環境規劃與管理系統原理、工具與應用

為了使讀者在面對動態而複雜的環境問題時，能夠快速、清楚地掌握環境規劃與管理的重點與脈絡，本書以系統理論為核心，介紹各種系統性的評估、規劃、管理與控制方法，期使讀者能夠快速地解析環境問題的核心、同時擬定解決問題的程序與步驟，並具備選擇最佳化決策管理工具的能力。

陳鶴文
現職：
東海大學環境科學與工程系教授

學歷：
東海大學環境科學系學士
成功大學環境工程系碩士
成功大學環境工程系博士

經歷：
朝陽科技大學 環境工程與管理系教授
中華民國環境工程學會理事
全國專門職業及技術人員高等考試環境工程技師及格

主要專長：
永續環境規劃與管理
環境影響評估
環境系統分析
環境資訊學

著作：
《環境評估—系統原理與應用》
《公害防治環境教育訓練教材》(總編輯)
《環境悲歌—肆虐的汙染》

第一章　系統分析原理
第一節　緒論
第二節　系統科學的內涵
第三節　系統的內涵與特徵
第四節　系統分析程序

第二章　環境系統與永續發展
第一節　環境系統
第二節　環境系統的循環
第三節　永續環境管理的內涵與原則
第四節　永續環境管理概念的變化

第三章　環境系統規劃與管理原理
第一節　緒論
第二節　環境規劃與管理的外部及內部環境
第三節　環境規劃與管理的對象及內容
第四節　環境規劃與管理的程序及內容

第四章　環境政策工具
第一節　系統失靈與矯正
第二節　環境政策工具
第三節　環境政策的制定與選擇
第四節　環境政策制定的程序

第五章　環境分析工具
第一節　環境資料的內涵
第二節　模型建立的程序
第三節　資料挖掘
第四節　數學規劃
第五節　模擬分析

第六章　環境成本與效益分析
第一節　環境成本分析
第二節　環境價值分析
第三節　環境成本與效益分析

第七章　環境系統設計、控制與調適
第一節　系統工程設計原理
第二節　系統工程設計程序
第三節　生態化設計與清潔生產

第八章　環境績效管理
第一節　績效評估的內涵
第二節　績效評估的架構與程序
第三節　環境指標與績效評比

參考書目

第一節　緒論
在1968年貝塔朗菲（Von Bertalanffy）所發表的《一般系統理論：基礎、發展和應用（General System Theory-Foundations, Development, Applications）》一書中已可窺見系統理論的基本雛型，由於運籌學（Operations research）、資訊科學（Information science）等各種基礎科學的快速發展，七十年代後系統概念已被具體化並廣泛的應用於各類的工程技術開發及系統管理問題上。一般系統論創始人貝塔朗菲，將系統理論區分成狹義系統論與廣義系統論兩部分，其中，狹義系統論著重對系統理論本身的分析研究，而廣義系統論則涵蓋了科學、技術與哲學面向的討論。
1. 系統哲學
包括系統的本體論（Ontology）、認識論（Epistemology）、價值論（Axiology）等方面的內容。主要利用這些哲學理論的內涵，來建立起系統理論的基礎。除此之外，理哲學以及管理哲學等哲學內容也是建立起系統思維（System thinking）的重要基礎。
2. 系統科學
是指從系統的角度來觀察研究客觀的世界，並藉由分析、歸納複雜系統的演化規律，以達成建立、管理和控制複雜系統為目的的科學。它著重於研究系統的要素（或元素）、結構和系統的行為（性質）方面的研究，以及探討各種系統仿真（Simulation）、優化（Optimization）、控制的理論和方法（如運籌學、統計學、人工智慧、環境資訊學、知識管理、控制理論）。
3. 系統分析
