交通運輸系統工程 課件 第1章 系統概述

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