交通運輸系統工程 課件 第4章 運輸系統分析

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

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

交通運輸與教育平臺4.1.1系統分析的概念

系統工程在處理大型復雜系統的規劃、研制和運用問題時，必須經過系統分析這個邏輯步驟。系統分析處在系統工程全過程的前期階段，是其他后續階段的基礎，如圖4-1所示。

圖4-1系統分析在系統生命周期中的階段4.1系統分析的基礎理論交通運輸與教育平臺4.1.1系統分析的概念

由實際問題出發，對于需要改進的系統或準備建立的新系統，在對其目標、環境、結構及功能等分析的基礎上，運用建模、仿真、預測及評價、優化等技術對系統的各有關方面進行定性與定量相結合的分析，為選擇最優或滿意的系統方案提供決策依據的分析研究過程。系統分析的概念模型如圖4-2所示。圖4-1系統分析的概念模型4.1系統分析的基礎理論交通運輸與教育平臺

4.1.2系統分析方法的特點

（1）以整體為目標。（2）以特定問題為對象。（3）由定性分析到定量分析。（4）目標的“最優化”。交通運輸與教育平臺4.1.

3系統分析的步驟

（1）提出問題、確定目標。（2）調查搜集資料。（3）制定方案，建立模型。（4）分析計算，評價選擇。

（5）鑒定及檢驗

。交通運輸與教育平臺

（1）目標。目標是系統目的的具體化。目標具有從屬性和多樣性。目標分析可采用目標樹等結構分析的方法，并要注意對沖突目標的協調和處理。

目標遵循SMART原則：

具體的（Special）、可衡量的（Measurable）、可達到的（Attainable）、相關的（Relevant）、有時限的（Time-based。4.1.4系統分析的要素交通運輸與教育平臺4.1.4系統分析的要素

（2）替代方案。

替代方案是優選的前提，沒有足夠數量的方案就沒有優化，即解決問題實現目標的方案（辦法、途徑），也稱備選方案。

例如，改造一條生產線可以有重新設計、從國外引進和在原有設備的基礎上改造三種方案。

通過對備選方案的分析和比較，才能從中選擇出最優系統方案。

（3）指標。

指標是衡量總體目標的具體標志。

為了對替代方案進行綜合比較分析，須采用評價指標體系，不同的系統所采用的指標體系也不同。

（4）評價標準。

評價標淮是衡量備選方案優劣的判斷依據，通過評價標準可對各個可行性方案進行綜合評價，確定出各方案的優劣順序。交通運輸與教育平臺4.1.4系統分析的要素

（5）模型。

模型是對現實系統的抽象。

模型是研究與解決問題的基本框架，幫助認識系統、模擬系統和優化與改造系統，是對實際系統問題的描述、模仿或抽象。

在系統分析中常建立相應的結構模型、數學模型或仿真模型等。

（6）決策者。

決策者是系統問題中的利益主體和行為主體，在系統分析中自始至終具有重要作用。

實踐證明，決策者與系統分析人員的有機配合是保證系統分析工作成功的關鍵。交通運輸與教育平臺4.1.4系統分析的要素系統分析結構的概念圖如圖4-3所示。交通運輸與教育平臺4.1.5系統分析的原則（1）內部條件與外部條件相結合。（2）當前利益與長遠利益相結合。（3）局部效益與整體效益相結合。（4）定量分析與定性分析相結合。交通運輸與教育平臺

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

交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析4.2.1目標分析

明確系統的目的、要求，判斷其合理性、可行性和經濟性。當系統總目標比較概括時，需要分解為各級分目標，建立目標系統（或目標集），逐項落實。交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析目標分解的形式：按時間順序分解：定出目標實施進度，以便于實施中的檢查和控制。這種分解形式構成了目標的時間體系。按空間關系分解：按職能部門的橫向分解，即將目標項目分解到有關職能部門，構成了目標的空間體系。4.2.1目標分析交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析4.2.2

結構及功能分析

（1）系統的結構分析。結構：組成系統的各要素之間的相互聯系、相互制約的方式。結構分析：從系統的整體和部分之間的關系、部分與部分之間的關系進行具體的分析，了解多個組成部分在系統整體功能中地位和作用，從中找出關鍵的部分或環節，從而找到解決問題的步驟和途徑，以調整系統的結構，使其達到整體優化。

（2）系統的功能分析。功能：系統與外部環境相互聯系和相互作用中所表現出來的性質、能力和功效，是系統內部相對穩定的聯系方式、組織秩序從時空形式的外在表現形式。

系統功能的分析：分析為滿足系統技術條件所應具備的各種功能，建立系統功能結構圖，定義系統的功能技術條件，并分析和闡明這種功能的約束條件等。交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析