是指利用系統哲學精神、系統科學方法來解決複雜環境系統的一種科學。一般而言，環境問題是一個涵蓋了經濟、社會、生態環境的複雜巨系統（Complex system），在這樣的環境系統中，組成元素的數量與種類可能非常龐大而具多樣性，若在彼此之間的作用機制不清楚且系統結構又呈現多層次的複雜結構關係時，是不可能透過簡單的分析方法從微觀描述來推斷系統的宏觀行為。而系統分析的目的就是運用系統哲學的概念以及系統科學的方法與理論，以系統性、程序性的方式分析環境問題的階層關係以及元素之間的互動關聯，了解系統行為的特徵以解決系統規劃、設計、建造、操作、管理、維護的問題。
環境系統工程是研究環境系統規劃、設計與管理之技術科學，環境系統分析側重於環境規劃之課題，並且特別重視數學模型或數量方法。它以追求探討環境品質變化之規律、汙染物對人體及生態之衝擊、環境工程技術以及環境經濟、政策與法律等為依據，綜合運用系統論、控制論及訊息論之方法，採用現代電子計算機之技術，對環境問題進行宏觀面之解析，以謀求系統優化之可行方案。因此，系統工程（Systems engineering）是一門新興之綜合性科學，是以宏觀之角度、科技整合之方式，對特定系統進行規劃、設計、操作、管理與控制之研究，使其獲得最佳的整體效益。進行系統分析時需要具有三種基本能力：
(1) 運用系統概念的能力：包括劃分系統、鑑別系統特徵、關聯及作用的能力，以及在考慮內、外系統的互動因素下，具有將活動結果轉化成系統設計與決策應用的能力。如：廢水處理技術、下水道系統與河川、湖泊等汙染問題之系統特性。
(2) 運用系統工程方法和技術的能力：包括以各種數學為基礎或以計算機科學為基礎之各種方法與技術。如：系統分析、運籌學、統計分析和應用計算機科學分析技術。
(3) 具有各種自然科學與社會科學等環境科學的基礎知識。如：環境經濟、環境生態、環境毒理、社會學、人口學等之背景知識。
因此，系統工程是一門將龐大而複雜之問題，綜合運用各種科技知識與管理方法，進行尋找最佳解決方案之科學。因此，在進行系統分析時，需注意跨領域整合團隊的建立、定性研究與定量研究相輔相成以及研究部門與決策部門需有充分之溝通等三個要項。以下便針對系統分析的程序與內涵進行說明：
第二節　系統科學的內涵
一、系統之定義
韋氏辭典將系統定義為：「由一群相關聯的個體所組成的整體或有機體，它將一群事實、原則、規則等加以分類並安排成一個具有一般性與順序性的格式，以顯示出連結各元件的一種邏輯性」。亦即系統是由多個物件為了某一個功能目的所組織而成的有機體，在這個有機體內，這些物件會組成一個特定的關聯架構，並進行交互作用，透過分工與合作、協同與結抗作用完成特定的功能或行為，系統中的物件都是唯一且不可分割的實體，而且每一個系統都是另一個較大系統或上位系統的子系統。如果將人體視為一個系統，則人體內的器官與組織是系統內的元件（Element），在這人體系統內，不同的器官與組織因為共同的目的組成了不同功能的子系統（如肌肉系統、骨骼系統、內臟系統、心血管系統、淋巴系統、神經系統），這些子系統互相制約、也協同合作，同一器官與組織可能同時存在於不同的子系統內扮演著不同的角色。因此，從系統論的觀點而言，問題通常是系統內不同元件共同作用後的結果，「好的決策者不會頭痛醫頭腳痛醫腳，而是找出病源，並予以診治」，這正是系統觀點的體現。一個完整的系統包含以下的特徵：
1. 完整性
組成系統之各個子系統或單元雖各具不同之功能，甚至是不完善的或片面的功能，然而由於其他子系統或單元之搭配，使整體系統呈現一種整體性之功能。
2. 關聯性
系統內之各個子系統或單元間必須有特定之關聯存在，相互地結合在一起，形成一個系統。
3. 目標性
系統之功能必定是為了特定之目標而設計的，不論是自然系統或人造系統。
4. 階層性
每個系統之內部各子系統或單元間皆包含某種程度或形式之隸屬關係，此種層次結構同時也駕馭著各種能量、質量及訊息之交流互動關係。
