Transcript 第1章
第1章 概述系統工程 目錄 • • • • • • • • • • • • • 1.0 前言 1.1 為何需要系統工程 1.2 工程及系統工程管理之各項定義 1.3 系統工程金三角 1.4 系統四要素 1.5 系統工程生命週期 1.6 系統工程之目的及手法 1.7 同步工程 1.8 系統工程發展之V型步驟 1.9 整體系統之後勤補保 1.10 執行系統工程成敗實例 1.11 重要名詞 1.12 總結 第1章 概述系統工程 2 1.0 前言 • 系統工程強調「整個系統」(Whole System) 的觀念，考慮系統的整個生命週期，透過 系統工程程序的發展，將一個系統從需求 的產生、系統概念的形成、系統的初步設 計、細部設計及系統的發展評估、系統的 構建、測試、使用及改善到汰換所需要做 的事情逐步規劃清楚。 第1章 概述系統工程 3 1.0 前言 • 系統工程在發展初期 (1957～1969年) • 系統工程發展中期 (1970～1980年) • 系統工程發展至最近 (1990年～迄今) 第1章 概述系統工程 4 1.0 前言 • 系統工程基本目的是提供一個滿足特定需 求的系統。這個系統不僅要能照指定的方 式運作，而且必須具備效益性和效率性。 換言之，系統工程的目的就是要產出一個 具備效益和效率，並且能夠滿足顧客需求 的系統。 第1章 概述系統工程 5 1.1 為何需要系統工程 • 目前的工業發展已無法單獨依賴各個專門 的學科，必須尋找一有效的經營體系工具， 即「系統工程」，從事預測、計畫、管制、 改善、綜合協調與整合，對有限的資源做 合理的分配並結合許多之學科獲取最大的 整體利益。 第1章 概述系統工程 6 1.1 為何需要系統工程 • 系統工程 (System Engineering) 是系統科 學上實際應用的一套運用工具，可以用於 各種大系統方面，包括人類社會、生態環 境、自然現象、組織管理、工程研發等， 只要有團隊去執行、有明確任務要完成 ， 如環境污染、人口增長、交通事故、高科 技產品、化工過程、資訊網路等均可使用。 系統工程是以大型複雜系統為研究物件， 按一定目的進行設計、開發、管理與控制， 以期達到總體效果最優的工程方法。 第1章 概述系統工程 7 1.1 為何需要系統工程 • 環境的改變 (Environmental Change) 第1章 概述系統工程 8 1.1 為何需要系統工程 • 環境的複雜性 (Environmental Complexity) • 商品化 (Off-the-shelf) • 全球化 (Globalize) 第1章 概述系統工程 9 1.1 為何需要系統工程 • 系統成本 (Cost) 與系統效益 (Effectiveness) 之間的平衡 第1章 概述系統工程 10 1.1 • 為何需要系統工程 莫非定理的出現 – 莫非定理：「任何你覺得它可能會出錯的事，它 就真的會出錯。」(Anything that can go wrong will go wrong.) – 透過系統工程除了能使莫非定理之效應減到最小 外，還可以： 1. 2. 3. 4. 避免在大型工程裡失誤，或把損失降到最小。 把大型之系統簡單化。 用最少時間、最少預算達成所需品質。 使系統彈性化。 第1章 概述系統工程 11 1.1 為何需要系統工程 • 全面性的成本考量 (冰山理論) – 冰山真貌 第1章 概述系統工程 12 1.1 為何需要系統工程 • 冰山理論 – 如同圖1-3所示之冰山，在海面上與海面下的比 例相差頗多，就是我們俗稱的冰山效應。對系 統而言，設計發展與產品成本是顯而易見的， 相對的，對於系統的操作與後勤補保及維修成 本則有時會被隱藏起來，容易被忽視掉。本質 上，設計團隊能很成功的處理冰山上方的成本 (浮在海面上的明顯成本)，但卻忽略了長期影 響所造成的「冰下成本」。 第1章 概述系統工程 13 1.1 為何需要系統工程 – 總而言之，在冰山下層 (水面下) 的未考量可合 成為 (如圖1-4)： 1. 系統操作成本。 2. 系統因性能降低而使效益變少，所損失之無形成本。 3. 由於元件、材料之缺貨或損失而使系統停工待料或壽 命變短之不可預期之損失成本。 4. 由於維修及生命週期補給料件之後勤 (如人為、料件、 測試設備、測試廠房、電腦資訊) 等之成本。 