一种新型系统试验方法的研究

张兴宇

（成都源泉生物科技有限公司，四川 成都 610094）

0 引言

试验方法对科学发现和技术发明的重要性不容置疑。鉴于科技领域事物普遍存在系统形态，因此系统试验方法尤为重要。系统试验的根本目的在于优化系统，使系统功能发挥最大化作用[1]。系统由多元素组成。从“质”的层面看，元素的形态有多方面，例如物料（金属或非金属）或物质组合、物理的或化学形式的能源、机械形状与几何尺寸、时间、微生物或生物细胞、pH值、溶氧、微量元素等。此外，元素还有“量”的属性。于是，对一个将拥有特定功能的系统而言，其元素必须在“质与量”2个方面都有最佳配置；使系统从无序走向有序；系统元素间的关系从松散或对抗走向合作与协同，这正是系统优化的精髓所在。然而，当前系统优化仅局限于系统元素量值优化配置。例如基于数理统计的正交设计试验法与均匀设计试验法、单因素试验法、数学模型法（例如响应面法）等[3]。殊不知，系统元素在“质”的层面上优化配置更为重要，因为它是量值优化配置的先决条件。因此，这些方法不可能真正使系统功能最大化。

根据完备性，系统可分为3类：即“完备系统”、“欠完备系统”以及“拟建系统”。前两类仅是第三类的特例。该文将着重讨论有关它们的优化试验方法。首先展示试验流程图，并配以详细讨论。接着，强调了其技术特征及实用化情况。

首先将从系统类别划分说起。

1 关于系统类别

根据完备性，系统可分为3类：即“完备系统”、“欠完备系统”以及“拟建系统”。

所谓“完备系统”是指系统全部元素具备了必要且充分条件；换句话，系统结构较完备，所有系统元素之间有一定协同作用，只是可以经由优化进一步强化这种协同性而已。

所谓“欠完备系统”是指系统元素的必要充分性不足。须从外界补充适当元素并经由优化后，系统方能拥有特定功能。

以上2类多见于科技项目中。

所谓“拟建系统”是指以某种特定功能为目标而组建的系统。要使“拟建系统”成为“完备系统”，首先，必须挑选若干相关元素组成“集合”，再经由试验而成为“完备系统”。

可见，从系统试验角度看，前两类是第三类的特例。以下将着重就“拟建系统”演变成“完备系统”的试验方法展开讨论。

首先，讨论一下“拟建系统”演变成“系统”的试验方法。

2 “拟建系统”演变成“系统”的传统试验方法

图1是“拟建系统”演变成“系统”的试验流程示意图。它始于挑选“元素”，形成“集合”，再演变成“系统”。

图1 “元素”演变成“系统”示意图

传统方法：首先预选若干“元素”。根据经验或专业知识对候选“元素”逐一试错而组建成一个“集合”。由于受试验方法限制，往往要求候选“元素”尽可能少，因此，“集合”的随机不确定性必然较大，可能对试验结果产生负面影响。实际上，“集合”与“系统”之间并没有明确界线。“系统”必须经由大量试验才能得到优化[3]。需要指出，该方法仅局限于对系统因素的量值层面给予优化配置。

以下将着重讨论“拟建系统”演成为“完备系统”的新型试验方法。

3 “拟建系统”演变成“完备系统”的新型试验方法

如图2是“拟建系统”演变成为“组织”的简单示意图。它始于挑选“元素”以形成“集合”，“集合”经由“系统”演变成“组织”。“系统”与“组织”，就概念的内涵而论，共同点是元素之间关系；不同点是关系的属性：前者偏重于关联性，而后者强调的是合作与协同性。根据这个观点，图2可解读为先由个体构建“集合”，此时个体之间有了松散联系，若松散关系演变成密切关联（合作或对抗），这便是“系统”，当关系进一步演变成纯协同合作而高度有序状态时，这便是“组织”。 “组织”也可被认为是具有特定功能的“系统”。

