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系统设计的方法和步骤有哪些

来源:新浪博客 发布时间:2013年12月26日 点击()次

    系统设计一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造销售四个阶段。我们认为还应包括系统运行和维修阶段以及系统报废阶段。系统设计必需考虑系统的运行和出现故障时的维修,以及系统报废时资源的再利用和对环境的污染。
    传统的设计方法只注重内部系统的设计,且以改善零部件的特性为重点,至于各零部件之间、外部系统与内部系统之间的相互作用和影响则考虑得较少。因此,虽然对零部件的设计考虑得很仔细,但设计的系统仍然不够理想。零部件的设计固然应该给予足够的重视,但全部用好的零部件未必能组成好的系统,其技术和经济未必能实现良好的统一。
    系统一般来说是比较复杂的,为便于分析和设计,常采用系统分解法这个设计中常用的方法,把复杂的系统分解为若干个相联系的、相对比较简单的子系统,这样可以使系统的分析和设计比较简单。根据需要,各子系统还可再分解为更小的子系统,依次逐级分解,直到能进行适宜的设计和分析为止。
    系统分解时应注意:
    1)分解数和层次应适宜。分解数太少,子系统仍很复杂,不便于模型化和优化等工作;分解数和层次太多,又会给总体系统的综合设计造成困难。
    2)避免过于复杂的分解面。分解的界面应尽可能选择在要素间结合作用较弱的地方。
    3)保持能量流、物料流和信息流的合理流动途径。系统工作时能量、物料和信息进行转换,它们从系统输入到系统输出过程中,按一定的方向和途径流动,既不能中断阻塞,也不能紊流,即使分解的各个子系统的流动途径仍应明确和畅通。
    4)系统分解与功能分解不同。系统分解时,每个子系统仍是一个系统,它把具有比较密切结合关系的要素集合在一起,其结构组成虽稍为简单,但其功能往往还有多项。而功能分解时,则是按功能体系进行逐级分解,直到能看清的分功能或不能再分解的功能单元为止(参见本章3.3功能设计)。
    系统分析是系统设计中的一项重要工作。系统分析不同于一般的技术经济分析,它是从系统的整体优化出发,采用各种工具和方法,对系统进行定性和定量分析的过程。系统分析时,不仅分析技术经济方面的有关问题,而且还要分析内部系统、自问系统之间及系统内部各子系统之间的联系因素,并且作出评价,为决策者选择最优系统方案提供主要依据。
    在系统分析时,要遵循下面的原则:
    1)外部条件与内部条件相结合。构成一个系统不仅受到内部因素的影响,而且也受到外部条件的约束。因此,一定要把内外部条件的各种有关因素结合起来进行综合分析。
    2)眼前利益与长远利益相结合。选择一个良好的方案,不仅只局限于眼前利益,而且学要考虑到将来的利益。如果方案对目前不是很有利而对长远有利,则从系统分析观点来看,它还是合理的方案。
    3)局部利益与整体利益相结合。系统要求的是整体利益和最优化,只有从整体系统的目标去分析才是合理的。
    4)定量分析与定性分析相结合。定量分析是数量指标的分析,而定性分析常常是指质量指标,而且学容易用数量计算和数学公式表达出来。对这些因素往往只能根据经验进行数理统计分析和主观判断来加以解决。
    由于系统中存在着许多矛盾和不确定的因素,不同系统的目的、要求和系统结构也不同,没有一个通用的系统分析方法,随分析对象和分析目的的不同,所采用的分析方法也不同。
    系统分析的一般步骤如下:
    1)分析与确定系统的目的和要求。充分了解建立系统的目的和要求,是建立系统的论据,也是系统分析的出发点和进行评价、决策的主要依据。对系统的目的和要求不能全面地正确理解和把握,或目不明确,或要求过高、过低,或系统边界提得过宽、过窄等,都会导致系统分析不完善或失误,引起决策的失误。
    2)模型化。模型是描述实体系统的映象,包括各种数学模型、实物模型、计算机模型和各种图表等。无论是已有的系统还是尚未建立的系统,要想对其进行定性和定量的分析,都需要将其模型化。在建立模型时,必须全面考虑其影响因素,分清主次,尽可能如实地描述系统的主要特征。在能满足系统订要要求的前提下,应尽量简化,以需要、简明、易解为原则。
    3)系统最优化。系统最优化就是应用最优化理论和方法,对各候选方案进行最优化计算,以获得最优的系统方案。
    4)系统评价。优化后的系统方案可能是几个,为了进行决策,须对各优化方案进行评价。系统评价时应考虑的因素很多,如各项功能、可靠性、成本、寿命、工期、使用性等。系统评价的方法很多,但都不是十分完善和全面的,一般采用较多的方法是将系统的总数投资费用与总收益之比作为评价值或采用价值工程(参见本章3.5价值工程)。
    系统设计的过程如图3-6所示。首先,要明确在外部系统设计阶段设计系统应具备的特性和条件。在此阶段,由于能掌握系统的主要因素和概略结构,所以称为系统探讨。其次,是制订满足要求的系统草案。对它们进行分析,并分解子系统,研究其特性和作出评价,进行最佳设计。然后将它们综合起来进行系统整体的设计。再次,对已设计的系统的功能和可靠性等进行审查,确定最初预想的性能是否满足。各个阶段完成时,都要对其结果进行审查,确认达到目的后,再向下一阶段进行。如果结果不能满足,就要对该阶段的设计进行修正。当审查仍不满意时,则应毫不犹豫地逐段向上追究。
    通过以上讨论我们把系统设计的一般步骤大致归纳为:
    1)确定求解的问题。系统设计的第一步是明确求解的问题和范围,就是说明确设计目的和要求。
    2)因素分析。对与被描述问题有关的因素进行分析,确定因素的类型:可控的、不可控的、质的属性。系统的最优化就是对量的可控因素优化确定的过程。

