交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程 課件 第2章 系統(tǒng)工程理論

交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程

第1章系統(tǒng)概述1.1

系統(tǒng)的概念、特性及分類1.2

系統(tǒng)思想的形成與發(fā)展1.3

系統(tǒng)科學(xué)的學(xué)科體系第2章系統(tǒng)工程理論2.1

系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)2.2

系統(tǒng)工程發(fā)展概況2.3

系統(tǒng)工程方法論2.4

系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)第3章交通運(yùn)輸系統(tǒng)3.1

交通運(yùn)輸?shù)母拍罴胺诸?.2

交通運(yùn)輸系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)3.3

交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容3.4

我國交通運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀及發(fā)展前景第4章運(yùn)輸系統(tǒng)分析4.1系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)理論4.2系統(tǒng)的特性分析4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)第5章系統(tǒng)模型與仿真5.1系統(tǒng)建模及仿真概述5.2系統(tǒng)動力學(xué)的建模5.3系統(tǒng)動力學(xué)仿真計(jì)算5.4延遲第6章運(yùn)輸系統(tǒng)預(yù)測6.1系統(tǒng)預(yù)測基本概念6.2定性預(yù)測方法6.3定量預(yù)測方法交通運(yùn)輸與教育平臺第7章運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化7.1運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的最短路和最大流7.2網(wǎng)絡(luò)圖的組成及繪制7.3網(wǎng)絡(luò)圖時(shí)間參數(shù)7.4網(wǎng)絡(luò)圖優(yōu)化分析第8章運(yùn)輸系統(tǒng)綜合評價(jià)8.1運(yùn)輸系統(tǒng)綜合評價(jià)概述8.2運(yùn)輸系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)評價(jià)8.3常用的系統(tǒng)綜合評價(jià)方法第9章運(yùn)輸系統(tǒng)決策9.1運(yùn)輸系統(tǒng)決策分析概述9.2不確定型運(yùn)輸系統(tǒng)決策分析9.3風(fēng)險(xiǎn)型運(yùn)輸系統(tǒng)決策分析9.4信息的價(jià)值9.5效用理論及其應(yīng)用第10章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法10.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概述10.2遺傳算法第11章運(yùn)輸系統(tǒng)工程應(yīng)用案例11.1地鐵換乘樞紐的擁擠評價(jià)11.2道路交通檢測數(shù)據(jù)的聯(lián)合卡爾曼濾波11.3城市軌道交通定價(jià)模型交通運(yùn)輸與教育平臺交通運(yùn)輸與教育平臺

