科研系统工程的“四维结构”与“四定分析”

1、科研系统工程的“四维结构”与“四定分析”一以国家科技攻关305项目为例刘劲杨、刘波、刘德权摘要：技术方法的优选与组合在科研系统工程活动中具有重要意义，拟将通用的系统工程方法“霍 尔三维结构”发展为科研系统工程“四维结构”，即增加第四维一技术维。对于具有强烈时空特征的 复杂科研系统工程来说，仅采用定性与定量分析相结合的方法是不够的，应将其发展为定性一定量一 定时一定位分析相结合的“四定分析综合集成法”。关键词：科研系统工程；四维结构；四定分析中图分类号：N94文献标识码：A系统工程学及其重要分支科研系统工程是在20世纪中期伴随着大科学、高技术、大工程时代出现而开 始兴起的，人们对其理解各有不同的

2、表述方式。但总的说来，系统工程是一种独具系统特色的科学方法， 是一门特殊的工程学、一种研究复杂系统的设计、建构、试验和运行的科学技术。钱学森院士于1978年对 “系统工程”给出了较全面的定义：“系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用 的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法” 1。科研系统工程学是以科技系统观为导向，采 用系统工程方法，研究科研活动系统的组织建设、决策管理、项目实施、协调运转的一门新兴学科。它既 是在多种学科交叉基础上形成的应用科学学的重要分支，又是当代系统工程学的特殊分支。真正把科研系 统工程作为相对独立的学科加以专门阐述的是钱学森院士（1963、

3、1978、1980）。作为科技组织管理技术和 方法的科研系统工程，是一般系统工程的重要类型，也是当代大科学、高技术、大工程时代科技组织管理 实践活动的必然产物。在当今的大科学和高新技术时代，现代科学理论的突破和技术的变革越来越依赖于众多先进技术手段 的合理运用。从技术手段的角度看，实施科研系统工程也是一个运用既有技术集成、取得新技术成果的过 程。因此，技术方法的优选与组合在科研系统工程活动中具有重要意义，拟将通用的系统工程方法“霍尔 三维结构”（时间维、逻辑维、知识维）发展为科研系统工程“四维结构”，即增加第四维一技术维。 在科研系统工程中，定性分析与定量分析相结合的综合集成法具有广泛的通用性

4、，但对诸如天文科学、空 间科学、地球科学等这类具有强烈时空特征的科研实践活动来说，仅有定性分析与定量分析相结合是不够 的。我们认为应将科研系统工程方法发展为定性一定量一定时一定位分析相结合的“四定分析综合集成法” 3。以加速查明我国西部新疆优势矿产资源为其重任的国家重大科技攻关305项目是一个复杂的、多学科 联合攻关的科研系统工程，作为我国地学固体矿产领域规模最大（全国21省市、103个单位、先后有370 0多人次的科技人员参加）、持续时间最长（已历经1985-2000的15年，并将延伸至2005年）、科研投 资最多的重大科研项目，业已取得了突破性的科研成果和丰硕的找矿实绩，以及较高的科技成果

5、转化率与 社会经济效益。本文拟结合国家305项目和国内外其它一些典型科研系统工程的实践进行阐述。一、科研系统工程的“四维结构”美国系统工程学家霍尔（A.D.Hall）在1969年提出了系统工程应用中具有普遍意义的方法，即“霍尔三维结构”（见图1）,得到了广泛认同。霍尔认为，一般工程技术项目的系统工程按时间维可分为七个阶段：规划阶段一设计阶段一系统研制一生产阶段一安装阶段一运行阶段一更新阶段；系统工程的逻辑维是指解决问题的逻辑步骤，针对时间维的每个不同阶段在逻辑程序上都应遵循七个步骤：明确问题一系统指标设计一系统方案设计一系统分析一系统优化一系统决策一实施计划。知识维是指为完成各阶段、各步骤所需

