运输系统工程讲义.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,运输系统工程,运输系统工程讲义,第1页,以机器应用为标志近当代交通运输业，大致经历了以下四个发展阶段：,一、以水运为主阶段（18世纪 19世纪上叶）；,二、以铁路为主阶段（19世纪30年代 本世纪30年代）；,三、公路、航空、管道三种运输方式崛起阶段（本世纪30年代 50年代）；,四、五种运输方式协调发展综合运输体系阶段（从本世纪50年代开始）。,序言,运输系统工程讲义,第2页,纵观交通运输发展历史，我们能够看出：水运、公路、铁路、航空、管道等五种运输方式，正在在逐步走向协调发展，逐步形成一个整体，组成一个当代化交通运输体系。,所以，对于从事交通运输管理工作者来说，树立交通运输大系统思想，掌握运输系统工程方法，将含有十分主要意义。,应用系统工程方法去处理运输系统问题时，有两个主要特点：,一、要从系统观点出发；,二、要建立问题系统模型。,我们将在叙述系统思想和系统理论基础上，较详尽地介绍系统工程分析、预测、控制、评价、决议、模拟等方法，以及怎样在交通运输领域中应用这些方法。,运输系统工程讲义,第3页,第一章 运输系统,第一节,系统概念,第二节,交通运输系统,运输系统工程讲义,第4页,第一节 系统概念,一、,系统,二、,系统特征,三、,系统思想,四、,系统理论,五、,系统分类,运输系统工程讲义,第5页,第一节 系统概念,系统定义,系统,System，,我们,并不陌生，在现实生活中，“系统”是一个被广泛使用词。比如：人体就是一个系统，人体系统是由神经、呼吸、消化、循环、运动、生殖这些子系统组成；地球也是一个系统，地球系统是由植物、动物、微生物、非微生物这些子系统组成；交通运输系统是由铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输、管道运输这些子系统组成；一部机器是一个机器系统；一个国家、整个社会也都组成了一个系统。,一、,系统,运输系统工程讲义,第6页,撇开这些详细系统详细形态和性质，我们能够发觉，一切系统都含有以下几个共同点：,第一，系统是由两个以上要素组成整体。要素是组成系统最基本部分，没有要素就无法组成系统，单个要素也无法组成系统。,第二，系统诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定有机联络。要素之间若没有任何联络和作用，则也不能称其为系统。,第三，系统要素之间联络与作用必产生一定功效。功效是系统所发挥作用或效能，且是各要素个体所不具备功效，这种功效是由系统内部要素有机联络和系统结构所决定。,运输系统工程讲义,第7页,总而言之：,系统,就是由相互联络、相互作用诸要素组成含有一定功效有机整体。,运输系统工程讲义,第8页,系统与要素之间相互作用,系统与要素是相互伴随而产生，相互作用而改变。系统与要素之间相互作用表现在以下几个方面：,系统经过整体作用支配和控制要素,系统经过其整体作用来控制和决定各个要素在系统中地位、排列次序、作用、作用大小以及作用范围，协调着各要素之间数量百分比关系等等。系统整体稳定，则要素也稳定；系统整体特征和功效发生改变，则要素以及要素之间关系也会随之改变。比如，综合运输系统整体功效，决定和支配着作为要素水运系统、公路运输系统、铁路运输系统、航空运输系统以及管道运输系统地位、作用和它们之间关系，为使综合运输系统整体效益最正确，就要求各子系统必须充分发挥各自功效，就要对各子系统之间关系进行控制和协调。,运输系统工程讲义,第9页,要素经过相互作用决定系统特征和功效,普通来说，要素对系统作用有两种可能趋势：,一、是要素组成成份和数量含有一个协调、适应百分比关系，使得要素能够维持系统动态平衡和稳定，并使系统走向组织化、有序化；,二、是要素之间出现不协调、不适应百分比关系，这就会破坏系统平衡和稳定，甚至使系统衰退、瓦解。,比如，对我国国民经济大系统而言，假如组成该系统工业系统、农业系统、交通运输系统等各个系统都能够协调发展话，就能够使国民经济连续、稳定发展；但因为交通运输系统发展迟缓，与其它子系统之间出现了不协调、不适应百分比关系，因而严重制约了国民经济发展，影响了国民经济大系统整体效益。,运输系统工程讲义,第10页,系统与要素概念是相正确,一个系统相对于组成它要素而言是个系统，而相对于由它和其它事物组成大系统而言，则是一个要素（或称子系统）；一样，一个要素相对于由它和其它要素组成系统而言，是个要素，但相对于组成它要素而言，则是一个系统。比如，由车辆、场站、路网组成了公路系统，但对于整个交通运输系统而言，公路系统又是整个交通运输系统要素；再比如，相对于交通运输系统而言，水运系统是一个要素，但它同时又是由港口运输系统、水上船舶运输系统、航道系统、物流系统、信息系统组成系统。,运输系统工程讲义,第11页,二、,系统特征,系统特征主要表现为系统,整体性,、,相关性,、,目标性,和,环境适应性,。