第2章系統(tǒng)工程理論

2.1系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)2.2系統(tǒng)工程的發(fā)展概述2.3系統(tǒng)工程方法論2.4系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.1系統(tǒng)工程的概念用定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)思想和方法處理大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)問題，無論是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或建造，還是系統(tǒng)的組織、經(jīng)營管理，都可以統(tǒng)一地看作是工程實(shí)踐，統(tǒng)稱為系統(tǒng)工程（SyetemsEngineering,SE）。系統(tǒng)工程是以系統(tǒng)為研究對象的工程技術(shù)，它涉及“系統(tǒng)”與“工程”兩個(gè)概念。如前所述，系統(tǒng)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上相互關(guān)聯(lián)的要素構(gòu)成的、具有特定功能的整體。傳統(tǒng)意義上的“工程”概念，是指把科學(xué)技術(shù)的原理應(yīng)用于實(shí)踐而設(shè)計(jì)與制造出有形產(chǎn)品的過程，系統(tǒng)工程學(xué)中的“工程”概念，是指不僅包含“硬件系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與制造，而且還包含與設(shè)計(jì)和制造“硬件系統(tǒng)”緊密相關(guān)的“軟件系統(tǒng)”，諸如預(yù)測、規(guī)劃、評價(jià)、決策等社會經(jīng)濟(jì)活動過程，即無論是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或建造，還是系統(tǒng)的組織、經(jīng)營管理，都被看作是一類工程實(shí)踐，這就擴(kuò)充了傳統(tǒng)的“工程”的含義。這兩個(gè)側(cè)面有機(jī)地結(jié)合在一起，即為系統(tǒng)工程。2.1系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.1系統(tǒng)工程的概念系統(tǒng)工程是多學(xué)科的高度綜合，它的思想和方法來自各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域，又綜合吸收了相鄰學(xué)科的理論與工具，由于側(cè)重點(diǎn)的不同，國內(nèi)外研究者對系統(tǒng)工程的理解不盡相同，這里列舉一些專家和相關(guān)機(jī)構(gòu)的看法。錢學(xué)森在《論系統(tǒng)工程》中提出:“系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的方法?！焙喲灾?，“系統(tǒng)工程是一門組織管理的技術(shù)?！泵绹鴮W(xué)者H.Chestnut在《系統(tǒng)工程方法》中提出:“系統(tǒng)工程是為了研究由多數(shù)子系統(tǒng)構(gòu)成的整體系統(tǒng)所具有的多種不同目標(biāo)的相互協(xié)調(diào)，使系統(tǒng)的功能達(dá)到最優(yōu)化，最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)組成部分的能力而發(fā)展起來的一門科學(xué)?！敖煌ㄟ\(yùn)輸與教育平臺2.1.1系統(tǒng)工程的概念日本三浦武雄等在《現(xiàn)代系統(tǒng)工程學(xué)概論》中提出:“系統(tǒng)工程與其他工程學(xué)不同之處在于它是跨越許多學(xué)科的科學(xué)，而且是填補(bǔ)這些學(xué)科邊界空白的一種邊緣科學(xué)，因?yàn)橄到y(tǒng)工程的目的是研究系統(tǒng)，而系統(tǒng)不僅涉及工程學(xué)的領(lǐng)域，還涉及社會、經(jīng)濟(jì)和政治等領(lǐng)域。為了適應(yīng)解決這些領(lǐng)域交叉的問題，除了需要某些縱向的專門技術(shù)外，還要有一種技術(shù)從橫向把它們組織起來，這種橫向技術(shù)就是系統(tǒng)工程，也就是研制系統(tǒng)的思想、技術(shù)、方法和理論等體系化的總稱?！本C上所述，系統(tǒng)工程是一門縱覽全局、著眼整體、綜合運(yùn)用各門學(xué)科的思想與方法，從不同方法和視角來處理系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)與配合，借助于數(shù)學(xué)方法與計(jì)算機(jī)工具，來規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到綜合最優(yōu)的學(xué)科。交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.2系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容(1)系統(tǒng)思想或系統(tǒng)觀點(diǎn)。系統(tǒng)思想或系統(tǒng)觀點(diǎn)是將研究對象作為系統(tǒng)來考慮，找出相關(guān)要素及外部環(huán)境，設(shè)定系統(tǒng)的總體目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)分析后，改變系統(tǒng)的輸入變量，以求獲得系統(tǒng)的最優(yōu)輸出。系統(tǒng)思想的核心是建立系統(tǒng)的整體最優(yōu)及平衡協(xié)調(diào)。(2)系統(tǒng)工程的程序體系。系統(tǒng)工程的程序體系，即在解決一個(gè)具體問題時(shí)，要求把系統(tǒng)建立或改善的過程分成幾個(gè)步驟，每個(gè)步驟又按一定的程序展開。系統(tǒng)程序包括兩個(gè)方面的程序，一是解決系統(tǒng)問題的工作步驟，即從系統(tǒng)設(shè)想到具體實(shí)現(xiàn)的全部過程包括系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)、運(yùn)行和更新等；二是解決實(shí)際問題的思考過程，即由問題出發(fā)，建立概念系統(tǒng)、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)的建模與仿真、系統(tǒng)評價(jià)及決策的邏輯過程。從系統(tǒng)工程的思維過程到實(shí)際工作程序，二者相互滲透，完成從系統(tǒng)構(gòu)想到最終問題解決的全過程。交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.2系統(tǒng)工程的研究內(nèi)容(3）系統(tǒng)工程的方法。分析系統(tǒng)現(xiàn)象或解決系統(tǒng)問題時(shí)，建立了系統(tǒng)的指導(dǎo)思想，并明確了系統(tǒng)工作步驟，但在具體的系統(tǒng)分析及問題解決時(shí)，還需要利用系統(tǒng)工程的方法，即一些結(jié)構(gòu)模型、數(shù)學(xué)模型或模擬模型等，例如系統(tǒng)的規(guī)劃方法、系統(tǒng)的評價(jià)及決策方法、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)動力學(xué)及其他系統(tǒng)仿真模型等。這樣，通過對上述系統(tǒng)工程三個(gè)方面的處理，就能較好地分析及解決各種復(fù)雜系統(tǒng)的問題。從這個(gè)意義上說，系統(tǒng)工程是用來開發(fā)、運(yùn)行、更新一個(gè)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)所需的思想、程序及方法的總和。交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.3系統(tǒng)工程的特點(diǎn)(1）問題導(dǎo)向及反饋控制。系統(tǒng)工程總是由問題出發(fā)，經(jīng)過一系列分析過程后提出解決方案并實(shí)施運(yùn)行，而問題解決與否是選擇方案是否有效的唯一依據(jù)，通過不斷調(diào)整實(shí)施方案的參數(shù)，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(dǎo)向及反饋控制是系統(tǒng)工程有效性的保障。（２)研究對象的不明確性。一般工程學(xué)的對象，其目的、制約條件、建模仿真和評價(jià)決策的方法等都是比較清楚的，這一類問題是結(jié)構(gòu)良好的系統(tǒng)。與此相反，系統(tǒng)工程學(xué)的研究對象往往是結(jié)構(gòu)不良的系統(tǒng)。因此，必須首先從設(shè)定問題開始進(jìn)行系統(tǒng)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(yōu)解，只能從可行解中求出滿意解。交通運(yùn)輸與教育平臺2.1.3系統(tǒng)工程的特點(diǎn)(３)系統(tǒng)整體最優(yōu)為目標(biāo)。系統(tǒng)作為一個(gè)整體，其外部表現(xiàn)才是系統(tǒng)區(qū)分于其他系統(tǒng)的主要標(biāo)志，而系統(tǒng)之所以稱為系統(tǒng)，也正是由于具備了整體的涌現(xiàn)性，所以，系統(tǒng)分析時(shí)，將系統(tǒng)的整體放在第一層次。而系統(tǒng)的要素放在第二層次，即系統(tǒng)的觀點(diǎn)是系統(tǒng)工程的前提。因此，系統(tǒng)中各個(gè)要素的最優(yōu)往往不能導(dǎo)致系統(tǒng)的最優(yōu)，更重要的是，系統(tǒng)各要素協(xié)調(diào)配合、有效聯(lián)系，充分發(fā)揮系統(tǒng)各要素的作用，使得系統(tǒng)總體達(dá)到最優(yōu)。系統(tǒng)整體最優(yōu)及系統(tǒng)要素的平衡協(xié)調(diào)是相互一致的，即綜合最優(yōu)化。(４)多種方法的綜合運(yùn)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)手段不斷更新，系統(tǒng)方法也更加多樣。多種方法的綜合運(yùn)用是解決問題的有效手段，要將系統(tǒng)工程的方法和具體工程技術(shù)結(jié)合起來，運(yùn)用各學(xué)科的最新成果，采用定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方法，研究系統(tǒng)的整體與部分、系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系與協(xié)調(diào)，提出最優(yōu)方案，在實(shí)踐中，力爭實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體最優(yōu)的效果。交通運(yùn)輸與教育平臺

