一種新型系統試驗方法的研究

張興宇

（成都源泉生物科技有限公司，四川 成都 610094）

0 引言

試驗方法對科學發現和技術發明的重要性不容置疑。鑒于科技領域事物普遍存在系統形態，因此系統試驗方法尤為重要。系統試驗的根本目的在于優化系統，使系統功能發揮最大化作用[1]。系統由多元素組成。從“質”的層面看，元素的形態有多方面，例如物料（金屬或非金屬）或物質組合、物理的或化學形式的能源、機械形狀與幾何尺寸、時間、微生物或生物細胞、pH值、溶氧、微量元素等。此外，元素還有“量”的屬性。于是，對一個將擁有特定功能的系統而言，其元素必須在“質與量”2個方面都有最佳配置；使系統從無序走向有序；系統元素間的關系從松散或對抗走向合作與協同，這正是系統優化的精髓所在。然而，當前系統優化僅局限于系統元素量值優化配置。例如基于數理統計的正交設計試驗法與均勻設計試驗法、單因素試驗法、數學模型法（例如響應面法）等[3]。殊不知，系統元素在“質”的層面上優化配置更為重要，因為它是量值優化配置的先決條件。因此，這些方法不可能真正使系統功能最大化。

根據完備性，系統可分為3類：即“完備系統”、“欠完備系統”以及“擬建系統”。前兩類僅是第三類的特例。該文將著重討論有關它們的優化試驗方法。首先展示試驗流程圖，并配以詳細討論。接著，強調了其技術特征及實用化情況。

首先將從系統類別劃分說起。

1 關于系統類別

根據完備性，系統可分為3類：即“完備系統”、“欠完備系統”以及“擬建系統”。

所謂“完備系統”是指系統全部元素具備了必要且充分條件；換句話，系統結構較完備，所有系統元素之間有一定協同作用，只是可以經由優化進一步強化這種協同性而已。

所謂“欠完備系統”是指系統元素的必要充分性不足。須從外界補充適當元素并經由優化后，系統方能擁有特定功能。

以上2類多見于科技項目中。

所謂“擬建系統”是指以某種特定功能為目標而組建的系統。要使“擬建系統”成為“完備系統”，首先，必須挑選若干相關元素組成“集合”，再經由試驗而成為“完備系統”。

可見，從系統試驗角度看，前兩類是第三類的特例。以下將著重就“擬建系統”演變成“完備系統”的試驗方法展開討論。

首先，討論一下“擬建系統”演變成“系統”的試驗方法。

2 “擬建系統”演變成“系統”的傳統試驗方法

圖1是“擬建系統”演變成“系統”的試驗流程示意圖。它始于挑選“元素”，形成“集合”，再演變成“系統”。

圖1 “元素”演變成“系統”示意圖

傳統方法：首先預選若干“元素”。根據經驗或專業知識對候選“元素”逐一試錯而組建成一個“集合”。由于受試驗方法限制，往往要求候選“元素”盡可能少，因此，“集合”的隨機不確定性必然較大，可能對試驗結果產生負面影響。實際上，“集合”與“系統”之間并沒有明確界線?！跋到y”必須經由大量試驗才能得到優化[3]。需要指出，該方法僅局限于對系統因素的量值層面給予優化配置。

以下將著重討論“擬建系統”演成為“完備系統”的新型試驗方法。

3 “擬建系統”演變成“完備系統”的新型試驗方法

如圖2是“擬建系統”演變成為“組織”的簡單示意圖。它始于挑選“元素”以形成“集合”，“集合”經由“系統”演變成“組織”?！跋到y”與“組織”，就概念的內涵而論，共同點是元素之間關系；不同點是關系的屬性：前者偏重于關聯性，而后者強調的是合作與協同性。根據這個觀點，圖2可解讀為先由個體構建“集合”，此時個體之間有了松散聯系，若松散關系演變成密切關聯（合作或對抗），這便是“系統”，當關系進一步演變成純協同合作而高度有序狀態時，這便是“組織”。 “組織”也可被認為是具有特定功能的“系統”。

