交通运输系统分析.ppt
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交通运输系统分析,为什么要学习这门课程? 交通运输系统分析是学院通开课,全院交通相关专业的基础课之一。 以系统工程的原理和方法,认识和分析交通运输体系,研究交通运输系统分析的基本理论和方法。 培养研究生掌握系统和系统分析的基本概念与方法,掌握交通运输系统分析的基本理论、基本方法和专业创新思维,使研究生基本具备以系统思想和系统分析方法处理交通运输问题的能力。,引例:泡茶问题 开水没有,开水壶要洗,茶壶茶杯要洗,火已生了,茶叶也有了,想泡壶茶喝,怎么办?”,一、问题描述 目标:喝到一碗清新的热茶。 条件:已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。 其它要求:以最节约资源的方式实现目标。 研究任务:合理安排各道工序,设计一个解决泡茶问题的行动计划。,二、系统分析 1.列出泡茶所需的全部工序 2.确定每道工序所需的时间 3.确定各道工序之间的时间连接关系 4.定性分析有几种备选方案 5.计算每种方案所需的总时间 6.做出比较结论,工序分析,定性策划几个备选方案 甲:洗净水壶;灌上凉水;壶放在火上;等水开;水开后,以最快的速度洗茶杯,找茶叶;泡茶,待茶泡好;喝茶。 乙:洗净水壶;洗茶杯;找好茶叶;灌凉水;壶放火上;等水开;水开后,用准备好的茶杯、茶叶泡茶;等待茶泡好;喝茶。 丙:洗净水壶;灌凉水;壶放火上;洗茶杯;拿茶叶;水开之前,可干一些其它事;水开,泡茶;喝茶。,方案分析 甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21 乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21 丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19 建议方案:丙(满足目标、要求),几大步骤: 确定问题 目标分析 需求分析 方案策划 系统分析(统计、计算、比较) 决策建议 方案实施 系统原理: 最优化、并行统筹、工序图法,如何学习这门课程? 掌握交通运输系统分析的基本方法; 根据选题要求,提交专题报告; 注重前沿理论的学习和运用; 注重与实际相结合的应用分析。,主要参考书目 交通运输系统分析,张国伍,西南交大出版社,1991 交通运输系统工程,郭瑞军,国防工业出版社,2008 系统工程,汪应洛,机械工业出版社,2011 系统工程理论、方法与应用,汪应洛,高等教育出版社, 1998 运输经济学导论,许庆斌、荣朝和,中国铁道出版社,2003 Ennio Cascetta, Transportation Systems Analysis: Models and Applications, Springer, 2009 Ennio Cascetta, Transportation Systems Engineering: Theory and Methods, Springer, 2001 Joseph Sussman, Introduction to transportation systems, Boston : Artech House, 2000. Alexander Kossiakoff, William N. Sweet, Sam Seymour, Systems Engineering Principles and Practice, John Wiley & Sons, 2011,第一讲 系统与系统工程 1.1 系统概念与特征 1.2 系统工程概念及特点 1.3 系统工程方法论 1.4 运输系统工程内涵,1.1 系统概念与特征 你认为什么是系统? 你认为哪些算系统? 这些系统的共同点是什么? (1)两个以上要素组成的整体 (2)要素之间、要素与整体、整体与环境存在有机联系 (3)这些联系和结构产生系统功能,定义 系统就是由两个或两个以上相互区别、相互联系而又相互作用的要素组成,在一定的阶层结构形式中分布,在给定的环境约束下,为达到一定目的而存在的有机整体。,六大特征 整体性 一般来说,F Fi “三个臭皮匠,赛过一个诸葛亮” 特殊情况:“一个和尚挑水吃,两个和尚抬水吃,三个和尚没水吃” 要使得整体的功能大于部分功能之和,组成该整体的各要素必须协调统一。,集合性 表现为要素之间的相互区别性,且随时间变化而变化,具有一定的动态特征。 有序性(层次性) 表现为要素在系统中所处的地位不同,从而形成了不同的层次,该层次决定了系统内物质、信息和能量的流动。,相关性 必须努力建立起系统各要素之间的合理关系,以消除相互间的盲目联系和无效行动。 目的性 系统整体形成的特定功能和目的。 