第2章系統(tǒng)工程理論

2.1系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)2.2系統(tǒng)工程的發(fā)展概述2.3系統(tǒng)工程方法論2.4系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.1系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與日益進(jìn)步，現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論得到進(jìn)一步發(fā)展完善，使系統(tǒng)思想方法也獲得了數(shù)學(xué)的表達(dá)形式，從而為解決現(xiàn)代社會種種復(fù)雜的系統(tǒng)問題提供了定量的依據(jù)；同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)及日益更新，為定量化系統(tǒng)思想方法的實(shí)際應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的計(jì)算模擬手段。自20世紀(jì)40年代以來，定量化方法及計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于軍事、工程、經(jīng)濟(jì)、政治領(lǐng)域的大型復(fù)雜的系統(tǒng)問題，系統(tǒng)工程學(xué)科便日益完善起來。在系統(tǒng)工程的創(chuàng)立及發(fā)展過程中，一些重大的工程實(shí)踐及重要的理論方法，構(gòu)成了系統(tǒng)工程發(fā)展的主線，系統(tǒng)工程理論及實(shí)踐的發(fā)展歷史見表2-1。2.2系統(tǒng)工程的發(fā)展概論交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.1系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.1系統(tǒng)工程的發(fā)展歷史交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.2系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展及應(yīng)用我國的系統(tǒng)工程研究可追溯到20世紀(jì)50年代。1956年，在錢學(xué)森、許國志等人的倡導(dǎo)下，中國科學(xué)院力學(xué)研究所成立了運(yùn)籌學(xué)研究組，后來成立研究室，1960年這個(gè)研究室與數(shù)學(xué)研究所運(yùn)籌學(xué)研究室合并成數(shù)學(xué)研究所運(yùn)籌學(xué)研究室。20世紀(jì)60年代初期，華羅庚推廣“優(yōu)選法”和“統(tǒng)籌法”，在工農(nóng)業(yè)實(shí)踐中取得了顯著成就。與此同時(shí)，在錢學(xué)森領(lǐng)導(dǎo)下，在研制導(dǎo)彈等現(xiàn)代化武器的組織過程中，采用“總體設(shè)計(jì)部”取得了顯著效果。

