交通運輸系統工程 課件 第1-6章 系統概述-運輸系統預測

交通運輸系統工程第1章系統概述1.1

系統的概念、特性及分類1.2

系統思想的形成與發展1.3

系統科學的學科體系第2章系統工程理論2.1

系統工程的概念、研究內容及特點2.2

系統工程發展概況2.3

系統工程方法論2.4

系統工程的理論基礎第3章交通運輸系統3.1

交通運輸的概念及分類3.2

交通運輸系統的組成與特點3.3

交通運輸系統工程的研究內容3.4

我國交通運輸的現狀及發展前景第4章運輸系統分析4.1系統分析的基礎理論4.2系統的特性分析4.3系統結構模型化技術第5章系統模型與仿真5.1系統建模及仿真概述5.2系統動力學的建模5.3系統動力學仿真計算5.4延遲第6章運輸系統預測6.1系統預測基本概念6.2定性預測方法6.3定量預測方法交通運輸與教育平臺第7章運輸系統網絡優化7.1運輸網絡的最短路和最大流7.2網絡圖的組成及繪制7.3網絡圖時間參數7.4網絡圖優化分析第8章運輸系統綜合評價8.1運輸系統綜合評價概述8.2運輸系統的經濟評價8.3常用的系統綜合評價方法第9章運輸系統決策9.1運輸系統決策分析概述9.2不確定型運輸系統決策分析9.3風險型運輸系統決策分析9.4信息的價值9.5效用理論及其應用第10章神經網絡與遺傳算法10.1神經網絡概述10.2遺傳算法第11章運輸系統工程應用案例11.1地鐵換乘樞紐的擁擠評價11.2道路交通檢測數據的聯合卡爾曼濾波11.3城市軌道交通定價模型交通運輸與教育平臺交通運輸與教育平臺

第1章系統概述

1.1系統的概念、特性及分類1.2系統思想的形成與發展1.3系統科學的學科體系交通運輸與教育平臺1.1.1.1系統概念

系統是由兩個或兩個以上相互關聯的要素所構成的具有特定功能的整體。

在現實生活中，“系統”是一個被廣泛使用的詞匯。人體就是一個系統，主要由神經系統、呼吸系統、消化系統、循環系統、內分泌系統、泌尿系統、生殖系統和運動系統構成；地球也是一個系統，地球四個子系統是巖石圈、大氣圈、水文圈及生物圈交通運輸系統是由鐵路運輸、公路運輸、水路運輸、航空運輸和管道運輸這五個系統構成的；一臺機器是一個系統；一個家庭、企業、學校都可看作系統；甚至一個國家、整個社會也都構成了一個系統。1.1.1系統概念及其特性1.1系統概念、特性及分類交通運輸與教育平臺1.1.1.2系統特性

系統一般具有以下幾種特性。(１)集合性。

集合性即把具有某種屬性的一些對象看作一個整體，從而形成一個集合，集合里的各個對象稱為集合的要素，這些要素可能是元件、零件、單個機器、個體，也可能是子系統，系統是由要素組合而成的。

系統的集合性表明，系統是由兩個或兩個以上相互關聯的要素所組成的。這些要素可以是具體的物質，也可以是抽象的或非物質的軟件、組織、觀點或理論等。1.1.1系統概念及其特性交通運輸與教育平臺(2)相關性。

組成系統的要素是相互聯系、相互作用的，相關性說明這些聯系之間的特定關系以及這些關系之間的演變規律。

例如，道路交通控制系統是一個大系統，它由交通信號控制系統、交通法規控制系統、智能交通控制系統、傳感器與監測設備、控制中心與通信系統等子系統或單元組成，系統內的各個子系統為整體目標服務，通過各子系統相互協調作用，使道路上的車輛能安全有序、暢通行駛，提高交通運輸系統整體運行效率。1.1.1系統概念及其特性交通運輸與教育平臺(3)層次性。

由于系統各組成部分在系統中所處的地位不同，從而形成了不同的層次，并存在一定的層次結構，這是系統空間結構的特定形式。圖1-1所示為按不同運輸方式劃分的旅客運輸系統的構成。1.1.1系統概念及其特性圖1-1旅客運輸系統的構成交通運輸與教育平臺(4)整體性。

整體性即具有獨立功能的系統要素以及要素間的相互關系(相關性、層次性)根據邏輯統一性的要求，協調存在于系統整體之中。也就是說，任何一個要素不能離開整體去研究，要素間的聯系和作用也不能脫離整體的協調去考慮。系統不是各個要素的簡單集合，它具有作為一個整體的特定功能。

系統的構成要素和要素的機能、要素的相互聯系要服從系統整體的目的和功能，在整體功能的基礎上展開各要素及其相互之間的活動，這種活動的總和形成了系統整體的有機行為。在一個系統整體中，即使每個要素并不都很完善，但它們也可以協調、綜合成為具有良好功能的系統；反之，即使每個要素都是最優的，但作為整體卻并不能保證具有某種良好的功能，這類系統的整體性是不完善的。1.1.1系統概念及其特性交通運輸與教育平臺(5)目的性。

任何系統都有特定的功能，而人工建造或改造的系統一定具有特定的目的。這里所說的系統功能和目的，是系統整體的功能和目的，是原來各組成部分不具備或不完全具備，只是在系統形成后才具備的。(6)環境適應性。

任何一個系統都存在于一定的物質環境之中，因此，其必然與外界環境進行物質、能量和信息的交換，外界環境的變化也會引起系統內部各要素及其關系的變化。任何一個系統必須既要適應外部環境，也要適應外部環境的變化。這種系統隨著環境的變化而存在及演變的性質就是系統的環境適應性。不能適應外部環境變化的系統是沒有生命力的，而能夠經常與外部環境保持良好適應狀態的系統，才是理想的系統。1.1.1系統概念及其特性交通運輸與教育平臺1.1.2系統的相關概念

（1-1）交通運輸與教育平臺1.1.2系統的相關概念(2)系統與環境。

環境是對系統有影響但與系統任何要素的相互聯系或相互作用又都弱于系統要素間任何相互聯系或相互作用的那些實體的集合。這里的所謂“弱”是由被研究系統的性質和研究目標判定的，因此，系統與環境的劃分是相對的。

由系統與環境的概念必然引出邊界的概念。系統與環境之間的界限就是邊界，它是包含系統所有基本成分并有效而完整地隔離系統與其環境的物理的或概念的界限。(3)輸入與輸出。

系統具有輸入和輸出。環境對系統的影響和作用稱為系統的輸入，系統對環境的影響和作用稱為系統的輸出。交通運輸與教育平臺1.1.2系統的相關概念這些物質、能量和信息在系統中流動，形成相應的物質流、能流和信息流，并且不斷地受到加工、變換和處理，而系統本身也是在不斷發展變化，經歷著產生、發展和衰亡的生命周期。(4)組織與結構。

結構是指系統要素間相互連接的形式或方法。結構表明系統要素間在空間或時間位置上的相對規定性，往往被用以表示具體的或物理的連接，任何系統都有一定的結構。

組織是指系統內部各要素彼此之間的組成關系，有了這個組成關系，得以相互結合而達成某一目標。組織與結構是有差別的兩個概念，組織僅指有序結構，有組織的系統就是具有有序結構的系統。交通運輸與教育平臺1.1.2系統的相關概念(5)同構與一般系統。

