科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”與“四定分析”

1、科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”與“四定分析”一以國家科技攻關305項目為例劉勁楊、劉波、劉德權(quán)摘要：技術方法的優(yōu)選與組合在科研系統(tǒng)工程活動中具有重要意義，擬將通用的系統(tǒng)工程方法“霍 爾三維結(jié)構(gòu)”發(fā)展為科研系統(tǒng)工程“四維結(jié)構(gòu)”，即增加第四維一技術維。對于具有強烈時空特征的 復雜科研系統(tǒng)工程來說，僅采用定性與定量分析相結(jié)合的方法是不夠的，應將其發(fā)展為定性一定量一 定時一定位分析相結(jié)合的“四定分析綜合集成法”。關鍵詞：科研系統(tǒng)工程；四維結(jié)構(gòu)；四定分析中圖分類號：N94文獻標識碼：A系統(tǒng)工程學及其重要分支科研系統(tǒng)工程是在20世紀中期伴隨著大科學、高技術、大工程時代出現(xiàn)而開 始興起的，人們對其理解各有不同的

2、表述方式。但總的說來，系統(tǒng)工程是一種獨具系統(tǒng)特色的科學方法， 是一門特殊的工程學、一種研究復雜系統(tǒng)的設計、建構(gòu)、試驗和運行的科學技術。錢學森院士于1978年對 “系統(tǒng)工程”給出了較全面的定義：“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用 的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的方法” 1?？蒲邢到y(tǒng)工程學是以科技系統(tǒng)觀為導向，采 用系統(tǒng)工程方法，研究科研活動系統(tǒng)的組織建設、決策管理、項目實施、協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的一門新興學科。它既 是在多種學科交叉基礎上形成的應用科學學的重要分支，又是當代系統(tǒng)工程學的特殊分支。真正把科研系 統(tǒng)工程作為相對獨立的學科加以專門闡述的是錢學森院士（1963、

3、1978、1980）。作為科技組織管理技術和 方法的科研系統(tǒng)工程，是一般系統(tǒng)工程的重要類型，也是當代大科學、高技術、大工程時代科技組織管理 實踐活動的必然產(chǎn)物。在當今的大科學和高新技術時代，現(xiàn)代科學理論的突破和技術的變革越來越依賴于眾多先進技術手段 的合理運用。從技術手段的角度看，實施科研系統(tǒng)工程也是一個運用既有技術集成、取得新技術成果的過 程。因此，技術方法的優(yōu)選與組合在科研系統(tǒng)工程活動中具有重要意義，擬將通用的系統(tǒng)工程方法“霍爾 三維結(jié)構(gòu)”（時間維、邏輯維、知識維）發(fā)展為科研系統(tǒng)工程“四維結(jié)構(gòu)”，即增加第四維一技術維。 在科研系統(tǒng)工程中，定性分析與定量分析相結(jié)合的綜合集成法具有廣泛的通用性

4、，但對諸如天文科學、空 間科學、地球科學等這類具有強烈時空特征的科研實踐活動來說，僅有定性分析與定量分析相結(jié)合是不夠 的。我們認為應將科研系統(tǒng)工程方法發(fā)展為定性一定量一定時一定位分析相結(jié)合的“四定分析綜合集成法” 3。以加速查明我國西部新疆優(yōu)勢礦產(chǎn)資源為其重任的國家重大科技攻關305項目是一個復雜的、多學科 聯(lián)合攻關的科研系統(tǒng)工程，作為我國地學固體礦產(chǎn)領域規(guī)模最大（全國21省市、103個單位、先后有370 0多人次的科技人員參加）、持續(xù)時間最長（已歷經(jīng)1985-2000的15年，并將延伸至2005年）、科研投 資最多的重大科研項目，業(yè)已取得了突破性的科研成果和豐碩的找礦實績，以及較高的科技成果

