。
一、技術系統(tǒng)的組成和處理對象 我們所說的系統(tǒng)，一般包括以下四個組成部分：系統(tǒng)單元、系統(tǒng)結構、邊界條件、輸入和輸出的要素。 系統(tǒng)單元是完成某種功能而無須進一步劃分的單元，即系統(tǒng)相互聯(lián)系和作用的基本組成要素。 系統(tǒng)結構反映著系統(tǒng)內部各個單元之間的關系，即相互聯(lián)系和作用的聯(lián)結形成。系統(tǒng)只有通過結構才能實現(xiàn)其總功能。然而，不同的結構既可完成不同的功能，也可完成相同的功能。 邊界條件是系統(tǒng)與外部環(huán)境的作用界面，通過這種界面可以明確分析設計對象的范圍。但是，界面又是相對的，可以因分析研究的具體要求不同而異。確定邊界的主要依據(jù)是：在所研究的具體條件下，當該單元發(fā)生變化時，看是否對系統(tǒng)功能產(chǎn)生決定性影響，看是否應當把某個或某些單元包括在系統(tǒng)的內部。







例如，在研究一項工作時，時間、地點、資源條件、人員的工作能力等是系統(tǒng)內部的組成單元；但若考核個人的工作能力時，學歷、經(jīng)驗、技術水平等才是系統(tǒng)內部的組成單元，而上述的時間、地點、資源條件等因素則成為外部的環(huán)境要素。同時，根據(jù)與環(huán)境有無一定的聯(lián)系，系統(tǒng)又可分為封閉的和開放的。封閉系統(tǒng)與環(huán)境無聯(lián)系，開放系統(tǒng)受環(huán)境的影響。
系統(tǒng)的行為通常表現(xiàn)為它與其外部環(huán)境的相互聯(lián)系和作用，可以用該系統(tǒng)的輸入和輸出來表征。

現(xiàn)在，用自行車為例，說明系統(tǒng)的組成，如圖1所示。
圖1 自行車系統(tǒng)的組成

自行車的系統(tǒng)單元是驅動、控制、支承、變速、轉向、制動、轉動等機構。這些單元組成自行車的結構，實現(xiàn)能量的轉換、獲得一定運動速度下的承載能力，完成運載的功能。自行車的邊界條件是騎行環(huán)境，騎車人是它的外部環(huán)境要素。自行車的輸入要素是騎車人的腳蹬力，它是一種機械能量；輸出要素是一定速度的承載力，也是一種機械能量。所以，自行車的輸入和輸出要素是能量，其內部結構實現(xiàn)能量的轉換。
我們分析的都是工程技術系統(tǒng)。一般地說，它的處理對象是：能量、物料、信號等。所以，可以用圖2來表達工程技術系統(tǒng)的示意圖。圖2中，工程技術系統(tǒng)的能量可以是機械能、熱能、電能、光能、化學能、核能、生物能等；物料可以是材料、毛坯、試件、氣體、液體等；信號可以是數(shù)據(jù)、控制脈沖；顯示等。
圖2 工程技術系統(tǒng)
二、系統(tǒng)分析設計方法
在第一章中，我們已經(jīng)提到了，系統(tǒng)或產(chǎn)品的設計具有一定的程式或過程。這種程式或過程有多種模式，并給出一個表明設計過程和設計技術縱橫交錯關系和系統(tǒng)工程設計方法的三維結構模式。然而，如果從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā)，一個系統(tǒng)或產(chǎn)品的開發(fā)設計過程，不能僅限于系統(tǒng)或產(chǎn)品的設計，還需要有產(chǎn)品的制造和運行。即系統(tǒng)開發(fā)應包括：系統(tǒng)設汁、系統(tǒng)制造和系統(tǒng)運行三個環(huán)節(jié)。只有這樣才能驗證其開發(fā)的效果。但是，我們這里講述的是系統(tǒng)分析設計法，因此問題的討論將僅限于系統(tǒng)或產(chǎn)品設計的范圍之內。
1、設計過程剖析
一般地說，系統(tǒng)或產(chǎn)品的設計過程可概略地劃分為：產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計和施工設計等階段。例如，機床設計就相應地劃分為類似的四個階段：1)調查研究；2)方案擬定(技術設計)；3)工作圖設計；4)樣機試制和鑒定。下面簡要地介紹產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計和技術設計階段的工作內容。

2、項目規(guī)劃
設計的第一步是產(chǎn)品規(guī)劃。這里首先需要明確所設計的系統(tǒng)或產(chǎn)品的目的和任務要求，并用設計任務書的形式表達出來．以作為后續(xù)的設計、評價和決策工作的依據(jù)。為此，需要進行市場需求分析、可行性分析和設計要求的擬定工作。
（1）市場需求分析
市場需求分析包括對銷售市場和原料市場作如下幾方面的分析：
1)消費者對產(chǎn)品的功能、性能、質量和數(shù)量等的具體要求；
2)現(xiàn)有類似聲品的銷售情況和銷售趨勢；
3)競爭對手在技術、經(jīng)濟方面的優(yōu)缺點及發(fā)展趨向；
4)主要原料、配件和半成品的現(xiàn)狀．價格及變化趨勢等。
（2）可行性分析