如果兩個系統的結構是完全相同或相似的，這兩個系統就表現出相同或相似的整體特性——涌現性，那么，這兩個系統被稱為同構系統，它們之間的關系被稱為同構性。

顯然，系統間的同構關系至少要滿足以下兩個性質。

①反射關系：如果系統S1是系統S2的同構系統，系統S2也必是系統S1的同構系統。反之亦然。

②傳遞關系：如果系統S1是系統S2的同構系統，并且系統S2是系統S3的同構系統，那么，系統S1也必是系統S3的同構系統。交通運輸與教育平臺1.1.2系統的相關概念(5)同構與一般系統。由同構概念自然可引申出另一個重要概念，即一般系統。所謂一般系統是關于一類同構系統的抽象系統，它具有該類系統的全部系統特征，但不包括其中任何個別系統的細節。顯然，一般系統是一個相對的概念，它包含若干個層次。一般系統的概念模型如圖1-2所示。交通運輸與教育平臺1.1.3系統的分類

按不同的原則，可將系統劃分為各種不同的類型。(1)自然系統與人造系統。

從系統組成要素的性質看，可將系統劃分為自然系統與人造系統。

自然系統是由自然物所組成的系統，其特點是自然形成的。自然系統一般表現為環境系統，如海洋系統、礦藏系統、植物系統、生態系統、原子核結構系統、大氣系統等。

人造系統是為了達到某種目的而由人類設計和建造的系統，如生產系統、科學技術系統、軍事系統、交通運輸系統、管理系統等。人造系統一般包括三種類型:一是由人們從加工自然物中獲得的零部件裝配而成的工程技術系統，二是由一定的制度、組織、程序、手續等所構成的管理系統，三是根據人們對自然現象和社會現象的科學認識所創立的學科體系和技術體系。交通運輸與教育平臺1.1.3系統的分類(2)實體系統和概念系統。

從物質和精神的角度，可將系統劃分為實體系統和概念系統。

實體系統是以礦物、生物、能源、機械等實體組成的系統，系統的組成要素是具有實體的物質，這種系統是以硬件為主體，以靜態系統的形式來表現的，如人-機系統、機械系統、電力系統等。

概念系統是由概念、原理、原則、方法、制度、程序等觀念性的非物質所組成的系統，它是以軟件為主體、依附于動態系統的形式來表現的，例如，科學技術理論、工程設計思想、計算機程序設計，以至于一個法律法規、研究報告等，均屬概念系統。交通運輸與教育平臺1.1.3系統的分類(3)實體系統和概念系統。

從物體的運動狀態上，可將系統劃分為動態系統和靜態系統。

動態系統是系統狀態變量隨時間而改變的系統，即系統的狀態變量是時間的函數，它有輸入和輸出及轉換過程，一般都有人的行為因素在內，如生產系統、社會系統、交通運輸系統就是典型的動態系統。

系統的狀態變量不隨時間而改變，而是具有相對的穩定性，具有這種性質的系統被稱為靜態系統，如車間平面布置系統、城市布局規劃等。交通運輸與教育平臺1.1.3系統的分類(4)開放系統和封閉系統。

開放系統是指與外界環境之間有物質、能量或信息交換的系統，其最重要的特性就是在同環境進行物質、能量和信息的交換過程中，能保持自身的有序性和自組織性，如生命系統就是通過新陳代謝來維持有機體的存續和發展的。

封閉系統則相反，即系統與環境互相隔絕，它們之間沒有任何物質、能量和信息交換。

除以上分類之外，還有很多其他分類方法。按研究對象不同，可把系統分為不同的對象系統，如教育系統、運輸系統、電力系統等；按人對系統的認識程度不同，可把系統分為白色系統、黑色系統和灰色系統；按系統內部結構、形態不同，可把系統分為線性系統與非線性系統、確定性系統與隨機系統，還有因果系統與目的系統、控制系統與行為系統等。交通運輸與教育平臺

第1章系統概述

1.1系統的概念、特性及分類1.2系統思想的形成與發展1.3系統科學的學科體系交通運輸與教育平臺1.2.1古代樸素的系統思想人類很早就已經有了系統的概念和系統思想的萌芽，自發地利用系統概念考察自然現象，把自然界當作一個統一的整體，主要體現在對整體、關系、結構、等級的認識。古希臘哲學家德謨克利特(Democritus，約公元前460年—公元前370年)提出“宇宙大系統”的概念，古希臘辯證法的奠基人之一——赫拉克利特(Heraclitus，約公元前540年—公元前480年)認為“世界是包含一切的整體”。亞里士多德(Aristotle，公元前384年—公元前322年)進一步發展了樸素的系統思想，提出“整體大于各部分的總和”的思想。1.2系統思想的形成與發展交通運輸與教育平臺1.2.1古代樸素的系統思想在我國古代哲學中也反映了這種樸素的系統思想。我國春秋末期的思想家老子就強調自然界的統一性。我國古天文學很早就揭示了天體運行與季節變化的聯系，編制出歷法和指導農事活動的二十四節氣。在實踐上，這種樸素的系統思想表現為從事物之間相互聯系的角度去觀察和改造世界。例如，戰國時期修建的四川都江堰水利工程，把岷江分水工程、分洪排沙工程、引水工程三大主題工程和120個附屬渠堰工程巧妙地聯系在一起，形成一個協調運轉的工程總體,使工程具有防洪、灌溉、漂木、行舟等多種功能，這個工程體現出來的就是整體的觀念、優化的方法和系統的思想。交通運輸與教育平臺1.2.1古代樸素的系統思想古代樸素的系統思想強調了對自然界整體性、統一性的認識，包含了正確的整體觀。在古代農事、工程、醫藥、天文知識等領域的成就，都不同程度上反映了樸素的系統思想的自發應用。人類在知道系統思想、系統工程的概念之前，就已在進行辯證地、系統地思維了。但是，由于歷史條件的限制，當時的生產力和科學技術還十分落后，人類改造世界的能力有限。系統思想缺乏對整體各個細節的認識能力，對客觀世界中的各種復雜的依賴關系、制約關系的認識就不夠深入。對很多事物只能看到一些輪廓及表面現象，往往是只見森林、不見樹木，因而，對系統的整體性和要素及其相關性的認識是膚淺的、片面的甚至是錯誤的。交通運輸與教育平臺1.2.2系統思想的發展15世紀下半葉，近代科學開始興起，力學、天文學、物理學、化學、生物學等科學逐漸從自然哲學中分離出來，獲得日益迅速的發展，形成獨立的學科。這種分離就把自然界的細節從總的自然聯系中抽象出來，進行分門別類地研究事物的運動。這種考察自然界的方法移植到哲學中，就成為形而上學的思維方式，它在深入的、細節的考察方面比古代哲學是一個巨大進步，在科學、技術、文化的發展歷史中起到了不可磨滅的作用。但是，由于形而上學撇開部分之間的聯系來考察事物和過程，往往只看到局部現象，而不能縱觀全局。隨著人們對客觀事物認識的不斷擴展和深化，這種局限性就日益顯露出來，并阻礙了人們從了解部分到了解整體、從分析具體細節到洞察普遍聯系的道路。交通運輸與教育平臺1.2.3系統思想的成熟及系統科學的產生19世紀上半葉以來，特別是進入20世紀以后，社會生產和科學技術得到了空前的發展。能量守恒定律、細胞學說和進化論的發現，揭示了客觀世界的普遍聯系，使人類對自然現象和過程的相互聯系的認識有了很大提高，同時也對形而上學的自然觀產生了極大的沖擊，使人們看到了這種思維觀念的缺陷。特別是現代科學技術的發展，對系統思想的產生與系統方法的應用產生了極為重大的影響。主要體現在兩個方面：一是使系統思想、系統方法定量化、科學化，使之具有堅實的數學理論基礎，能夠定量地處理系統各組成部分之間的關系；二是計算機與信息技術的應用，為系統思想、系統方法的實際運用提供了強有力的工具。正是由于上述兩個特征，才使得系統思想方法從一種哲學思維逐步形成了獨特的系統理論，并在此基礎上形成了一門專門的科學——系統科學。交通運輸與教育平臺

