第6章系统的设计与集成(系统工程引论,第四版)

系统工程引论（第四版）王众托编著第6章系统的设计与集成第1节系统的初步设计第2节工程技术设计第3节系统的运行可行性设计第4节系统集成第5节系统集成创新第6节系统集成创新的方法论第1节系统的初步设计当系统建构完成之后，就要进入工程阶段。系统的工程阶段是从工程设计开始的。一般的工程设计分成三个阶段：初步设计、技术设计、施工图设计或详细设计。产品的设计与建设工程的设计在这方面比较成熟，设计的阶段划分和具体内容比较明确。软件的设计就有所不同了，至于组织机构的设计、服务项目的设计就更有各自的专业特殊要求。但也可吸收技术系统设计的一些规律和做法。系统工程师并不直接参加技术系统的专业设计，而只是对设计工作进行协调和支持。系统的工程阶段的第一步是进行初步设计。初步设计的目的在于证实所选的概念符合原定的系统性能和设计规格，并能以现有的技术和资源在成本、进度的约束下建造出系统来。在进行系统的功能分析时，要进行功能的确定和功能的分配，而在系统的初步设计阶段：要落实到子系统或部件的功能分配之上。要准备子系统的开发规格，选择适当的设计工具和技术。在这个过程中还要进行协调研究。最后进行设计评审。当功能分析向下扩展到子系统或者更下层时，需要回答子系统或部件应该完成什么目标的问题。这时要研究每一功能的输入是什么，输出是什么，要受到什么约束:输入是对它的要求、可用的资源与环境因素。输出是达到的能力。约束则包括技术、环境、经济、社会、法律、政治等方面的限制条件。当功能分析确定该子系统的运行功能之后，还要确定它的维护功能，包括预防性维护、检查、服务、支持设备等。功能分配实现的是需求的分配，是逐级向下的。在分配时，要考虑系统各方面的因素：1)系统性能与物理参数，这是系统内在的性能与参数，包括工作范围、容量、精度、尺寸、功率、体积等。2)系统的效率因素，这是系统表现出来的性能，如运行可靠性、可用性、可维护性、可生产性、可信任性、可支持性、兼容性等。3)系统的支持能力，这是外界对系统的供应、支撑能力，例如运输时间、备件、维修周转时间、测试设备及其可靠性、工具使用、信息传输效率、人力资源等。4)系统生命周期的价值因素，例如研究开发价值、投资或生产价值、运行与维护价值、再制造或报废价值。设计所需要考虑的方面和内容功能性设计：功能性的根据是前面所说的工作范围、容量、精度、尺寸、功率、体积等是如何实现的。可靠性设计：这涉及到系统能否成功地工作。可维护性设计：可维护性反映了系统工作的连续性和方便性。可用性设计：关系到系统的使用方便性和安全性。可支持性与实用性设计：涉及到系统能否提供服务。可生产性与可任意使用性设计：关系到系统是否易于建造和便于使用。经济性设计：如何在预算约束下建成系统。第2节工程技术设计在各类工程项目，例如土木建设工程、产品开发、网络设施建设、软件开发中，工程技术设计各有各的特点，各有各的技术设计方法和步骤。在工程设计过程中应注意现代化的分析与设计方法与工具的应用。包括数学模型的方法，现代化的计算机技术工具。设计的方法传统的方法包括计算与绘图方法，此外，建立模型也是有效的方法之一。在需求分析和概念设计过程中表述概念的模型和描述结构的模型能够发挥很大的作用，而在工程阶段，数学模型是抽象模型中常用的一种。数学模型的优越性表现在：可以用数学描述来解释问题中口头不容易说清楚的某些内容。容易比较不同方案的好坏，帮助设计人员迅速选出满意方案。能够显示出难以或者无法说明的因果关系。在一定程度上作出预测，特别是像可靠性、可维护性等。可以帮助辨识一些不确定性，像风险等。设计的工具计算机辅助设计（CAD）已经应用得很广泛，无论是土木工程结构、机械装备、印刷电路板，甚至于住宅装修都有相应的软件系统可以应用。有些软件系统还能够和下一步的计算机辅助制造（CAM）相联系。（例如：数控车床的应用）还可以和“计算机辅助采办和全寿命支持(CALS)”相连接。CALS的另一个名称是“持续采办和全寿命支持”。