第一章系统工程基本概念.docx

1、第一章系统工程基本概念第一章 系統工程基本概念 國立台灣大學生物產業機電工程學系暨研究所 / 主編 第一節 前言 1第二節 什麼是系統(System)? 1第三節 什麼是系統架構(System Hierarchy)? 3第四節 什麼是系統生命周期(System Life Cycle)? 3第五節 什麼是系統思維(System Thinking)? 3第六節 什麼是系統工程(System Engineering)? 3第七節 參考文獻 4第八節 習題 4第1節 前言 圖一為位於越南，年發電量約100千瓦的發電站，圖二為長江三峽水壩，提供約22,500,000千瓦的年發電量，我們會用同樣的程序建造

2、這二項工程嗎?答案當然是否定的，興建長江三峽發電廠遠較興建越南發電站困難。困難的原因一方面是因為長江三峽發電廠要考量的因素較多，如壩體對上流水域環境、整體生態、地質的影響等，各項因素的介面關係較複雜，如水域環境的影響依壩體高度而異，發電廠的組件亦多，同時，各組件需平行發展以縮短完工日期。所以要完成長江三峽發電廠這樣影響因素多、組件多、介面複雜的系統必需採用較有效的程序，以降低發展的風險，系統工程即為針對複雜系統發展所擬定的程序。系統工程起源於1950年初美國貝爾實驗室(Bell Laboratory)一項較複雜的通訊系統，而後美國國防部(Department of Defense)採納用於航太

3、計畫的執行，經由多年經驗的累積，系統工程的程序已相當成熟，並由早年的航太系統延伸至都市規劃、交通建設、商用產品等領域的建設與開發。本章節將說明系統工程的基本概念，包含系統及系統工程的定義、系統生命周期(Systems Life Cycle)、系統思維(Systems Thinking)、系統架構(Systems Hierarchy)。圖一: 年發電量約100千瓦的越南發電站圖二: 年發電量約22,500,000千瓦的長江三峽水壩第2節 什麼是系統(System)?“系統”被廣泛地使用於我們日常的生活用語當中，”捷運系統”已是台北市民不可或缺的交通工具，我們也知道人體有”消化系統”，為什麼我們會

4、用”系統”二字?它代表的意義究竟為何?捷運系統除包含一般民眾看得到的捷運站、列車、鐵軌、站務人員外，還需要一般民眾看不到的行車監控設備、工程人員、維修廠房等軟硬體設備才能達到大眾運輸的目的。同樣的，人體的消化系統亦包括多項器官組成的消化道及消化腺才能達到攝取、消化、吸收、排泄的功能。所以”系統”為達成特定目標多項物件的組合。“系統”較正式的定義可以參考下列數項文件:美國防衛系統管理學院(DMSC: Defense Systems Management College) (參考文獻1)系統為人員、產品、及程序的整體組合以滿足特定需求或目標。(An integrated composite of

5、people, products, and processes that provide a capability to satisfy a stated need or objective.)美國太空總署(NASA: National Aeronautics and Space Administration) (參考文獻2)系統為設備、電腦程式、廠房、人力及後勤支援、程序的組合以達成單一目的或任務。(An integrated set of equipment, computer program, facilities, human and logistical support resour

6、ces, and procedures which are assembled to accomplish a single purpose or mission.)國際系統工程學會 (INCOSE: International Council on System Engineering) (參考文獻3)系統可廣泛定義為達成特定目的各種元素的組合。(A system can be broadly defined as an integrated set of elements that accomplish a defined objective.)上述的定義皆說明“系統”為各項物件的組合，如

7、硬體、軟體、設備、資料、廠房、人員、程序等，以達成特定的目標，此目標無法由各項物件單獨完成。系統發展必需考量歸屬於系統定義的各項物件，故系統定義的完整性對系統目標的達成有關鍵性的影響，捷運系統如未能將乘客列入系統定義，則完成後雖能達到大眾運輸的目的，但可能因乘客的抱怨，而導致系統的失敗。如果系統定義過於廣泛，則將導致資源的浪費，甚至影響系統目標的達成。並非所有的系統皆會含有“系統”二字，如人造衛星(Satellite)由衛星本體(Bus)及酬載儀器(Payload)組成(圖三)，為能執行特定的任務，發展人造衛星需要整合相關硬體、軟體，包含產品、設備、資料、廠房、人員、程序等各項物件，故人造衛星

8、為一個“系統”，雖然沒有使用”人造衛星系統”這樣的名稱。系統的組成並非僅限於軟硬產品的生產、運作、維護等直接相關的物件，捷運系統的成功除了要完善的捷運站、列車、鐵軌、站務人員、行車監控設備、工程人員、維修廠房等軟硬體設備外，並需考慮到乘客的感受，督導單位的評價、環境影響等因素，所以廣義的系統應含影響產品各項相關的物件，如客戶、使用者、環境等因素(圖四)。衛星本體圖三: 人造衛星環境圖四: 系統的廣意內涵第3節 什麼是系統架構(System Hierarchy)?系統為多項物件的組合，這些物件並非完全獨立的個體，而是存在特定功能的從屬關係，其從屬關係可以系統架構圖來表示。在系統架構裡常見的名詞有