第1章系統概述

1.1系統的概念、特性及分類1.2系統思想的形成與發展1.3系統科學的學科體系交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系系統科學就是從系統的角度觀察客觀世界所建立起來的科學知識體系。系統科學的研究對象是具有系統意義的現象或問題，系統科學的任務是提供用系統觀點考察對象的一般原理和方法。1.3系統科學的學科體系交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系現代科學技術可以分為四個層次：首先是工程技術這一層次，其次是直接為工程技術提供理論基礎的技術科學這一層次，然后是基礎科學這一層次，最后通過進一步綜合、提煉達到最高概括的馬克思主義哲學。系統科學是由各門系統工程(如社會系統工程、安全系統工程、教育系統工程等)、系統工程的理論方法(如運籌學、信息論、控制論等)以及它們的理論基礎(系統學)和哲學層面的科學所組成的一類新興科學。哲學是關于自然、社會和思維一般規律的知識體系，是關于科學世界觀的學問，基礎科學是關于自然界物質運動形式的普遍規律和理論的學問，技術科學是關于人工自然過程的一般機制和原理的學問，工程技術是關于設計和建造特定人工自然過程的技術手段與工藝方法的學問。交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系在現代科學技術四個層次的基礎上，錢學森進一步提出了包含有系統科學部類的現代科學技術體系結構，見表1-1。交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系數學科學是從數和形的數量關系上研究客觀世界，不考慮客觀世界的質的區別，它既可以研究無生命世界，也可以研究生命世界。自然科學是從客觀物質運動、能量轉移和變化的角度研究客觀世界，現代科學表明客觀物質之間的相互作用，只有引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用四種，它們是物質產生各種運動變化的原因所在，自然科學也研究這些相互作用的特點及性質。社會科學是從人類社會發展運動的角度研究客觀實際，是從人的社會行為這一側面來研究客觀實際。人類社會的發展復雜多變，但在其背后也存在著固有的規律：經濟基礎決定上層建筑，生產力推動生產關系的變革，同時又受其制約。這些基本規律決定了社會發展的趨勢及速度，就像牛頓第二運動定律描述的物體運動那樣。當然，同牛頓第二運動定律一樣，這些基本規律也有一定的適用條件。交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系系統科學是從整體與局部的關系角度來研究客觀實際，討論系統整體的優化、系統結構與功能的關系及系統的穩定性等。其基礎科學層次是系統學，系統學是關于一般系統的基本概念、性質、分類、結構與功能以及系統演化、協同、控制的一般規律的理論。其技術科學層次包括運籌學、信息論和控制論，在“2.4系統工程的理論基礎”中將介紹系統學與技術科學層次的各門理論。行為科學是從人的社會性角度來研究社會，主要研究人的群體行為及個體行為與群體表現之間的關系。生物界中群居的動物也都有個體之間交往，存在群體行為，因此，行為科學研究的對象也包含除人以外的昆蟲的組織結構、哺乳動物的生活規律等。軍事科學是從集團之間沖突的角度來研究客觀實際。沖突、競爭、戰爭這些現象也不僅僅是人類社會現象，動物和植物的生存競爭也可以作為軍事科學研究的內容。交通運輸與教育平臺1.3.1系統科學體系1986年，錢學森首先提出來的是數學、自然科學、社會科學、系統科學、人體科學、思維科學六大部類，以后逐漸增加不斷完善、豐富，到1990年先后增加了行為科學、文學藝術、軍事科學，形成九大學科部類。上述學科部類基本上將所有知識都進行了劃分，不過由于科學技術的復雜性及多樣性，經常可以看到某一門學科很難歸屬到哪一類，更多的是一些與多門學科關聯的綜合、交叉學科。同時，由于人們認識的局限性，一些學科部類的劃分存在錯誤，如人體科學中對特異功能、中醫理論等非科學的研究。因此，科學技術體系結構仍在不斷地發展、演化。交通運輸與教育平臺1.3.2系統科學的性質系統科學是研究一般系統運動產生的系統性質及相關問題的科學。它之所以能形成一門獨立的科學，乃是來源于它與傳統科學在研究對象、理論觀點和研究方法諸方面的差異。研究對象。各門自然科學以各種各樣的個體以及由它們所表現出來的各種個體類性質和由它們所產生的各種現象為研究對象，而系統科學則以各種各樣的系統以及由它們所表現出來的各種系統類性質和由它們所產生的整體行為為研究對象。人們可以避開具體研究對象，將系統思維框架由一門學科轉移到另一門學科，由一種情況轉移到另外一種情況，將研究成果應用于多個領域。交通運輸與教育平臺1.3.2系統科學的性質（2）理論觀點。系統科學的理論基礎是系統論。如前所述，系統論認為：只有一部分系統可以利用還原論完全分解，如機械系統，相當多的系統只是近似可分解的或不可分解的，即系統諸組成部分之間的相互作用是不可忽略的。因而，系統研究的重點是各種各樣的關系，而不是系統的各個組成部分，并且，作為系統的一個整體屬性——涌現性，是不可能由它們的任何組成部分單獨提供的，而是諸系統部分相互作用的產物。（3）研究方法。系統科學的研究方法是一種基于系統論的綜合方法，認為系統不能在它自己的邊界范圍內用自身語言給以恰當而充分的描述，唯一可能的方法是將它置于一個范圍更大的系統體系中。因此，這種方法的特點是它使用由部分到整體、再由整體到系統的思維路線和處理過程。交通運輸與教育平臺1.3.3系統科學體系的逐步完善系統科學是伴隨著系統學的完善和系統工程理論與實踐應用而發展起來的。系統科學的一條發展線是從其基礎科學領域開始的。20世紀40年代，理論生物學家貝塔朗菲的一般系統論的創立，以數學、物理、化學、生物等學科領域為背景的耗散結構理論、超循環論、突變理論、協同學、混沌學，數理科學中的非線性分析、復雜適應系統、模糊系統理論以及我國錢學森等人提出的開放的復雜巨系統等，這一系列與系統研究有關的分支學科的陸續誕生，豐富和發展了系統科學的基礎科學——系統學。交通運輸與教育平臺1.3.3系統科學體系的逐步完善系統工程的理論與實踐發展，大大豐富了系統科學的內容。近代系統工程的形成，可追溯到20世紀二三十年代泰勒的科學管理理論。20世紀四五十年代，隨著軍事、通信和生產實踐發展的需要，運籌學、控制論、信息論以及電子計算機理論與技術等一組技術科學群的形成，為系統工程的形成奠定了基礎。20世紀50年代前后，為解決規模龐大的工程和科研項目管理問題，系統工程成功地運用于軍事、空間技術等領域。20世紀七八十年代，系統工程得到迅速發展，不斷擴大其應用領域，從組織管理領域、技術工程領域向社會、經濟、生態等領域擴展滲透。系統的發展從硬系統到軟系統，從微觀分析到宏觀戰略，從簡單系統到巨系統，直至開放的復雜巨系統。系統的概念、思想和方法及其普遍規律把不同領域的學科成就聯系和統一起來，并成功地應用于工程與管理等實踐過程，使得系統科學產生并蓬勃發展，系統科學的體系結構也逐步完善起來。THANKYOU交通運輸系統工程