图3-6 系统设计的过程  
 
    3)模型的建立。建立模型就是用适当的(一般是数学的)方式来描述问题与因素之间的关系,建立模型时一般应忽略次要因素,突出主要因素。建立模型时,应首先明确下面的几个问题:系统的目标、系统的约束(现在常称为环境因素)、系统的输入、系统的输出。模型可以是下面方式中的任一种或它们的组合:物理模型(用来进行模型实验),图解模型(如流程图、工序图、决策树等),数学模型(用数学的形式来表示,可用来求出最佳解)和计算机模型(用程序语言表示,可以进行仿真求解)。
    4)决策过程。所谓决策是运用适当的手段求解模型,确定实现系统目标的系统结构及其运用方法。当所建的是数学模型时,则可运用筹学中的数学规划法去求解。在求解数学模型时,恰当地选择优化准则是很重要的,优化准则不同,则所确定的系统的结构和对外表现大不相同。
    5)运用与管理。<1>验证:根据实际情况确定决策过程中的各种参数是否符合实际;<2>预测:预测系统各变化时对输出的影响;<3>系统运行的评价:主要评价系统是否达到预期的目的,评价可从下面几个方面着手,即可靠性、响应性、稳定性、适应性、可维修性、经济性和对环境的影响;<4>修正:根据评价结果确定是否需要进行修正,一般情况下,系统经过数次修正后,系统的特性总能得到逐步改善。对于无法改善的系统,则应考虑重新进行系统设计。
    对于大规模系统的设计是不允许失败的,由于模型复杂,约束条件众多,要想求得总体最优解难度很大,可以采用下述方法求得近似最优解:
    1)采用模块方式。采用这种方式时,首先将大系统分割成为几个独立性很强的子系统,力求使各子系统局部最优化。然后对整体进行协调统一,以求得整个系统的近似最优解。
    2)采用多层次系统理论。当采用这种理论时,首先将构成整体系统的子系统垂直方向排列,高层次的子系统行动最优,并对低层次子系统发生作用。这样,低层次子系统的行为成果取决于高层次的子系统,并对上部进行反馈。这样构成的系统就称为多层次系统。

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