环境适应性,系统的分类,组成要素的性质:自然系统,人造系统 从系统的状态与时间的关系看:静态系统,动态系统 从系统与环境的密切程度看:封闭系统,开放系统 按系统的形态分:实体系统,概念系统 按反馈性分:开环系统,闭环系统 按系统的规模大小和复杂程度:小系统(一般系统),复杂系统(复杂巨系统),环境分析,经营决策与计划,投入,转换,产出,例1 工业企业生产经营活动系统,例2 城市交通综合系统,说明: (1)系统的功能及其要素; (2)系统的环境及输入、输出; (3)系统的结构; (4)系统属性的表现。,描述一个你熟悉的系统,1.2 系统工程概念及特点 系统思想发展 古代朴素系统思想 亚里士多德“整体大于部分之和” 我国古天文学“二十四节气” 西汉初年古代医学总集黄帝内经 战国时期都江堰水利枢纽“三大工程与120附属渠堰工程” 近代系统思想 各学科分门别类发展 培根新工具、笛卡尔方法论 牛顿经典力学后,机械论与还原思想占主导 现代系统科学 能量守恒定律、细胞学说、进化论 辩证唯物主义为指导的哲学 系统科学的产生,现代科学技术体系结构(钱学森),系统工程(Systems Engineering, SE) 以大型复杂系统为研究对象,按一定目的进行设计、开发、管理与控制,以期达到总体效果最优的理论与方法。 (1) 整体性和系统化观点(前提) (2) 总体最优或平衡协调观点(目的) (3) 多种方法综合运用的观点(手段) (4) 问题导向及反馈控制观点(保障),系统工程的发展,20世纪50至60年代,我国主要标志和集中代表是钱学森的工程控制论、华罗庚的统筹法和许国志的运筹学。 从70年代末、80年代初开始大规模地研究与应用SE。 如:人口问题的定量研究及应用(始于1978年)、2000年中国的研究(1983至1985年)、全国和地区能源规划(始于1980年)、全国人才和教育规划(始于1983年)、农业系统工程(始于1980年)、区域发展战略(始于1982年)、投入产出表的应用(始于1973年)、军事系统工程(始于1978年)、水资源的开发利用(始于1978年)等。 90年代以来,系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。,1.3 系统工程方法论 (1)硬系统方法论 硬系统:即指“结构化”的系统,一般该类系统问题的目前状态和期望达到的未来状态是明确的或可以确定的。 系统工程人员所要做的工作就是选择合适的方案使目前状态顺利过渡转化成未来状态。 方法特点: 强调明确目标,核心内容是系统分析和优化,多用定量分析方法。 适用范围: 大型的工程建设项目,代表:霍尔三维结构 A.D.Hall 1969,应用企业管理系统工程活动矩阵(框架H;内容C),(2) 软系统方法论(切克兰德) 软系统:这类问题往往涉及人的主观因素、系统目标不够明确、评价指标不够清楚、目标是否达成取决于人的主观因素。,“调查学习”方法论:,方法特点: 定性、定量相结合,以定性为主, 方法核心不是最优化而是比较,从比较中学习改善现状的途径。 适用范围: 企业管理、规划、政策制定、策略制定等战略问题的研究,(3)两种方法论的比较,系统基础理论 老三论(形成于二十世纪四十年代):一般系统论、控制论和信息论。 新三论(形成于二十世纪七十年代):耗散结构理论、协同论和突变论。, 一般系统论,奥地利理论生物学家贝塔朗菲1945年发表关于一般系统论,研究复杂系统一般规律的学科 基本观点: 系统观点:整体性 动态观点:动态性(取决于相关性) 等级层次观点:有序性(结构或空间;发展或时间), 控制论,维纳于1948年出版了控制论一书 经典控制论现代控制论大系统控制理论 对系统方法的启示: 黑箱-灰箱-白箱法 功能模拟法 形式化、数量化、最优化方法, 信息论,美国数学家申农和信息科学家维纳 以信息为主要研究对象,以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容,以计算机、光导纤维等为主要研究工具,以扩展人类的信息功能为主要研究目标。 类比方法 统计方法 信息方法(运用信息的观点,把系统看作是借助于信息的获取、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法), 耗散结构理论,耗散结构理论是十九世纪70年代由比利时物理学家普利高津提出来的。耗散结构是与平衡结构相对的。 主要观点如下: (1)开放系统是产生耗散结构的必要前提,同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。 (2)非平衡态是系统有序之源。 (3)系统的涨落导致系统走向有序。, 协同学理论,协同学(Synergetics)理论也是在20世纪70年代产生的,是由联邦德国的物理学家哈肯提出来的。 