9、系統(System)、單元(Element or Segment)、次系統(Subsystem)、組件(Assembly, Module)、次組件(Subassembly)、元件(Component)、零組件(Parts)等(圖五):系統: 達成特定目標的單元或次系統的組合，如人造衛星(Satellite)。單元: 組成系統的主要物件，如人造衛星的衛星本體(Bus)。次系統: 由組件或元件組成具單獨功能的物件，如衛星本體的電能次系統(Power Subsystem)。 組件: 由次組件或元件組成可辨認的單獨物件，如電能次系統的太陽電能板模組(Solar Array Module)。次組件: 在

10、(於)組件內由元件或零組件組成且可辨認的單獨物件，如太陽電能板模組的太陽電能板(Solar Panel)。元件: 由零組件組成且可辨認的單獨物件，如太陽電能板的太陽電池(Solar Cell)。零組件: 系統中最低層且可辨認的單獨物件，如組合太陽電池的電線(Wires)。人造衛星雖為系統，但卻是衛星系統的一項單元，除人造衛星外，衛星系統尚包含操控衛星的地面站，及載送衛星至太空的發射載具，即一般人稱的火箭(圖六)。在衛星系統的架構下，人造衛星為衛星系統的一個單元，衛星本體及酬載儀器為人造衛星的次系統，在人造衛星為系統的架構下，衛星本體及酬載儀器為其單元，衛星系統可視為超系統(Super-syst

11、em)，故物件為系統或單元，視其在整個系統架構的歸屬而定，在特定架構下的單元，可能為另一架構的系統(圖七)，因此系統概念及系統程序適用於任何層次產品的發展，系統架構使用的名詞及層次可依系統的複雜度調整，簡單的系統架構可能只含系統、次系統、元件、零組件四層(圖八)。系統架構的目的在於建立共通的名詞以便於系統驗證之規劃及規範的訂定時能達到其一致性，系統架構對於亦為建立與顯示產品分解架構(PBS: Product Breakdown Structure)的基礎，產品分解架構將於第八章中說明。零組件#N圖五: 系統架構圖地面站圖六: 衛星系統架構人造衛星(系統)系統架構一 系統架構二圖七: 衛星系統架

12、構零組件#N圖八: 系統架構圖(四層)第4節 什麼是系統生命周期(System Life Cycle)?任何系統的發展皆會經過構想、規劃、設計、製造、驗證、運作、結束等階段，一個系統由構想開始到使用期結束的期限稱之為系統生命週期。系統的生命週期可概分為發展期及使用期，發展期基本上包含需求定義、設計分析、生產製造、測試驗證等階段，使用期包含運作維護及終止結束(圖九)。 訂定系統生命週期的主要目的為確保系統發展能以生命週期為整體考量，而非著重於階段性的成果，例如某類型的設計雖可提升產品的功能但卻易造成維護的困難，系統發展必需衡量兩者之間的利益得失，做較有利於系統的選擇，而非僅追求設計的完美。複雜系

13、統的生命週期可能長達數年，有些系統甚至無使用限期，如捷運系統的興建以永續經營為目標，依生命週期的定義，捷運系統的生命週期為無限長，然依生命週期訂定的目的，此類系統的生命週期可視為系統發展的設計期限，假如捷運系統興建初期的考量為運作50年，則生命週期可於運作後50年結束，50年後捷運系統的發展可視為另一系統的開始。系統是由許多子系統所組成，例如捷運系統可能包括土木結構、機電控制、動力機械等，每個次系統各有其生命週期，這些次系統的生命週期與系統的生命週期未必一致，假設捷運系統的土木結構使用壽命為50年，機電控制的使用壽命為30年，則土木結構的發展需考量其50年運作的生命週期，機電控制發展則考量其3

14、0年運作生命週期，如機電控制對土木結構後20年的運作有影響，捷運系統的需求分析應考量此因素，並反應於機電控制的系統及介面需求規範中。系統的生命週期通常劃分為數個階段(Phases)以有效執行及管控系統的發展，階段的設定依系統發展的複雜性而定，每階段的結束通常會舉行審查會議以確認階段性工作的完成，如圖九的發展期區分為需求定義、設計分析、生產製造、測驗驗證等階段，需求定義完成後可舉行需求定義審查(Requirement Definition Review)會議以在設計分析前確認需求的完整性及正確性，複雜的系統，設計分析可再分為初部設計及細部設計分析，並以初部設計審查(Preliminary Des

15、ign Review)及細部設計審查(Detailed Design Review)確認設計的完成。系統生命週期使用期圖九: 系統生命週期第5節 什麼是系統思維(System Thinking)?上述各節定義系統、系統架構、系統生命週期的目的在於說明一個系統的發展應具有系統思維，除考量影響系統發展的各項相關因素外，並需與其系統架構的超系統及次系統整合，以尋求達成目標跨越生命週期的最佳成果。第6節 什麼是系統工程(System Engineering)?系統要成功的發展影響的因素相當多、架構及介面複雜、生命週期長的系統必需採用有系統的程序，以有效達成目標及降低發展的風險，系統工程即為針對複雜系統之發展所擬定的程序。系統工程的定義可以參考下列數項文件:美國防衛系統管理學院(DMSC: Defense Systems Management College) (參考文獻1)系統工程為跨領域的工程管理程序以發展驗證滿足客戶需求及平衡生命週期的系統整合解決方案。(System engineering is an interdisciplinary engineering management process that evolves and verifies an integrated, life-cycle balanced set of system solution