第1章 概述系統工程 14 第1章 概述系統工程 15 1.1 為何需要系統工程 • 冰山理論中可見到的部分在於只有產品獲得成 本 (標購價) 是大家所能夠預見的，所謂的購 置成本包含研究、設計、試驗、建設、生產等 部分，但實質上尚有系統操作的花費、由於系 統效能或性能損失等造成的花費、汰換所造成 的花費 (物質再回收或者後置處理) 以及提供 維修與生命週期的花費 (人員、測試、設備、 硬體資源) 等潛在因素需要考量。 第1章 概述系統工程 16 1.2 • 系統 (System) – • 工程及系統工程管理之各項定義 系統是由相互作用和相互聯合的若干組成部分結合而成 的，具有特別功能的有機整體。簡言之為「一個有機之 整體」(An organized whole)。 系統包含三個層面 1. 系統必須由兩個以上的元件所組成，元件 (Elements) 是 構成系統的最基本元素。 2. 元件之間存在著聯合和相互作用的機制，從而形成一定 的結構或秩序。 3. 系統具有一特定的功能或特性，而這些整體功能或特性 是它的任何一個部分都不具備的，拆散後功能就消失。 第1章 概述系統工程 17 1.2 工程及系統工程管理之各項定義 • 系統強調相互之介面關係 – 由兩個或兩個以上的元件所組成，元件之間有相 互作用、相互依賴、相互影響、相互共存之特性。 對單一元件不構成系統。 • 系統具有分項細解之特性 (Allocation) – 每一個系統也可以被視為一個更大規模系統中的 一個次系統 (Subsystem)。 – 系統可定義為一具有某種特定功能的整體。而一 完整的系統，內部包含各種的資源，將之依一定 的方式整合，來實現一個特定的需求目標 (Objective)。 第1章 概述系統工程 18 1.2 • 工程及系統工程管理之各項定義 系統的定義 1. 一個被賦予特定功能的實體 (An organized whole)。 2. 一個完整的系統，內部包含有各種的資源，將 之依一定的方式做整合，來實現一個特定的需求。 3. 為了要達成一項計畫或一致的目標，把許多不同 功能之部分整合而成為一個依一定規則運作的實 體，稱為系統。 4. 系統 (System ) 次系統 (Subsystem) 元件 (Components)。 第1章 概述系統工程 19 1.2 • 工程及系統工程管理之各項定義 一般所謂之系統 – 是為了達成一項計畫或一個共通目標，把許多功 能不同之部分合成為一個運作良好且有特定功能 之整體，此一整體俗稱為系統。我們把極其複雜 的研究對象稱為系統，而這個系統本身又是它所 從屬的一個更大系統的組成部分： 1. 系統內一部分有一定之結構，且彼此相關 (Related)。 2. 此一有相互相關之整體可分解為若干元素 (Elements)。 3. 系統整體具有不同於分系統或組成部分之功能。 第1章 概述系統工程 20 1.2 • 工程及系統工程管理之各項定義 系統可能被定義以下列各種特徵： 1. 系統以人類的作為、物質、設備、軟體、便利、 資料等組成一個複雜的組合等。為了完成許多功 能，經常需要大量的人員、裝備、後勤和資料。 2. 系統應被包含在一些階級組織的形式。一飛機可 能被包含在一航線上，它是所有運輸能力的一部 分，也被操作在一特別幾何環境。 3. 一系統可能被分支成子系統和其他有關聯的分配。 第1章 概述系統工程 21 系統之分項 1. 自然系統和人工系統 – 自然系統是指由自然物構成的系統，其特點 是自然形成的，甚至連人工都無法仿製。人 工系統是指為了達到人類的某種目的，由人 類設計和建造的系統。工程技術系統、經營 管理系統和科學技術系統就是三種典型的人 工系統。系統工程研究與處理的對象主要是 人工系統和經人們加工了的自然系統。 第1章 概述系統工程 22 系統之分項 2. 實體系統和概念系統 – 實體系統是指以礦物、生物、能源、機械等 實體組成的系統。其組成要素是具有實體的 物質。概念系統是指由概念、原理、原則、 方法、制度、程式等非實體物質所組成的系 統，這個系統透過電腦之虛擬，為實體系統 先「預」做分析。 – 實體系統與概念系統有時是交織在一起的， 是不可分割的。實體系統是以概念系統為基 礎，而概念系統則是為實體系統提供概念指 導、方案和服務的，兩者是不可分的。 第1章 概述系統工程 23 系統之分項 3. 開迴路 (Open Loop) 及迴路系統 (Feedback Loop) – 開迴路系統指一個命令由產生到指令下達間沒有 「碰頭」之機會，如一個過去放置冰塊之冰箱， 冰塊在上，受凍或受涼物在下，利用空氣對流來 保持物品新鮮，但是，不能控制溫度。 