圖2 “元素”演變成“組織”簡單示意圖

3.1 技術要求

從選取“元素”到演變成“組織”務必連貫進行； 試驗應當盡可能避免片面性與隨機不確定性；能根據系統行為功能要求，同時完成系統元素的“質與量”2個方面優化配置；能適合多目標量系統優化；可操作性強；試驗項目≤10；能使任何類別系統演變成“組織”而擁有預期功能；能廣泛適用于科技開發、科技創新或企業生產技術升級改造。

3.2 系統試驗技術原理與實施過程

針對上述技術要求，試驗務必有序開展。

由于試驗中選取“元素”存在片面性與隨機不確定性，為盡可能減少其影響，須根據經驗或專業知識盡可能擴大元素遴選范圍，以便選出由足夠數量的“元素”構成“集合”。當然，鑒于經驗或專業知識局限性，“集合”中難免會有無關的或有反作用的“元素”。從這層意義上看，“集合”僅是“準系統”。為了讓“準系統”演變成“系統”，必須從“準系統”中剔除無關的或相關性不大的元素。當然，其中的鑒別工作僅涉及系統元素的“質”的層面?！百|”與“量”雖是元素2種不同屬性，然而“質”必須負載相應的“量”才能表達出來。根據這個理念，鑒別系統元素的“質”便可通過考察相應“量”的表現來完成。這里所謂表現是以它對系統協同性貢獻大小而論。

圖2是通用復雜系統優化試驗原理與試驗流程圖。它既適用于“擬建系統”，也適合“完備系統”與“欠完備系統”。該圖展現了從元素、集合到系統，以致演變成組織的全過程。

試驗流程圖（圖3）均適用于3類系統的優化試驗?！巴陚湎到y”涉及的流程是由圖中的步驟Ⅱ至Ⅷ；而“欠完備系統”與“擬建系統”涉及的流程是由圖中步驟Ⅰ至Ⅷ。

圖3 通用復雜系統優化試驗原理與試驗流程圖

步驟Ⅰ對試驗結果有重要影響；為使集合中的全部元素具有必要與充分性，初始構建“集合”時，應本著開放原則盡可能擴大候選元素范圍，以便能多挑選些相關元素，以減少隨機不確定性與片面性對試驗結果產生負面影響。

為便于步驟Ⅲ設計試驗方案，“集合”中全部元素的量值務必預先界定一個相宜的量變范圍。若不能準確界定，關系也不大。因為在步驟Ⅶ能得到矯正。

實際操作中，事實上步驟Ⅱ同步驟Ⅰ緊密相關，彼此難有明顯界線，僅是理念上有所區別而已。

步驟Ⅲ，初始試驗有3項，試驗設計是根據筆者提出的“三點法”。其數學原理及使用方法參見筆者已發表的論文[4]。

步驟Ⅶ和Ⅷ是實現系統優化的重要環節，不在該文重點討論之列。因篇幅計，從略。擬另外行文予以專題研討。

遵循路徑N，能根據試驗結果分析系統中每個元素針對系統功能的協同作用能力，鑒別其重要性及適當量值或量變范圍。根據通用系統行為數學模型及一組算法分析計算試驗結果，能得到系統全面數值反饋控制方案，以修正“系統”全部元素量值，便能得到第二輪試驗設計方案。根據具體情況，可能需要再設計1～3項試驗。同樣，試驗結果根據通用系統行為數學模型及一組算法計算分析，又能得到新的數值反饋控制方案，以進一步修正“系統”全部元素量值，便得到第三輪的試驗方案等，通常，總共所需試驗項目≤10，即可完成系統優化。

步驟Ⅴ是針對初始試驗結果進行價值判斷。若初始3項試驗結果之間的量值差異偏小且距期望值有較大差距，則首先應當考慮從系統外部適當添加一些新要素，遵循N1路徑從步驟Ⅰ嘗試試驗。若反復幾次嘗試無望，就要果斷放棄繼續試驗。該機制對新開發科技項目在初始試驗階段進行“戰略判斷”特別有用；可及時止損，避免人力、時間與資源浪費。