可行性分析從30年代起開始用于美國，現(xiàn)在已發(fā)展為一整套系統(tǒng)的科學方法，它包括：
1)技術分析——技術方案中的創(chuàng)新點和難點以及解決它們的方法和技術路線等分析；
2)經(jīng)濟分析——成本和性能價格比分析，即如何以最少的人力、物力獲得最佳的功能和經(jīng)濟效果的價值優(yōu)化分析；
3)社會分析——隨著生產(chǎn)的發(fā)展和工程項目的綜合化、大型化，它們和社會的關系也日益密切。例如，美國在1963年作為國家計劃曾決定開發(fā)速度為聲速三倍的超音速各機。經(jīng)分析，技術上可行，期望銷售500架，按每架400萬美元計算，其經(jīng)濟效益也很好。但問題是對社會和環(huán)境因素分析不足。因為這種超音速飛機高速飛行時，每小時消耗燃料17～18噸，燃燒產(chǎn)生的氫氧化合物會在地面上造成對人體有害的光化學煙霧，發(fā)熱能夠使局部小氣候的溫度升高難度10-20，尤其是沖擊波帶來的噪聲使人無法忍受。因此，紐約市議會決定超音速客機不得在距市中心160公里以內的地方起落。以速度為生命的客機不能接近城

市便失去了高速的優(yōu)越性。所以，1973年3月美國政府不得不作出決定，停止開發(fā)此種超音速飛機。
經(jīng)過技術、經(jīng)濟和社會各方面條件的詳細分析和對開發(fā)可能性的綜合研究，最后應提出產(chǎn)品開發(fā)的可行性報告?？尚行詧蟾娴拇笾聝热萦校?
1)產(chǎn)品開發(fā)的必要性，市場調查和預測情況；
2)有關產(chǎn)品的國內外水平、發(fā)展趨勢；
3)從技術上預期能達到的水平，經(jīng)濟效益、社會效益的分析；
4)在設計、工藝等方面需要解決的關鍵問題；
5)投資費用及時問進度計劃；
6)現(xiàn)有條件下開發(fā)的可能性及準備采取的措施。
（3）設計要求的擬定
設計要求的擬定工作包括：根據(jù)產(chǎn)品功能和性能提出設計參數(shù)和相關的指標，如可靠性、生產(chǎn)率、性能價格比等指標；列出制造、使用等方面的限制條件，如工藝方面(加工、裝配、檢驗等)的限制條件和操作、安全、維修、外觀造型等使用方面的具體要求等。

3、方案設計
（1）功能分析和原理方案擬定
方案設計階段，第一步是原理方案擬定。
在系統(tǒng)分析設計中，原理方案擬定一般是從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構思擬出多種方案，通過分析一綜合一評價，求得最佳方案。
原理方案擬定的功能分析，首先是總功能分析。分析系統(tǒng)的總功能常采用“黑箱法”。
黑箱法是根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出關系來研究實現(xiàn)系統(tǒng)功能的一種方法。即根據(jù)系統(tǒng)的某種輸入，要求獲得什么樣的輸出的功能要求，從中尋找出某種規(guī)律來實現(xiàn)輸入一輸出之間的轉換，得到相應的解決辦法，從而推求出“黑箱”的功能結構，使黑箱變成白箱的一種方法。也就是說，把待求的系統(tǒng)看作黑箱，分析比較系統(tǒng)的輸入和輸出的能量、物料和信號，其性質或狀態(tài)上的變化、差別和關系就反映了系統(tǒng)的總功能。因此，可以從輸入和輸出的差別和關系的比較中找出實現(xiàn)功能的各種可能的原理方案來，從而把黑箱打開，確定系統(tǒng)的結構。

然而，一般工程系統(tǒng)都比較復雜，難以直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。因此，應按系統(tǒng)分解的方法進行功能分解，即把總功能分解為一系列分功能，再針對各分功能用黑箱方法選擇 適合的功能元求得局部解答。最后通過各功能元求解分功能與總功能之間的關系建立功能結構系統(tǒng)，給出系統(tǒng)原理解。從這里可以看出，功能元求解方法是原理方案擬定中的一個重要方法。
（2）功能元類型
常用的功能元類型有：物理功能元，邏輯`功能元和數(shù)學功能元三類，分別簡單說明如下： 數(shù)學功能元是實現(xiàn)加、減、乘、除、開方、乘方以及微分、積分運算功能的機械、電子、電器等組件。如機械中的行星輪系就可以實現(xiàn)加、減和除法運算。
物理功能元主要是反映系統(tǒng)或設備中能量、物料、信號變化的基本物理作用的。常用的基本物理功能元有：
功能轉換類——能量、運動型式、材料性質、物態(tài)和信號種類的變換；

