【正文】 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程第一章 系統(tǒng)的基本概念第一節(jié) 系統(tǒng)的定義與屬性系統(tǒng)工程研究的對(duì)象是系統(tǒng)，系統(tǒng)的概念是系統(tǒng)工程的核心和基本的概念。 物質(zhì)世界是由無(wú)數(shù)相互聯(lián)系，相互依賴，相互制約，相互作用的事物和過(guò)程所形成的統(tǒng)一體。辯證唯物主義體現(xiàn)的物質(zhì)世界普遍聯(lián)系及其統(tǒng)一性的思想，就是系統(tǒng)思想。 系統(tǒng)思想從經(jīng)驗(yàn)到哲學(xué)的科學(xué)；從思辨到定性到定量。一、系統(tǒng)的定義對(duì)系統(tǒng)要領(lǐng)的一般認(rèn)識(shí)——系統(tǒng)意識(shí) 由若干環(huán)節(jié)組成的鏈狀事物，環(huán)環(huán)相扣，由此及彼的鏈狀事物就是我們所說(shuō)的系統(tǒng)。 認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的鏈和環(huán)的關(guān)系要注意兩個(gè)方面的因素： 認(rèn)識(shí)對(duì)象系統(tǒng)的全部組成環(huán)節(jié)； 認(rèn)識(shí)這些環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)部分的形成和特點(diǎn)。系統(tǒng)意識(shí)——思考、研究、探索和處理某一事物時(shí)，要有意識(shí)地把它看成一個(gè)系統(tǒng)，明確鏈環(huán)關(guān)系，從系統(tǒng)的角度去分析和認(rèn)識(shí)問(wèn)題。系統(tǒng)的定義：系統(tǒng)是由若干個(gè)可以相互區(qū)別、相互聯(lián)系而又相互作用的要素所組成，在一定的階層結(jié)構(gòu)形成中分布，在給定的環(huán)境約束下，為達(dá)到整體的目的而存在的有機(jī)集合體。二、系統(tǒng)的屬性 目的性——系統(tǒng)具有明確賦予的、預(yù)期的目標(biāo)。 集合性——組成系統(tǒng)的元素是多個(gè)，至少有二個(gè)。 相關(guān)性——系統(tǒng)組成的元素是相互依存、相互作用、相互制約。 階層性——系統(tǒng)有一定的層次結(jié)構(gòu)，分解成子系統(tǒng)。 整體性——任何一個(gè)元素離開(kāi)整體功能就失去意義。 環(huán)境適應(yīng)性——適應(yīng)環(huán)境系統(tǒng)變化以獲取生存和發(fā)展的能力。第二節(jié) 系統(tǒng)的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與功能一、系統(tǒng)的分類(lèi)按自然屬性分類(lèi)： 自然系統(tǒng)——自然界自然生成的一切物質(zhì)和現(xiàn)象。 人造系統(tǒng)——為了生存和發(fā)展應(yīng)用自然規(guī)律構(gòu)造的系統(tǒng)。按屬性分類(lèi)： 實(shí)體系統(tǒng)——概念系統(tǒng)的形態(tài)化。 概念系統(tǒng)——實(shí)體系統(tǒng)的“靈魂”。按運(yùn)動(dòng)屬性分類(lèi)： 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時(shí)間變化而變化。 靜態(tài)系統(tǒng)——系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不隨時(shí)間變化而改變。按系統(tǒng)與環(huán)境間的關(guān)系分類(lèi)： 開(kāi)放系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界環(huán)境之間有物質(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。 封閉系統(tǒng)——系統(tǒng)與外界環(huán)境之間不存在物質(zhì)、能量、信息交換的系統(tǒng)。按反饋屬性分類(lèi)： 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)——通過(guò)本系統(tǒng)的。 閉環(huán)系統(tǒng)——僅在本系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)的。按規(guī)模大小和復(fù)雜程度分類(lèi)： 大系統(tǒng)——系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、參量眾多、功能綜合多樣。 小系統(tǒng)——系統(tǒng)比較小，簡(jiǎn)單。