系統(tǒng)分析與項(xiàng)目管理.

系統(tǒng)分析與項(xiàng)目管理

傳統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法一般是把設(shè)計(jì)對(duì)象分解為許多獨(dú)立的部分來分別進(jìn)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(jié)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(gè)包括NC技術(shù)、成組技術(shù)、柔性系統(tǒng)、CAD、CAPP、CAM、機(jī)器人、物料運(yùn)輸和存儲(chǔ)、生產(chǎn)管理、檢測(cè)、信息通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的大系統(tǒng)、大工程。它涉及到機(jī)械、電子、液壓、管理、測(cè)量、控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能以及信息處理等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，因而是一個(gè)多學(xué)科的綜合技術(shù)系統(tǒng)。所以，在系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)法中，就應(yīng)該把設(shè)計(jì)對(duì)象看作是一個(gè)系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的概念進(jìn)行分析和綜合，并且按產(chǎn)品或系統(tǒng)開發(fā)的進(jìn)程進(jìn)行設(shè)計(jì)，以求獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。
一、技術(shù)系統(tǒng)的組成和處理對(duì)象 我們所說的系統(tǒng)，一般包括以下四個(gè)組成部分：系統(tǒng)單元、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(jìn)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(jié)構(gòu)反映著系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)單元之間的關(guān)系，即相互聯(lián)系和作用的聯(lián)結(jié)形成。系統(tǒng)只有通過結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)其總功能。然而，不同的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)對(duì)象的范圍。但是，界面又是相對(duì)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(dāng)該單元發(fā)生變化時(shí)，看是否對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生決定性影響，看是否應(yīng)當(dāng)把某個(gè)或某些單元包括在系統(tǒng)的內(nèi)部。







例如，在研究一項(xiàng)工作時(shí)，時(shí)間、地點(diǎn)、資源條件、人員的工作能力等是系統(tǒng)內(nèi)部的組成單元；但若考核個(gè)人的工作能力時(shí)，學(xué)歷、經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平等才是系統(tǒng)內(nèi)部的組成單元，而上述的時(shí)間、地點(diǎn)、資源條件等因素則成為外部的環(huán)境要素。同時(shí)，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(qū)動(dòng)、控制、支承、變速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。這些單元組成自行車的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、獲得一定運(yùn)動(dòng)速度下的承載能力，完成運(yùn)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(jī)械能量；輸出要素是一定速度的承載力，也是一種機(jī)械能量。所以，自行車的輸入和輸出要素是能量，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。
我們分析的都是工程技術(shù)系統(tǒng)。一般地說，它的處理對(duì)象是：能量、物料、信號(hào)等。所以，可以用圖2來表達(dá)工程技術(shù)系統(tǒng)的示意圖。圖2中，工程技術(shù)系統(tǒng)的能量可以是機(jī)械能、熱能、電能、光能、化學(xué)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(hào)可以是數(shù)據(jù)、控制脈沖；顯示等。
圖2 工程技術(shù)系統(tǒng)
二、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法
在第一章中，我們已經(jīng)提到了，系統(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(gè)表明設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)技術(shù)縱橫交錯(cuò)關(guān)系和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的三維結(jié)構(gòu)模式。然而，如果從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)出發(fā)，一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程，不能僅限于系統(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，還需要有產(chǎn)品的制造和運(yùn)行。即系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)包括：系統(tǒng)設(shè)汁、系統(tǒng)制造和系統(tǒng)運(yùn)行三個(gè)環(huán)節(jié)。只有這樣才能驗(yàn)證其開發(fā)的效果。但是，我們這里講述的是系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)法，因此問題的討論將僅限于系統(tǒng)或產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)。
1、設(shè)計(jì)過程剖析
一般地說，系統(tǒng)或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程可概略地劃分為：產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)等階段。例如，機(jī)床設(shè)計(jì)就相應(yīng)地劃分為類似的四個(gè)階段：1)調(diào)查研究；2)方案擬定(技術(shù)設(shè)計(jì))；3)工作圖設(shè)計(jì)；4)樣機(jī)試制和鑒定。下面簡(jiǎn)要地介紹產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)階段的工作內(nèi)容。

