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(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明的重要性不容置疑。鑒于科技領(lǐng)域事物普遍存在系統(tǒng)形態(tài)，因此系統(tǒng)試驗方法尤為重要。系統(tǒng)試驗的根本目的在于優(yōu)化系統(tǒng)，使系統(tǒng)功能發(fā)揮最大化作用[1]。系統(tǒng)由多元素組成。從“質(zhì)”的層面看，元素的形態(tài)有多方面，例如物料（金屬或非金屬）或物質(zhì)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(tǒng)而言，其元素必須在“質(zhì)與量”2個方面都有最佳配置；使系統(tǒng)從無序走向有序；系統(tǒng)元素間的關(guān)系從松散或?qū)棺呦蚝献髋c協(xié)同，這正是系統(tǒng)優(yōu)化的精髓所在。然而，當前系統(tǒng)優(yōu)化僅局限于系統(tǒng)元素量值優(yōu)化配置。例如基于數(shù)理統(tǒng)計的正交設(shè)計試驗法與均勻設(shè)計試驗法、單因素試驗法、數(shù)學模型法（例如響應(yīng)面法）等[3]。殊不知，系統(tǒng)元素在“質(zhì)”的層面上優(yōu)化配置更為重要，因為它是量值優(yōu)化配置的先決條件。因此，這些方法不可能真正使系統(tǒng)功能最大化。

根據(jù)完備性，系統(tǒng)可分為3類：即“完備系統(tǒng)”、“欠完備系統(tǒng)”以及“擬建系統(tǒng)”。前兩類僅是第三類的特例。該文將著重討論有關(guān)它們的優(yōu)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(diào)了其技術(shù)特征及實用化情況。

首先將從系統(tǒng)類別劃分說起。

1 關(guān)于系統(tǒng)類別

根據(jù)完備性，系統(tǒng)可分為3類：即“完備系統(tǒng)”、“欠完備系統(tǒng)”以及“擬建系統(tǒng)”。

所謂“完備系統(tǒng)”是指系統(tǒng)全部元素具備了必要且充分條件；換句話，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較完備，所有系統(tǒng)元素之間有一定協(xié)同作用，只是可以經(jīng)由優(yōu)化進一步強化這種協(xié)同性而已。

所謂“欠完備系統(tǒng)”是指系統(tǒng)元素的必要充分性不足。須從外界補充適當元素并經(jīng)由優(yōu)化后，系統(tǒng)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(tǒng)”是指以某種特定功能為目標而組建的系統(tǒng)。要使“擬建系統(tǒng)”成為“完備系統(tǒng)”，首先，必須挑選若干相關(guān)元素組成“集合”，再經(jīng)由試驗而成為“完備系統(tǒng)”。

可見，從系統(tǒng)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(tǒng)”演變成“完備系統(tǒng)”的試驗方法展開討論。

首先，討論一下“擬建系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”的試驗方法。

2 “擬建系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”的傳統(tǒng)試驗方法

圖1是“擬建系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”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(tǒng)”。

圖1 “元素”演變成“系統(tǒng)”示意圖

傳統(tǒng)方法：首先預(yù)選若干“元素”。根據(jù)經(jīng)驗或?qū)I(yè)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(jié)果產(chǎn)生負面影響。實際上，“集合”與“系統(tǒng)”之間并沒有明確界線。“系統(tǒng)”必須經(jīng)由大量試驗才能得到優(yōu)化[3]。需要指出，該方法僅局限于對系統(tǒng)因素的量值層面給予優(yōu)化配置。

以下將著重討論“擬建系統(tǒng)”演成為“完備系統(tǒng)”的新型試驗方法。

3 “擬建系統(tǒng)”演變成“完備系統(tǒng)”的新型試驗方法

如圖2是“擬建系統(tǒng)”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(jīng)由“系統(tǒng)”演變成“組織”?！跋到y(tǒng)”與“組織”，就概念的內(nèi)涵而論，共同點是元素之間關(guān)系；不同點是關(guān)系的屬性：前者偏重于關(guān)聯(lián)性，而后者強調(diào)的是合作與協(xié)同性。根據(jù)這個觀點，圖2可解讀為先由個體構(gòu)建“集合”，此時個體之間有了松散聯(lián)系，若松散關(guān)系演變成密切關(guān)聯(lián)（合作或?qū)梗?，這便是“系統(tǒng)”，當關(guān)系進一步演變成純協(xié)同合作而高度有序狀態(tài)時，這便是“組織”。 “組織”也可被認為是具有特定功能的“系統(tǒng)”。