其他分類(lèi)： 根據(jù)某些特征標(biāo)志：目的系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、行動(dòng)系統(tǒng)、對(duì)象系統(tǒng)、因果系統(tǒng)等等。二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)是由元素的集合和元素之間關(guān)系的集合兩部分所構(gòu)成。 例如：鐵路網(wǎng)；公路網(wǎng)；城市交通等。三、系統(tǒng)的功能 系統(tǒng)的輸入（能量、物質(zhì)、信息）——通過(guò)系統(tǒng)的處理（轉(zhuǎn)換）—— 系統(tǒng)的輸出（產(chǎn)品、成果、能量、物質(zhì)、信息） 當(dāng)元素組合成為系統(tǒng)之后，元素之間發(fā)生了各種聯(lián)系，從而使系統(tǒng)的功能發(fā)生了量的增加和質(zhì)的飛躍。 系統(tǒng)工程的任務(wù)：在于提高系統(tǒng)的功能，特別是提高系統(tǒng)整體的處理與轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)能力和效率。 第二章 系統(tǒng)工程的基本概念第一節(jié) 系統(tǒng)工程的基本概念及其定義從字義上理解系統(tǒng)工程u 系統(tǒng)工程包括系統(tǒng)與工程兩個(gè)方面,既要從系統(tǒng)看工程,又要從工程看系統(tǒng),前者指的是用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法去解決工程問(wèn)題。而后者是指用工程的方法去建造系統(tǒng)。形象地說(shuō),工程通常指硬件建設(shè)和措施,就使傳統(tǒng)的工程增加了內(nèi)容。u 系統(tǒng)方法主要是系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的方法,其中包括系統(tǒng)模型與優(yōu)化方法,預(yù)測(cè)和決策方法等。u 工程的方法是處理具體工程問(wèn)題時(shí)的科學(xué)方法,包括構(gòu)思(結(jié)構(gòu)與原理)、原則〈技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的、政治和和社會(huì)的)、計(jì)算(對(duì)某種關(guān)鍵部分的原理性和整體輸出〉、試驗(yàn)(結(jié)構(gòu)、材料和參數(shù)〉和設(shè)計(jì)等一些環(huán)節(jié)。u 以系統(tǒng)思想為指導(dǎo),用系統(tǒng)方法和工程方法為工具,去建造人們所需要的新系統(tǒng)或改造原有的老系統(tǒng),使其更加合理、更加完善、更加科學(xué)。從系統(tǒng)工程與一般工程的區(qū)別上理解系統(tǒng)工程 從系統(tǒng)工程與一般工程的區(qū)別上看,系統(tǒng)工程具有高度的綜合性,這主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1) 研究對(duì)象的綜合性 系統(tǒng)工程不把研究局限在某一特定范疇。它可以把工程作為對(duì)象,但各種自然現(xiàn)象、生態(tài)群體、社會(huì)現(xiàn)象,人類(lèi)的、社會(huì)的等等也都是它的研究對(duì)象.2〉應(yīng)用學(xué)科知識(shí)的綜合性 系統(tǒng)工程應(yīng)用學(xué)科知識(shí)的綜合性與研究對(duì)象的綜合性是分不開(kāi)的。它不僅如同一般工程學(xué)那樣,應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)自然科學(xué),而且對(duì)控制論、信息論、管理科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)科、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、法學(xué)以至一些邊緣科學(xué)也要加以綜合運(yùn)用。3) 評(píng)價(jià)效益的綜合性 系統(tǒng)工程是從總體最優(yōu)出發(fā)考慮功能、組成、協(xié)調(diào)、規(guī)劃、效果等組織管理性質(zhì)之類(lèi)的問(wèn)題、尤其要考慮社會(huì)效果問(wèn)題。從系統(tǒng)工程學(xué)的組成來(lái)理解系統(tǒng)工程1〉系統(tǒng)思想 系統(tǒng)思想是將研究對(duì)象作為系統(tǒng)來(lái)考慮,把系統(tǒng)環(huán)境作為一個(gè)外部系統(tǒng),系統(tǒng)的輸入目標(biāo)作為一個(gè)系統(tǒng),并把二者結(jié)合起來(lái)考慮建立轉(zhuǎn)換過(guò)程系統(tǒng)。合理地解決系統(tǒng)內(nèi)外的各接口的協(xié)調(diào),以獲得系統(tǒng)的最優(yōu)輸出。