4.2 - 備選方案和系統建模
在之前的系統工程步驟中，我們確定了構成專案一部分的功能，並根據需求分配了這些部分應該執行的任務。接下來的幾個步驟旨在找到最佳設計來滿足這些需求。在本節中，我們將探討開發備選方案並將它們融入到完整的系統模型中。在下一節中，我們將展示如何使用這些模型來最佳化和選擇備選方案。這些步驟按順序描述，因為書籍是單詞的線性序列。但在實踐中，開發複雜的設計並非嚴格的線性過程。隨著設計部分的確定和設計師發揮他們的創造力，新的安排和選項將不斷出現。因此，設計將部分地透過迭代過程進行演變，並從後續步驟中獲取反饋。這些步驟提供了一種組織的方式來啟動設計過程，但它們會根據需要重複多次，並在多個詳細級別進行。
開發備選方案進一步分為幾個步驟。為了不遺漏任何有效的選項，我們首先確定所有當前可用和可能的新技術和方法來執行給定的功能。這種識別通常需要研究最新技術或瞭解該領域的專家。最初的調查不會根據開發階段或實用性來限制選項，因為專案內的研究和開發可能會將它們提升到所需的級別。然後，可行性分析將消除其中一些技術。消除是基於諸如不滿足一個或多個專案需求、研發成本與成功可能性之比等因素。然後，將剩餘的選項調整到適合滿足專案需求的範圍。在該範圍內，它們的設計引數將以數學模型、設計圖紙和其他設計資訊的形式量化。需要注意的是，最終設計可能最終使用不止一項技術或方法。例如，一家航空公司顯然使用飛機，但可能還有其他車輛用於加油、行李處理等。
如果設計團隊足夠大，它將包含不同學科的專家。然後，他們可以根據自己的經驗領域被分配到不同的功能，以調查備選方案。如果團隊規模小，或者只有一人（就像本書作者目前一樣），那麼設計師必須從其他來源收集資訊以制定選項列表。即使後來變得很大的專案也往往從小處開始，因此收集超出自己經驗領域的技術資訊通常是必要的。執行此操作的任務包括
根據功能識別相關領域 - 使用功能標題和描述中的單詞作為通用搜索引擎（如 Google）以及通用和專業參考來源中的搜尋詞。如果您不熟悉這些方法確定的領域，請閱讀一些介紹性文章或材料，以瞭解其範圍的基本知識。然後，您可以透過標準的圖書館和線上搜尋方法、尋找專家詢問、社交網路、聯絡該領域的公司等方法來收集有關該領域的更詳細的資訊。
開發候選人列表 - 從之前的搜尋和資料收集，列出可能適用於執行該功能的專案。這包括現有專案和需要進行研究和開發的新專案。需要過多開發的專案將在稍後被過濾掉，我們的目標是此時具有包容性。它還包括僅執行部分功能的專案，需要與其他專案組合才能完整執行。然後，將候選人列表記錄下來，並附上資料來源以及將其應用於設計的推理。
然後將候選人列表與專案需求進行比較，以確定是否可以實際使用它們，或者是否無法滿足其中一個或多個需求。不滿足需求的常見原因包括技術性能或規模、在專案時間表內使用的準備情況或成本過高，但任何需求都可能是消除的原因。尚未完全開發的技術不應僅僅因為這個原因而被拒絕。如果它們可以在合理的成本、專案時間表和合理的效能風險內開發出來，它們可以進行到下一步。某些技術可能勉強可行，或者沒有足夠的資訊來決定。在這種情況下，它們應該被保留下來，並進行更多工作來完善細節。隨著設計的不斷完善，更多候選人將被發現不可行並被淘汰，或者可行但排名較低，直到最佳選項變得明顯。
與其他步驟一樣，可行性方面的資料、推理和選擇都將被記錄下來。我們在整個設計過程中強調記錄，因為設計團隊通常從小處開始，並隨著時間的推移而不斷壯大，因為技術總是在不斷發展。一個小團隊不可能瞭解所有技術，後面的成員可以填補空白或為工作新增更好的資訊。將過去的設計邏輯清楚地記錄下來有助於這個過程。技術的進步可能會使其成為更好的選擇，或者在以前不可行的地方變得可行，能夠追蹤以前的設計決策有助於進行更新。
在下一步，可行的選項將根據專案需求進行調整。由於功能彼此互動，我們可能在此時並不知道所需的大小，例如，電力供應的大小。因此，我們建立了一個能夠覆蓋最終需求的寬泛範圍。因此，如果我們估計需要 100 千瓦的電力，我們可以將不同的電源選項調整到 10 千瓦到 1 兆瓦的範圍內，這樣實際需求很可能就會在這個範圍內。
設計引數會隨著大小而變化。例如，機器人的電機和電池會隨著貨物尺寸和重量的增加而增大，但控制電子元件可能會保持不變。在高層建築中，高度增加需要更大的支撐柱和更多電梯。這些型別的關係通常不是線性的，也不會從零開始。例如，你不能有一半的電梯。數學模型、圖表、帶尺寸的圖紙和其他設計資訊表達了效能和設計特徵之間的關係。
一旦確定了可行的備選方案並確定了其規模，並且我們瞭解了其引數是如何變化的，我們就可以開始構建完整系統元素的模型，以及整個專案的模型。
在一個複雜的專案中，多個功能之間的相互作用以及它們對外部環境的影響也是複雜的。為了使整個系統正常執行，各個功能和流程必須被正確地設定規模。為了最佳化設計，必須理解在一個給定部分中選擇替代方案對整個系統的影響。手動調整大小並重新計算每個更改的所有設計引數將非常緩慢、容易出錯且極其繁瑣。因此，我們構建數學模型來描述系統，並使用計算機來幫助重新計算、模擬和最佳化。在進行細節設計或構建物理硬體之前最佳化整體設計，從長遠來看可以節省精力和成本。