5、轉(zhuǎn)化率與 社會經(jīng)濟效益。本文擬結(jié)合國家305項目和國內(nèi)外其它一些典型科研系統(tǒng)工程的實踐進行闡述。一、科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”美國系統(tǒng)工程學家霍爾（A.D.Hall）在1969年提出了系統(tǒng)工程應用中具有普遍意義的方法，即“霍爾三維結(jié)構(gòu)”（見圖1）,得到了廣泛認同?；魻栒J為，一般工程技術項目的系統(tǒng)工程按時間維可分為七個階段：規(guī)劃階段一設計階段一系統(tǒng)研制一生產(chǎn)階段一安裝階段一運行階段一更新階段；系統(tǒng)工程的邏輯維是指解決問題的邏輯步驟，針對時間維的每個不同階段在邏輯程序上都應遵循七個步驟：明確問題一系統(tǒng)指標設計一系統(tǒng)方案設計一系統(tǒng)分析一系統(tǒng)優(yōu)化一系統(tǒng)決策一實施計劃。知識維是指為完成各階段、各步驟所需

6、的各種知識和專門技術的總合?；魻柸S結(jié)構(gòu)強調(diào)了邏輯、知識及時間三要素在系統(tǒng)工程管理中的重要性與普適性。通用系統(tǒng)工程方法的“霍爾三維結(jié)構(gòu)”可在科研系統(tǒng)工程中予以靈活運用，但又應在現(xiàn)代科技組織管理實踐中加以創(chuàng)造性發(fā)展。1.科研系統(tǒng)工程的邏輯維邏輯維強調(diào)在系統(tǒng)工程的各個階段都應使用系統(tǒng)工程的方法來思考和解決問題，要善于從系統(tǒng)目標出 發(fā)，不斷提出問題和解決問題。通常，人們把系統(tǒng)工程的這個邏輯程序歸結(jié)為系統(tǒng)分析一系統(tǒng)綜合一系統(tǒng) 評價三大環(huán)節(jié)。但是，通過考察國家305項目和有關國內(nèi)外重大科技攻關項目的管理實踐，本文則將科研 系統(tǒng)工程歸結(jié)為“六部曲”：系統(tǒng)分析一系統(tǒng)綜合一系統(tǒng)評價一系統(tǒng)設計一系統(tǒng)決策一系統(tǒng)運

7、行（見圖2）。 這種系統(tǒng)思維的邏輯程序的核心是將具有相對模糊的內(nèi)涵與外延的問題分解為一組可以操作的目標或可進 一步分解的問題，而這個過程不是一次就能完成的，必須經(jīng)過具有反饋機制的多層次、多環(huán)節(jié)間的互動作 用和多次迭代才能最終完成。在這科研系統(tǒng)工程的六部曲中，系統(tǒng)工程的節(jié)奏和諧與否決定于認識與解決問題的系統(tǒng)思維方法是否 正確，六大環(huán)節(jié)（六部曲）事實上構(gòu)成了一個以反饋機制調(diào)控的完整的閉環(huán)控制模式。以國家305項目為例， 系統(tǒng)分析表現(xiàn)為進行多層次、多學科、多維立體的周詳分析。首先，以21世紀我國經(jīng)濟建設重點西移的國 家戰(zhàn)略目標和輸入信息為依據(jù)，將“提供國家后備礦產(chǎn)資源基地”的國家總要求具體化為實現(xiàn)新

8、疆“有色、 貴重金屬礦產(chǎn)資源的加速查明”問題；然后，依據(jù)初步構(gòu)思的指導思想與技術路線，進一步將這一問題分 解為不同研究層次的課題與專題。系統(tǒng)綜合，體現(xiàn)為國家305項目力求產(chǎn)出高質(zhì)量的科技攻關成果和以成 熟的科研成果推動科技經(jīng)濟一體化兩個重要功能的集成。系統(tǒng)評價在系統(tǒng)分析與系統(tǒng)綜合的基礎上進行， 表現(xiàn)為對前兩個環(huán)節(jié)的反饋與深化，從而為進行系統(tǒng)設計奠定堅實基礎。系統(tǒng)設計是指在項目一課題一專 題可行性論證的基礎上，編制項目總體設計書和課專題設計書。系統(tǒng)決策包括項目總目標和總?cè)蝿?、課專 題子目標和子任務的確定，以及科技攻關和成果產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略、戰(zhàn)術與戰(zhàn)役展開及其實施方案（各種設計書） 的確定等復雜內(nèi)容。系