6、的各种知识和专门技术的总合。霍尔三维结构强调了逻辑、知识及时间三要素在系统工程管理中的重要性与普适性。通用系统工程方法的“霍尔三维结构”可在科研系统工程中予以灵活运用，但又应在现代科技组织管理实践中加以创造性发展。1.科研系统工程的逻辑维逻辑维强调在系统工程的各个阶段都应使用系统工程的方法来思考和解决问题，要善于从系统目标出 发，不断提出问题和解决问题。通常，人们把系统工程的这个逻辑程序归结为系统分析一系统综合一系统 评价三大环节。但是，通过考察国家305项目和有关国内外重大科技攻关项目的管理实践，本文则将科研 系统工程归结为“六部曲”：系统分析一系统综合一系统评价一系统设计一系统决策一系统运

7、行（见图2）。 这种系统思维的逻辑程序的核心是将具有相对模糊的内涵与外延的问题分解为一组可以操作的目标或可进 一步分解的问题，而这个过程不是一次就能完成的，必须经过具有反馈机制的多层次、多环节间的互动作 用和多次迭代才能最终完成。在这科研系统工程的六部曲中，系统工程的节奏和谐与否决定于认识与解决问题的系统思维方法是否 正确，六大环节（六部曲）事实上构成了一个以反馈机制调控的完整的闭环控制模式。以国家305项目为例， 系统分析表现为进行多层次、多学科、多维立体的周详分析。首先，以21世纪我国经济建设重点西移的国 家战略目标和输入信息为依据，将“提供国家后备矿产资源基地”的国家总要求具体化为实现新

8、疆“有色、 贵重金属矿产资源的加速查明”问题；然后，依据初步构思的指导思想与技术路线，进一步将这一问题分 解为不同研究层次的课题与专题。系统综合，体现为国家305项目力求产出高质量的科技攻关成果和以成 熟的科研成果推动科技经济一体化两个重要功能的集成。系统评价在系统分析与系统综合的基础上进行， 表现为对前两个环节的反馈与深化，从而为进行系统设计奠定坚实基础。系统设计是指在项目一课题一专 题可行性论证的基础上，编制项目总体设计书和课专题设计书。系统决策包括项目总目标和总任务、课专 题子目标和子任务的确定，以及科技攻关和成果产业化战略、战术与战役展开及其实施方案（各种设计书） 的确定等复杂内容。系

9、统运行则是决策领导层（项目委员会）通过执行管理层（项目办公室）向项目操作 层（课题组一专题组一子题组）提供人财物和时间保证，并发出指令信息，启动项目及其课专题，直至最 终成果输出和实现成果产业化的全过程。在系统设计、系统决策，特别是系统运行阶段都将发出反馈信息， 项目决策管理者则依据这些信息反馈，再作深入的系统分析与系统综合，借助高效的管理手段进一步优化 整个系统，并达到对各级子系统的实时控制，以利最终实现项目总目标和总任务。2.科研系统工程的时间维几乎任何科研和工程技术活动都是有时间限制的，时间维关注的是追求高速度和高效率。如何在有限 的时间内高质量地完成科研或工程任务？如何根据工作的阶段性

10、，有计划、有效率地分配科技资源投入量？ 这些都是科研与工程活动组织管理者所必须解决的问题。重大科研系统工程总是要处于源自系统内部组织 结构相互协同的复杂性与应对外部环境变迁的复杂性之中，这些复杂性均可能使科研系统工程出现“低概 率”事件，其直接后果就是巨量科技资源投入的血本无归。因此，重视科研与工程活动的阶段性，本质上 就是对科研探索与科技管理复杂性的关注，科学合理的工作部署是重大科研系统工程取得成功的重要保证。 例如，美国阿波罗登月计划（1961 1972 ）的成功实施就经历了三大步骤：第一步是“水星计划”，即将 宇航员送上太空，以测试人在太空中的活动能力；第二步是“双子星座计划”，主要解决