第1章系統概述1.1

系統的概念、特性及分類1.2

系統思想的形成與發展1.3

系統科學的學科體系第2章系統工程理論2.1

系統工程的概念、研究內容及特點2.2

系統工程發展概況2.3

系統工程方法論2.4

系統工程的理論基礎第3章交通運輸系統3.1

交通運輸的概念及分類3.2

交通運輸系統的組成與特點3.3

交通運輸系統工程的研究內容3.4

我國交通運輸的現狀及發展前景第4章運輸系統分析4.1系統分析的基礎理論4.2系統的特性分析4.3系統結構模型化技術第5章系統模型與仿真5.1系統建模及仿真概述5.2系統動力學的建模5.3系統動力學仿真計算5.4延遲第6章運輸系統預測6.1系統預測基本概念6.2定性預測方法6.3定量預測方法交通運輸與教育平臺第7章運輸系統網絡優化7.1運輸網絡的最短路和最大流7.2網絡圖的組成及繪制7.3網絡圖時間參數7.4網絡圖優化分析第8章運輸系統綜合評價8.1運輸系統綜合評價概述8.2運輸系統的經濟評價8.3常用的系統綜合評價方法第9章運輸系統決策9.1運輸系統決策分析概述9.2不確定型運輸系統決策分析9.3風險型運輸系統決策分析9.4信息的價值9.5效用理論及其應用第10章神經網絡與遺傳算法10.1神經網絡概述10.2遺傳算法第11章運輸系統工程應用案例11.1地鐵換乘樞紐的擁擠評價11.2道路交通檢測數據的聯合卡爾曼濾波11.3城市軌道交通定價模型交通運輸與教育平臺交通運輸與教育平臺

第2章系統工程理論

2.1系統工程的概念、研究內容及特點2.2系統工程的發展概述2.3系統工程方法論2.4系統工程的理論基礎交通運輸與教育平臺2.1.1系統工程的概念用定性與定量相結合的系統思想和方法處理大規模復雜系統問題，無論是系統的設計或建造，還是系統的組織、經營管理，都可以統一地看作是工程實踐，統稱為系統工程（SyetemsEngineering,SE）。系統工程是以系統為研究對象的工程技術，它涉及“系統”與“工程”兩個概念。如前所述，系統是由兩個或兩個以上相互關聯的要素構成的、具有特定功能的整體。傳統意義上的“工程”概念，是指把科學技術的原理應用于實踐而設計與制造出有形產品的過程，系統工程學中的“工程”概念，是指不僅包含“硬件系統”的設計與制造，而且還包含與設計和制造“硬件系統”緊密相關的“軟件系統”，諸如預測、規劃、評價、決策等社會經濟活動過程，即無論是系統的設計或建造，還是系統的組織、經營管理，都被看作是一類工程實踐，這就擴充了傳統的“工程”的含義。這兩個側面有機地結合在一起，即為系統工程。2.1系統工程的概念、研究內容及特點交通運輸與教育平臺2.1.1系統工程的概念系統工程是多學科的高度綜合，它的思想和方法來自各個行業與領域，又綜合吸收了相鄰學科的理論與工具，由于側重點的不同，國內外研究者對系統工程的理解不盡相同，這里列舉一些專家和相關機構的看法。錢學森在《論系統工程》中提出:“系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的方法。”簡言之，“系統工程是一門組織管理的技術。”美國學者H.Chestnut在《系統工程方法》中提出:“系統工程是為了研究由多數子系統構成的整體系統所具有的多種不同目標的相互協調，使系統的功能達到最優化，最大限度地發揮系統組成部分的能力而發展起來的一門科學。“交通運輸與教育平臺2.1.1系統工程的概念日本三浦武雄等在《現代系統工程學概論》中提出:“系統工程與其他工程學不同之處在于它是跨越許多學科的科學，而且是填補這些學科邊界空白的一種邊緣科學，因為系統工程的目的是研究系統，而系統不僅涉及工程學的領域，還涉及社會、經濟和政治等領域。為了適應解決這些領域交叉的問題，除了需要某些縱向的專門技術外，還要有一種技術從橫向把它們組織起來，這種橫向技術就是系統工程，也就是研制系統的思想、技術、方法和理論等體系化的總稱。”綜上所述，系統工程是一門縱覽全局、著眼整體、綜合運用各門學科的思想與方法，從不同方法和視角來處理系統各部分的協調與配合，借助于數學方法與計算機工具，來規劃、設計、建造及運行整個系統，使系統達到綜合最優的學科。交通運輸與教育平臺2.1.2系統工程的研究內容(1)系統思想或系統觀點。系統思想或系統觀點是將研究對象作為系統來考慮，找出相關要素及外部環境，設定系統的總體目標，進行系統分析后，改變系統的輸入變量，以求獲得系統的最優輸出。系統思想的核心是建立系統的整體最優及平衡協調。(2)系統工程的程序體系。系統工程的程序體系，即在解決一個具體問題時，要求把系統建立或改善的過程分成幾個步驟，每個步驟又按一定的程序展開。系統程序包括兩個方面的程序，一是解決系統問題的工作步驟，即從系統設想到具體實現的全部過程包括系統規劃、設計、建造、試驗、運行和更新等；二是解決實際問題的思考過程，即由問題出發，建立概念系統、系統分析、系統的建模與仿真、系統評價及決策的邏輯過程。從系統工程的思維過程到實際工作程序，二者相互滲透，完成從系統構想到最終問題解決的全過程。交通運輸與教育平臺2.1.2系統工程的研究內容(3）系統工程的方法。分析系統現象或解決系統問題時，建立了系統的指導思想，并明確了系統工作步驟，但在具體的系統分析及問題解決時，還需要利用系統工程的方法，即一些結構模型、數學模型或模擬模型等，例如系統的規劃方法、系統的評價及決策方法、系統的網絡優化、基于計算機的系統動力學及其他系統仿真模型等。這樣，通過對上述系統工程三個方面的處理，就能較好地分析及解決各種復雜系統的問題。從這個意義上說，系統工程是用來開發、運行、更新一個大規模復雜系統所需的思想、程序及方法的總和。交通運輸與教育平臺2.1.3系統工程的特點(1）問題導向及反饋控制。系統工程總是由問題出發，經過一系列分析過程后提出解決方案并實施運行，而問題解決與否是選擇方案是否有效的唯一依據，通過不斷調整實施方案的參數，甚至更換新的備選方案，直到問題徹底解決為止。因此，問題導向及反饋控制是系統工程有效性的保障。（２)研究對象的不明確性。一般工程學的對象，其目的、制約條件、建模仿真和評價決策的方法等都是比較清楚的，這一類問題是結構良好的系統。與此相反，系統工程學的研究對象往往是結構不良的系統。因此，必須首先從設定問題開始進行系統分析，從而尋求解決方法，即便如此，符合條件的可行解通常也不唯一，很難求出最優解，只能從可行解中求出滿意解。交通運輸與教育平臺2.1.3系統工程的特點(３)系統整體最優為目標。系統作為一個整體，其外部表現才是系統區分于其他系統的主要標志，而系統之所以稱為系統，也正是由于具備了整體的涌現性，所以，系統分析時，將系統的整體放在第一層次。而系統的要素放在第二層次，即系統的觀點是系統工程的前提。因此，系統中各個要素的最優往往不能導致系統的最優，更重要的是，系統各要素協調配合、有效聯系，充分發揮系統各要素的作用，使得系統總體達到最優。系統整體最優及系統要素的平衡協調是相互一致的，即綜合最優化。(４)多種方法的綜合運用。隨著科學技術的發展，技術手段不斷更新，系統方法也更加多樣。多種方法的綜合運用是解決問題的有效手段，要將系統工程的方法和具體工程技術結合起來，運用各學科的最新成果，采用定性分析與定量計算相結合的方法，研究系統的整體與部分、系統與環境之間的關系與協調，提出最優方案，在實踐中，力爭實現系統整體最優的效果。交通運輸與教育平臺