5. 適應性
任一系統必須具備環境之適應能力，系統之環境提供了系統諸多之資源及約束，系統在此條件下發揮出應用之機能，當資源與約束改變時，系統之結構或功能亦需隨時調整。
二、系統的分類
在自然中之系統可以劃分為以下幾種：
1. 按組成部分之屬性，可以分為自然系統、人造系統與複合系統。
(1) 自然系統：由自然界之各種物質組成，例如生態系統、大氣系統、海洋系統等。
(2) 人造系統：人類社會為了某種需求而建立起來之系統，例如給水系統、下水道系統、灌溉系統等。
(3) 複合系統：人類社會為自然界之規律進行了解所建立之系統，及介於自然系統與人造系統之間的系統稱為複合系統，例如氣象預報系統、環境監測系統等。
2. 按型態上來分，系統可分為實體系統與概念系統
(1) 實體系統：組成部分為物質實體，例如機械系統。
(2) 概念系統：由概念、原則、制度等非物質所組成，例如法律系統、教育系統。
3. 按所處之狀態：系統可分為靜態系統與動態系統。
(1) 靜態系統：不隨時間而變化之系統，又稱為穩態系統。
(2) 動態系統：隨時間而變化之系統，及系統之狀態變動是時間之函數。真實世界中大部分為動態系統。
4. 按系統與環境之互動關係可分為開放系統與封閉系統。
(1) 開放系統：系統與外界環境發生能量、質量或訊息之交流。
(2) 封閉系統：系統與外界環境隔絕。
真實世界中大部分為開放系統。
5. 按照系統內變量之關係可以分成線性系統與非線性系統。
(1) 線性系統：系統內變量之互動關係為線性時稱之。
(2) 非線性系統：系統內變量之互動關係為非線性時稱之。
真實世界中大部分為非線性系統。
6. 按系統之規模可分為小型系統、中型系統、大型系統及超大型系統。
以上之分類為單方面之考量，一個真實世界中之系統型態可能是上述各種分類交叉而成，例如：某個汙染控制系統可能是一個複合系統、動態系統及開放系統。
三、系統的組成
系統可以是一個實體，也可以是一個抽象的概念，現實世界中存在著各式各樣的系統，可能是一個實體的系統，也可能只是一個抽象的概念系統，但任何的系統都包含以下幾個要素：
1. 系統功能與系統目標
系統是為了達成一個既定目標而組成的物件集合，系統的功能與目標決定了系統邊界、系統物件、物件的系統結構以及物件之間的關聯。系統功能代表這群系統物件分工合作後的結果，也代表著系統與外部環境之間的相互作用，當系統的邊界條件（外部環境條件）與輸入改變時，系統行為會隨之改變，並影響著外部環境或外部環境中的其他系統。
2. 系統邊界
透過系統邊界的設定，管理者可以將系統劃分成內部與外部環境兩大部分，這個邊界既可以是真實存在的，也可以是假想出來的，系統與其環境可以在邊界進行物質、功、熱或其它形式能量的傳遞，而一些無法成為系統輸入或是輸出的外部環境條件則可能成為系統的制約或限制條件。依據熱力學（Thermodynamics）的定義，系統邊界所允許的傳遞類型（物質、工具與能量）可以將系統區分成孤立系統（Isolated System）、封閉系統（Closed system）、開放系統（Open system）以及半開放性（Semi-open system）的系統。系統的邊界大小受到系統功能與目標的影響，而邊界的大小則直接決定了系統的組成、複雜度以及後續評估機制的選擇。例如：進行生命週期評估與環境影響評估作業時，必須在確定評估目的後進行範疇界定，而範疇界定的第一個步驟便是確認系統的邊界，值得注意的是系統邊界不一定是實體化的邊界，有時它是一個虛擬的、概念性的邊界。
3. 系統元件
