系统分析与项目管理.

系统分析与项目管理

传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多独立的部分来分别进行研究。由于这是孤立地，且多是静止地分析问题，因此所得出的结论常带有片面性和局部性。
现代工程往往是一些大系统的巨大工程。例如，CIM就是一个包括NC技术、成组技术、柔性系统、CAD、CAPP、CAM、机器人、物料运输和存储、生产管理、检测、信息通讯网络技术等的大系统、大工程。它涉及到机械、电子、液压、管理、测量、控制、计算机技术、人工智能以及信息处理等科学技术领域，因而是一个多学科的综合技术系统。所以，在系统分析设计法中，就应该把设计对象看作是一个系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以求获得最佳的设计方案。
一、技术系统的组成和处理对象 我们所说的系统，一般包括以下四个组成部分：系统单元、系统结构、边界条件、输入和输出的要素。 系统单元是完成某种功能而无须进一步划分的单元，即系统相互联系和作用的基本组成要素。 系统结构反映着系统内部各个单元之间的关系，即相互联系和作用的联结形成。系统只有通过结构才能实现其总功能。然而，不同的结构既可完成不同的功能，也可完成相同的功能。 边界条件是系统与外部环境的作用界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。但是，界面又是相对的，可以因分析研究的具体要求不同而异。确定边界的主要依据是：在所研究的具体条件下，当该单元发生变化时，看是否对系统功能产生决定性影响，看是否应当把某个或某些单元包括在系统的内部。







例如，在研究一项工作时，时间、地点、资源条件、人员的工作能力等是系统内部的组成单元；但若考核个人的工作能力时，学历、经验、技术水平等才是系统内部的组成单元，而上述的时间、地点、资源条件等因素则成为外部的环境要素。同时，根据与环境有无一定的联系，系统又可分为封闭的和开放的。封闭系统与环境无联系，开放系统受环境的影响。
系统的行为通常表现为它与其外部环境的相互联系和作用，可以用该系统的输入和输出来表征。

现在，用自行车为例，说明系统的组成，如图1所示。
图1 自行车系统的组成

自行车的系统单元是驱动、控制、支承、变速、转向、制动、转动等机构。这些单元组成自行车的结构，实现能量的转换、获得一定运动速度下的承载能力，完成运载的功能。自行车的边界条件是骑行环境，骑车人是它的外部环境要素。自行车的输入要素是骑车人的脚蹬力，它是一种机械能量；输出要素是一定速度的承载力，也是一种机械能量。所以，自行车的输入和输出要素是能量，其内部结构实现能量的转换。
我们分析的都是工程技术系统。一般地说，它的处理对象是：能量、物料、信号等。所以，可以用图2来表达工程技术系统的示意图。图2中，工程技术系统的能量可以是机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等；物料可以是材料、毛坯、试件、气体、液体等；信号可以是数据、控制脉冲；显示等。
图2 工程技术系统
二、系统分析设计方法
在第一章中，我们已经提到了，系统或产品的设计具有一定的程式或过程。这种程式或过程有多种模式，并给出一个表明设计过程和设计技术纵横交错关系和系统工程设计方法的三维结构模式。然而，如果从系统工程的观点出发，一个系统或产品的开发设计过程，不能仅限于系统或产品的设计，还需要有产品的制造和运行。即系统开发应包括：系统设汁、系统制造和系统运行三个环节。只有这样才能验证其开发的效果。但是，我们这里讲述的是系统分析设计法，因此问题的讨论将仅限于系统或产品设计的范围之内。
1、设计过程剖析
一般地说，系统或产品的设计过程可概略地划分为：产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等阶段。例如，机床设计就相应地划分为类似的四个阶段：1)调查研究；2)方案拟定(技术设计)；3)工作图设计；4)样机试制和鉴定。下面简要地介绍产品规划、方案设计和技术设计阶段的工作内容。