9、統(tǒng)運行則是決策領導層（項目委員會）通過執(zhí)行管理層（項目辦公室）向項目操作 層（課題組一專題組一子題組）提供人財物和時間保證，并發(fā)出指令信息，啟動項目及其課專題，直至最 終成果輸出和實現(xiàn)成果產(chǎn)業(yè)化的全過程。在系統(tǒng)設計、系統(tǒng)決策，特別是系統(tǒng)運行階段都將發(fā)出反饋信息， 項目決策管理者則依據(jù)這些信息反饋，再作深入的系統(tǒng)分析與系統(tǒng)綜合，借助高效的管理手段進一步優(yōu)化 整個系統(tǒng)，并達到對各級子系統(tǒng)的實時控制，以利最終實現(xiàn)項目總目標和總?cè)蝿铡?.科研系統(tǒng)工程的時間維幾乎任何科研和工程技術活動都是有時間限制的，時間維關注的是追求高速度和高效率。如何在有限 的時間內(nèi)高質(zhì)量地完成科研或工程任務？如何根據(jù)工作的階段性

10、，有計劃、有效率地分配科技資源投入量？ 這些都是科研與工程活動組織管理者所必須解決的問題。重大科研系統(tǒng)工程總是要處于源自系統(tǒng)內(nèi)部組織 結(jié)構(gòu)相互協(xié)同的復雜性與應對外部環(huán)境變遷的復雜性之中，這些復雜性均可能使科研系統(tǒng)工程出現(xiàn)“低概 率”事件，其直接后果就是巨量科技資源投入的血本無歸。因此，重視科研與工程活動的階段性，本質(zhì)上 就是對科研探索與科技管理復雜性的關注，科學合理的工作部署是重大科研系統(tǒng)工程取得成功的重要保證。 例如，美國阿波羅登月計劃（1961 1972 ）的成功實施就經(jīng)歷了三大步驟：第一步是“水星計劃”，即將 宇航員送上太空，以測試人在太空中的活動能力；第二步是“雙子星座計劃”，主要解決

11、人在太空中長時 間停留可能引起的生理問題及航天器在太空中的對接問題，從而奠定登月技術基礎；第三步是“土星計劃”， 即制造能將載人飛船送出地球進入月球軌道的大動力火箭，并最終實現(xiàn)宇航員登月進行科學探測的目標。 這種科學而合理的工作部署，確保了美國最終完成登月計劃的宏偉目標。當然，科研系統(tǒng)工程在時間維上 的相繼性與相對獨立性并不意味著各階段的相互脫離，各階段相對的獨立性與緊密聯(lián)系性之間存在著“必 要的張力”。3.科研系統(tǒng)工程的知識維知識維的重要性是毋庸置疑的，具體是指為完成上述各階段、各步驟所必需的理論知識和專門技術。 霍爾的知識維囊括了幾乎所有的知識，按學科大致有自然科學、工程技術、系統(tǒng)科學、經(jīng)

12、濟學、技術經(jīng)濟 學、管理學、法學和其它社會科學等。國家305項目15年的科技攻關實踐涉及地質(zhì)、礦產(chǎn)、物探、化探、 遙感、采礦、選礦、冶金、經(jīng)濟學、管理學、計算機技術等眾多知識領域。國際著名的阿波羅登月計劃更 是建立在空前巨大的科技資源（人、財、物）投入的基礎上一一美國政府動員了 42萬科學家和工程師參加、 約2萬家公司和科研機構(gòu)、120所大學參與協(xié)作，分工承包了制作了 700多萬個零部件，歷時長達11年， 耗資300多億美元。因此，這一規(guī)?？臻g的科研系統(tǒng)工程更是以空間科學與航天技術為主導的眾多學科知 識大交叉的成功典范。但是，霍爾系統(tǒng)工程三維結(jié)構(gòu)中的知識維傾向于知識內(nèi)容上的全面性與綜合性，強調(diào)