第1章 概述系統工程 24 系統之分項 4. 獨立時間 (Time Independent) 系統及相依時 間 (Time Dependent) 系統 – 獨立時間系統是指系統的狀態和功能在一定的時 間內不隨時間而改變的系統，它沒有既定的輸入 和輸出，在系統運動規律的模型中不包含時間因 素。相依時間系統是指系統的狀態隨時間變化的 系統，即f(t)。它有輸入和輸出及轉換過程，其 狀態變量為時間的函數，但兩者均合乎牛頓三項 運動定律。 第1章 概述系統工程 25 系統之分項 5. 靜力系統 (Statics System) 及動力系統 (Dynamics System) – 靜力系統是討論質點受力作用時之平衡系統，此 平衡系統在牛頓定理之慣性原理中考量，此一系 統又可以分為：(1) 靜力系統；(2) 幾何靜力系統。 後者為考慮物體受力下之平衡時力的相關性。而 動力系統是研究物體受力後，物體運動之特性。 此一特性以牛頓運動定律為基礎，解決質點運動 之問題。 第1章 概述系統工程 26 科學 (Science) • 系統科學主要是把一些實驗的觀察結果和 自然現象做結合之謂也。 第1章 概述系統工程 27 系統分析 (System Analysis) • 利用實體模擬 (Simulation) (軟體) 及電子件 模擬 (Emulation) (硬體) 等現有之技術及工 具，對系統及其分項做定量定性之處理。 最後，選擇一組最優之方案，提供決策者 參考，其間之一連串研討之過程。 第1章 概述系統工程 28 工程 (Engineering) • 針對計畫目標或任務要求所進行的設計、 製造、測試、驗證、可行性分析等全部的 科學與技術行為，或說「應用科學」。 第1章 概述系統工程 29 系統工程 (System Engineering) • 系統工程就是以跨科學的方法和技巧，經 由需求界定、功能分析、合成、最佳化設 計、專業整合、製造，及測試與評估等反 覆之過程，將任務或運作需求轉化成一套 量化數據之全部科學及工程作為。簡單來 說，就是一連串合乎邏輯的過程，把任務 的需求轉化為量化的數據就是系統工程。 第1章 概述系統工程 30 MIL-STD-499A定義 • 系統工程是運用科學與工程技術，以執行 下列事項： 1. 經由系統定義、組合、分析、設計、測試及評 鑑等反覆性的運作程式，將作戰需求轉變為系 統性能參數與型態的描述。 2. 整合各有關的技術參數，並確保所有物理、功 能及計畫的各項介面可相容，以使系統定義與 設計最佳化。 3. 整合可靠度、維護度、安全度、存活性、人因 工程及其他因素，並融入所有工程作為中，以 滿足成本、時程、支援性及技術性能之目標。 第1章 概述系統工程 31 管理 (Management) • 領導者藉由群體合作，為了完成共同的目 標，用規則、組織、協調、管制等之管理 功能，從事各種資源之獲得、分配與運用 之一系列活動。 第1章 概述系統工程 32 專案 (Project) 管理與一般管理 • 專案管理是針對某一項計畫做目標管理 (Object Management)。而此管理之效果必須 依約結合公司之整體目標，或說達成公司之整 體目標。 第1章 概述系統工程 33 第1章 概述系統工程 34 迴路管理四要件：PDCA • 事前做好規劃 (Plan)，依規劃去按步執行 (Do)，其間定下管控點，定時或擇時查核、 檢查 (Check)，發現與規劃有不同則立即糾 正，行動 (Action)，再出發，一般簡稱 PDCA。 第1章 概述系統工程 35 系統工程管理 (System Engineering Management, SEM) 1. 系統工程管理 1) 狹義：一個管理者在一定的時間、一定的預算下，達 到一定之系統品質，使大眾滿意。 2) 廣義：系統工程管理之金三角關係。 2. 管理之步驟 1) 對產品先用生命週期 (Life Cycle) 來執行 / 做得出來 / 有。 2) 再對產品做可靠度之提升 / 品質 / 精進。 3) 有了品質才談市場 (Market) 行銷。 4) 有了行銷能力才能談策略，如何競爭。 5) 檢討整個計畫，如何評估。 6) 有了好的計畫，有了競爭力，才能雙贏 (Win-win)。 第1章 概述系統工程 36 系統工程管理 (System Engineering Management, SEM) 3. 