功能縮放類——物理量的放大、縮小和物料性質的縮放(如壓力和電壓間的變化)等；
功能聯(lián)結類——能量、物料、信號同質或不同質數(shù)量上的結合，
功能傳導及離合類——反映能量、物料、信號的位置變化；
功能存貯類——它體現(xiàn)一定時間范圍內保存的功能(如飛輪、倉庫、彈簧、電池等)。
物理功能元是通過物理效應實現(xiàn)其功能而獲得解答的。機械、儀器中常用的物理效應有：力學、液氣、電力、磁力、光學、熱力、核效應等。
同一物理效應可以完成不同的功能，同一功能可以用不同的物理效應實現(xiàn)。
邏輯功能元主要用于邏輯運算和控制，它通常是以“與”、“或”、“非”門，通過邏輯方法進行組合以實現(xiàn)相應的功能，可以采用機械(如開鎖就是“與”，凸輪杠桿可實現(xiàn)“或”和“非”功能)、電子、電器、液壓、氣動等元件組成“與”、“或”、“非”等功能。


（3）功能元求解
1 )參考有關資料、專利或產(chǎn)品求解；
2)利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想來探尋解法；
3)利用設計目錄求解。設計目錄是把能實現(xiàn)某種功能的各種原理和結構綜合在一起的一種表格或分類資料。
把各種功能元的局部解合理地予以組合，就可以得到多個系統(tǒng)原理解?？梢圆捎眯螒B(tài)綜合法或相關表和相關網(wǎng)法進行組合。
（4）求系統(tǒng)原理解的形態(tài)綜合法
形態(tài)綜合法是把系統(tǒng)功能元和局部解分別作為縱橫坐標，列出“形態(tài)學矩陣”，從每個功能元取出一種局部解進行有機組合，構成一個系統(tǒng)解的萬法。
例1 對手挖掘機的設計，我們采用形態(tài)綜合法來求解它的原理方案。
1）功能分析——挖掘機的總功能是取運物料，其總功能和分功能問的關系如下面的功能結構系統(tǒng)所示：
2）列出各功能元及其部解的形態(tài)學矩陣如表1所示。

表1 挖掘機的形態(tài)學矩陣

3）系統(tǒng)解的可能方案數(shù) Ｎ＝６×５ ×４ ×４ ×３＝１４４０
如：A1+B4+C3+D2+E1→履帶式挖掘機
A5+B5+C2+D4+E2 →液壓輪胎式挖掘機等。
（5）求系統(tǒng)原理解的相關表和相關網(wǎng)法
相關表和相關網(wǎng)法是為了系統(tǒng)地研究問題的要素之間的關系，便于搞清要素的主次，而把系統(tǒng)進行分解的一種求解方法。這種方法在設計過程中對認識問題、設計構思以及分析、綜合和展開都是有用的。它也是一層一層“打開黑箱”使之逐步轉變成白箱的一種系統(tǒng)分析設計的求解技術。下面舉例說明之。
例2 電子皮帶秤的原理方案設計。
電子皮帶秤的功能結構模型如圖3所示。它給出了實現(xiàn)輸入條件和輸出要求的可能的功能結構模型。該結構模型的輸入是物質流、能量流和信息流；輸出是物質流和信息流。
和圖3的功能結構模型中各要素相對應的相關表和相關網(wǎng)分別如圖4a)、b)所示。
圖3 電子皮帶秤的功能結構模型
在圖4a)中，“0”表示兩者有直接關系；“+”表示兩者有非直接關系；空白表示兩者無直接和非直接關系。在圖4 b)中，圓圈表示功能要素；連線表示相互間有直接關系。 圖4 電子皮帶秤功能結構模型的相關表和相關網(wǎng)
4、方案設計舉例 例3 瓶蓋整列裝置的原理方案設計。 設計要求：把一堆不規(guī)則放置的瓶蓋整列成口朝上的位置逐個輸出。瓶蓋的形狀和尺寸見圖5；瓶蓋重量為G=10g；整列速度100個／min； 能量為200V交流電和高壓氣(壓力6bar)；其余功能要求見表2。 第一步：明確任務要求。 圖5 瓶蓋
表2 瓶蓋整列裝置的功能要求
第二 步：功能分析 1）總功能：瓶蓋整列，其黑箱模型如圖6所示。 圖6 瓶蓋整列功能的黑箱模型
2）功能分析：總功能與分功能之間的功能結構系統(tǒng)如下：
第三步：功能元求解。采用形態(tài)學矩陣求解。相應的形態(tài)學矩陣如表3所示。
圖7 瓶蓋整列裝置的系統(tǒng)解
第四步：系統(tǒng)解。 組合各功能元，可得N=8×6 ×6 ×3 ×7=6048個系統(tǒng)解。 例如：在圖7中列舉了四種系統(tǒng)解。 第五步：評價與決策。 采用簡單評價法。用“+ +”表示“很好”，“+”表示“好”，“一”表示“不好”。其評價結果列于表面。 總計結果表明，方案Ⅱ為較理想的方案。 技術設計階段主要是確定功能零部件的結構、材料和尺寸，使原理方案具體化。
表4 瓶蓋整列裝置評價表