20世紀(jì)50-60年代，我國在系統(tǒng)工程理論研究上的主要著作是錢學(xué)森的《工程控制論》、華羅庚的《統(tǒng)籌法》和許國志的《運(yùn)籌學(xué)》。我國大規(guī)模地研究與應(yīng)用系統(tǒng)工程是從20世紀(jì)70年代末、80年代開始的。1978年9月27日，錢學(xué)森、許國志、王壽云在《文匯報(bào)》上發(fā)表了《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》，對系統(tǒng)工程的概念、內(nèi)容及其基礎(chǔ)理論和應(yīng)用前景作了全面的闡述，標(biāo)志著我國系統(tǒng)工程學(xué)科的建立。交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.2系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展及應(yīng)用我國大規(guī)模地研究與應(yīng)用系統(tǒng)工程是從20世紀(jì)70年代末、80開始的。從1978年起，西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、清華大學(xué)、華中工學(xué)院、大連工學(xué)院等國內(nèi)大學(xué)開始招收第一批系統(tǒng)工程專業(yè)碩士研究生。1980年2月，中國科學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)研究所建立。1980年11月，中國系統(tǒng)工程學(xué)會(SystemsEngineeringSocietyofChina,SESC)在北京成立，并創(chuàng)辦了《系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐》期刊。在我國開始應(yīng)用系統(tǒng)工程理論和方法來研究與解決重大現(xiàn)實(shí)問題，特別在人口、農(nóng)業(yè)、能源和社會經(jīng)濟(jì)等方面取得了可喜的成，如人口問題的定量研究及應(yīng)用(始于1978年)、2000年中國的研究(1983—1985年)、全國和地區(qū)能源規(guī)劃(始于1980年)、全國人才和教育規(guī)劃(始于1983年)、全國投入產(chǎn)出表的編制及應(yīng)用(始于1973年)等。交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.2系統(tǒng)工程在我國的發(fā)展及應(yīng)用20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，出現(xiàn)了幾門新的系統(tǒng)工程:計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程、服務(wù)系統(tǒng)工程(供應(yīng)鏈)、金融系統(tǒng)工程、大型基礎(chǔ)工程(長江三峽水利樞紐工程、青藏鐵路等)、大型社會項(xiàng)目(亞運(yùn)會、奧運(yùn)會和世博會等)、生物系統(tǒng)工程、醫(yī)學(xué)系統(tǒng)工程、智能交通系統(tǒng)等。以信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的快速發(fā)展，使得系統(tǒng)間的聯(lián)系和交互變得愈發(fā)頻繁和緊密。20世紀(jì)90年代末，系統(tǒng)工程規(guī)模變得更大更復(fù)雜，以復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)為理論指導(dǎo)的成體系體系(SystemofSystems，SOS)出現(xiàn)，體系及體系工程逐漸成為系統(tǒng)工程、管理科學(xué)等諸多領(lǐng)域新的研究領(lǐng)域。如軍事體系、企業(yè)體系、計(jì)算機(jī)體系、全球地面觀測體系、社會體系等，軍事科研部門早已關(guān)注到現(xiàn)代戰(zhàn)爭已不是單兵種作戰(zhàn)，而是體系對體系的戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭的失敗往往由于整個(gè)指揮體系失效，而非有生力量的殲滅。交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.3系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢系統(tǒng)工程以復(fù)雜的大系統(tǒng)為研究對象，廣泛地應(yīng)用在社會、經(jīng)濟(jì)、自然等領(lǐng)域，按照所研究對象的不同，可以分解為社會系統(tǒng)工程、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)工程、人口系統(tǒng)工程、科技與教育系統(tǒng)工程、區(qū)域規(guī)劃系統(tǒng)工程、環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)工程、能源系統(tǒng)工程、交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程、企業(yè)系統(tǒng)工程、工程系統(tǒng)工程、軍事系統(tǒng)工程等。系統(tǒng)工程各分支學(xué)科可歸結(jié)在自然、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、社會三個(gè)領(lǐng)域，系統(tǒng)工程的應(yīng)用范圍見表2-2。交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.3系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.3系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢交通運(yùn)輸與教育平臺2.2.3系統(tǒng)工程應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢系統(tǒng)工程有以下的發(fā)展趨勢：（1）研究的對象系統(tǒng)越來越大，并將繼續(xù)朝著“大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)”的方向發(fā)展；（2）將系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)科學(xué)——系統(tǒng)學(xué)的最新成果應(yīng)用于工程實(shí)踐，如混沌理論、自組織理論在氣象、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域中的應(yīng)用；（3）計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)工程中的應(yīng)用越來越廣泛、重要，如常用軟件包、決策支持系統(tǒng)及政策模擬實(shí)驗(yàn)室等的研發(fā)等。交通運(yùn)輸與教育平臺

第2章系統(tǒng)工程理論

2.1系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)2.2系統(tǒng)工程的發(fā)展概述2.3系統(tǒng)工程方法論2.4系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.1.1系統(tǒng)工程方法論的概念