圖2 “元素”演變成“組織”簡單示意圖

3.1 技術(shù)要求

從選取“元素”到演變成“組織”務(wù)必連貫進行； 試驗應(yīng)當盡可能避免片面性與隨機不確定性；能根據(jù)系統(tǒng)行為功能要求，同時完成系統(tǒng)元素的“質(zhì)與量”2個方面優(yōu)化配置；能適合多目標量系統(tǒng)優(yōu)化；可操作性強；試驗項目≤10；能使任何類別系統(tǒng)演變成“組織”而擁有預(yù)期功能；能廣泛適用于科技開發(fā)、科技創(chuàng)新或企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)升級改造。

3.2 系統(tǒng)試驗技術(shù)原理與實施過程

針對上述技術(shù)要求，試驗務(wù)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(jù)經(jīng)驗或?qū)I(yè)知識盡可能擴大元素遴選范圍，以便選出由足夠數(shù)量的“元素”構(gòu)成“集合”。當然，鑒于經(jīng)驗或?qū)I(yè)知識局限性，“集合”中難免會有無關(guān)的或有反作用的“元素”。從這層意義上看，“集合”僅是“準系統(tǒng)”。為了讓“準系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”，必須從“準系統(tǒng)”中剔除無關(guān)的或相關(guān)性不大的元素。當然，其中的鑒別工作僅涉及系統(tǒng)元素的“質(zhì)”的層面?！百|(zhì)”與“量”雖是元素2種不同屬性，然而“質(zhì)”必須負載相應(yīng)的“量”才能表達出來。根據(jù)這個理念，鑒別系統(tǒng)元素的“質(zhì)”便可通過考察相應(yīng)“量”的表現(xiàn)來完成。這里所謂表現(xiàn)是以它對系統(tǒng)協(xié)同性貢獻大小而論。

圖2是通用復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化試驗原理與試驗流程圖。它既適用于“擬建系統(tǒng)”，也適合“完備系統(tǒng)”與“欠完備系統(tǒng)”。該圖展現(xiàn)了從元素、集合到系統(tǒng)，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(tǒng)的優(yōu)化試驗?！巴陚湎到y(tǒng)”涉及的流程是由圖中的步驟Ⅱ至Ⅷ；而“欠完備系統(tǒng)”與“擬建系統(tǒng)”涉及的流程是由圖中步驟Ⅰ至Ⅷ。

圖3 通用復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化試驗原理與試驗流程圖

步驟Ⅰ對試驗結(jié)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(gòu)建“集合”時，應(yīng)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(guān)元素，以減少隨機不確定性與片面性對試驗結(jié)果產(chǎn)生負面影響。

為便于步驟Ⅲ設(shè)計試驗方案，“集合”中全部元素的量值務(wù)必預(yù)先界定一個相宜的量變范圍。若不能準確界定，關(guān)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(guān)，彼此難有明顯界線，僅是理念上有所區(qū)別而已。

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

步驟Ⅶ和Ⅷ是實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，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(jù)試驗結(jié)果分析系統(tǒng)中每個元素針對系統(tǒng)功能的協(xié)同作用能力，鑒別其重要性及適當量值或量變范圍。根據(jù)通用系統(tǒng)行為數(shù)學模型及一組算法分析計算試驗結(jié)果，能得到系統(tǒng)全面數(shù)值反饋控制方案，以修正“系統(tǒng)”全部元素量值，便能得到第二輪試驗設(shè)計方案。根據(jù)具體情況，可能需要再設(shè)計1～3項試驗。同樣，試驗結(jié)果根據(jù)通用系統(tǒng)行為數(shù)學模型及一組算法計算分析，又能得到新的數(shù)值反饋控制方案，以進一步修正“系統(tǒng)”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(tǒng)優(yōu)化。

步驟Ⅴ是針對初始試驗結(jié)果進行價值判斷。若初始3項試驗結(jié)果之間的量值差異偏小且距期望值有較大差距，則首先應(yīng)當考慮從系統(tǒng)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(fù)幾次嘗試無望，就要果斷放棄繼續(xù)試驗。該機制對新開發(fā)科技項目在初始試驗階段進行“戰(zhàn)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(yīng)步驟的簡要注釋。

一經(jīng)完成上述試驗流程，一個“擬建系統(tǒng)”或特定的復(fù)雜系統(tǒng)只需要≤10項試驗，便能演變?yōu)橐粋€“組織”；“ 組織”中的各元素之間有了高度協(xié)同性，使系統(tǒng)功能最大化[2]。