2、項(xiàng)目規(guī)劃
設(shè)計(jì)的第一步是產(chǎn)品規(guī)劃。這里首先需要明確所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或產(chǎn)品的目的和任務(wù)要求，并用設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式表達(dá)出來．以作為后續(xù)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和決策工作的依據(jù)。為此，需要進(jìn)行市場(chǎng)需求分析、可行性分析和設(shè)計(jì)要求的擬定工作。
（1）市場(chǎng)需求分析
市場(chǎng)需求分析包括對(duì)銷售市場(chǎng)和原料市場(chǎng)作如下幾方面的分析：
1)消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)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(shì)；
3)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨向；
4)主要原料、配件和半成品的現(xiàn)狀．價(jià)格及變化趨勢(shì)等。
（2）可行性分析

可行性分析從30年代起開始用于美國(guó)，現(xiàn)在已發(fā)展為一整套系統(tǒng)的科學(xué)方法，它包括：
1)技術(shù)分析——技術(shù)方案中的創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)以及解決它們的方法和技術(shù)路線等分析；
2)經(jīng)濟(jì)分析——成本和性能價(jià)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(jì)效果的價(jià)值優(yōu)化分析；
3)社會(huì)分析——隨著生產(chǎn)的發(fā)展和工程項(xiàng)目的綜合化、大型化，它們和社會(huì)的關(guān)系也日益密切。例如，美國(guó)在1963年作為國(guó)家計(jì)劃曾決定開發(fā)速度為聲速三倍的超音速各機(jī)。經(jīng)分析，技術(shù)上可行，期望銷售500架，按每架400萬美元計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)效益也很好。但問題是對(duì)社會(huì)和環(huán)境因素分析不足。因?yàn)檫@種超音速飛機(jī)高速飛行時(shí)，每小時(shí)消耗燃料17～18噸，燃燒產(chǎn)生的氫氧化合物會(huì)在地面上造成對(duì)人體有害的光化學(xué)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(huì)決定超音速客機(jī)不得在距市中心160公里以內(nèi)的地方起落。以速度為生命的客機(jī)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(guó)政府不得不作出決定，停止開發(fā)此種超音速飛機(jī)。
經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)各方面條件的詳細(xì)分析和對(duì)開發(fā)可能性的綜合研究，最后應(yīng)提出產(chǎn)品開發(fā)的可行性報(bào)告?？尚行詧?bào)告的大致內(nèi)容有：
1)產(chǎn)品開發(fā)的必要性，市場(chǎng)調(diào)查和預(yù)測(cè)情況；
2)有關(guān)產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)外水平、發(fā)展趨勢(shì)；
3)從技術(shù)上預(yù)期能達(dá)到的水平，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的分析；
4)在設(shè)計(jì)、工藝等方面需要解決的關(guān)鍵問題；
5)投資費(fèi)用及時(shí)問進(jìn)度計(jì)劃；
6)現(xiàn)有條件下開發(fā)的可能性及準(zhǔn)備采取的措施。
（3）設(shè)計(jì)要求的擬定
設(shè)計(jì)要求的擬定工作包括：根據(jù)產(chǎn)品功能和性能提出設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)的指標(biāo)，如可靠性、生產(chǎn)率、性能價(jià)格比等指標(biāo)；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(yàn)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(shè)計(jì)
（1）功能分析和原理方案擬定
方案設(shè)計(jì)階段，第一步是原理方案擬定。
在系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)中，原理方案擬定一般是從功能分析入手，利用創(chuàng)造性構(gòu)思擬出多種方案，通過分析一綜合一評(píng)價(jià)，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(guān)系來研究實(shí)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(shí)現(xiàn)輸入一輸出之間的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的解決辦法，從而推求出“黑箱”的功能結(jié)構(gòu)，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(hào)，其性質(zhì)或狀態(tài)上的變化、差別和關(guān)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(guān)系的比較中找出實(shí)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(jié)構(gòu)。

然而，一般工程系統(tǒng)都比較復(fù)雜，難以直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解。因此，應(yīng)按系統(tǒng)分解的方法進(jìn)行功能分解，即把總功能分解為一系列分功能，再針對(duì)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(guān)系建立功能結(jié)構(gòu)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(gè)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(xué)功能元三類，分別簡(jiǎn)單說明如下： 數(shù)學(xué)功能元是實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除、開方、乘方以及微分、積分運(yùn)算功能的機(jī)械、電子、電器等組件。如機(jī)械中的行星輪系就可以實(shí)現(xiàn)加、減和除法運(yùn)算。
物理功能元主要是反映系統(tǒng)或設(shè)備中能量、物料、信號(hào)變化的基本物理作用的。常用的基本物理功能元有：
功能轉(zhuǎn)換類——能量、運(yùn)動(dòng)型式、材料性質(zhì)、物態(tài)和信號(hào)種類的變換；

