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(yàn)方法對(duì)科學(xué)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(yàn)方法尤為重要。系統(tǒng)試驗(yàn)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(xué)形式的能源、機(jī)械形狀與幾何尺寸、時(shí)間、微生物或生物細(xì)胞、pH值、溶氧、微量元素等。此外，元素還有“量”的屬性。于是，對(duì)一個(gè)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(gè)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(dāng)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(jì)的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法與均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法、單因素試驗(yàn)法、數(shù)學(xué)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?yàn)樗橇恐祪?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(yàn)方法。首先展示試驗(yàn)流程圖，并配以詳細(xì)討論。接著，強(qiáng)調(diào)了其技術(shù)特征及實(shí)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(jìn)一步強(qiáng)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(bǔ)充適當(dāng)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(xiàng)目中。

所謂“擬建系統(tǒng)”是指以某種特定功能為目標(biāo)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(yàn)而成為“完備系統(tǒng)”。

可見，從系統(tǒng)試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)方法。

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

圖1是“擬建系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”的試驗(yàn)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(yàn)或?qū)I(yè)知識(shí)對(duì)候選“元素”逐一試錯(cuò)而組建成一個(gè)“集合”。由于受試驗(yàn)方法限制，往往要求候選“元素”盡可能少，因此，“集合”的隨機(jī)不確定性必然較大，可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。實(shí)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(yàn)才能得到優(yōu)化[3]。需要指出，該方法僅局限于對(duì)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(yàn)方法。

3 “擬建系統(tǒng)”演變成“完備系統(tǒng)”的新型試驗(yàn)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(diǎn)是元素之間關(guān)系；不同點(diǎn)是關(guān)系的屬性：前者偏重于關(guān)聯(lián)性，而后者強(qiáng)調(diào)的是合作與協(xié)同性。根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)，圖2可解讀為先由個(gè)體構(gòu)建“集合”，此時(shí)個(gè)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@便是“系統(tǒng)”，當(dāng)關(guān)系進(jìn)一步演變成純協(xié)同合作而高度有序狀態(tài)時(shí)，這便是“組織”。 “組織”也可被認(rèn)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(jìn)行； 試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)盡可能避免片面性與隨機(jī)不確定性；能根據(jù)系統(tǒng)行為功能要求，同時(shí)完成系統(tǒng)元素的“質(zhì)與量”2個(gè)方面優(yōu)化配置；能適合多目標(biāo)量系統(tǒng)優(yōu)化；可操作性強(qiáng)；試驗(yàn)項(xiàng)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(jí)改造。

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)原理與實(shí)施過程

針對(duì)上述技術(shù)要求，試驗(yàn)務(wù)必有序開展。

由于試驗(yàn)中選取“元素”存在片面性與隨機(jī)不確定性，為盡可能減少其影響，須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)I(yè)知識(shí)盡可能擴(kuò)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(dāng)然，鑒于經(jīng)驗(yàn)或?qū)I(yè)知識(shí)局限性，“集合”中難免會(huì)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(zhǔn)系統(tǒng)”。為了讓“準(zhǔn)系統(tǒng)”演變成“系統(tǒng)”，必須從“準(zhǔn)系統(tǒng)”中剔除無關(guān)的或相關(guān)性不大的元素。當(dāng)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(fù)載相應(yīng)的“量”才能表達(dá)出來。根據(jù)這個(gè)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(duì)系統(tǒng)協(xié)同性貢獻(xiàn)大小而論。

圖2是通用復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)原理與試驗(yàn)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(yàn)流程圖（圖3）均適用于3類系統(tǒng)的優(yōu)化試驗(yàn)?！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(yàn)原理與試驗(yàn)流程圖

步驟Ⅰ對(duì)試驗(yàn)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(shí)，應(yīng)本著開放原則盡可能擴(kuò)大候選元素范圍，以便能多挑選些相關(guān)元素，以減少隨機(jī)不確定性與片面性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。

為便于步驟Ⅲ設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，“集合”中全部元素的量值務(wù)必預(yù)先界定一個(gè)相宜的量變范圍。若不能準(zhǔn)確界定，關(guān)系也不大。因?yàn)樵诓襟EⅦ能得到矯正。

實(shí)際操作中，事實(shí)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(yàn)有3項(xiàng)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)是根據(jù)筆者提出的“三點(diǎn)法”。其數(shù)學(xué)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，不在該文重點(diǎn)討論之列。因篇幅計(jì)，從略。擬另外行文予以專題研討。