2、项目规划
设计的第一步是产品规划。这里首先需要明确所设计的系统或产品的目的和任务要求，并用设计任务书的形式表达出来．以作为后续的设计、评价和决策工作的依据。为此，需要进行市场需求分析、可行性分析和设计要求的拟定工作。
（1）市场需求分析
市场需求分析包括对销售市场和原料市场作如下几方面的分析：
1)消费者对产品的功能、性能、质量和数量等的具体要求；
2)现有类似声品的销售情况和销售趋势；
3)竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向；
4)主要原料、配件和半成品的现状．价格及变化趋势等。
（2）可行性分析

可行性分析从30年代起开始用于美国，现在已发展为一整套系统的科学方法，它包括：
1)技术分析——技术方案中的创新点和难点以及解决它们的方法和技术路线等分析；
2)经济分析——成本和性能价格比分析，即如何以最少的人力、物力获得最佳的功能和经济效果的价值优化分析；
3)社会分析——随着生产的发展和工程项目的综合化、大型化，它们和社会的关系也日益密切。例如，美国在1963年作为国家计划曾决定开发速度为声速三倍的超音速各机。经分析，技术上可行，期望销售500架，按每架400万美元计算，其经济效益也很好。但问题是对社会和环境因素分析不足。因为这种超音速飞机高速飞行时，每小时消耗燃料17～18吨，燃烧产生的氢氧化合物会在地面上造成对人体有害的光化学烟雾，发热能够使局部小气候的温度升高难度10-20，尤其是冲击波带来的噪声使人无法忍受。因此，纽约市议会决定超音速客机不得在距市中心160公里以内的地方起落。以速度为生命的客机不能接近城

市便失去了高速的优越性。所以，1973年3月美国政府不得不作出决定，停止开发此种超音速飞机。
经过技术、经济和社会各方面条件的详细分析和对开发可能性的综合研究，最后应提出产品开发的可行性报告。可行性报告的大致内容有：
1)产品开发的必要性，市场调查和预测情况；
2)有关产品的国内外水平、发展趋势；
3)从技术上预期能达到的水平，经济效益、社会效益的分析；
4)在设计、工艺等方面需要解决的关键问题；
5)投资费用及时问进度计划；
6)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施。
（3）设计要求的拟定
设计要求的拟定工作包括：根据产品功能和性能提出设计参数和相关的指标，如可靠性、生产率、性能价格比等指标；列出制造、使用等方面的限制条件，如工艺方面(加工、装配、检验等)的限制条件和操作、安全、维修、外观造型等使用方面的具体要求等。

3、方案设计
（1）功能分析和原理方案拟定
方案设计阶段，第一步是原理方案拟定。
在系统分析设计中，原理方案拟定一般是从功能分析入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过分析一综合一评价，求得最佳方案。
原理方案拟定的功能分析，首先是总功能分析。分析系统的总功能常采用“黑箱法”。
黑箱法是根据系统的输入和输出关系来研究实现系统功能的一种方法。即根据系统的某种输入，要求获得什么样的输出的功能要求，从中寻找出某种规律来实现输入一输出之间的转换，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使黑箱变成白箱的一种方法。也就是说，把待求的系统看作黑箱，分析比较系统的输入和输出的能量、物料和信号，其性质或状态上的变化、差别和关系就反映了系统的总功能。因此，可以从输入和输出的差别和关系的比较中找出实现功能的各种可能的原理方案来，从而把黑箱打开，确定系统的结构。

然而，一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。因此，应按系统分解的方法进行功能分解，即把总功能分解为一系列分功能，再针对各分功能用黑箱方法选择 适合的功能元求得局部解答。最后通过各功能元求解分功能与总功能之间的关系建立功能结构系统，给出系统原理解。从这里可以看出，功能元求解方法是原理方案拟定中的一个重要方法。
（2）功能元类型
常用的功能元类型有：物理功能元，逻辑`功能元和数学功能元三类，分别简单说明如下： 数学功能元是实现加、减、乘、除、开方、乘方以及微分、积分运算功能的机械、电子、电器等组件。如机械中的行星轮系就可以实现加、减和除法运算。
物理功能元主要是反映系统或设备中能量、物料、信号变化的基本物理作用的。常用的基本物理功能元有：
功能转换类——能量、运动型式、材料性质、物态和信号种类的变换；