上述試驗流程圖，主要是為了解決系統(tǒng)優(yōu)化問題而設(shè)，同時也引出了一個深層次具有工程意義的重要議題，即構(gòu)建系統(tǒng)最優(yōu)架構(gòu)。該文稱為系統(tǒng)因素“質(zhì)”的優(yōu)化配置。在系統(tǒng)工程中，為實現(xiàn)某種功能，首先得解決組建系統(tǒng)及其最優(yōu)架構(gòu)問題。至于如何解決，當前基本上是靠經(jīng)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(tǒng)架構(gòu)的功能產(chǎn)生負面影響。然而，這是開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)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(tǒng)最優(yōu)架構(gòu)問題，也能解決系統(tǒng)因素量值最優(yōu)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(tǒng)各元素的量值配置。正是這種技術(shù)措施，加上“三點試驗法”，以致系統(tǒng)優(yōu)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(tǒng)優(yōu)化試驗方法跟系統(tǒng)具體的理化屬性沒有任何關(guān)系，這就意味著可適用的專業(yè)領(lǐng)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(lǐng)域都能適用。

3.3 在科技實踐中的現(xiàn)實表現(xiàn)

筆者在中國系統(tǒng)工程學會2014年會上發(fā)表的論文《系統(tǒng)組織化工程初論》有較詳細介紹。有興趣者可上網(wǎng)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(shù)，在缺乏技術(shù)、經(jīng)驗與資料情況下，開發(fā)每種基礎(chǔ)培養(yǎng)基、通用培養(yǎng)基或各種專用培養(yǎng)基，幾乎都是從零開始遵循由“擬建系統(tǒng)”到形成“組織”的技術(shù)路線，按步就班從“集合”出發(fā)，經(jīng)由“系統(tǒng)”最終演變成為“組織”而實現(xiàn)預(yù)期技術(shù)目標，短時間內(nèi)成功開發(fā)出系列化細胞培養(yǎng)基專利產(chǎn)品。其中有不少產(chǎn)品均涉及多余70個系統(tǒng)因素。而每個產(chǎn)品的研究開發(fā)試驗項目均≤10，是優(yōu)質(zhì)高效創(chuàng)新開發(fā)的典型實例。了解它們可詳見該公司網(wǎng)站，也許有借鑒意義。

總之，該技術(shù)在大量科技實踐中已歷經(jīng)數(shù)次驗證，表現(xiàn)卓越。

此外，需要申明一下：以上列舉的事例多屬生物醫(yī)藥領(lǐng)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(fā)項目的開發(fā)前景及時做出戰(zhàn)略性判斷并有糾偏機制；3）能適于多目標系統(tǒng)優(yōu)化；4）能同時解決系統(tǒng)因素“質(zhì)與量”優(yōu)化配置問題，所需試驗項目≤10；5）可操作性強；6）能優(yōu)化復(fù)雜多因素系統(tǒng)；7）可廣泛用于涉及復(fù)雜系統(tǒng)的科學技術(shù)與工程技術(shù)各領(lǐng)域，能實現(xiàn)低成本、優(yōu)質(zhì)高效開展科技開發(fā)與創(chuàng)新，同樣，也能用于高效解決系統(tǒng)組建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及老產(chǎn)品技術(shù)升級改造。

4 結(jié)語

該文論述的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化方法源于筆者一種理念：優(yōu)化目的是使系統(tǒng)功能最大化。為此，系統(tǒng)務(wù)必從無序走向有序，而進入?yún)f(xié)同合作狀態(tài)。相應(yīng)的技術(shù)措施是從系統(tǒng)因素的“質(zhì)”與“量”2個方面同步進行優(yōu)化配置。而當前流行的方法卻片面地僅局限于系統(tǒng)元素量值層面優(yōu)化配置，因此不可能真正使系統(tǒng)進入?yún)f(xié)同合作狀態(tài)。

有趣的是，系統(tǒng)因素僅在“質(zhì)”的層面上優(yōu)化配置，正好同系統(tǒng)組建最優(yōu)化架構(gòu)課題相吻合。這是科技創(chuàng)新中首先必須解決的技術(shù)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(tǒng)優(yōu)化方法，即系統(tǒng)組織化技術(shù)，是以系統(tǒng)行為功能為導向，通過開放系統(tǒng)，從集合出發(fā)，有序地從質(zhì)與量2個方面修正系統(tǒng)因素，只需極少試驗（≤10）就能使集合演變?yōu)橄到y(tǒng)而升華為組織，使系統(tǒng)功能迅速實現(xiàn)既定目標，實現(xiàn)優(yōu)化。由于該方法完全不需要涉及系統(tǒng)的理化屬性，因此在科技領(lǐng)域具有廣泛實用價值。只是須注意其邊界在于系統(tǒng)的可試驗性。

當前，在國家大力倡導科技創(chuàng)新背景下，發(fā)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。