13、結(jié)合多學科知識 的重要性，對知識的應用領域未給予充分關注。對于具有明確科技攻關目標的科研系統(tǒng)工程來說，往往不 是缺少既有的理論知識，而是要在眾多既有的知識集合中找到適于科技攻關目標的具有創(chuàng)新性的特定技術 方法組合。4.創(chuàng)建科研系統(tǒng)工程的第四維一技術維科研系統(tǒng)工程中的技術主要是指工程學涵義上的技術，即技術是具有特定應用目標的手段和方法體 系。任何技術都有目的，服務于某個特定的應用目標，采用正確的技術和手段方法是科研系統(tǒng)工程成功的 重要保證?！盎魻柸S結(jié)構(gòu)”將技術歸并入“知識維”，但技術并不等同于知識。美國技術哲學家米切姆 對技術的分類具有廣泛影響，他將技術區(qū)分為4作為對象的技術（裝置、工具、機器

14、），即實體性技術； 作為知識的技術（技能、規(guī)劃、理論），即觀念性技術；作為過程的技術（發(fā)明、設計、制造和使用）； 作為意志的技術（意愿、動機、需要、設想）。可見，技術的內(nèi)涵絕不僅限于知識層面的理解。通常意義 上的“知識”總是與認識世界相聯(lián)系的理性認識，而技術活動卻與改造世界的實踐緊密相關，是介于科學 探索、生產(chǎn)活動之間的具有生產(chǎn)、研究雙重性的特殊社會活動。知識主要是以觀念性形態(tài)存在（如理論知識）， 而實體性技術卻可作為直接的生產(chǎn)工具應用于生產(chǎn)。相對于技術突出的目的性，知識是相對零散的、不具 有明顯的應用性目的。因此，不宜將技術簡單地歸入“知識維”的范疇，否則會抹煞了它不同于知識的應 用性特征。

15、隨著現(xiàn)代科研系統(tǒng)工程活動的日趨復雜，加上技術體系自身結(jié)構(gòu)龐雜，就對技術的應用性提出了越來 越高的要求，高效、合理地運用技術手段已成為一個重要問題。霍爾的“知識維”指出了綜合運用各門知 識的重要性，但卻沒有解釋既有知識、技術的集合是如何成為解決問題的直接手段的。單一技術手段的作 用是有限的，而技術集合的簡單堆砌也不會提高解決問題的效率，反而會彼此制約、相互牽制。國內(nèi)外成 功的科研系統(tǒng)工程實踐證明，技術手段的高效性在很大程度上取決于是否能建構(gòu)出具有明確目標指向的、 高效技術手段與方法優(yōu)化組合的集合體，以突現(xiàn)“協(xié)同效應”。因此，在科技攻關技術手段的選擇與應用 過程中，既需要關注技術個體的可行性、先進

16、性，更要善于發(fā)展適于科技攻關目標的技術手段與方法組合 系統(tǒng)，才能更好地解決問題，實現(xiàn)科技攻關目標。綜上所述，我們擬應在通用系統(tǒng)工程方法“霍爾三維結(jié)構(gòu)”的基礎上，創(chuàng)建第四維一一“技術維”， 發(fā)展為科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”（見圖3）。引入“技術維”是完全必要的，且有其重大意義：一是“技術維”充分體現(xiàn)了技術應用在現(xiàn)代科研系統(tǒng)工程活動中的重要地位；二是表明善于從既有的知識與技 術的集合中發(fā)展、建構(gòu)出針對系統(tǒng)目標的技術手段與方法的優(yōu)化組合體系，將大大提高技術手段整體的應 用效率。“技術維”并不是對“知識維”的取代，技術的優(yōu)化組合是建立在既有知識與技術集合的基礎上 的?！斑壿嬀S”、“時間維”明確了技術體