2) 系統(tǒng)工程的程序體系 把建立系統(tǒng)的過(guò)程分成幾個(gè)步驟按一定的程序展開(kāi),保證系統(tǒng)思想能在每個(gè)部分、每個(gè)環(huán)節(jié)上體現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)程序包括二個(gè)方面的程序、一是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)程序,即解決給定系統(tǒng)問(wèn)題的步驟,如系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、試驗(yàn)和運(yùn)行等:二是價(jià)值開(kāi)發(fā)程序,它要求獲得最大效益,以此為目的的程序就是價(jià)值開(kāi)發(fā)程序。3) 最優(yōu)化方法 一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題按照程序展開(kāi)到具體的環(huán)節(jié), 應(yīng)用最優(yōu)化方法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型時(shí)。 系統(tǒng)工程是在其開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行中所采用的思考方法、程序體系和最優(yōu)化方法的總和.系統(tǒng)工程的定義:系統(tǒng)工程是用系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn),合理地結(jié)合控制論、信息論、經(jīng)濟(jì)管理科學(xué)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)的最優(yōu)化方法以及電子計(jì)算機(jī)和其它有關(guān)工程技術(shù),按照系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的程序和方法去研究和建造最優(yōu)化系統(tǒng)的一門(mén)綜合性的管理工程技術(shù)。 系統(tǒng)工程的四個(gè)特點(diǎn):l) 一個(gè)系統(tǒng)、兩個(gè)最優(yōu) 一個(gè)系統(tǒng)是指以系統(tǒng)為研究對(duì)象,要求綜合地、全面地考慮問(wèn)題。 二個(gè)最優(yōu)是指系統(tǒng)的目標(biāo)是總體效果最優(yōu),同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的具體的方法或途徑也要求達(dá)到最優(yōu)。2) 以軟為主 系統(tǒng)工程是以軟技術(shù)為主的工程技術(shù),它是一大類(lèi)新的工程技術(shù)的總稱。3〉綜合性強(qiáng)39。 一方面是應(yīng)用知識(shí)和技術(shù)的綜合性,另一方面是開(kāi)展系統(tǒng)工程項(xiàng)目,要由各有關(guān)專業(yè)和各方面的專家參加協(xié)同工作。4) 咨詢性 系統(tǒng)工程人員一般不參與決策,他們主要是給決策人員提供和分析評(píng)價(jià)備選的方案,他們有較強(qiáng)的獨(dú)立性,工作更具科學(xué)性和公證性。第二節(jié) 系統(tǒng)工程的方法論 系統(tǒng)工程的方法論一般可以用“三維結(jié)構(gòu)”來(lái)描述：一、時(shí)間維（工作階段） 對(duì)一個(gè)具體的工程項(xiàng)目,從規(guī)劃起一直到更新,一般可分成以下7個(gè)階段: (l) 規(guī)劃階段。 (2) 設(shè)計(jì)階段。 (3) 研制階段(系統(tǒng)開(kāi)發(fā))。 〈4) 生產(chǎn)階段。 (5) 安裝階段。 (6〉運(yùn)行階段。 (7) 更新階段。 上述7個(gè)階段是依時(shí)間先后順序排列的,故有“時(shí)間維”之稱。 每個(gè)階段有相對(duì)獨(dú)立性和不同的中心任務(wù)。二、邏輯維(思維過(guò)程) 在使用系統(tǒng)工程方法來(lái)思考和解決問(wèn)題時(shí),可以將每一個(gè)階段分為若干邏輯步驟,稱為邏輯維或思維過(guò)程。通常它可以分為7個(gè)步驟:提出問(wèn)題——抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì), 著手調(diào)查研究(主要從二個(gè)方面入手): 1)環(huán)境方面的調(diào)查研究—— 新系統(tǒng)產(chǎn)生于環(huán)境,新系統(tǒng)的約束條件決定于環(huán)境,決策的依據(jù)來(lái)自環(huán)境,研制所需資源取自于環(huán)境,最后,系統(tǒng)的質(zhì)量也只能放在環(huán)境中進(jìn)行評(píng)從。環(huán)境因素可以分為物理和技術(shù)的環(huán)境,經(jīng)濟(jì)和事物的環(huán)境,以及社會(huì)環(huán)境。 