图2 “元素”演变成“组织”简单示意图

3.1 技术要求

从选取“元素”到演变成“组织”务必连贯进行； 试验应当尽可能避免片面性与随机不确定性；能根据系统行为功能要求，同时完成系统元素的“质与量”2个方面优化配置；能适合多目标量系统优化；可操作性强；试验项目≤10；能使任何类别系统演变成“组织”而拥有预期功能；能广泛适用于科技开发、科技创新或企业生产技术升级改造。

3.2 系统试验技术原理与实施过程

针对上述技术要求，试验务必有序开展。

由于试验中选取“元素”存在片面性与随机不确定性，为尽可能减少其影响，须根据经验或专业知识尽可能扩大元素遴选范围，以便选出由足够数量的“元素”构成“集合”。当然，鉴于经验或专业知识局限性，“集合”中难免会有无关的或有反作用的“元素”。从这层意义上看，“集合”仅是“准系统”。为了让“准系统”演变成“系统”，必须从“准系统”中剔除无关的或相关性不大的元素。当然，其中的鉴别工作仅涉及系统元素的“质”的层面。“质”与“量”虽是元素2种不同属性，然而“质”必须负载相应的“量”才能表达出来。根据这个理念，鉴别系统元素的“质”便可通过考察相应“量”的表现来完成。这里所谓表现是以它对系统协同性贡献大小而论。

图2是通用复杂系统优化试验原理与试验流程图。它既适用于“拟建系统”，也适合“完备系统”与“欠完备系统”。该图展现了从元素、集合到系统，以致演变成组织的全过程。

试验流程图（图3）均适用于3类系统的优化试验。“完备系统”涉及的流程是由图中的步骤Ⅱ至Ⅷ；而“欠完备系统”与“拟建系统”涉及的流程是由图中步骤Ⅰ至Ⅷ。

图3 通用复杂系统优化试验原理与试验流程图

步骤Ⅰ对试验结果有重要影响；为使集合中的全部元素具有必要与充分性，初始构建“集合”时，应本着开放原则尽可能扩大候选元素范围，以便能多挑选些相关元素，以减少随机不确定性与片面性对试验结果产生负面影响。

为便于步骤Ⅲ设计试验方案，“集合”中全部元素的量值务必预先界定一个相宜的量变范围。若不能准确界定，关系也不大。因为在步骤Ⅶ能得到矫正。

实际操作中，事实上步骤Ⅱ同步骤Ⅰ紧密相关，彼此难有明显界线，仅是理念上有所区别而已。

步骤Ⅲ，初始试验有3项，试验设计是根据笔者提出的“三点法”。其数学原理及使用方法参见笔者已发表的论文[4]。

步骤Ⅶ和Ⅷ是实现系统优化的重要环节，不在该文重点讨论之列。因篇幅计，从略。拟另外行文予以专题研讨。

遵循路径N，能根据试验结果分析系统中每个元素针对系统功能的协同作用能力，鉴别其重要性及适当量值或量变范围。根据通用系统行为数学模型及一组算法分析计算试验结果，能得到系统全面数值反馈控制方案，以修正“系统”全部元素量值，便能得到第二轮试验设计方案。根据具体情况，可能需要再设计1～3项试验。同样，试验结果根据通用系统行为数学模型及一组算法计算分析，又能得到新的数值反馈控制方案，以进一步修正“系统”全部元素量值，便得到第三轮的试验方案等，通常，总共所需试验项目≤10，即可完成系统优化。

步骤Ⅴ是针对初始试验结果进行价值判断。若初始3项试验结果之间的量值差异偏小且距期望值有较大差距，则首先应当考虑从系统外部适当添加一些新要素，遵循N1路径从步骤Ⅰ尝试试验。若反复几次尝试无望，就要果断放弃继续试验。该机制对新开发科技项目在初始试验阶段进行“战略判断”特别有用；可及时止损，避免人力、时间与资源浪费。

流程图中标注的黑体字是对流程中相应步骤的简要注释。

一经完成上述试验流程，一个“拟建系统”或特定的复杂系统只需要≤10项试验，便能演变为一个“组织”；“ 组织”中的各元素之间有了高度协同性，使系统功能最大化[2]。