17、系的應用目標，也是技術體系有效性的量度。因此，高效的技 術系統(tǒng)是一個動態(tài)的開放體系，它必須針對系統(tǒng)的不同時段（時間維）的不同問題（邏輯維）和不同問題 的不同發(fā)展階段，結(jié)合先進的技術設備，既要將已有知識與技術的集合（知識維）優(yōu)化組合為解決問題的“活手段”，又要善于發(fā)展出新的技術手段，不斷拓展技術應用的范圍。實施重大科研系統(tǒng)工程必須突破 單一技術手段的局限性，針對不同的復雜系統(tǒng)，采用最有效的技術方法組合體系，并要根據(jù)不同工作階段 的具體要求，制訂出最優(yōu)費用一效能比的技術方法組合體系。表1國家305項目技術方法系統(tǒng)（技術維）分析表時間維邏輯維技術維知識維圈定及面在研究程度高的地區(qū)，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)、已知

18、礦床、優(yōu)選成中礦點和礦化點進行追蹤。在研究程度低的地區(qū)，礦區(qū)帶求主要采取低密度和甚低密度的勘查地球化學方法階段帶開路，其次是遙感遙測。地學信息綜合研究。眾在成從研究成礦背景入手，著重研究控礦成礦因素，建構(gòu)應礦區(qū)解剖已知礦床和礦點，指導面上找礦；同時注意物技術多用帶上帶化探異常評價。從成礦信息入手，根據(jù)目的物的方法知研優(yōu)選找中地質(zhì)一地球物理一地球化學條件，選用化探、航空優(yōu)化識究礦靶求綜合站和航空遙感或重磁測量，著眼于有利成礦地組合與階區(qū)點八、段。對已知礦床開展模式（型）研究，擴大其外系統(tǒng)技段階段圍找礦。找到礦后，再研究成礦背景和控礦因素。并發(fā)術的在優(yōu)選點八、尋找淺表部金屬礦產(chǎn)的技術方法系統(tǒng)。尋找

19、主展新集靶區(qū)內(nèi)中要礦體在深部（淺表部有礦化或小露頭）的銅、鉛、技術合找礦求鋅、硫化物多金屬礦床的技術方法組合。針對主階段礦攻礦種的技術方法系統(tǒng)。開發(fā)研究礦中緊密圍繞貴重、有色金屬礦床開發(fā)中的關鍵技術問階段求效題，開展了采選冶技術工藝研究，取得顯著效益。如表1所示，我們運用上述理論對國家305項目在實施科研系統(tǒng)工程中的技術維及其與其它三維的關 系進行了具體分析。此系統(tǒng)共分三個應用研究層次與一個開發(fā)研究層次，兼顧了技術方法的層次性與整體 性，每一階段都有自己明確的目標和對應的技術方法組合，而這種嚴格的層次遞進性，又服從于技術方法 系統(tǒng)的整體布局，科研工作的突破是“從面到點”的整體突破而不僅僅是某一

20、階段的成果。該系統(tǒng)技術方 法的優(yōu)化組合方式還表現(xiàn)為既遵循了技術方法系統(tǒng)的一般規(guī)律，又具有很大的靈活性，針對不同時空條件 建構(gòu)了各具特色的技術應用組合。因此，305項目的技術方法系統(tǒng)，是把科技攻關目標與技術的適用性、 先進性結(jié)合起來，緊緊針對不同研究階段的特點（時間維），按照“面中求帶，帶中求點，點中求礦，礦 中求效”的邏輯程序（邏輯維），立足于知識與技術集合（知識維）的基礎上，建構(gòu)了具有顯著層次性、 目的性、高效性的技術方法的協(xié)同系統(tǒng)（技術維），突現(xiàn)出技術手段的整體效應。再以國際“人類基因組計劃”的實施為例。眾所周知，美國私營的塞萊拉公司為這一龐大的科研系統(tǒng) 工程做出了不小的貢獻，使繪制人類基

21、因組序列終圖的任務得以大大提前，而塞萊拉公司取得成功的一個 重要原因看來是綜合集成了科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”。以克雷格文特爾為首的塞萊拉公司科技攻關 人員在思維方式上實際體現(xiàn)了系統(tǒng)辯證思維方式，表現(xiàn)為從“一分為多”（化整為局）一“合多為一”（合 局為整）一“一分為多”（逐一剖析）的邏輯順序，以及復雜系統(tǒng)方法由分解一綜合一分析的邏輯推導； 在“時間維”上實現(xiàn)了人類基因組測序、排序、繪圖循序漸進的工序“五步驟”，即局部測序一局序組合 -電腦排序一繪制DNA序列圖譜一逐個測定基因；在“知識維”上擁有精通生命科學、遺傳工程、系統(tǒng)科 學、科技管理學等知識和智力優(yōu)勢；在“技術維”上則擁有擅長自動化測序儀