流程圖中標注的黑體字是對流程中相應步驟的簡要注釋。

一經完成上述試驗流程，一個“擬建系統”或特定的復雜系統只需要≤10項試驗，便能演變為一個“組織”；“ 組織”中的各元素之間有了高度協同性，使系統功能最大化[2]。

上述試驗流程圖，主要是為了解決系統優化問題而設，同時也引出了一個深層次具有工程意義的重要議題，即構建系統最優架構。該文稱為系統因素“質”的優化配置。在系統工程中，為實現某種功能，首先得解決組建系統及其最優架構問題。至于如何解決，當前基本上是靠經驗或逐一試錯。它將耗費大量人力、物力、財力與時間，不僅功效低下，其片面性與盲目性將或多或少對系統架構的功能產生負面影響。然而，這是開發新產品和新技術過程中通常難以逾越的一道坎。該流程能通過實驗解決系統最優架構問題，也能解決系統因素量值最優配置問題。

試驗流程中的步驟Ⅷ源于反饋控制理論，目的在于精準修正系統各元素的量值配置。正是這種技術措施，加上“三點試驗法”，以致系統優化才能僅需極少量試驗。

由上述試驗原理與試驗流程可知，系統優化試驗方法跟系統具體的理化屬性沒有任何關系，這就意味著可適用的專業領域非常寬廣，而其邊界是可試驗性。即具有可試驗的所有科技領域都能適用。

3.3 在科技實踐中的現實表現

筆者在中國系統工程學會2014年會上發表的論文《系統組織化工程初論》有較詳細介紹。有興趣者可上網查看。這里，有必要指出，成都源泉生物科技有限公司采用該技術，在缺乏技術、經驗與資料情況下，開發每種基礎培養基、通用培養基或各種專用培養基，幾乎都是從零開始遵循由“擬建系統”到形成“組織”的技術路線，按步就班從“集合”出發，經由“系統”最終演變成為“組織”而實現預期技術目標，短時間內成功開發出系列化細胞培養基專利產品。其中有不少產品均涉及多余70個系統因素。而每個產品的研究開發試驗項目均≤10，是優質高效創新開發的典型實例。了解它們可詳見該公司網站，也許有借鑒意義。

總之，該技術在大量科技實踐中已歷經數次驗證，表現卓越。

此外，需要申明一下：以上列舉的事例多屬生物醫藥領域，但并非僅能如此。原因是過去筆者受制于可能涉及的社會活動范圍所限。

3.4 特點

該實驗流程的特點可以歸納成如下幾點：1）從元素的集合演變成組織的進程中，依照開放原則選擇元素，能極大化解初選要素難題；2）能對研究開發項目的開發前景及時做出戰略性判斷并有糾偏機制；3）能適于多目標系統優化；4）能同時解決系統因素“質與量”優化配置問題，所需試驗項目≤10；5）可操作性強；6）能優化復雜多因素系統；7）可廣泛用于涉及復雜系統的科學技術與工程技術各領域，能實現低成本、優質高效開展科技開發與創新，同樣，也能用于高效解決系統組建與結構優化以及老產品技術升級改造。

4 結語

該文論述的復雜系統優化方法源于筆者一種理念：優化目的是使系統功能最大化。為此，系統務必從無序走向有序，而進入協同合作狀態。相應的技術措施是從系統因素的“質”與“量”2個方面同步進行優化配置。而當前流行的方法卻片面地僅局限于系統元素量值層面優化配置，因此不可能真正使系統進入協同合作狀態。

有趣的是，系統因素僅在“質”的層面上優化配置，正好同系統組建最優化架構課題相吻合。這是科技創新中首先必須解決的技術難題。若采用該文提出的方法，便可迎刃而解。

該文提出的系統優化方法，即系統組織化技術，是以系統行為功能為導向，通過開放系統，從集合出發，有序地從質與量2個方面修正系統因素，只需極少試驗（≤10）就能使集合演變為系統而升華為組織，使系統功能迅速實現既定目標，實現優化。由于該方法完全不需要涉及系統的理化屬性，因此在科技領域具有廣泛實用價值。只是須注意其邊界在于系統的可試驗性。

當前，在國家大力倡導科技創新背景下，發表該文意在拋磚引玉。同時，也期待能與各方合作，以共同致力于社會進步。