11、人在太空中长时 间停留可能引起的生理问题及航天器在太空中的对接问题，从而奠定登月技术基础；第三步是“土星计划”， 即制造能将载人飞船送出地球进入月球轨道的大动力火箭，并最终实现宇航员登月进行科学探测的目标。 这种科学而合理的工作部署，确保了美国最终完成登月计划的宏伟目标。当然，科研系统工程在时间维上 的相继性与相对独立性并不意味着各阶段的相互脱离，各阶段相对的独立性与紧密联系性之间存在着“必 要的张力”。3.科研系统工程的知识维知识维的重要性是毋庸置疑的，具体是指为完成上述各阶段、各步骤所必需的理论知识和专门技术。 霍尔的知识维囊括了几乎所有的知识，按学科大致有自然科学、工程技术、系统科学、经

12、济学、技术经济 学、管理学、法学和其它社会科学等。国家305项目15年的科技攻关实践涉及地质、矿产、物探、化探、 遥感、采矿、选矿、冶金、经济学、管理学、计算机技术等众多知识领域。国际著名的阿波罗登月计划更 是建立在空前巨大的科技资源（人、财、物）投入的基础上一一美国政府动员了 42万科学家和工程师参加、 约2万家公司和科研机构、120所大学参与协作，分工承包了制作了 700多万个零部件，历时长达11年， 耗资300多亿美元。因此，这一规模空间的科研系统工程更是以空间科学与航天技术为主导的众多学科知 识大交叉的成功典范。但是，霍尔系统工程三维结构中的知识维倾向于知识内容上的全面性与综合性，强调

13、结合多学科知识 的重要性，对知识的应用领域未给予充分关注。对于具有明确科技攻关目标的科研系统工程来说，往往不 是缺少既有的理论知识，而是要在众多既有的知识集合中找到适于科技攻关目标的具有创新性的特定技术 方法组合。4.创建科研系统工程的第四维一技术维科研系统工程中的技术主要是指工程学涵义上的技术，即技术是具有特定应用目标的手段和方法体 系。任何技术都有目的，服务于某个特定的应用目标，采用正确的技术和手段方法是科研系统工程成功的 重要保证。“霍尔三维结构”将技术归并入“知识维”，但技术并不等同于知识。美国技术哲学家米切姆 对技术的分类具有广泛影响，他将技术区分为4作为对象的技术（装置、工具、机器

14、），即实体性技术； 作为知识的技术（技能、规划、理论），即观念性技术；作为过程的技术（发明、设计、制造和使用）； 作为意志的技术（意愿、动机、需要、设想）。可见，技术的内涵绝不仅限于知识层面的理解。通常意义 上的“知识”总是与认识世界相联系的理性认识，而技术活动却与改造世界的实践紧密相关，是介于科学 探索、生产活动之间的具有生产、研究双重性的特殊社会活动。知识主要是以观念性形态存在（如理论知识）， 而实体性技术却可作为直接的生产工具应用于生产。相对于技术突出的目的性，知识是相对零散的、不具 有明显的应用性目的。因此，不宜将技术简单地归入“知识维”的范畴，否则会抹煞了它不同于知识的应 用性特征。

15、随着现代科研系统工程活动的日趋复杂，加上技术体系自身结构庞杂，就对技术的应用性提出了越来 越高的要求，高效、合理地运用技术手段已成为一个重要问题。霍尔的“知识维”指出了综合运用各门知 识的重要性，但却没有解释既有知识、技术的集合是如何成为解决问题的直接手段的。单一技术手段的作 用是有限的，而技术集合的简单堆砌也不会提高解决问题的效率，反而会彼此制约、相互牵制。国内外成 功的科研系统工程实践证明，技术手段的高效性在很大程度上取决于是否能建构出具有明确目标指向的、 高效技术手段与方法优化组合的集合体，以突现“协同效应”。因此，在科技攻关技术手段的选择与应用 过程中，既需要关注技术个体的可行性、先进