遵循路徑N，能根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)中每個(gè)元素針對(duì)系統(tǒng)功能的協(xié)同作用能力，鑒別其重要性及適當(dāng)量值或量變范圍。根據(jù)通用系統(tǒng)行為數(shù)學(xué)模型及一組算法分析計(jì)算試驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)具體情況，可能需要再設(shè)計(jì)1～3項(xiàng)試驗(yàn)。同樣，試驗(yàn)結(jié)果根據(jù)通用系統(tǒng)行為數(shù)學(xué)模型及一組算法計(jì)算分析，又能得到新的數(shù)值反饋控制方案，以進(jìn)一步修正“系統(tǒng)”全部元素量值，便得到第三輪的試驗(yàn)方案等，通常，總共所需試驗(yàn)項(xiàng)目≤10，即可完成系統(tǒng)優(yōu)化。

步驟Ⅴ是針對(duì)初始試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行價(jià)值判斷。若初始3項(xiàng)試驗(yàn)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(dāng)考慮從系統(tǒng)外部適當(dāng)添加一些新要素，遵循N1路徑從步驟Ⅰ嘗試試驗(yàn)。若反復(fù)幾次嘗試無望，就要果斷放棄繼續(xù)試驗(yàn)。該機(jī)制對(duì)新開發(fā)科技項(xiàng)目在初始試驗(yàn)階段進(jìn)行“戰(zhàn)略判斷”特別有用；可及時(shí)止損，避免人力、時(shí)間與資源浪費(fèi)。

流程圖中標(biāo)注的黑體字是對(duì)流程中相應(yīng)步驟的簡要注釋。

一經(jīng)完成上述試驗(yàn)流程，一個(gè)“擬建系統(tǒng)”或特定的復(fù)雜系統(tǒng)只需要≤10項(xiàng)試驗(yàn)，便能演變?yōu)橐粋€(gè)“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(yàn)流程圖，主要是為了解決系統(tǒng)優(yōu)化問題而設(shè)，同時(shí)也引出了一個(gè)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(shí)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(dāng)前基本上是靠經(jīng)驗(yàn)或逐一試錯(cuò)。它將耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力與時(shí)間，不僅功效低下，其片面性與盲目性將或多或少對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)的功能產(chǎn)生負(fù)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(shí)驗(yàn)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(yàn)流程中的步驟Ⅷ源于反饋控制理論，目的在于精準(zhǔn)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(diǎn)試驗(yàn)法”，以致系統(tǒng)優(yōu)化才能僅需極少量試驗(yàn)。

由上述試驗(yàn)原理與試驗(yàn)流程可知，系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)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(yàn)性。即具有可試驗(yàn)的所有科技領(lǐng)域都能適用。

3.3 在科技實(shí)踐中的現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)

筆者在中國系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)2014年會(huì)上發(fā)表的論文《系統(tǒng)組織化工程初論》有較詳細(xì)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(yàn)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(shí)現(xiàn)預(yù)期技術(shù)目標(biāo)，短時(shí)間內(nèi)成功開發(fā)出系列化細(xì)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(gè)系統(tǒng)因素。而每個(gè)產(chǎn)品的研究開發(fā)試驗(yàn)項(xiàng)目均≤10，是優(yōu)質(zhì)高效創(chuàng)新開發(fā)的典型實(shí)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(shí)踐中已歷經(jīng)數(shù)次驗(yàn)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(huì)活動(dòng)范圍所限。

3.4 特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)流程的特點(diǎn)可以歸納成如下幾點(diǎn)：1）從元素的集合演變成組織的進(jìn)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(duì)研究開發(fā)項(xiàng)目的開發(fā)前景及時(shí)做出戰(zhàn)略性判斷并有糾偏機(jī)制；3）能適于多目標(biāo)系統(tǒng)優(yōu)化；4）能同時(shí)解決系統(tǒng)因素“質(zhì)與量”優(yōu)化配置問題，所需試驗(yàn)項(xiàng)目≤10；5）可操作性強(qiáng)；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(xué)技術(shù)與工程技術(shù)各領(lǐng)域，能實(shí)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(jí)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(jìn)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(gè)方面同步進(jìn)行優(yōu)化配置。而當(dāng)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(jìn)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(dǎo)向，通過開放系統(tǒng)，從集合出發(fā)，有序地從質(zhì)與量2個(gè)方面修正系統(tǒng)因素，只需極少試驗(yàn)（≤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(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，實(shí)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(shí)用價(jià)值。只是須注意其邊界在于系統(tǒng)的可試驗(yàn)性。

當(dāng)前，在國家大力倡導(dǎo)科技創(chuàng)新背景下，發(fā)表該文意在拋磚引玉。同時(shí)，也期待能與各方合作，以共同致力于社會(huì)進(jìn)步。