方法和方法論是兩個(gè)不同層次的概念。方法指處理問題的具體手段或技術(shù)。例如我們解決一個(gè)問題時(shí)，提出許多備選方案，需要建立一個(gè)模型來評價(jià)這些備選方案的優(yōu)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(tǒng)開發(fā)、運(yùn)作及管理實(shí)踐中的問題所應(yīng)遵循的工作程序、邏輯步驟和基本方法，是運(yùn)用方法的原則和思想。2.3.1系統(tǒng)工程方法論的概念、特點(diǎn)和類型2.3系統(tǒng)工程方法論交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.1系統(tǒng)工程方法論的概念、特點(diǎn)和類型2.3.1.2系統(tǒng)工程方法論的特點(diǎn)

(１)整體性。整體性是系統(tǒng)工程方法論的基本出發(fā)。(２)系統(tǒng)識別的重要性。由于事物相互聯(lián)系的錯(cuò)綜復(fù)雜性，使得任何一個(gè)個(gè)體都可能隸屬于不同的系統(tǒng)。因此，在許多情況下，要處理的系統(tǒng)對象并不是非常清楚明了的。(３)人-機(jī)結(jié)合的方式。系統(tǒng)工程方法論以人利用計(jì)算機(jī)作為處理系統(tǒng)問題的基本方式。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.1系統(tǒng)工程方法論的概念、特點(diǎn)和類型2.3.1.3系統(tǒng)工程方法論的類型

(１)硬系統(tǒng)方法論(HardSystemsMethodolgy,HSM)。

硬系統(tǒng)方法論是以具有清楚結(jié)構(gòu)的問題及其相關(guān)系統(tǒng)為處理對象的。(２)軟系統(tǒng)方法論(SoftSystemsMethodolgy,SSM)。與硬系統(tǒng)方法論相對照，軟系統(tǒng)方法論以結(jié)構(gòu)不清楚的問題本身及其相關(guān)系統(tǒng)為處理對象，研究對象的結(jié)構(gòu)不良是人類活動世界的一般狀態(tài)。(３)其他的系統(tǒng)方法論。西那雅卡那系統(tǒng)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(fā)展；20世紀(jì)80年代初，錢學(xué)森就提出將還原論方法和整體論方法結(jié)合起來；物理-事理-人理(WSR)方法論是由顧基發(fā)與朱志昌在20世紀(jì)90年代中提出的。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.2硬系統(tǒng)方法論——霍爾的三維結(jié)構(gòu)

霍爾三維結(jié)構(gòu)集中體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的系統(tǒng)化、綜合化、最優(yōu)化、程序化和標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)是系統(tǒng)工程方法論的重要基礎(chǔ)內(nèi)容，如圖2-1所示。

（1）時(shí)間維。（2）邏輯維。（3）知識維。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.2硬系統(tǒng)方法論——霍爾的三維結(jié)構(gòu)霍爾三維結(jié)構(gòu)的管理矩陣見表2-3。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.2硬系統(tǒng)方法論——霍爾的三維結(jié)構(gòu)霍爾的系統(tǒng)工程方法論強(qiáng)調(diào)明確目標(biāo)，核心內(nèi)容是最優(yōu)化，即對于結(jié)構(gòu)優(yōu)良的系統(tǒng)問題，明確其目標(biāo)，通過模型運(yùn)算，找到解決問題的最優(yōu)方案，并使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到最佳。該方法論具有研究方法上的整體性(三維)、技術(shù)應(yīng)用上的綜合性(知識維)、組織管理上的科學(xué)性(時(shí)間維、邏輯維)及系統(tǒng)工程工作的問題導(dǎo)向性(邏輯維)。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.3軟系統(tǒng)方法論——切克蘭德的“調(diào)查學(xué)習(xí)”法從20世紀(jì)70年代中期，許多學(xué)者提出了各種軟系統(tǒng)方法論，系統(tǒng)工程也越來越多地研究社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略和組織管理問題。其中，以1981年英國蘭切斯特大學(xué)的切克蘭德(Checkland)提出的“調(diào)查學(xué)習(xí)”的軟系統(tǒng)方法論最有代表性。軟系統(tǒng)方法論用可行滿意解代替最優(yōu)解，用概念模型代替數(shù)學(xué)模型，從而使研究思路更為開闊。對社會經(jīng)濟(jì)等問題的分析與研究，通過認(rèn)識與概念化、比較與學(xué)習(xí)、實(shí)施與再認(rèn)識，從而較滿意地解決系統(tǒng)問題。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.3軟系統(tǒng)方法論——切克蘭德的“調(diào)查學(xué)習(xí)”法