22、技術、超級電腦技術等高超 技術手段的整合優(yōu)勢?？梢?，科研系統(tǒng)工程“四維結(jié)構(gòu)”是邏輯維、時間維、知識維與技術維的綜合集成與相互協(xié)同。概言 之，就是按照工作階段的時間順序，遵循科學合理的邏輯程序，運用既有知識對系統(tǒng)進行全面的綜合分析， 建構(gòu)出最適合系統(tǒng)總目標的技術方法系統(tǒng)并發(fā)展出新知識。這個過程的完成，需要不斷地反復與迭代，“每 一次循環(huán)都產(chǎn)生一個更加精確、更好理解和原則上更為優(yōu)化的系統(tǒng)” 5直到系統(tǒng)總目標的最終實現(xiàn)?；魻柸S結(jié)構(gòu)揭示出系統(tǒng)工程中帶有普遍意義的三大要素，科研系統(tǒng)工程“四維結(jié)構(gòu)”則是對通用系 統(tǒng)工程方法“霍爾三維結(jié)構(gòu)”的發(fā)展，它特別強調(diào)了技術維在現(xiàn)代重大科研系統(tǒng)工程中所占據(jù)的重要地位

23、。 技術的優(yōu)化組合使技術超越理論知識形態(tài)，質(zhì)變?yōu)榫哂忻鞔_的目標導向和顯著應用目的的技術手段與方法 系統(tǒng)，這也是熊彼特所指出的技術“新組合”對舊有技術個體存在方式的創(chuàng)造性毀滅，體現(xiàn)為最直接的技 術生產(chǎn)力。顯然，引入“技術維”，建構(gòu)現(xiàn)代科研系統(tǒng)工程的“四維結(jié)構(gòu)”具有重大的理論與實踐意義。二、科研系統(tǒng)工程的“四定分析綜合集成法”定性分析與定量分析相結(jié)合的方法作為科研系統(tǒng)工程的傳統(tǒng)方法，得到了中外學者們的普遍重視；錢 學森院士進而倡導研究復雜開放巨系統(tǒng)應采用從定性到定量的綜合集成法。然而，正確的質(zhì)與量的辯證關 系在很大程度上取決于它們是否處于同一時空框架內(nèi)，否則即使是相同的質(zhì)一量關系也會因時空的變換而

24、 轉(zhuǎn)換，相等的量與不同的時間、空間相結(jié)合也會產(chǎn)生完全相異的質(zhì)。因此，當科研系統(tǒng)工程面對的是具有 強烈時空特性的復雜問題時，就不能僅從質(zhì)與量的角度對其進行分析，而應將其納入質(zhì)一量一時一空的四 維思考范式，采用定性一定量一定時一定位相結(jié)合的“四定分析綜合集成法”（見圖4-1）來全方位地分 析問題與解決問題。我們認為：在四定分析綜合集成法的思考范式中，復雜問題的系統(tǒng)分析首先應建立在準確的時一空分 析基礎之上；任何復雜系統(tǒng)問題，特別是具有顯著時空特征的天文科學、空間科學、地球科學等問題，客 體系統(tǒng)諸要素、各層次的時空演進與展布的多樣性是系統(tǒng)復雜性的重要根源。因此，“四定分析”的“綜合 集成”有一定的內(nèi)在層次（見圖4-2），定時一定位的時空分析是進一步開展定性一定量分析的基礎，它的 作用在于劃定問題的時空邊界，是分析復雜問題的基本條件。其次，系統(tǒng)分析中的定性、定量、定時、定 位分析諸要素間又存在著緊密聯(lián)系，任一要素都不可完全獨立于其它要素之外。定性分析，只有在與定量、 定時、定位分析相結(jié)合后才會形成全面