16、性，更要善于发展适于科技攻关目标的技术手段与方法组合 系统，才能更好地解决问题，实现科技攻关目标。综上所述，我们拟应在通用系统工程方法“霍尔三维结构”的基础上，创建第四维一一“技术维”， 发展为科研系统工程的“四维结构”（见图3）。引入“技术维”是完全必要的，且有其重大意义：一是“技术维”充分体现了技术应用在现代科研系统工程活动中的重要地位；二是表明善于从既有的知识与技 术的集合中发展、建构出针对系统目标的技术手段与方法的优化组合体系，将大大提高技术手段整体的应 用效率。“技术维”并不是对“知识维”的取代，技术的优化组合是建立在既有知识与技术集合的基础上 的。“逻辑维”、“时间维”明确了技术体

17、系的应用目标，也是技术体系有效性的量度。因此，高效的技 术系统是一个动态的开放体系，它必须针对系统的不同时段（时间维）的不同问题（逻辑维）和不同问题 的不同发展阶段，结合先进的技术设备，既要将已有知识与技术的集合（知识维）优化组合为解决问题的“活手段”，又要善于发展出新的技术手段，不断拓展技术应用的范围。实施重大科研系统工程必须突破 单一技术手段的局限性，针对不同的复杂系统，采用最有效的技术方法组合体系，并要根据不同工作阶段 的具体要求，制订出最优费用一效能比的技术方法组合体系。表1国家305项目技术方法系统（技术维）分析表时间维逻辑维技术维知识维圈定及面在研究程度高的地区，根据区域地质、已知

18、矿床、优选成中矿点和矿化点进行追踪。在研究程度低的地区，矿区带求主要采取低密度和甚低密度的勘查地球化学方法阶段带开路，其次是遥感遥测。地学信息综合研究。众在成从研究成矿背景入手，着重研究控矿成矿因素，建构应矿区解剖已知矿床和矿点，指导面上找矿；同时注意物技术多用带上带化探异常评价。从成矿信息入手，根据目的物的方法知研优选找中地质一地球物理一地球化学条件，选用化探、航空优化识究矿靶求综合站和航空遥感或重磁测量，着眼于有利成矿地组合与阶区点八、段。对已知矿床开展模式（型）研究，扩大其外系统技段阶段围找矿。找到矿后，再研究成矿背景和控矿因素。并发术的在优选点八、寻找浅表部金属矿产的技术方法系统。寻找

19、主展新集靶区内中要矿体在深部（浅表部有矿化或小露头）的铜、铅、技术合找矿求锌、硫化物多金属矿床的技术方法组合。针对主阶段矿攻矿种的技术方法系统。开发研究矿中紧密围绕贵重、有色金属矿床开发中的关键技术问阶段求效题，开展了采选冶技术工艺研究，取得显著效益。如表1所示，我们运用上述理论对国家305项目在实施科研系统工程中的技术维及其与其它三维的关 系进行了具体分析。此系统共分三个应用研究层次与一个开发研究层次，兼顾了技术方法的层次性与整体 性，每一阶段都有自己明确的目标和对应的技术方法组合，而这种严格的层次递进性，又服从于技术方法 系统的整体布局，科研工作的突破是“从面到点”的整体突破而不仅仅是某一

20、阶段的成果。该系统技术方 法的优化组合方式还表现为既遵循了技术方法系统的一般规律，又具有很大的灵活性，针对不同时空条件 建构了各具特色的技术应用组合。因此，305项目的技术方法系统，是把科技攻关目标与技术的适用性、 先进性结合起来，紧紧针对不同研究阶段的特点（时间维），按照“面中求带，带中求点，点中求矿，矿 中求效”的逻辑程序（逻辑维），立足于知识与技术集合（知识维）的基础上，建构了具有显著层次性、 目的性、高效性的技术方法的协同系统（技术维），突现出技术手段的整体效应。再以国际“人类基因组计划”的实施为例。众所周知，美国私营的塞莱拉公司为这一庞大的科研系统 工程做出了不小的贡献，使绘制人类基