切克蘭德提出的“調(diào)查學(xué)習(xí)”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(qiáng)調(diào)從“理想”模式(概念模型)與現(xiàn)實(shí)狀況的比較中，探尋改善現(xiàn)狀的途徑，使決策者滿意。交通運(yùn)輸與教育平臺2.3.4硬系統(tǒng)方法論與軟系統(tǒng)方法論的比較兩種方法論的比較見表2-4。交通運(yùn)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(yùn)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(chǔ)上，把這些思想綜合起來，建立模型；③將實(shí)際數(shù)據(jù)分析、整理后，確定相關(guān)的參數(shù)，輸入模型，進(jìn)行運(yùn)算；④請專家們對運(yùn)算結(jié)果與結(jié)論進(jìn)行評審，充分聽取專家意見，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改；⑤根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論，進(jìn)一步修改模型，并仿真運(yùn)算；⑥再次請專家們對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行研究，通過與實(shí)際情況的對比分析修正模型，這樣反復(fù)多次，直到專家們認(rèn)為模型及其結(jié)論合理可靠，最后確定模型，給出結(jié)論。交通運(yùn)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(gè)階段的集成過程：①定性綜合集成；②定性定量相結(jié)合綜合集成；③從定性到定量綜合集成。交通運(yùn)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(fù)雜巨系統(tǒng)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(gòu)思，即把專家們和知識庫、信息系統(tǒng)、各種人工智能系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等像作戰(zhàn)指揮廳那樣組織起來，形成一個(gè)巨型的人-機(jī)結(jié)合的智能系統(tǒng)，共同作用于復(fù)雜問題的求解。從對綜合集成研討廳體系的構(gòu)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(chǔ)搭建起來的抽象框架，它的實(shí)質(zhì)是指導(dǎo)人們在處理復(fù)雜問題時(shí)，把專家的智慧、計(jì)算機(jī)的高性能和各種數(shù)據(jù)、信息有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的、強(qiáng)大的問題求解系統(tǒng)，從軟(硬)件體系上和組織結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)，使之能真正應(yīng)用于復(fù)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(jī)結(jié)合、以人為主的思維方法和研究方式，對不同層次、不同領(lǐng)域的信息和知識進(jìn)行綜合集成，達(dá)到對整體的定量認(rèn)識。2.3.5.2綜合集成研討廳體系

交通運(yùn)輸與教育平臺

第2章系統(tǒng)工程理論

2.1系統(tǒng)工程的概念、研究內(nèi)容及特點(diǎn)2.2系統(tǒng)工程的發(fā)展概述2.3系統(tǒng)工程方法論2.4系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.1一般系統(tǒng)論2.4.1.1一般系統(tǒng)論的產(chǎn)生15世紀(jì)下半葉以后，各門分支學(xué)科相繼從哲學(xué)統(tǒng)一體中分離出來，自然科學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生。在自然科學(xué)發(fā)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(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)以后，機(jī)械論、還原論占據(jù)了主導(dǎo)地位，即把研究對象進(jìn)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(rèn)為基本單元弄清了，因果量之間的關(guān)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(xué)中曾取得了很大成功，從而對其他科學(xué)研究產(chǎn)生了巨大影響，如力學(xué)的分析隔離法、化學(xué)的元素周期表及其規(guī)律、原子結(jié)構(gòu)研究等。生物學(xué)中，通過對生物層次的分解，由生物到系統(tǒng)、器官、組織、細(xì)胞的研究，最終導(dǎo)致分子生物學(xué)的產(chǎn)生，破譯了遺傳密碼，取得了顯赫的成就。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)思想方法得到了進(jìn)一步發(fā)展。2.4系統(tǒng)工程的理論基礎(chǔ)交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.1一般系統(tǒng)論2.4.1.1一般系統(tǒng)論的產(chǎn)生19世紀(jì)末20世紀(jì)初，生物學(xué)史上機(jī)械論與活力論的斗爭達(dá)到了激化的程度。一方面，由于物理學(xué)和化學(xué)的飛躍發(fā)展，使得人們有能力指出生物現(xiàn)象是建立在物理、化學(xué)過程的基礎(chǔ)之上；另一方面，也由于機(jī)械論還不能正確地說明生命體的統(tǒng)一性和復(fù)雜性，使活力論仍有自己堅(jiān)守的一塊陣地。在這種情況下，奧地利籍的美國理論生物學(xué)家貝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy

)的系統(tǒng)思想開始形成，并提出用數(shù)學(xué)模型來研究生物學(xué)的方法和機(jī)體系統(tǒng)論的概念。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.1一般系統(tǒng)論2.4.1.1一般系統(tǒng)論的產(chǎn)生貝塔朗菲從對生物學(xué)的研究和觀察出發(fā)，開始意識到用系統(tǒng)觀點(diǎn)和方法研究生物學(xué)的重要性。他提出要從生物的整體，把生物整體及其環(huán)境作為一個(gè)大系統(tǒng)來研究，并因此創(chuàng)立了“一般系統(tǒng)論”的學(xué)科。一般系統(tǒng)論是關(guān)于一般系統(tǒng)的理論。一般系統(tǒng)是指剝離了具體組成和具體關(guān)系的抽象系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有所有可被稱做系統(tǒng)的實(shí)體或過程集合所共有的現(xiàn)象、性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律。1945年，貝塔朗菲《關(guān)于一般系統(tǒng)論》論文的發(fā)表，成為一般系統(tǒng)論形成的標(biāo)志。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.1一般系統(tǒng)論2.4.1.2一般系統(tǒng)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(tǒng)的整體性，或者換句話說，系統(tǒng)具有其組成部分所沒有的功能。（2）動態(tài)相關(guān)性原理：系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間改變，就是系統(tǒng)的動態(tài)性。（3）開放性原理：一切有機(jī)體之所以有組織地處于活動狀態(tài)并保持生命運(yùn)動，是由于系統(tǒng)與環(huán)境處于相互作用之中。（4）層次性原理：結(jié)構(gòu)包含著層次，復(fù)雜的系統(tǒng)通常是多層次的結(jié)構(gòu)，層次性是結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)。（5）有序性原理：系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性在空間上所表現(xiàn)出來的層次結(jié)構(gòu)，以及其動態(tài)性在時(shí)間上所表現(xiàn)出來的演化方向，使得系統(tǒng)具有在空間、時(shí)間和功能上有序的性質(zhì)。越有序的系統(tǒng)，其組織化的程度越高。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.1一般系統(tǒng)論2.4.1.3一般系統(tǒng)論給我們的啟示第一，考察任何對象系統(tǒng)都要以整體性作為基本出發(fā)點(diǎn)。第二，對整體的組成要素進(jìn)行分析應(yīng)注重兩個(gè)方面。第三，考察任何對象還要注意系統(tǒng)和環(huán)境的關(guān)系，即考慮系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。第四，系統(tǒng)分析時(shí)，不僅要注意研究系統(tǒng)在空間上的縱橫交錯(cuò)的聯(lián)系，還要注意研究系統(tǒng)在時(shí)間上發(fā)展變化的趨勢和規(guī)律。一般系統(tǒng)論屬于邏輯和數(shù)學(xué)的領(lǐng)域，它的任務(wù)是確立適用于各種系統(tǒng)的一般原則。一般系統(tǒng)論溝通了自然科學(xué)與社會科學(xué)、技術(shù)科學(xué)與人文科學(xué)之間的聯(lián)系，提出了研究各門學(xué)科的新方法，使許多學(xué)科面貌煥然一新。一般系統(tǒng)論為系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.2運(yùn)籌學(xué)運(yùn)籌學(xué)是使用科學(xué)的方法去研究人類對各種資源的運(yùn)用、籌劃活動的基本規(guī)律，以便發(fā)揮有限資源的最大效益，來達(dá)到總體全局優(yōu)化的目標(biāo)。運(yùn)籌學(xué)是一門相對獨(dú)立的應(yīng)用學(xué)科，與其他學(xué)科(如基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、物理、生命科學(xué)等)的區(qū)別在于其有本身特定的研究對象、自成系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論以及相對獨(dú)立的研究方法和工具。運(yùn)籌學(xué)本身也在不斷發(fā)展，現(xiàn)在已包括多個(gè)分支，如數(shù)學(xué)規(guī)劃(又包含線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、組合規(guī)劃等)、圖論、決策分析、排隊(duì)論、可靠性理論、庫存論、對策論、搜索論等。面對越來越強(qiáng)大的復(fù)雜性，一個(gè)重要的發(fā)展方向是“軟化”。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.3控制論控制論是第二次世界大戰(zhàn)后出現(xiàn)的一門新興的橫斷科學(xué)，是數(shù)學(xué)、生物學(xué)、數(shù)理邏輯、通信工程、自動控制等眾多學(xué)科和技術(shù)相互滲透的產(chǎn)物。自其形成以來，控制論得到了迅速的發(fā)展，并成功地應(yīng)用于工程系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等領(lǐng)域。控制論研究各類系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)的一般規(guī)律，信息與控制是其核心概念。2.4.3.1控制論的發(fā)展20世紀(jì)40年代以來，許多科學(xué)家意識到，在客觀世界存在著的物質(zhì)、能量、信息三大要素，雖然在物質(zhì)構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)換方面，生命體和機(jī)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(guī)律，例如反饋控制原理。1948年，美國科學(xué)家維納(N.Eiener)所著的《控制論——關(guān)于在動物和機(jī)器中控制與通信的科學(xué)》一書的出版，標(biāo)志著控制論的正式誕生，它研究工程技術(shù)、社會經(jīng)濟(jì)、生物生態(tài)及各種控制系統(tǒng)的共性與方法。交通運(yùn)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(shè)有兩個(gè)狀態(tài)變量，其中只有一個(gè)是能進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這時(shí)我們面臨的問題是如何根據(jù)那個(gè)不可控制變量從過去到現(xiàn)在的信息來確定可調(diào)節(jié)變量的最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)對于我們最為合適、最有利的狀態(tài)?？刂普摰陌l(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)期,即20世紀(jì)40年代末期到50年代末期的經(jīng)典控制理論時(shí)期,60年代初期到70年代初期的現(xiàn)代控制理論時(shí)期及70年代中期到現(xiàn)在的大系統(tǒng)控制理論和智能控制理論時(shí)期。(１)經(jīng)典控制理論從20世紀(jì)40年代末到50年代末期，人們在工業(yè)生產(chǎn)、武器裝備方面，開始采用各種各樣的自動調(diào)節(jié)器、伺服系統(tǒng)及有關(guān)的電子設(shè)備，著重研究的是單機(jī)自動化或局部自動化。經(jīng)典控制理論以反饋為核心，所研究的控制系統(tǒng)都比較簡單，且多屬于工程方面，單輸入單輸出的線性系統(tǒng)是其主要研究對象。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.3控制論(２)現(xiàn)代控制理論。到了20世紀(jì)60年代初期，隨著導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、高能物理、電子計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，控制論從單變量控制發(fā)展到多變量控制；從單純的自動調(diào)節(jié)進(jìn)展到最優(yōu)控制，經(jīng)典控制理論發(fā)展成為現(xiàn)代控制理論?，F(xiàn)代控制理論對自動化的要求不只是保持個(gè)別變量，如溫度、轉(zhuǎn)速、電壓等因素的恒定，而是要實(shí)現(xiàn)多種變化因素的最優(yōu)控制。(３)大系統(tǒng)控制理論和智能控制理論。20世紀(jì)70年代以來，控制理論有兩個(gè)發(fā)展方向，向廣度發(fā)展實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的控制，向深度發(fā)展實(shí)現(xiàn)智能控制。大系統(tǒng)是指規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)。大系統(tǒng)變量、參數(shù)很多，其目標(biāo)常常不是單一的，而是多樣的，為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)，通常需要具有綜合性功能。所以，大系統(tǒng)是多變量、多輸入、多輸出的系統(tǒng)。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內(nèi)容（1）控制系統(tǒng)的構(gòu)成?？刂普摰漠a(chǎn)生，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究提供了嶄新的方法——控制方法，即以系統(tǒng)的功能行為為目標(biāo)，通過一定的手段實(shí)現(xiàn)控制，達(dá)到系統(tǒng)目標(biāo)最優(yōu)化的方法。