功能缩放类——物理量的放大、缩小和物料性质的缩放(如压力和电压间的变化)等；
功能联结类——能量、物料、信号同质或不同质数量上的结合，
功能传导及离合类——反映能量、物料、信号的位置变化；
功能存贮类——它体现一定时间范围内保存的功能(如飞轮、仓库、弹簧、电池等)。
物理功能元是通过物理效应实现其功能而获得解答的。机械、仪器中常用的物理效应有：力学、液气、电力、磁力、光学、热力、核效应等。
同一物理效应可以完成不同的功能，同一功能可以用不同的物理效应实现。
逻辑功能元主要用于逻辑运算和控制，它通常是以“与”、“或”、“非”门，通过逻辑方法进行组合以实现相应的功能，可以采用机械(如开锁就是“与”，凸轮杠杆可实现“或”和“非”功能)、电子、电器、液压、气动等元件组成“与”、“或”、“非”等功能。


（3）功能元求解
1 )参考有关资料、专利或产品求解；
2)利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法；
3)利用设计目录求解。设计目录是把能实现某种功能的各种原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。
把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到多个系统原理解。可以采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合。
（4）求系统原理解的形态综合法
形态综合法是把系统功能元和局部解分别作为纵横坐标，列出“形态学矩阵”，从每个功能元取出一种局部解进行有机组合，构成一个系统解的万法。
例1 对手挖掘机的设计，我们采用形态综合法来求解它的原理方案。
1）功能分析——挖掘机的总功能是取运物料，其总功能和分功能问的关系如下面的功能结构系统所示：
2）列出各功能元及其部解的形态学矩阵如表1所示。

表1 挖掘机的形态学矩阵

3）系统解的可能方案数 Ｎ＝６×５ ×４ ×４ ×３＝１４４０
如：A1+B4+C3+D2+E1→履带式挖掘机
A5+B5+C2+D4+E2 →液压轮胎式挖掘机等。
（5）求系统原理解的相关表和相关网法
相关表和相关网法是为了系统地研究问题的要素之间的关系，便于搞清要素的主次，而把系统进行分解的一种求解方法。这种方法在设计过程中对认识问题、设计构思以及分析、综合和展开都是有用的。它也是一层一层“打开黑箱”使之逐步转变成白箱的一种系统分析设计的求解技术。下面举例说明之。
例2 电子皮带秤的原理方案设计。
电子皮带秤的功能结构模型如图3所示。它给出了实现输入条件和输出要求的可能的功能结构模型。该结构模型的输入是物质流、能量流和信息流；输出是物质流和信息流。
和图3的功能结构模型中各要素相对应的相关表和相关网分别如图4a)、b)所示。
图3 电子皮带秤的功能结构模型
在图4a)中，“0”表示两者有直接关系；“+”表示两者有非直接关系；空白表示两者无直接和非直接关系。在图4 b)中，圆圈表示功能要素；连线表示相互间有直接关系。 图4 电子皮带秤功能结构模型的相关表和相关网
4、方案设计举例 例3 瓶盖整列装置的原理方案设计。 设计要求：把一堆不规则放置的瓶盖整列成口朝上的位置逐个输出。瓶盖的形状和尺寸见图5；瓶盖重量为G=10g；整列速度100个／min； 能量为200V交流电和高压气(压力6bar)；其余功能要求见表2。 第一步：明确任务要求。 图5 瓶盖
表2 瓶盖整列装置的功能要求
第二 步：功能分析 1）总功能：瓶盖整列，其黑箱模型如图6所示。 图6 瓶盖整列功能的黑箱模型
2）功能分析：总功能与分功能之间的功能结构系统如下：
第三步：功能元求解。采用形态学矩阵求解。相应的形态学矩阵如表3所示。
图7 瓶盖整列装置的系统解
第四步：系统解。 组合各功能元，可得N=8×6 ×6 ×3 ×7=6048个系统解。 例如：在图7中列举了四种系统解。 第五步：评价与决策。 采用简单评价法。用“+ +”表示“很好”，“+”表示“好”，“一”表示“不好”。其评价结果列于表面。 总计结果表明，方案Ⅱ为较理想的方案。 技术设计阶段主要是确定功能零部件的结构、材料和尺寸，使原理方案具体化。
表4 瓶盖整列装置评价表

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