競爭力 (Michael Porter) (六力) 第1章 概述系統工程 37 1.3 第1章 概述系統工程 系統工程金三角 38 1.4 第1章 概述系統工程 系統四要素 39 1.5 系統工程生命週期 • 係指系統 / 裝備由計畫之源起建案確認需求， 經由研發、生產、量化及銷售、客戶使用 及後勤支援各階段至汰除或性能提升之總 共壽命期程，稱產品全壽期。 第1章 概述系統工程 40 表1-3 第1章 概述系統工程 41 表1-3 (續) 第1章 概述系統工程 42 表1-3 (續) 第1章 概述系統工程 43 生命週期的階段 • 系統工程管理之精神 ── 任務必須明確 (Well-define)、不可模糊，以確定任務需求， 然後執行下列諸階段工作。 第1章 概述系統工程 44 生命週期中不同之執行方法會直接 影響到成本 • 就一般而言，依採購而論，對管理來講可 分為營利機構之系統工程管理及非營利機 構之系統工程管理。 第1章 概述系統工程 45 系統逐層下分 (Hierarchy of Systems) 第1章 概述系統工程 46 研究與發展 (R&D) • R&D全文是原理的研究與發展性之研究 (Research and Development)。所謂原理 研究係指在一般大學、研究所及國內之國 家級研究所進行。 第1章 概述系統工程 47 系統工程之目的及手法 • 系統工程之目的為：確保一個設計妥當能 夠「做」的出來，而且從無到有送到客戶 手中是「可用」之系統，同時也必須儘量 做到合乎成本效益 (Cost-effectiveness)。 第1章 概述系統工程 48 系統工程師之四大守則 1. 2. 3. 4. 在風險一定下，要減價，一定會使性能縮水。 在成本一定下，要減低風險，性能一定縮水。 在性能一定下，要降低成本，風險一定上升。 在性能一定下，要降低風險，成本一定增加。 第1章 概述系統工程 49 系統工程之手法 回授 (回饋) / 交談式 (Feedback/Interactive) 取捨或替換 (Trade-off) 裁適、調適 (Tailoring) 先分類分別解決問題後再合成 (Allocate/break down, Put back/together) 5. 先由任務需求由上到下做分解配當，一旦可 行則化繁為簡由下而上一步步整合，使系統 模組化、整合化，運用回饋及審查 (Review) 手法做檢驗 1. 2. 3. 4. 第1章 概述系統工程 50 圖1-11 第1章 概述系統工程 51 圖1-12 第1章 概述系統工程 52 1.7 同步工程 • 同步工程 (Concurrent Engineering) 係指一種 同時考量產品設計、製造和行動補給程序之概 念工程。 • 同步工程是用一種系統之方式，整體性的把設 計、測試及裝運及後勤補給在內之產品步驟同 時考慮。這種方式主要是使產品之設計者，由 概念設計起，就「同時適度」考量到產品生命 週期之所有階段，如設計時就考慮到量產易製 性問題，包含品質、成本、時程等，以即早滿 足客戶之需求。 第1章 概述系統工程 53 圖1-13 第1章 概述系統工程 同步工程之設計整合、量產 及各階段之工作圖 54 同步工程的優勢 第1章 概述系統工程 55 使用同步工程之好處 1. 縮短了工程發展到量產之時間，讓設計者在時間上具有優勢。 創造出強的競爭力。 2. 生命週期時間變少，縮短產品研發時間。 3. 利用電腦硬體或軟體之輔助 (CAD) 使效益增大，產品單價下 降。 4. 在系統工程中重疊之部分具有取捨 (Trade-off) 及最佳化 (Optimal) 之過程含在其中，使產品在時間縮短下，競爭力增 加。 5. 原來如研發、分析為10%，後來減為至少8%，而製造也由 20% 減為12%，大量減少人工之複雜及多變性。 6. 降低間接費用。 7. 提升產品服務品質。 8. 提升市場競爭力。 9. 增加產品利潤。 第1章 概述系統工程 56 廣義之同步工程 1. 2. 3. 4. 5. 設計流程 / 生命週期之同步 心理之同步。 資訊之同步。 思想之同步。 模型之同步。 第1章 概述系統工程 57 利用電腦輔助軟體配合同步工程爭 取之優勢 1. 減少分析次數之總量及比重。 2. 增加最佳化設計中流程之重複次數。 3. 在研發及工程設計中，加重比例，使缺點 變少。 第1章 概述系統工程 58 圖1-15 第1章 概述系統工程 59 1.8 系統工程發展之V型步驟 1. 承上 – 下層的規格必須滿足上層系統的需求，並銜 接更大的系統。 2. 啟下 – 大系統下層擁有許多的子系統，它必須滿足 上層系統的需求並且各有其不同的功能，皆 具備了不可取代的特性。 