（主要应用于军事制造领域）CALS的主要内容是：在系统从策划构思、合同签约、研制设计到生产制造或施工、交付使用、培训维护、报废退役的全寿命过程中，各单位、各环节应用计算机和网络等信息技术，对技术数据按照标准进行数字化，尽量作到数据一次生成，多次传递使用，便于交换，逐步通过网络集成实现共享。应用CALS可以使有关各方协调合作，提高工作效率，缩短工作周期，有效地降低成本，提高产品质量。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）和计算机辅助采办和全寿命支持(CALS)集成在一起，形成了宏观计算机辅助设计（MacroCAD）。优点：1)设计者可以在比较短的时间内规划出不同的方案，增加了选择的余地，减少了风险。2)设计者可以通过不同的系统配置，进行大量的情景分析和仿真实验，验证设计的正确性，评估方案是否满足系统的需求，研究各种参数对系统影响的灵敏度。这要比在真实系统上做实验节省时间和费用，减少风险。特别是在真实系统未能建立甚至原型系统也未能建立之前，试验无法进行的时候。3)使设计工作能够一体化，强化了系统设计集成能力，由于信息的畅通，减少了不必要的返工。4)一项设计成果还可以保存下来供以后的设计参考，甚至采用其中的现成模块。5)还可以建立数据库和知识库以及一些流程规范，供以后培训使用。当各部分设计完成之后要进行综合和评审。综合是把各部分按照一定的方式合并和组合起来，形成一个功能整体结构。只有当前期设计进行得很充分，并且经过建模研究，系统的性能和其他要求得到保证，才算达到了综合的目的。设计过程是从一个抽象的构思到形成某种结构和功能的过程。在每一个阶段都应该进行功能评估，以保证设计的正确性，顺利地进入下一阶段。评估要从系统整体出发，通过会议和研读文档，作出是否满足要求的结论。第3节系统的运行可行性设计一、系统运行可行性的含义系统设计与开发的根本目的，是要使系统或者产品能够有效地运行。系统的运行可行性是指系统能够以高效的方式运行以满足用户需求的特性。系统能否有效地达到对它的要求，就看能否把所需要的技术特性与运行特性落实到设计中去。传统的工程思想是把从建筑、机械、电工、航空等工程领域中来的某些原理与特性落实到系统之中。但这只是初步要求，还远远不够，因为系统的实现还要看能否在用户的经济可承受能力范围内做到；系统是否能够可靠地工作；用户使用起来是否方便；有了故障能否及时恢复工作，等等。系统在建成投运之前人们看不到实际运行效果，只能根据系统的运行可行性来判断能否满足要求。系统的运行可行性指标在设计与开发阶段，应该考虑怎样使系统具有预期的运行性能。这可以用运行可行性某些指标来表示：可靠性。指系统能够可靠地运行、满足客户要求的程度。可维护性。指系统发生故障后加以维修而快速高效恢复运行的能力。可承担性。这涉及到能否以用户能够承担得起的成本来建造出满足要求的系统的问题。可使用性。指在包括人在内的系统运行时怎样解决人与系统的互动问题。需要考虑系统使用人员的生理因素、感觉因素、心理因素等。可支持性（可服务性）。这涉及到系统工作时的供应、维护、持续支持的问题。可生产性与可废弃性。这关系到系统能否比较容易而且低成本地制造或建立起来，在不适用时能否废弃的问题。二、系统的可使用性人们在设计或开发一个新的系统的时候，注意力首先放在系统以及各组件的技术性能要求上。但是所设计或开发的系统是为人服务的，因此必须考虑人在使用系统或与系统接触时的一些生理与心理因素问题。系统可使用性的设计，就是为了使系统或系统的产品尽可能方便使用，使系统由于人而引起的差错尽可能小。同时还要考虑工作环境的改善和安全舒适问题。人的因素应该在系统的生命周期的一开始就加以考虑，一直贯彻到整个周期。在系统中由人来完成的工作可以划分成不同的层次和性质，例如职责、任务、子任务、任务的最小逻辑活动、操作等。根据它们的要求，确定所需要的人员数量与技术水平、工作负荷及其安全分析、任务的时限等。