主要观点如下: (1)协同导致有序。所谓协同,就是互相协作。 (2)自组织理论。所谓自组织,哈肯特别强调指的是系统在没有外部指令的条件下,其内部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定的结构和功能,它具有内在性和自主性。自组织理论是协同学的核心。, 突变论,突变论是1972年,由法国数学家托姆(Rene Thom)提出来的。 突变理论是从量的角度研究各种事物的不连续的变化的,并试图用统一的数学模型来描述它们。突变论以结构稳定性为基础,通过对系统稳定性的研究,说明系统的稳态与非稳态、渐变与突变的特征及其相互关系,揭示系统状态演变的内部因素与外界条件。,7、超循环理论(hypercycle theory) 1971,德国生物物理学家 M.艾根研究分子自组织的一种理论(经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统)。 8、微分动力系统(differential dynamical systems) 60年代初,S.斯梅尔、廖山涛(北大数学教授) 系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的动力系统的整体性质及其在扰动中的变化。,9、分岔理论(bifurcation theory) 50年代,苏联学者A.A.安德罗诺夫等 研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论 10、泛系理论(pansystems theory) 1976,吴学谋(中科院武汉数理所研究员) 一种研究广义系统、关系的理论和方法,又称泛系方法或泛系方法论 11、灰色系统理论(gray systems theory) 1979,邓聚龙(华中科技大教授) 关于信息不完全或不确定系统的控制理论,应用在系统预测等方面。,12、复杂系统理论 以非线性自组织理论为核心的系统理论(欧洲学派) 以圣菲研究所(SFI)为代表的理论框架,其代表性理论是1994年霍兰提出的CAS(复杂适应系统)理论(美国学派) 以开放的复杂巨系统理论为核心的理论体系(中国学派),钱学森 “ 我认为把运筹学、控制论和信息论同贝塔朗菲(一般系统论)、普利高津(耗散结构理论)、哈肯(协同学)、艾根(超循环理论)等人的工作融会贯通,加以整理,就可以写出系统学这本书了。”,1.4 运输系统工程内涵 交通运输系统 从运输方式角度包含五个子系统: 铁路、公路、水运、航空、管道 从构成要素角度包含三个子系统: 交通运输系统设备构成 固定设备、移动设备 综合运输网络及枢纽 骨干线路、开发线路、给养线路、腹地线路、企业线路、各类枢纽 综合运输的组织管理系统 各方式组织管理、综合运输结合部组织管理,交通运输业的发展历程,以机器应用为标志的近现代交通运输业,大致经历了以下四个发展阶段: 以水运为主的阶段(18世纪-19世纪上叶); 以铁路为主的阶段(19世纪30年代-本世纪30年代); 公路、航空、管道三种运输方式崛起的阶段(本世纪30年代-50年代); 五种运输方式协调发展的综合运输体系阶段(从本世纪50年代开始)。,交通运输系统的性质 系统六大特性:整体性、目的性、层次性、集合性、相关性、环境适应性 (1)对于国民经济系统具有基础性; (2)对于空间、地域与时间具有较强的依附性,即具有不可挪动性; (3)对社会和经济系统的贡献具有间接性和隐蔽性; (4)交通运输系统内部各种运输方式在一定程度上具有可替代性。,交通运输系统的地位与作用 (1)交通运输系统是国民经济发展的先决条件。 (2)交通运输是实现流通的物质手段。 (3)交通运输是开发资源、联系城乡、发展横向联合、实现生产力合理布局的纽带。 (4)交通运输业是国民经济的重要生产部门,又是工业生产的巨大市场。 (5)交通运输是实行对外开放、发展对外贸易的必备条件。 (6)交通运输对社会精神文明建设起着积极的促进作用。,系统工程 以大型复杂系统为研究对象,按一定目的进行设计、开发、管理与控制,以期达到总体效果最优的理论与方法。 交通运输系统工程 以交通运输系统的整个运输活动为对象,运用系统工程的原则和方法,为运输活动最优规划和计划,进行有效的协调和控制,并使之获得最佳经济效益和社会效益的组织管理方法。,交通运输系统工程主要内容 运输系统分析 运输系统需求预测 运输系统建模及仿真 运输系统最优化 运输系统网络分析 运输系统排队分析 运输系统评价 运输系统决策,本讲重点梳理 系统定义及特征 系统工程概念及特点 系统工程方法分类 运输系统分类与性质、运输系统工程含义与内容,- 配套讲稿:
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