第2章系統工程理論

2.1系統工程的概念、研究內容及特點2.2系統工程的發展概述2.3系統工程方法論2.4系統工程的理論基礎交通運輸與教育平臺2.2.1系統工程的發展歷史隨著科學技術的發展與日益進步，現代數學理論得到進一步發展完善，使系統思想方法也獲得了數學的表達形式，從而為解決現代社會種種復雜的系統問題提供了定量的依據；同時，計算機技術的出現及日益更新，為定量化系統思想方法的實際應用提供了強有力的計算模擬手段。自20世紀40年代以來，定量化方法及計算機廣泛應用于軍事、工程、經濟、政治領域的大型復雜的系統問題，系統工程學科便日益完善起來。在系統工程的創立及發展過程中，一些重大的工程實踐及重要的理論方法，構成了系統工程發展的主線，系統工程理論及實踐的發展歷史見表2-1。2.2系統工程的發展概論交通運輸與教育平臺2.2.1系統工程的發展歷史交通運輸與教育平臺2.2.1系統工程的發展歷史交通運輸與教育平臺2.2.2系統工程在我國的發展及應用我國的系統工程研究可追溯到20世紀50年代。1956年，在錢學森、許國志等人的倡導下，中國科學院力學研究所成立了運籌學研究組，后來成立研究室，1960年這個研究室與數學研究所運籌學研究室合并成數學研究所運籌學研究室。20世紀60年代初期，華羅庚推廣“優選法”和“統籌法”，在工農業實踐中取得了顯著成就。與此同時，在錢學森領導下，在研制導彈等現代化武器的組織過程中，采用“總體設計部”取得了顯著效果。

20世紀50-60年代，我國在系統工程理論研究上的主要著作是錢學森的《工程控制論》、華羅庚的《統籌法》和許國志的《運籌學》。我國大規模地研究與應用系統工程是從20世紀70年代末、80年代開始的。1978年9月27日，錢學森、許國志、王壽云在《文匯報》上發表了《組織管理的技術——系統工程》，對系統工程的概念、內容及其基礎理論和應用前景作了全面的闡述，標志著我國系統工程學科的建立。交通運輸與教育平臺2.2.2系統工程在我國的發展及應用我國大規模地研究與應用系統工程是從20世紀70年代末、80開始的。從1978年起，西安交通大學、天津大學、清華大學、華中工學院、大連工學院等國內大學開始招收第一批系統工程專業碩士研究生。1980年2月，中國科學院系統科學研究所建立。1980年11月，中國系統工程學會(SystemsEngineeringSocietyofChina,SESC)在北京成立，并創辦了《系統工程理論與實踐》期刊。在我國開始應用系統工程理論和方法來研究與解決重大現實問題，特別在人口、農業、能源和社會經濟等方面取得了可喜的成，如人口問題的定量研究及應用(始于1978年)、2000年中國的研究(1983—1985年)、全國和地區能源規劃(始于1980年)、全國人才和教育規劃(始于1983年)、全國投入產出表的編制及應用(始于1973年)等。交通運輸與教育平臺2.2.2系統工程在我國的發展及應用20世紀90年代到21世紀初，出現了幾門新的系統工程:計算機集成制造系統、網絡系統工程、服務系統工程(供應鏈)、金融系統工程、大型基礎工程(長江三峽水利樞紐工程、青藏鐵路等)、大型社會項目(亞運會、奧運會和世博會等)、生物系統工程、醫學系統工程、智能交通系統等。以信息技術為代表的高新技術的快速發展，使得系統間的聯系和交互變得愈發頻繁和緊密。20世紀90年代末，系統工程規模變得更大更復雜，以復雜自適應系統為理論指導的成體系體系(SystemofSystems，SOS)出現，體系及體系工程逐漸成為系統工程、管理科學等諸多領域新的研究領域。如軍事體系、企業體系、計算機體系、全球地面觀測體系、社會體系等，軍事科研部門早已關注到現代戰爭已不是單兵種作戰，而是體系對體系的戰爭，戰爭的失敗往往由于整個指揮體系失效，而非有生力量的殲滅。交通運輸與教育平臺2.2.3系統工程應用范圍及發展趨勢系統工程以復雜的大系統為研究對象，廣泛地應用在社會、經濟、自然等領域，按照所研究對象的不同，可以分解為社會系統工程、經濟系統工程、人口系統工程、科技與教育系統工程、區域規劃系統工程、環境與生態系統工程、能源系統工程、交通運輸系統工程、農業系統工程、企業系統工程、工程系統工程、軍事系統工程等。系統工程各分支學科可歸結在自然、產業經濟、社會三個領域，系統工程的應用范圍見表2-2。交通運輸與教育平臺2.2.3系統工程應用范圍及發展趨勢交通運輸與教育平臺2.2.3系統工程應用范圍及發展趨勢交通運輸與教育平臺2.2.3系統工程應用范圍及發展趨勢系統工程有以下的發展趨勢：（1）研究的對象系統越來越大，并將繼續朝著“大規模復雜系統”的方向發展；（2）將系統工程的基礎科學——系統學的最新成果應用于工程實踐，如混沌理論、自組織理論在氣象、生態、經濟等領域中的應用；（3）計算機在系統工程中的應用越來越廣泛、重要，如常用軟件包、決策支持系統及政策模擬實驗室等的研發等。交通運輸與教育平臺

第2章系統工程理論

2.1系統工程的概念、研究內容及特點2.2系統工程的發展概述2.3系統工程方法論2.4系統工程的理論基礎交通運輸與教育平臺2.3.1.1系統工程方法論的概念

方法和方法論是兩個不同層次的概念。方法指處理問題的具體手段或技術。例如我們解決一個問題時，提出許多備選方案，需要建立一個模型來評價這些備選方案的優劣，建立模型，是采用層次分析法還是模糊綜合判定法或成本效益分析等，這就是方法。而方法論是分析和解決系統開發、運作及管理實踐中的問題所應遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法，是運用方法的原則和思想。2.3.1系統工程方法論的概念、特點和類型2.3系統工程方法論交通運輸與教育平臺2.3.1系統工程方法論的概念、特點和類型2.3.1.2系統工程方法論的特點

(１)整體性。整體性是系統工程方法論的基本出發。(２)系統識別的重要性。由于事物相互聯系的錯綜復雜性，使得任何一個個體都可能隸屬于不同的系統。因此，在許多情況下，要處理的系統對象并不是非常清楚明了的。(３)人-機結合的方式。系統工程方法論以人利用計算機作為處理系統問題的基本方式。交通運輸與教育平臺2.3.1系統工程方法論的概念、特點和類型2.3.1.3系統工程方法論的類型