系統元件（Element）指的是系統邊界範圍內，會影響系統整體行為的單元或子系統。一般而言，系統內的單元組成（元件與子系統）取決於系統的目的與邊界，而它們在系統內的角色以及它們所擔負的任務也受到系統目的與邊界的影響。以環境影響評估為例，系統單元指的是受開發行為影響的對象，以及可能影響開發行為運作的各項因素，同樣的系統單元可以是一個實體單位（如：水體與居民），也可以是一個抽象的概念（如：舒適度）。值得注意的是，對一個動態變化的系統而言，系統單元組成會隨著時間的變動而消失或增加，這是因為系統環境變遷所造成的，進行系統單元確認時需考慮系統的變動因素。
4. 系統關聯與系統架構
關聯與架構指的是系統單元（元件與子系統）之間的關聯以及由各種關聯所形成的多維架構，這種多層次相互作用的特點，使得系統行為複雜而不容易預測，當系統中任何一個成員的功能產生變化時，這個變化常會以非線性的傳遞方式直接或間接地影響其他單元的功能與行為，有時因為複雜的因果關係以及大小不一的正、負回饋效應，這些影響會有延遲發生的現象。系統行為的變化有時是因為系統成員的改變，有時則是因為系統成員之間的關聯發生變化所造成。系統的關聯有時是一個動態的過程，這些關聯會在外界事件的驅動下出現、增強、減弱或消失。事件有時是由輸入或輸出所引起，有時則是因為外部環境變動造成邊界條件的變動所造成。
5. 系統輸入與系統輸出
系統元件利用輸入與輸出產生關聯，輸入與輸出的型態眾多，大致上分成能量、物質、訊息、金錢、時間與人力等各項資源。輸入通常是系統的驅動力，引發系統內部的各項交互作用，輸出則是系統內部各種元件交互作用後的結果，它代表著系統的整體特性與行為，系統單元透過輸入與輸出進行彼此之間的溝通，產生了協同與拮抗作用，讓系統處於一個動態而穩定的狀態。
四、系統的運作
系統理論利用輸入（Input）、系統實體以及輸出（Output）的關係來描述系統行為。其中，系統輸入可以是具體的物質、能量或訊息，也可以是抽象的概念（如：機會、威脅和文化），只要是會影響系統運作的因素都可以被視為系統的投入。系統理論認為系統的結構與環境決定了系統的功能，這些功能可以透過系統的輸入及輸出來表達，當系統的結構發生變化時，系統的功能便發生變化並表現在系統輸出上。
一個系統的行為跟最初的決策目的有關，如何成功的描述一個系統的行為是系統規劃與管理的關鍵，通常我們可以利用系統的特徵（Characteristics）、特性（Properties）以及元件的屬性（Attributes）來描述一個系統。例如：在移動性汙染源的量測系統中，為了描述這些移動汙染源在不同環境條件下的排放量，我們可以記錄移動性汙染源的移動速度、位置、加速度與車道坡度，這些用來描述移動性汙染源的現狀資料被稱為狀態變數（State variables）。若系統是一個隨時間變化的動態系統時，則這些狀態變數在某個時間範圍內的量測組合，則被稱做是該時間下的系統狀態（State of the system）。對於一個動態系統而言，每一時刻的狀態變數可被用來描述一個系統在特定時刻下的系統狀態，而系統狀態隨著時間產生的變化則可被稱為系統行為。因此如果我們量測的對象是一台移動中的移動汙染源，則該移動汙染源的系統狀態將隨時間改變，這種隨時間改變的系統狀態便反映出量測對象的系統行為。
狀態變數的變動有時是因為系統輸入的改變所造成，有時則是因為系統元件之間相互影響的結果，若能掌握這些變動關係，便可掌握系統輸出的變化進行系統控制。這些用來作為元件或子系統溝通的變數，很多是決策者無法掌控的，這些無法掌控的變數稱做非控制變數（Uncontrollable variables）或觀測變數（Measurable variables）。相對的，可由決策者進行調控的變數則稱為可控制變數，這些變數的目的是用來監測或控制系統的行為之用，對於決策者來說這些可控制變數是最重要的。擬定方案或策略的目的就是改變這些可控制變數或是調整系統內的互動機制，讓系統的輸出（或績效）產生變化。