本質上，模型是對系統及其各個部分的簡化表示。在抽象形式中，數學公式、表格和其他分析和數值元素將系統與外部環境聯絡起來，並描述系統的各個部分以及它們之間如何相互關聯。模型的元素基於為各種選項開發的設計資訊、一般工程知識或在沒有此類資訊時的最佳估計。可以使用各種軟體工具和方法來實現模型並執行必要的計算。這些範圍從簡單的電子表格到數值分析軟體，再到單個元素到整個工廠的模擬軟體。
可能需要多個軟體工具才能完全模擬複雜系統。一種工具的輸出通常用作另一種工具的輸入，將它們連結起來形成一個完整的系統模型。選擇使用哪些工具以及如何連線它們取決於許多因素。這些因素包括設計已達到的詳細程度，可用工具對任務的適應程度，過去的經驗以及可用的員工和資金。過度詳細的建模可能無法獲得足以使建立它們的努力有價值的設計改進。因此，建模過程本身也需要針對特定專案進行設計和最佳化。隨著設計的發展，模型將並行發展，從簡單到更復雜和更詳細。因此，早期使用的工具通常不是後來使用的工具。在考慮如何對給定專案進行建模時，應該考慮如何在工作發展過程中將資料從一個工具轉移到另一個工具。
建立需求和定義滿足這些需求的功能不應預設設計解決方案，以免排除更好的替代方案。因此，系統建模過程應該允許替代方案，直到完成最佳化和選擇。即使在那時，進一步的工作也可能會找到更好的解決方案並改變所選的替代方案。模型及其包含的資料應被認為是迄今為止開發的最新版本，但始終受到更新和改進。在規劃和開發模型時，應該以可以輕鬆更改的方式構建它們。選擇選項也可能在設計過程的不同時間點發生，用於系統的不同部分。因此，模型應允許進行增量更改。在某些情況下，選項之間的差異很大，並且在早期就很明顯。在其他情況下，需要更詳細的工作來定義選項，以便做出選擇。因此，模型應該能夠承載多個選項，直到做出最終選擇。
模型由更簡單的元素組成，這些元素以各種方式連結在一起。在設計早期階段，這些簡單元素可能是系統模型的全部內容。隨著設計的進展，簡單元素可能會被更詳細和更準確的子模型替換。模型元件包括
表格和圖表 - 表格可以列出選項，例如機器人車輛的各種電池技術，以及與每種電池相關的效能和功能。對於現有元件和材料，表格可以列出可用的選擇。圖表可以顯示引數連續變化而不是離散選項或選擇的場景。
引數方程 - 這些方程將一個變數量與系統中的其他量聯絡起來。例如，爐子的所需功率輸入可以與待加熱材料的 kg/小時乘以過程中的比熱和溫差相關聯。在整個系統的分析過程中，改變生產率也會改變所需的功率水平。
帶註釋的圖表 - 第 4.1 節中描述的相同型別的功能圖可用於對系統元素進行建模。功能框和流程箭頭用數量或公式以及它們的文字標籤進行註釋。
先前列出的模型元素在以裸表格、公式和圖表的形式存在時不會對更改的輸入做出反應。它們必須嵌入軟體中，才能自動將更改的條目傳播到模型的其餘部分。
電子表格 - 常見的電子表格，例如 Microsoft Excel，是用於系統建模的有用工具。大多數設計師已經熟悉這種軟體，並且公式、表格甚至活動圖表都相對容易構建。對於更復雜和更詳細的建模，它有一些缺點。這些缺點包括缺乏對缺失的流程和功能的自動檢測，或者無法模擬物理過程。儘管如此，它仍然非常適合早期的系統建模以及作為更詳細模型的摘要。
電子表格型別的模型可以採用表格或圖示佈局，或兩者的結合。在表格形式中，組織它的常規方法是將功能框以及進入和離開它們的流程分組為行。當對多個備選方案進行建模時，它們被列為額外的行，並應用從 0% 到 100% 的使用係數。透過更改使用係數，您可以更改包含在計算中的備選方案。這包括混合備選方案，例如在總功率需求中使用不同數量的太陽能電池板和風力渦輪機作為電源。表格中的列代表構成流程的不同型別的資源。例如，金屬鑄造操作可能需要一定數量的公斤生金屬和千瓦時電力來熔化它作為輸入資源。消耗資源的功能具有負數量值，輸出資源的功能具有正數量值。
列最終必須加起來為零，這意味著所有使用的輸入都有一個來源提供。否則，您隱式地從無中創造或破壞資源，因此模型不完整或需要調整值。當它們加起來為零時，資源在會計意義上是平衡的。這與複式記賬相同，在複式記賬中，資產和負債（正負貨幣價值）必須相等，因此加起來為零。財務資源實際上是系統模型中可以包含的一種資源型別。平衡資源會計將最初為貨幣賬戶開發的內容推廣到跟蹤專案中的所有型別的資源 - 勞動力、材料、機器產量、能源或其他任何東西。
數值分析和模擬軟體 -
設計和製造軟體 -
整合模型和套件 - 工程設計趨勢一直朝著將設計資料、模型和模擬整合到單個程式或相關軟體套件中發展。部分原因是更強大的計算機和網路的出現。整合消除了在 3D 設計模型、系統模型、模擬和其他計算機輔助設計步驟之間移動資料的許多工作。它透過更快地將更改反饋到設計的其他部分來加快設計過程。商業套件相當昂貴，並且通常需要時間來學習如何有效地使用各個部分。它們更適合設計過程後期階段更詳細階段的較大型設計團隊。