功能縮放類——物理量的放大、縮小和物料性質(zhì)的縮放(如壓力和電壓間的變化)等；
功能聯(lián)結(jié)類——能量、物料、信號(hào)同質(zhì)或不同質(zhì)數(shù)量上的結(jié)合，
功能傳導(dǎo)及離合類——反映能量、物料、信號(hào)的位置變化；
功能存貯類——它體現(xiàn)一定時(shí)間范圍內(nèi)保存的功能(如飛輪、倉(cāng)庫(kù)、彈簧、電池等)。
物理功能元是通過物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其功能而獲得解答的。機(jī)械、儀器中常用的物理效應(yīng)有：力學(xué)、液氣、電力、磁力、光學(xué)、熱力、核效應(yīng)等。
同一物理效應(yīng)可以完成不同的功能，同一功能可以用不同的物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
邏輯功能元主要用于邏輯運(yùn)算和控制，它通常是以“與”、“或”、“非”門，通過邏輯方法進(jìn)行組合以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，可以采用機(jī)械(如開鎖就是“與”，凸輪杠桿可實(shí)現(xiàn)“或”和“非”功能)、電子、電器、液壓、氣動(dòng)等元件組成“與”、“或”、“非”等功能。


（3）功能元求解
1 )參考有關(guān)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(shè)計(jì)目錄求解。設(shè)計(jì)目錄是把能實(shí)現(xiàn)某種功能的各種原理和結(jié)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)原理解?？梢圆捎眯螒B(tài)綜合法或相關(guān)表和相關(guān)網(wǎng)法進(jìn)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(biāo)，列出“形態(tài)學(xué)矩陣”，從每個(gè)功能元取出一種局部解進(jìn)行有機(jī)組合，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)解的萬法。
例1 對(duì)手挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)，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(jī)的總功能是取運(yùn)物料，其總功能和分功能問的關(guān)系如下面的功能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所示：
2）列出各功能元及其部解的形態(tài)學(xué)矩陣如表1所示。

表1 挖掘機(jī)的形態(tài)學(xué)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(jī)
A5+B5+C2+D4+E2 →液壓輪胎式挖掘機(jī)等。
（5）求系統(tǒng)原理解的相關(guān)表和相關(guān)網(wǎng)法
相關(guān)表和相關(guān)網(wǎng)法是為了系統(tǒng)地研究問題的要素之間的關(guān)系，便于搞清要素的主次，而把系統(tǒng)進(jìn)行分解的一種求解方法。這種方法在設(shè)計(jì)過程中對(duì)認(rèn)識(shí)問題、設(shè)計(jì)構(gòu)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(zhuǎn)變成白箱的一種系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的求解技術(shù)。下面舉例說明之。
例2 電子皮帶秤的原理方案設(shè)計(jì)。
電子皮帶秤的功能結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。它給出了實(shí)現(xiàn)輸入條件和輸出要求的可能的功能結(jié)構(gòu)模型。該結(jié)構(gòu)模型的輸入是物質(zhì)流、能量流和信息流；輸出是物質(zhì)流和信息流。
和圖3的功能結(jié)構(gòu)模型中各要素相對(duì)應(yīng)的相關(guān)表和相關(guān)網(wǎng)分別如圖4a)、b)所示。
圖3 電子皮帶秤的功能結(jié)構(gòu)模型
在圖4a)中，“0”表示兩者有直接關(guān)系；“+”表示兩者有非直接關(guān)系；空白表示兩者無直接和非直接關(guān)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(guān)系。 圖4 電子皮帶秤功能結(jié)構(gòu)模型的相關(guān)表和相關(guān)網(wǎng)
4、方案設(shè)計(jì)舉例 例3 瓶蓋整列裝置的原理方案設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)／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(wù)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)如下：
第三步：功能元求解。采用形態(tài)學(xué)矩陣求解。相應(yīng)的形態(tài)學(xué)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(gè)系統(tǒng)解。 例如：在圖7中列舉了四種系統(tǒng)解。 第五步：評(píng)價(jià)與決策。 采用簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)法。用“+ +”表示“很好”，“+”表示“好”，“一”表示“不好”。其評(píng)價(jià)結(jié)果列于表面。 總計(jì)結(jié)果表明，方案Ⅱ?yàn)檩^理想的方案。 技術(shù)設(shè)計(jì)階段主要是確定功能零部件的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸，使原理方案具體化。
表4 瓶蓋整列裝置評(píng)價(jià)表

系統(tǒng)分析與項(xiàng)目管理.