圖1.2(a)為基本的輸入與輸出（或稱投入與產出）模型，模型中的實體系統可以是地球環境系統，一個國家、一個區域或是一個工廠，也可以是一個處理程序或是一個邏輯判斷的過程。一個複雜的系統通常同時會具有多個輸入與多個輸出，此時的系統模型便可以圖1.2(b)表示之。圖1.2(c)是一種具有層級性投入產出模型，在系統中存在數個子系統，而子系統之間也存在著各種不同的互動關係。因此若將複雜的現實世界或問題系統化，則每一個程序都會有不同的輸入和輸出。一個程序的輸出可能是後續不同程序的輸入，輸出和輸入可能是文件、可能是資訊、可能是能量或物質，也可以是邏輯的判斷。而這些輸入和輸出便成為系統中不同處理程序的聯繫者，為了發揮系統的功能，系統分析講求分工合作，也就是在分工前先討論程序之間的合作，也就是在確認程序單元的合作關係後，讓每一個程序單元各自分工執行自己的任務，之後再進行系統的整併以發揮系統該有的功能。
事實上，系統內的單元組成不一定可以很明確的被定義出來，對於這種結構不明確的系統，我們常用顏色來表示它的結構清晰度，對於一個內部組成與關聯結構不明確的系統，可稱之為黑箱（Black box）系統（如圖1.3(a)所示）。對於這樣的系統，決策者無法透過系統運作機制的了解，解構系統行為並加以管理與控制。但系統行為的特徵仍會隱含在輸出和輸入之間的變動關聯上，因此決策者可以透過對輸出訊號的解析來理解或預測這類系統的變化。如灰色系統理論便認為系統輸出的訊號隱含系統的行為特徵，透過輸出訊號的掌握，決策者便可以有效地預測或控制系統的運作。當資訊量與知識量增加時，決策者逐漸了解系統內的元件（Elements）、關聯（Relationships）與互動關係時，不明確的黑箱系統會逐漸轉變成一個確定性系統（Deterministic system）（如圖1.3(b)所示），這過程也稱為過白化過程（如資訊量的增加或對系統行為的理解）。對於決策者來說，確定性的系統結構有助於決策者利用因果分析進行系統的控制與管理。但事實上，當問題的尺度（Scale）愈大、涵蓋的系統（如環境系統、經濟系統與社會系統）愈多，系統呈現黑色系統的機會愈高，決策分析時所面臨的不確定性與風險也會愈大，因此風險計算與不確性評估在不明確的環境系統顯得相當重要。
真實世界是一個瞬息萬變的系統，可被視為一個隨時間變化的動態系統。在這個動態系統中，系統內部的元件之間或系統與外部環境之間均會隨時不斷地交換物質、能量與訊息，使系統狀態和行為隨時空變化而不斷發展，以都市發展為例（如圖1.4所示）。都市的環境系統，隨著自然、社會與技術的發展而產生變化，例如臭氧層的破壞與溫室氣體的增加，改變了地球系統的能量與質量傳遞。都市地貌的改變使得生態系統、水循環系統產生變動，這種機能結構的變動使得都市環境系統像有機體一樣，有成長、飽和與衰退的現象。對於一個複雜的真實系統而言，具有以下的特性。
任何一個系統都是更大的系統的子系統。
每個系統都包含資源，本身卻是更大系統的資源。
沒有一個系統可以完全獨立而不受其他系統之影響。
系統具有唯一性，沒有任何兩個系統是完全相同。
系統並非一成不變，隨著輸入、組成及環境的改變，系統及輸出亦會改變。
五、系統的控制原理
系統理論認為每一個時刻的系統輸入可被視為一組正在發生的事件，這些事件會誘發系統內的子系統與元件進行物質、能量與訊息的流動，在各種交互作用後表現出系統的行為。自然的環境系統抗拒或適應系統環境改變的能力，他們會透過回饋機制的方式調整系統結構與可控制的輸入，以維持系統的穩定平衡。但是這種回饋調整的能力是有極限的，當變化過大時，系統也可能因為無法承受這樣的變化壓力而產生崩解的現象。系統理論便以這樣的概念，以投入、系統、產出與回饋控制等四大機制（圖1.5），進行環境系統的量測、分析、規劃、管理與控制的工作。