(１)硬系統方法論(HardSystemsMethodolgy,HSM)。

硬系統方法論是以具有清楚結構的問題及其相關系統為處理對象的。(２)軟系統方法論(SoftSystemsMethodolgy,SSM)。與硬系統方法論相對照，軟系統方法論以結構不清楚的問題本身及其相關系統為處理對象，研究對象的結構不良是人類活動世界的一般狀態。(３)其他的系統方法論。西那雅卡那系統方法論最早在1988年由椹木義一等提出，近年來又得到新的發展；20世紀80年代初，錢學森就提出將還原論方法和整體論方法結合起來；物理-事理-人理(WSR)方法論是由顧基發與朱志昌在20世紀90年代中提出的。交通運輸與教育平臺2.3.2硬系統方法論——霍爾的三維結構

霍爾三維結構集中體現了系統工程的系統化、綜合化、最優化、程序化和標準化等特點是系統工程方法論的重要基礎內容，如圖2-1所示。

（1）時間維。（2）邏輯維。（3）知識維。交通運輸與教育平臺2.3.2硬系統方法論——霍爾的三維結構霍爾三維結構的管理矩陣見表2-3。交通運輸與教育平臺2.3.2硬系統方法論——霍爾的三維結構霍爾的系統工程方法論強調明確目標，核心內容是最優化，即對于結構優良的系統問題，明確其目標，通過模型運算，找到解決問題的最優方案，并使系統運行達到最佳。該方法論具有研究方法上的整體性(三維)、技術應用上的綜合性(知識維)、組織管理上的科學性(時間維、邏輯維)及系統工程工作的問題導向性(邏輯維)。交通運輸與教育平臺2.3.3軟系統方法論——切克蘭德的“調查學習”法從20世紀70年代中期，許多學者提出了各種軟系統方法論，系統工程也越來越多地研究社會經濟的發展戰略和組織管理問題。其中，以1981年英國蘭切斯特大學的切克蘭德(Checkland)提出的“調查學習”的軟系統方法論最有代表性。軟系統方法論用可行滿意解代替最優解，用概念模型代替數學模型，從而使研究思路更為開闊。對社會經濟等問題的分析與研究，通過認識與概念化、比較與學習、實施與再認識，從而較滿意地解決系統問題。交通運輸與教育平臺2.3.3軟系統方法論——切克蘭德的“調查學習”法

切克蘭德提出的“調查學習”的方法論如圖2-2所示。

切克蘭德方法論的核心是“比較”和“探尋”，它強調從“理想”模式(概念模型)與現實狀況的比較中，探尋改善現狀的途徑，使決策者滿意。交通運輸與教育平臺2.3.4硬系統方法論與軟系統方法論的比較兩種方法論的比較見表2-4。交通運輸與教育平臺2.3.5從定性到定量的綜合集成法和集成研討廳體系2.3.5.1從定性到定量的綜合集成法

（1）

從定性到定量的綜合集成法的步驟。

從定性到定量的綜合集成法工作程序如圖2-3所示。交通運輸與教育平臺2.3.5從定性到定量的綜合集成法和集成研討廳體系2.3.5.1從定性到定量的綜合集成法

（1）

從定性到定量的綜合集成法的步驟。

從定性到定量的綜合集成法一般步驟入如下：①充分聽取各方面專家的意見與建議；②在充分聽取專家意見的基礎上，把這些思想綜合起來，建立模型；③將實際數據分析、整理后，確定相關的參數，輸入模型，進行運算；④請專家們對運算結果與結論進行評審，充分聽取專家意見，并在此基礎上進行修改；⑤根據專家經驗和結論，進一步修改模型，并仿真運算；⑥再次請專家們對運算結果進行研究，通過與實際情況的對比分析修正模型，這樣反復多次，直到專家們認為模型及其結論合理可靠，最后確定模型，給出結論。交通運輸與教育平臺2.3.5從定性到定量的綜合集成法和集成研討廳體系2.3.5.1從定性到定量的綜合集成法

（2）從定性到定量的綜合集成法的集成階段。

從定性到定量的綜合集成法包括以下三個階段的集成過程：①定性綜合集成；②定性定量相結合綜合集成；③從定性到定量綜合集成。交通運輸與教育平臺2.3.5從定性到定量的綜合集成法和集成研討廳體系綜合集成研討廳體系是處理開放的復雜巨系統的方法論，相對于從定性到定量的綜合集成法，其又有了新的構思，即把專家們和知識庫、信息系統、各種人工智能系統、計算機等像作戰指揮廳那樣組織起來，形成一個巨型的人-機結合的智能系統，共同作用于復雜問題的求解。從對綜合集成研討廳體系的構思，我們可以看出與歷史上其他方法論不同的是。綜合集成研討廳體系不是一系列公式的匯總，也不是以某幾條公理為基礎搭建起來的抽象框架，它的實質是指導人們在處理復雜問題時，把專家的智慧、計算機的高性能和各種數據、信息有機地結合起來，構成一個統一的、強大的問題求解系統，從軟(硬)件體系上和組織結構上實現該系統，使之能真正應用于復雜問題的研究。綜合集成研討廳體系是從整體上研究和解決問題的方法，采取人-機結合、以人為主的思維方法和研究方式，對不同層次、不同領域的信息和知識進行綜合集成，達到對整體的定量認識。2.3.5.2綜合集成研討廳體系

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第2章系統工程理論

2.1系統工程的概念、研究內容及特點2.2系統工程的發展概述2.3系統工程方法論2.4系統工程的理論基礎交通運輸與教育平臺2.4.1一般系統論2.4.1.1一般系統論的產生15世紀下半葉以后，各門分支學科相繼從哲學統一體中分離出來，自然科學也應運而生。在自然科學發展初期，主要的研究方法是分析解剖法，特別是在牛頓三大定律奠定經典力學基礎以后，機械論、還原論占據了主導地位，即把研究對象進行一層一層地分解，直到基本單元分解隔離為不同因果鏈，研究其基本單元要素，認為基本單元弄清了，因果量之間的關系也弄清了，研究對象也清楚了。這樣的思想在古典自然科學中曾取得了很大成功，從而對其他科學研究產生了巨大影響，如力學的分析隔離法、化學的元素周期表及其規律、原子結構研究等。生物學中，通過對生物層次的分解，由生物到系統、器官、組織、細胞的研究，最終導致分子生物學的產生，破譯了遺傳密碼，取得了顯赫的成就。隨著現代科學技術的發展，系統思想方法得到了進一步發展。2.4系統工程的理論基礎交通運輸與教育平臺2.4.1一般系統論2.4.1.1一般系統論的產生19世紀末20世紀初，生物學史上機械論與活力論的斗爭達到了激化的程度。一方面，由于物理學和化學的飛躍發展，使得人們有能力指出生物現象是建立在物理、化學過程的基礎之上；另一方面，也由于機械論還不能正確地說明生命體的統一性和復雜性，使活力論仍有自己堅守的一塊陣地。在這種情況下，奧地利籍的美國理論生物學家貝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy

)的系統思想開始形成，并提出用數學模型來研究生物學的方法和機體系統論的概念。交通運輸與教育平臺2.4.1一般系統論2.4.1.1一般系統論的產生貝塔朗菲從對生物學的研究和觀察出發，開始意識到用系統觀點和方法研究生物學的重要性。他提出要從生物的整體，把生物整體及其環境作為一個大系統來研究，并因此創立了“一般系統論”的學科。一般系統論是關于一般系統的理論。一般系統是指剝離了具體組成和具體關系的抽象系統。這種系統具有所有可被稱做系統的實體或過程集合所共有的現象、性質和運動規律。1945年，貝塔朗菲《關于一般系統論》論文的發表，成為一般系統論形成的標志。交通運輸與教育平臺2.4.1一般系統論2.4.1.2一般系統論的基本原理（1）整體性原理：亞里斯多德的著名論斷“整體大于各孤立部分之和”即系統的整體性，或者換句話說，系統具有其組成部分所沒有的功能。（2）動態相關性原理：系統狀態隨時間改變，就是系統的動態性。（3）開放性原理：一切有機體之所以有組織地處于活動狀態并保持生命運動，是由于系統與環境處于相互作用之中。（4）層次性原理：結構包含著層次，復雜的系統通常是多層次的結構，層次性是結構的基本特點。（5）有序性原理：系統的關聯性在空間上所表現出來的層次結構，以及其動態性在時間上所表現出來的演化方向，使得系統具有在空間、時間和功能上有序的性質。越有序的系統，其組織化的程度越高。交通運輸與教育平臺2.4.1一般系統論2.4.1.3一般系統論給我們的啟示第一，考察任何對象系統都要以整體性作為基本出發點。第二，對整體的組成要素進行分析應注重兩個方面。第三，考察任何對象還要注意系統和環境的關系，即考慮系統的環境適應性。第四，系統分析時，不僅要注意研究系統在空間上的縱橫交錯的聯系，還要注意研究系統在時間上發展變化的趨勢和規律。一般系統論屬于邏輯和數學的領域，它的任務是確立適用于各種系統的一般原則。一般系統論溝通了自然科學與社會科學、技術科學與人文科學之間的聯系，提出了研究各門學科的新方法，使許多學科面貌煥然一新。一般系統論為系統科學的發展奠定了理論基礎。交通運輸與教育平臺2.4.2運籌學運籌學是使用科學的方法去研究人類對各種資源的運用、籌劃活動的基本規律，以便發揮有限資源的最大效益，來達到總體全局優化的目標。運籌學是一門相對獨立的應用學科，與其他學科(如基礎數學、物理、生命科學等)的區別在于其有本身特定的研究對象、自成系統的基礎理論以及相對獨立的研究方法和工具。運籌學本身也在不斷發展，現在已包括多個分支，如數學規劃(又包含線性規劃、非線性規劃、整數規劃、組合規劃等)、圖論、決策分析、排隊論、可靠性理論、庫存論、對策論、搜索論等。面對越來越強大的復雜性，一個重要的發展方向是“軟化”。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論控制論是第二次世界大戰后出現的一門新興的橫斷科學，是數學、生物學、數理邏輯、通信工程、自動控制等眾多學科和技術相互滲透的產物。自其形成以來，控制論得到了迅速的發展，并成功地應用于工程系統、生物系統、社會經濟系統等領域。控制論研究各類系統控制和調節的一般規律，信息與控制是其核心概念。2.4.3.1控制論的發展20世紀40年代以來，許多科學家意識到，在客觀世界存在著的物質、能量、信息三大要素，雖然在物質構造和能量轉換方面，生命體和機器有顯著的不同，但是，在信息傳遞、變換、處理方面存在著許多共同規律，例如反饋控制原理。1948年，美國科學家維納(N.Eiener)所著的《控制論——關于在動物和機器中控制與通信的科學》一書的出版，標志著控制論的正式誕生，它研究工程技術、社會經濟、生物生態及各種控制系統的共性與方法。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論維納給出的控制論的定義如下：設有兩個狀態變量，其中只有一個是能進行調節的，這時我們面臨的問題是如何根據那個不可控制變量從過去到現在的信息來確定可調節變量的最優值，以實現對于我們最為合適、最有利的狀態。控制論的發展大致經歷了三個時期,即20世紀40年代末期到50年代末期的經典控制理論時期,60年代初期到70年代初期的現代控制理論時期及70年代中期到現在的大系統控制理論和智能控制理論時期。(１)經典控制理論從20世紀40年代末到50年代末期，人們在工業生產、武器裝備方面，開始采用各種各樣的自動調節器、伺服系統及有關的電子設備，著重研究的是單機自動化或局部自動化。經典控制理論以反饋為核心，所研究的控制系統都比較簡單，且多屬于工程方面，單輸入單輸出的線性系統是其主要研究對象。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論(２)現代控制理論。到了20世紀60年代初期，隨著導彈、人造衛星、高能物理、電子計算機等科學技術的迅猛發展，控制論從單變量控制發展到多變量控制；從單純的自動調節進展到最優控制，經典控制理論發展成為現代控制理論。現代控制理論對自動化的要求不只是保持個別變量，如溫度、轉速、電壓等因素的恒定，而是要實現多種變化因素的最優控制。(３)大系統控制理論和智能控制理論。20世紀70年代以來，控制理論有兩個發展方向，向廣度發展實現大系統和復雜系統的控制，向深度發展實現智能控制。大系統是指規模龐大、結構復雜的系統。大系統變量、參數很多，其目標常常不是單一的，而是多樣的，為了實現多目標，通常需要具有綜合性功能。所以，大系統是多變量、多輸入、多輸出的系統。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內容（1）控制系統的構成。控制論的產生，為現代科學技術研究提供了嶄新的方法——控制方法，即以系統的功能行為為目標，通過一定的手段實現控制，達到系統目標最優化的方法。