在人的身体因素方面，设计操作站、控制台、方向盘以及维修处所时需要考虑人的体重、身高、手臂活动范围、手的大小、头颈活动范围等。而在更多的其他情况下则需要考虑人的感觉因素和其他生理因素以及心理因素等。感觉因素包括视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉等。心理因素包括人的智力、感情、性格与行为方式。｛在需求分析阶段，就应该开始注意到人在系统中的地位和作用。在概念设计阶段，应该提出对人的因素的定性、最好是定量的要求。在初步设计阶段，要进行人的因素在各子系统或部件之间的分配。在具体设计以及之后的阶段，则要具体落实并加以考核评价。当系统和人协同工作、人已经成为系统的组成部分的时候，系统的设计与开发需要进行一体化的考虑，一方面要考虑人的生理心理能力的限度，另一方面要考虑到人是有智力的，可以发挥主观能动性、创造性。例：苹果iPadmini发布例：苹果iPadmini发布虽然乔布斯生前反对7英寸平板，但在一致预期之中，苹果最终还是推出了iPadmini，精准的说，是7.9英寸屏幕。乔布斯拍板iPad使用9.7英寸屏幕，因为这个大小最适合浏览网页、阅读报刊杂志以及文本操作。iPad难以置信的成功验证了乔布斯的判断力。但为什么还有谷歌和亚马逊平板的市场空间？答案很简单，轻薄便携是移动产品最关键的要素。拿着Retina屏幕的iPad阅读上网，视觉体验无可挑剔，但沉甸甸的分量不适合单手握持，使用一段时间就得换手休息，也不太适合外出携带。与iPad相比，小屏幕iPadmini在多媒体、邮件、电子书、社交等基本功能上并不逊色，而在7.8毫米的厚度和重量减少一半的诱惑面前，阅读报纸杂志和上网浏览方面的体验缩水也在可接受的范围之内。谷歌发布Nexus7后，市场评价就是“终于有一款出色的7寸平板了”，消费者的需求可见一斑。三、系统的可支持性人们在规划、设计、开发一个系统的时候，很少考虑到系统运行之后的后勤、维护问题。等到系统的基本配置已经确定之后，再考虑就已经为时过晚了，要想变动所付出的代价就很大了。为了解决这一问题，应该把后勤与维护支持的基础设施作为系统的一个主要单元来考虑，而在系统设计过程中就加以解决。要想系统的工作具有高效率和高效能，后勤的基础设施必须可靠而且与系统同时到位。后勤与维护支持的基础设施包括具有采购、生产、运输、配送并能在用户运行所在地安装的基础设施，以及能在系统整个生命周期进行持续维护和支持的设施。后勤和维护支持需要考虑的问题有：后勤与维护支持的人员。维护用的部件库存。包装、运输与配送。培训支持。测试设备。信息设备与信息资源等。四、系统的可生产性与可废弃性可生产性是指系统要尽可能容易和低成本地制造或建立起来，而可废弃性指当系统失去效用时又能尽可能少地废弃与处置。可生产性与可废弃性要作为事物不可分的两个方面来考虑。生产者对可生产性的重视程度超过对可废弃性的重视程度。因为生产是企业内部的事，而且是可以盈利的。但是近来无论是生产者还是用户，开始重视可废弃性，因为系统失去效用后的处理也是用户以及生产者需要考虑的问题。废弃物的产生和处理不当，会造成环境灾害而为社会所不容。现在国内外都强调建立“绿色”的概念，需要绿色产品，绿色建筑物，绿色系统等等。而要做到这些并不是一件容易的事，需要在系统设计阶段就把它当做重要因素加以分析考虑。循环经济概念的提出就是为了解决这一问题的。通过循环处理把废弃物转化为有用的产品，无论是经济上还是环境保护上都可获得效益。“再制造”是以废旧产品性能实现跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧产品进行修复和改造的一系列技术措施的总称。五、系统的可承担性系统的可承担性指的是能否以用户承担得起的、尽可能低的成本，制造出满足要求的系统。系统的成本组成是比较复杂的，因为存在下列问题：系统的总成本不容易被人看到