存在反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)如圖2-4所示。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內(nèi)容（2）系統(tǒng)的穩(wěn)定性。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.3控制論2.4.3.2控制論的內(nèi)容（3）控制及反饋?？刂葡到y(tǒng)是相對于其環(huán)境而獨(dú)立存在的，因此，控制系統(tǒng)與其周圍環(huán)境之間有相互影響和信息交換。一個(gè)控制系統(tǒng)的外部環(huán)境，也可能是另一個(gè)控制系統(tǒng)，兩者相對獨(dú)立，互為對方的環(huán)境。反饋是閉環(huán)系統(tǒng)的核心機(jī)制。通過反饋控制，控制者能了解被控制對象的運(yùn)行狀態(tài)、變化特性；了解施加控制作用的效果；分析控制過程的品質(zhì)；判斷控制目的是否達(dá)到，從而進(jìn)一步修改或校正控制作用，以提高控制效果，達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.1信息的概念和特點(diǎn)在信息理論中，信息和消息是緊密相關(guān)的兩個(gè)不同的概念。一般認(rèn)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(yùn)含在消息之中，信息是消息的內(nèi)核。同一個(gè)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(zhì)和能量的一種存在。信息一般具有下列特征。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.4信息論交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.4信息論2.4.4.2信息論研究的三個(gè)層次（1）狹義信息論。狹義信息論也稱經(jīng)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(nèi)容是信息論的理論基礎(chǔ)。（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(nóng)理論以外，還包括噪聲理論、信號濾波和預(yù)測、統(tǒng)計(jì)檢測和估計(jì)、調(diào)制理論、信息處理以及加密技術(shù)。（3）廣義信息論。廣義信息論不僅包含上述兩方面的內(nèi)容，還包括所有與信息有關(guān)的自然和社會領(lǐng)域，如模式識別、計(jì)算機(jī)翻譯、心理學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、語言學(xué)等，甚至包括社會學(xué)中有關(guān)信息的問題。交通運(yùn)輸與教育平臺2.4.4