第1章 概述系統工程 60 圖1-16 第1章 概述系統工程 61 1.9 整體系統之後勤補保 • 現代之系統講求團隊合作 (Team Work)， 只有團隊沒有個人，因此從系統總效益來 講，後勤也是所謂整體後勤，也就是配合 同步工程，在系統工程生命週期的每一階 段 (Phase) 均有後勤之加入。所謂整體後 勤，其實重在電腦管理，除管人外，重要 是管貨、管品質、時效、預算成本及如何 圓滿達成任務。 第1章 概述系統工程 62 CALS概念 • 而CALS到目前為止，是以1993年 之”Continuous Acquisition and Life-cycle Support”為主字體。 第1章 概述系統工程 63 維護 / 後勤 ── 整體系統之補保 • 1990年美軍就提出所謂IPPD之概念 (Integrated Product and Process Development, IPPD) 第1章 概述系統工程 64 圖1-17 第1章 概述系統工程 65 • 在後勤管理上，目前已發展出條碼 (Bar Coding)及無線電頻率識別(Radio Frequency Identification, RFID) 標籤，全 球定位系統以及電子資料交換方式來補助 各單位用來追蹤產品之流向，使客戶無論 在哪裡均可知道有無貨品，而真正做到無 倉庫及零庫存之行為。 第1章 概述系統工程 66 1.10 執行系統工程成敗實例 1. 三國時代蜀漢的軍師諸葛亮獻「隆中對」 予劉備 2. 但諸葛亮亦因事必躬親，未能充分授權 3. 美國的太空梭 第1章 概述系統工程 67 表1-4 第1章 概述系統工程 68 1.11 重要名詞 • Activities：實驗，或專業活動。由一人或數人組成，解決某 特殊任務之活動。 • Availability：可用度，即可用之程度 (或說妥善率)。某裝備或 其中一構件係處於可使用或可運作狀態之機率。 • Concurrent/Simutaneous Engineering：同步工程。 • Dependability：可恃度，即對其他系統或構件的依賴程度。 在既有系統任務開始時，任務中某一點或多點系統狀況之量 度。此量度用以測量或描述構件可進入或處於特定任務中可 以執行有意義的動作或其他相關功能的或然率。 • Engineering：工程。計畫目標或任務要求進行之設計、製造、 組測及驗證等針對全部之科學及技術作為。 • Integrated Product and Process Development (IPPD) 第1章 概述系統工程 69 1.11 重要名詞 • Life Cycle：生命週期、壽期。指系統或裝備由計畫之源起， 經由研發、生產、布署、運作支援各階段而至淘汰或性能提 升之總壽命期程。 • Mean Time Between Failure (MTBF)：平均故障間隔時間。 • Program：計畫。包含一群專家從事一項長期作業以達到目 標之作為，含許多專案 (Project)。 • Project：專案。個人或一群人為某些明確可行之目標，一定 時間內運用組織將有限資源計畫的應用，並與相關作者溝通 在預定條件下達成目標，一般為2～3年，含許多Task。 • Radio Frequency Identification (RFID)：無線電頻率識別。 • Reliability：可靠度。在特定條件與時期內，一裝備無缺失地 執行應有功能的或然率。 第1章 概述系統工程 70 1.11 重要名詞 • System Engineering (SE)：系統工程。邏輯的操作，input是 需求、output一套合乎是量化的數據。 • System Effectiveness：系統效益。預期一個系統能達成某種 特定任務需求之量度。此量度為妥善度 (Availability)、可恃度 (Dependability)及可靠度 (Reliability) 三者之函數。 • System Elements：系統單元。組成系統而有獨特運作功能 之各種單獨元件，包括裝備、人員、設施、軟體及程式資料 等。 • Tailoring：裁適。對既有或選定之規範中的各項個別需求條文 等內容加以評估，以決定其是否最適合於特定之計畫，而於 必要時加以修改，以使各項需求均能滿足上級或使用者最低 需求。 • Task：任務。在數週或數個月內可以完成的工作，含許多 Activity。 第1章 概述系統工程 71