物理和技術(shù)的環(huán)境主要包括: (1)己有系統(tǒng)。(2)用于已有系統(tǒng)的方法:(3)己執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):(4)內(nèi)部技術(shù)情況:(5〉自然環(huán)境:(6〉過(guò)渡因素(7〉目前和未來(lái)的研制條件:〈8〉外部技術(shù)情況: 經(jīng)濟(jì)和事物環(huán)境主要包括: (1〉組織結(jié)構(gòu):(2)組織人員:(3〉政策法令:〈4〉決策者傾向:(5)價(jià)格結(jié)構(gòu):(6)新系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)條件:〈7)會(huì)計(jì)事務(wù)運(yùn)用. 社會(huì)環(huán)境主要包括: (1)大規(guī)模的社會(huì)因素:(2)個(gè)別人的因素。 2)需求方面的調(diào)查研究—— 需求方面調(diào)查研究有以下6項(xiàng)要點(diǎn): (l)需求的一般指標(biāo):〈2)資源和其它約束:(3)計(jì)劃情況和市場(chǎng)特性:(4〉競(jìng)爭(zhēng)情況:(5)使用者的要求:(6)需求研究的設(shè)計(jì)要求。選擇目標(biāo)(系統(tǒng)功能指標(biāo)設(shè)計(jì)或列寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)) 選擇目標(biāo)是十分重要的步驟,它關(guān)系到整個(gè)工程的方向、范圍、投資、工程周期、人員和物資分配等一系列問(wèn)題。正確地選擇具體的評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能的目標(biāo)。將有利于方案的比較。選擇目標(biāo)應(yīng)注意以下幾條原則:(l〉要有適當(dāng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn),選擇對(duì)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展具有重大影響的事項(xiàng)為目標(biāo):(2) 要有總體觀點(diǎn),著眼于系統(tǒng)的總體效果:(3) 目標(biāo)務(wù)求具體明確,最好能定量表述:(4) 對(duì)多目標(biāo)應(yīng)進(jìn)行合適的排序:(5〉目標(biāo)是可行的,而且要明確實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的約束條件:(6〉注意標(biāo)準(zhǔn)化。 我國(guó)一般工程項(xiàng)目制定目標(biāo)時(shí),主要考慮下述4個(gè)方面:(l〉運(yùn)行目標(biāo),其中包括技術(shù)指標(biāo): (2〉經(jīng)濟(jì)目標(biāo),包括直接與間接的經(jīng)濟(jì)目標(biāo): (3〉社會(huì)目標(biāo),包括頂目符合法律、法規(guī)等: (4) 環(huán)境目標(biāo),包括防止污染與美化環(huán)境等方面。系統(tǒng)綜合(形成可能的系統(tǒng)方案): 系統(tǒng)綜合主要是按照問(wèn)題的性質(zhì)及總的功能(目標(biāo)〉要求形成一組備選系統(tǒng)方案,方案中要明確所選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)參數(shù)。方案首先應(yīng)是可行的,即技術(shù)上能達(dá)到,資源上有保證,設(shè)備能力可提供的方案。系統(tǒng)分析(建立模型): 為了對(duì)眾多的備選方案進(jìn)行分析比較,需要建立各種模型,把這些方案與系統(tǒng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)聯(lián)系起來(lái)。系統(tǒng)評(píng)價(jià)(優(yōu)化系統(tǒng)) 在一定的限制條件下,我們總希望選擇最優(yōu)的系統(tǒng)。在單目標(biāo)系統(tǒng)中,如果備選方案的個(gè)數(shù)不多時(shí),很容易從中找出最優(yōu)方案。但當(dāng)備選方案的個(gè)數(shù)很多, 就要采用一些單目標(biāo)最優(yōu)化方法來(lái)選出最優(yōu)方案。如果評(píng)價(jià)目標(biāo)有好幾個(gè),而且彼此之間又有矛盾, 此時(shí),就需采用多目標(biāo)最優(yōu)化方法進(jìn)行評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)諸方案排序以選擇出最優(yōu)方案。方案決策: 有時(shí),最優(yōu)方案可能有兒個(gè),或者除了定量目標(biāo)外,還要考慮一些定性目標(biāo)。