上述试验流程图，主要是为了解决系统优化问题而设，同时也引出了一个深层次具有工程意义的重要议题，即构建系统最优架构。该文称为系统因素“质”的优化配置。在系统工程中，为实现某种功能，首先得解决组建系统及其最优架构问题。至于如何解决，当前基本上是靠经验或逐一试错。它将耗费大量人力、物力、财力与时间，不仅功效低下，其片面性与盲目性将或多或少对系统架构的功能产生负面影响。然而，这是开发新产品和新技术过程中通常难以逾越的一道坎。该流程能通过实验解决系统最优架构问题，也能解决系统因素量值最优配置问题。

试验流程中的步骤Ⅷ源于反馈控制理论，目的在于精准修正系统各元素的量值配置。正是这种技术措施，加上“三点试验法”，以致系统优化才能仅需极少量试验。

由上述试验原理与试验流程可知，系统优化试验方法跟系统具体的理化属性没有任何关系，这就意味着可适用的专业领域非常宽广，而其边界是可试验性。即具有可试验的所有科技领域都能适用。

3.3 在科技实践中的现实表现

笔者在中国系统工程学会2014年会上发表的论文《系统组织化工程初论》有较详细介绍。有兴趣者可上网查看。这里，有必要指出，成都源泉生物科技有限公司采用该技术，在缺乏技术、经验与资料情况下，开发每种基础培养基、通用培养基或各种专用培养基，几乎都是从零开始遵循由“拟建系统”到形成“组织”的技术路线，按步就班从“集合”出发，经由“系统”最终演变成为“组织”而实现预期技术目标，短时间内成功开发出系列化细胞培养基专利产品。其中有不少产品均涉及多余70个系统因素。而每个产品的研究开发试验项目均≤10，是优质高效创新开发的典型实例。了解它们可详见该公司网站，也许有借鉴意义。

总之，该技术在大量科技实践中已历经数次验证，表现卓越。

此外，需要申明一下：以上列举的事例多属生物医药领域，但并非仅能如此。原因是过去笔者受制于可能涉及的社会活动范围所限。

3.4 特点

该实验流程的特点可以归纳成如下几点：1）从元素的集合演变成组织的进程中，依照开放原则选择元素，能极大化解初选要素难题；2）能对研究开发项目的开发前景及时做出战略性判断并有纠偏机制；3）能适于多目标系统优化；4）能同时解决系统因素“质与量”优化配置问题，所需试验项目≤10；5）可操作性强；6）能优化复杂多因素系统；7）可广泛用于涉及复杂系统的科学技术与工程技术各领域，能实现低成本、优质高效开展科技开发与创新，同样，也能用于高效解决系统组建与结构优化以及老产品技术升级改造。

4 结语

该文论述的复杂系统优化方法源于笔者一种理念：优化目的是使系统功能最大化。为此，系统务必从无序走向有序，而进入协同合作状态。相应的技术措施是从系统因素的“质”与“量”2个方面同步进行优化配置。而当前流行的方法却片面地仅局限于系统元素量值层面优化配置，因此不可能真正使系统进入协同合作状态。

有趣的是，系统因素仅在“质”的层面上优化配置，正好同系统组建最优化架构课题相吻合。这是科技创新中首先必须解决的技术难题。若采用该文提出的方法，便可迎刃而解。

该文提出的系统优化方法，即系统组织化技术，是以系统行为功能为导向，通过开放系统，从集合出发，有序地从质与量2个方面修正系统因素，只需极少试验（≤10）就能使集合演变为系统而升华为组织，使系统功能迅速实现既定目标，实现优化。由于该方法完全不需要涉及系统的理化属性，因此在科技领域具有广泛实用价值。只是须注意其边界在于系统的可试验性。

当前，在国家大力倡导科技创新背景下，发表该文意在抛砖引玉。同时，也期待能与各方合作，以共同致力于社会进步。