21、因组序列终图的任务得以大大提前，而塞莱拉公司取得成功的一个 重要原因看来是综合集成了科研系统工程的“四维结构”。以克雷格文特尔为首的塞莱拉公司科技攻关 人员在思维方式上实际体现了系统辩证思维方式，表现为从“一分为多”（化整为局）一“合多为一”（合 局为整）一“一分为多”（逐一剖析）的逻辑顺序，以及复杂系统方法由分解一综合一分析的逻辑推导； 在“时间维”上实现了人类基因组测序、排序、绘图循序渐进的工序“五步骤”，即局部测序一局序组合 -电脑排序一绘制DNA序列图谱一逐个测定基因；在“知识维”上拥有精通生命科学、遗传工程、系统科 学、科技管理学等知识和智力优势；在“技术维”上则拥有擅长自动化测序仪

22、技术、超级电脑技术等高超 技术手段的整合优势。可见，科研系统工程“四维结构”是逻辑维、时间维、知识维与技术维的综合集成与相互协同。概言 之，就是按照工作阶段的时间顺序，遵循科学合理的逻辑程序，运用既有知识对系统进行全面的综合分析， 建构出最适合系统总目标的技术方法系统并发展出新知识。这个过程的完成，需要不断地反复与迭代，“每 一次循环都产生一个更加精确、更好理解和原则上更为优化的系统” 5直到系统总目标的最终实现。霍尔三维结构揭示出系统工程中带有普遍意义的三大要素，科研系统工程“四维结构”则是对通用系 统工程方法“霍尔三维结构”的发展，它特别强调了技术维在现代重大科研系统工程中所占据的重要地位

23、。 技术的优化组合使技术超越理论知识形态，质变为具有明确的目标导向和显著应用目的的技术手段与方法 系统，这也是熊彼特所指出的技术“新组合”对旧有技术个体存在方式的创造性毁灭，体现为最直接的技 术生产力。显然，引入“技术维”，建构现代科研系统工程的“四维结构”具有重大的理论与实践意义。二、科研系统工程的“四定分析综合集成法”定性分析与定量分析相结合的方法作为科研系统工程的传统方法，得到了中外学者们的普遍重视；钱 学森院士进而倡导研究复杂开放巨系统应采用从定性到定量的综合集成法。然而，正确的质与量的辩证关 系在很大程度上取决于它们是否处于同一时空框架内，否则即使是相同的质一量关系也会因时空的变换而

24、 转换，相等的量与不同的时间、空间相结合也会产生完全相异的质。因此，当科研系统工程面对的是具有 强烈时空特性的复杂问题时，就不能仅从质与量的角度对其进行分析，而应将其纳入质一量一时一空的四 维思考范式，采用定性一定量一定时一定位相结合的“四定分析综合集成法”（见图4-1）来全方位地分 析问题与解决问题。我们认为：在四定分析综合集成法的思考范式中，复杂问题的系统分析首先应建立在准确的时一空分 析基础之上；任何复杂系统问题，特别是具有显著时空特征的天文科学、空间科学、地球科学等问题，客 体系统诸要素、各层次的时空演进与展布的多样性是系统复杂性的重要根源。因此，“四定分析”的“综合 集成”有一定的内在层次（见图4-2），定时一定位的时空分析是进一步开展定性一定量分析的基础，它的 作用在于划定问题的时空边界，是分析复杂问题的基本条件。其次，系统分析中的定性、定量、定时、定 位分析诸要素间又存在着紧密联系，任一要素都不可完全独立于其它要素之外。定性分析，只有在与定量、 定时、定位分析相结合后才会形成全面