（3）系統結構及功能分析的表達。

系統總目標G，環境約束O，要素集X，要素相關性集合R，要素集和相關集在階層分布C集合上的最優結合，P為效用函數，Sopt為最優結構，E為輸出。4.2.2

結構及功能分析交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析4.2.3

環境分析

環境因素很多時，應分清主次和輕重。對可定量分析的環境因素，通常可用約束條件的形式列入系統模型中；

對只能定性分析的因素，可用估值法評分，盡量使之達到定量和半定量化。交通運輸與教育平臺4.2系統的特性分析4.2.4

運輸系統特性分析4.2.4.1目標分析

（1）

制定運輸發展規劃。

（2）港站樞紐的選址及規劃。

4.2.4.2結構分析

（1）運輸線路的修建。

（2）重大運輸項目的組織管理。

(3)運輸企業的經營管理。

4.2.4.3功能分析

（1）運輸設備購置。（2）運輸設備維護及更新。交通運輸與教育平臺

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

交通運輸與教育平臺4.3系統結構模型化技術

結構模型是表明系統各要素間相互關系的模型。一種最方便的辦法是用圖表示這種關系。

結構→結構模型→結構模型化→結構分析

系統結構分析方法ISM：解析結構模型(InterpretativeStructuralModel)

1973年由美國沃菲爾德教授提出。

用于分析和揭示復雜關系結構的有效方法，它可將系統中各要素之間的復雜、零亂關系分解成清晰的多級遞階結構形式。交通運輸與教育平臺4.3系統結構模型化技術4.3.1結構模型的基本知識二元關系：存在于系統中的兩個要素（Si、Sj）之間的關系，有影響關系、因果關系、包含關系、隸屬關系等。強連接關系或回路：對于系統的任意構成要素Si、Sj來說，既有Si影響Sj，又有Sj影響Si，這種相互關聯的二元叫強連接關系。強連接關系的各要素之間存在替換性，節點間具有雙向回路。

有向圖：系統中的每個要素用一個點（或圓圈）來表示。如果要素Si對Sj有影響，則在圖中從點Si到點Sj用一條有向線段連接起來。有向線段的方向從Si指向Sj，這種表示方式稱為有向圖。交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識

某系統由六個要素（s1，s2，…，s6）組成。經過兩兩判斷認為：s1影響s2，s2影響s4，

s3影響s6，s6影響s5，s4和s5相互影響。圖4-4所示為六個要素構成的有向圖。圖4-4有向圖示例交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識

建立鄰接矩陣鄰接矩陣：表示系統各要素之間的直接關系的矩陣。交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識圖4-4對應的鄰接矩陣為

交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識

計算可達矩陣

可達矩陣：表示系統要素間所有直接、間接關系的矩陣。有向圖上兩個節點間通過任意長的路徑可以到達情況的矩陣。交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識定義：認為要素對要素本身的關系為1。布爾運算：1+1=1，1+0=0+1=1,0+0=0交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識交通運輸與教育平臺4.3.1結構模型的基本知識交通運輸與教育平臺4.3.2由可達矩陣畫出有向圖根據矩陣R,求各要素對應的可達集合、先行集合和共同集合，見表4-3。交通運輸與教育平臺4.3.2由可達矩陣畫出有向圖

滿足Ｐ(ｓｉ)∩Ｑ(ｓｉ)＝Ｐ(ｓｉ)的要素有４和５，由此確定第１級，Ｌ１＝{ｓ４，ｓ５}，其次，刪去第４行和第５行以及表格中其他要素可達集中的“ｓ４和ｓ５，結果見表4-4。級位劃分過程

表4-4交通運輸與教育平臺4.3.2由可達矩陣畫出有向圖

滿足Ｐ(ｓｉ)∩Ｑ(ｓｉ)＝Ｐ(ｓｉ)的要素有ｓ２，ｓ６。由此確定第２級，Ｌ２＝{ｓ２，ｓ６}，再次刪去要素ｓ２和要素ｓ６所在的行以及表格中其他要素可達集中的“ｓ２和ｓ６”，結果見表4-5。級位劃分過程

表4-5交通運輸與教育平臺4.3.2由可達矩陣畫出有向圖

級別分配結束后，在最上層放第1級的要素，它的下面放第2級的要素，依此類推把各要素從上至下按級別順序放置。

最后把可達矩陣R的行列也按這一級別順序進行排列,通過這一操作R化為了分塊三角陣R’。交通運輸與教育平臺4.3.2由可達矩陣畫出有向圖