這時(shí)必須根據(jù)全面的要求,最后決策一個(gè)或幾個(gè)方案試行。三、實(shí)施維(實(shí)施計(jì)劃)。 根據(jù)最后選定的方案,具體實(shí)施整個(gè)計(jì)劃。如果實(shí)施中比較順利或者遇到困難不大,略加修改即可實(shí)施,那么整個(gè)步驟即告一段落。 有時(shí)則會(huì)遇到較多的問(wèn)題,就有必要回到前面所述邏輯步驟中認(rèn)為需要的那一些,開(kāi)始重新做起。 第三節(jié) 系統(tǒng)工程的基本原理和工具反饋控制原理 反饋控制它能夠在存在擾動(dòng)的情況下,力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量之間的偏差。隨著系統(tǒng)概念系統(tǒng)思想的不斷發(fā)展,反饋控制原理在各種類(lèi)型的管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 規(guī)劃目標(biāo)是規(guī)劃管理系統(tǒng)的輸入量,它是當(dāng)前狀態(tài)的反映,規(guī)劃管理部門(mén)根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)指導(dǎo)和監(jiān)督規(guī)劃執(zhí)行部門(mén),執(zhí)行的結(jié)果和在執(zhí)行過(guò)程中環(huán)境的變化所影響執(zhí)行結(jié)果的情況都作為該管理過(guò)程的反饋信息。管理部門(mén)將反饋信息與原規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行比較后再作相應(yīng)調(diào)整。這樣的管理過(guò)程就是反饋控制過(guò)程。 對(duì)于系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理或控制, 利用反饋控制原理,可以提高系統(tǒng)的質(zhì)量。在反饋系統(tǒng)中,還有個(gè)穩(wěn)定性問(wèn)題。為了達(dá)到一定的目標(biāo)而執(zhí)行一種政策,其效果往往不會(huì)馬上表現(xiàn)出來(lái),需要有一個(gè)時(shí)間過(guò)程,這個(gè)時(shí)間過(guò)程稱為時(shí)間滯后效應(yīng)。在反饋控制系統(tǒng)中,當(dāng)效果不符合要求時(shí),可以強(qiáng)化執(zhí)行政策的措施以加速過(guò)程, 當(dāng)產(chǎn)生超調(diào)后,反饋控制系統(tǒng)將采取相反的措施使它回降。根據(jù)各種信息,不斷地修正措施或控制作用是可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性的。最優(yōu)化原理 在管理控制或決策過(guò)程中,有最優(yōu)決策問(wèn)題。最優(yōu)決策與系統(tǒng)過(guò)去的歷史無(wú)關(guān)(此稱為系統(tǒng)的無(wú)記憶性或馬爾柯夫性〉,它僅取決于系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)和欲采取的策略。因此,在反饋系統(tǒng)中,為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)決策,反饋信息應(yīng)包含反應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)的全部信息。協(xié)調(diào)原理 只有整體系統(tǒng)中各個(gè)局部(也稱子系統(tǒng)〉能夠協(xié)調(diào)地工作,才能實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的最優(yōu)化管理或控制。協(xié)調(diào)工作必須由上級(jí)決策者進(jìn)行,上級(jí)決策者主要依靠調(diào)動(dòng)原料或資源(人力、物力、財(cái)力)實(shí)施協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)的方法不一。 總之,由許多子系統(tǒng)組成總體系統(tǒng)是一種合理的結(jié)構(gòu)。子系統(tǒng)是分布的或分散的。例如,城市交通管理系統(tǒng)中,整體系統(tǒng)的管理是由分散在各路口的信號(hào)燈(或交通警)實(shí)施管理的,這樣的系統(tǒng)必須在上級(jí)決策者的協(xié)調(diào)下五作才有可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總目標(biāo)。系統(tǒng)工程的主要工具 運(yùn)籌學(xué)；建模；電子計(jì)算機(jī)。第三章 系統(tǒng)分析第一節(jié) 系統(tǒng)分析的基本概念一、系統(tǒng)分析的定義 系統(tǒng)工程的對(duì)象是大系統(tǒng)。這種大系統(tǒng)的特征就是