存在反饋控制的閉環系統如圖2-4所示。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內容（2）系統的穩定性。交通運輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內容（3）控制及反饋。控制系統是相對于其環境而獨立存在的，因此，控制系統與其周圍環境之間有相互影響和信息交換。一個控制系統的外部環境，也可能是另一個控制系統，兩者相對獨立，互為對方的環境。反饋是閉環系統的核心機制。通過反饋控制，控制者能了解被控制對象的運行狀態、變化特性；了解施加控制作用的效果；分析控制過程的品質；判斷控制目的是否達到，從而進一步修改或校正控制作用，以提高控制效果，達到預期控制目標。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.1信息的概念和特點在信息理論中，信息和消息是緊密相關的兩個不同的概念。一般認為，消息是信息的載體，如語言、文字、各種符號、聲音、圖片等，而信息蘊含在消息之中，信息是消息的內核。同一個消息，可能信息量很大，也可能很小，甚至為零，取決于不同的人對其不一樣的解讀。信息是有別于物質和能量的一種存在。信息一般具有下列特征。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論交通運輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.2信息論研究的三個層次（1）狹義信息論。狹義信息論也稱經典信息論，主要研究信息的測度、信道容量以及信源和信道編碼理論等問題，這部分內容是信息論的理論基礎。（2）一般信息論。一般信息論主要研究信息的傳輸和處理問題，除了香農理論以外，還包括噪聲理論、信號濾波和預測、統計檢測和估計、調制理論、信息處理以及加密技術。（3）廣義信息論。廣義信息論不僅包含上述兩方面的內容，還包括所有與信息有關的自然和社會領域，如模式識別、計算機翻譯、心理學、遺傳學、神經生理學、語言學等，甚至包括社會學中有關信息的問題。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.3通信模型通信系統模型是信息理論的基本模型，信息論研究的目的之一就是要找到信息傳輸過程的共同規律，以提高信息傳輸的可靠性、有效性、保密性和認證性，達到信息傳輸系統最優化。我們把各種通信系統中具有共同特點的部分抽象出來，可以概括成—個統一的理論模型，如圖2-5所示。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.4信息量與信息熵信息量是用來度量信息大小的量，概率小的事件發生時所提供的信息量大，反之，概率大的事件發生時所提供的信息量小。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.4信息量與信息熵為了更好地表征信源的總體特征，取其平均值，即計算出信源發出的每一個符號所包含的平均信息量，這個平均值就是信源平均信息量，即信息熵。在物理學中，熵是描述系統的不規則性或不確定性的一個物理量，表征系統總體狀態的不確定程度。因此，信息熵借用統計物理中的熵概念來表征信源總體的不確定程度。信源總體的不確定程度越高，信息熵越大；反之，信息熵越小，這可由下面的不同情況下的信息熵看出。交通運輸與教育平臺2.4.4信息論交通運輸與教育平臺2.4.5自組織理論、超循環論和混沌理論耗散結構理論、協同學、超循環論和混沌理論是20世紀70年代前后出現的關于系統形成及演變的理論，是系統理論的新發展，它們分別由不同科學家從不同學科、不同的研究領域提出來的，然而它們都在不同程度上吸收并發展了一般系統論、信息學和控制學的理論。普利高津的耗散結構理論首先從化學系統研究中取得了突破性進展。他從熱力學第二定律出發把穩定性、遠離平衡態、有序無序等概念結合起來，回答了開放系統“為什么”以及“如何”從無序走向有序的問題，成功地解釋了非線性系統的自組織現象。哈肯的協同學和托姆的突變論問世，這些理論克服了耗散結構理論的局限性。協同學從研究激光系統出發，闡述了物理系統為何在子系統的協同作用下，由無序走向有序的過程。而突變論則揭示了系統由一種狀態到另一種狀態的轉變是通過突變形成的，并在數學上給出了突變的類型，這樣就使得人們對無機界的自組織現象的復雜性問題有更深刻的理解，也有的學者將耗散結構理論、協同學、突變論合并稱為自組織理論。交通運輸與教育平臺2.4.5自組織理論、超循環論和混沌理論為了更好地表征信源的總體特征，取其平均值，即計算出信源發出的每一個符號所包含的平均信息量，這個平均值就是信源平均信息量，即信息熵。但是，對于無生命到生命的轉化過程，如何實現自組織，如何從無序到有序，從低級有序向高級有序的演變過程，對這些問題的回答則是艾根(ManfredEiegn)的超循環論，應用大系統理論，建立生命現象超循環結構模型，通過循環、超循環說明生命起源發生在化學階段和生物進化階段，有一個分子自組織階段，認為進化原理可以理解為分子水平上的自組織，從而為非生命向生命的轉化提供了理論模式。如果一個系統的演變過程對初態非常敏感，即稱為混沌。混沌現象是由系統內部的非線性因素引起的，它不是偶然的、個別的事件，而是普遍存在于宇宙間各種各樣的宏觀及微觀系統中，混沌學正是研究混沌現象的科學，它不是一門獨立存在的科學，與多門科學相互交叉、相互促進，目前諸如非線性科學、復雜性科學等，都是研究復雜性、非線性等系統特性的學問，已經成為系統科學研究的理論前沿。THANKYOU交通運輸系統工程第1章系統概述1.1

系統的概念、特性及分類1.2

系統思想的形成與發展1.3

系統科學的學科體系第2章系統工程理論2.1

系統工程的概念、研究內容及特點2.2

系統工程發展概況2.3

系統工程方法論2.4

系統工程的理論基礎第3章交通運輸系統3.1

交通運輸的概念及分類3.2

交通運輸系統的組成與特點3.3

交通運輸系統工程的研究內容3.4

我國交通運輸的現狀及發展前景第4章運輸系統分析4.1系統分析的基礎理論4.2系統的特性分析4.3系統結構模型化技術第5章系統模型與仿真5.1系統建模及仿真概述5.2系統動力學的建模5.3系統動力學仿真計算5.4延遲第6章運輸系統預測6.1系統預測基本概念6.2定性預測方法6.3定量預測方法交通運輸與教育平臺第7章運輸系統網絡優化7.1運輸網絡的最短路和最大流7.2網絡圖的組成及繪制7.3網絡圖時間參數7.4網絡圖優化分析第8章運輸系統綜合評價8.1運輸系統綜合評價概述8.2運輸系統的經濟評價8.3常用的系統綜合評價方法第9章運輸系統決策9.1運輸系統決策分析概述9.2不確定型運輸系統決策分析9.3風險型運輸系統決策分析9.4信息的價值9.5效用理論及其應用第10章神經網絡與遺傳算法10.1神經網絡概述10.2遺傳算法第11章運輸系統工程應用案例11.1地鐵換乘樞紐的擁擠評價11.2道路交通檢測數據的聯合卡爾曼濾波11.3城市軌道交通定價模型交通運輸與教育平臺交通運輸與教育平臺

第3章交通運輸系統

3.1交通運輸的概念及分類3.2交通運輸系統的組成與特點3.3運輸系統工程的研究內容3.4我國交通運輸的現狀及發展前景交通運輸與教育平臺3.1.1交通運輸的概念在日常生活和科學研究中，運輸這一詞語都用得十分廣泛。《辭海》對運輸的解釋是:“人和物的載運和輸送”。也就是說，運輸指借助公共運輸線及其設施和運輸工具來實現物資的位移與人員的流動，是一種經濟活動和社會活動。而從專業角度出發，交通一般是指“運輸工具在運輸網絡上的流動”。3.1交通運輸的概念及分類交通運輸與教育平臺3.1.1交通運輸的概念從對交通與運輸兩個概念的表述中可以看出，交通強調的是運輸工具(交通工具)在運輸網絡(交通網絡)上的流動情況，而與交通工具上所載運人員、與物資的多少沒有關系。運輸強調的是運輸工具上載運人員與物資的多少及位移的距離，而并不特別關心使用何種交通工具和運輸方式。從對交通與運輸兩個概念的表述中可以看出，交通強調的是運輸工具(交通工具)在運輸網絡(交通網絡)上的流動情況，而與交通工具上所載運人員、與物資的多少沒有關系。運輸強調的是運輸工具上載運人員與物資的多少及位移的距離，而并不特別關心使用何種交通工具和運輸方式。交通量與運輸量這兩項指標的概念最能說明這一點。交通運輸與教育平臺3.1.1交通運輸的概念例如，在道路運輸中，交通量是指單位時間內(例如１天或１小時)通過某路段的車輛數，它與運輸對象無關，若說某路段的晝夜交通量是5000輛車，這5000輛車都是空車或都是重車或二者兼有，都不會使交通量有任何改變。在交通工程中常將這些車輛轉換為標準小汽車(單位為pcu)。運輸量則不同，它是指一定時期內運送人員或物資的數量。空車行駛不產生運輸量，即使都是重載，如果運輸對象在每一車輛上的數量不同，所產生的總運輸量也會出現不同的情況。運輸量分為客運量(以人次為單位)和貨運量(以噸為單位)。因此，可以說運輸以交通為前提，沒有交通就不存在運輸；沒有運輸的交通，也就失去了其存在的必要。交通僅僅是一種手段，而運輸才是最終目的。交通與運輸既相互區別，又密切相關，統一在一個整體之中，通常也稱作交通運輸，如交通運輸專業、交通運輸部門、交通運輸系統等。交通運輸與教育平臺3.1.2交通運輸方式的分類以機器應用為標志的近現代交通運輸業，大致經歷了以下四個發展階段:(１)以水路運輸為主的階段(18世紀—19世紀上半葉)(２)以鐵路運輸為主的階段(19世紀30年代—20世紀30年代)(３)公路運輸、航空運輸、管道運輸三種運輸方式崛起的階段(20世紀30年代—50年代)(４)五種運輸方式協調發展的綜合運輸體系階段(從20世紀50年代起至今)縱觀交通運輸的發