,运输系统工程讲义,第12页,整体性,所谓,整体性,是说：系统各要素之间存在一定组合方式，各要素之间是相互统一和协调，系统整体功效不是各组成要素功效简单迭加，而是展现出各组成要素所没有新功效，而且普通来说，系统整体功效大于各组成要素功效总和。,用公式表示即：,F,F,i,式中：,F,是系统整体功效；,F,i,是系统第,i,个要素功效（,i=1,，,2,，,3,，,，,n,）。,运输系统工程讲义,第13页,系统整体功效大于其组成要素功效总和，这不但是在量方面，更着重于质方面。比如，一些零部件只有组装成一台机器，组成一个机器系统，才能充分发挥其功效，而单独一个零件、一个螺丝钉是没有机器属性，是不具备机器功效。再比如，交通管制系统是一个大系统，它由交通网、运输工具、信号控制等要素或子系统组成，只有当这些要素都很完善、配合协调时候，才能够形成一个很好、完善系统。,这就是我们常说：“三个臭皮匠，胜过一个诸葛亮”。,运输系统工程讲义,第14页,是否多个要素凑在一起，其功效都一定大于部分功效之和呢？,答案是否定！最经典就是人们所说“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”。,这是因为，这三个和尚没有形成一个“系统”，这些“和尚要素”相互不协调、不统一，才使得集体运水效果急减，甚至到达无水可吃地步。这就说明，要使得整体功效大于部分功效之和，组成该整体各要素必须协调统一。,所以，为了提升系统整体功效，增强系统整体效应，必须作到：,1、一切从整体出发。,2、各要素结合要保持合理，注意从提升整体功效角度去提升和协调要素功效。,运输系统工程讲义,第15页,相关性是指：各要素是相互联络、相互作用、相互依存、又相互制约。系统中每个要素存在都依赖于其它要素存在，系统中任一要素改变都将引发其它要素改变乃至整个系统改变。,各要素之间有着一定组合关系、联络方式。比如，交通管制系统，交通网、运输工具、信号控制等要素在这个系统中是相互关联，经过它们之间协调关系，使交通网上运输工含有条不紊地运行。假如各个要素各自为政，那么它们就不能组成相互协调系统，势必会造成交通紊乱。,所以，必须努力建立起系统各要素之间合理关系，以消除相互间盲目联络和无效行动。,相关性,运输系统工程讲义,第16页,目性,任何一个系统都有它目标，不然，也就失去了这个系统存在价值和意义。比如，生物系统目标性就是增殖个体、繁衍物种、保留生命；一样，人造系统也有它目标性，如企业经营目标，就是以最少资源消耗去取得最大经济效益。运输系统目标，就是为国民经济发展提供运输服务。运输系统中各运输子系统目标，就是为运输大系统总目标服务。,运输系统工程讲义,第17页,环境适应性,任何一个系统都存在于一定物质环境中，环境改变对系统改变有很大影响，同时，系统作用也会引发环境改变。二者相互影响作用结果，就有可能使系统改变或失去原有功效。一个好系统，必须不停地与外部环境产生物质、能量和信息交换，才能适应外部环境改变，这就是环境适应性。,比如：一个港口，假如能够经常了解同类港口和相关行业动向，了解国家、用户和外贸客货运要求，了解港口所处地域工农业发展情况、生产力布局、产品结构等等外部环境信息，而且能够依据这些外部信息及时调整港口战略决议，那么，这个港口系统就有很好环境适应性，就是一个理想系统。不然，就是一个没有生命力系统，就不能很好地完成系统目标。,运输系统工程讲义,第18页,下面，我们来看一个实例：,例11：,城市交通综合系统,城市交通综合系统是一个庞大动态系统，它本身状态是随时间改变而改变。其结构如图,11,所表示：,运输系统工程讲义,第19页,图,1 1,城市交通综合系统结构图,城市交通综合系统,交通环境条件,道路交通条件,路,段,交,通,系,统,路,口,交,通,系,统,交,通,设,施,系,统,行,人,交,通,系,统,公,共,交,通,系,统,交,通,管,理,系,统,公,共,场,所,分,布,居,民,住,宅,分,布,公,交,站,点,分,布,停,车,场,分,布,企,事,业,单,位,分,布,第,三,产,业,网,点,分,布,运输系统工程讲义,第20页,从,结构图,能够看出，城市交通系统含有以下四个特征：,整体性,城市交通系统是由人、车、道路、设施、管理、环境等许多子系统组成综合性整体，各子系统隶属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大城市系统中子系统。,相关性,城市交通系统内部各子系统、各子系统要素之间是有机联络、相互依存又相互作用。,目标性,城市交通系统含有特定目标。这就是：为人们从事各种活动提供必要物质条件和空间活动条件，并到达安全、快速、高效、舒适目标。,环境适应性,城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境影响和制约，并与周围环境相协调。,运输系统工程讲义,第21页,三、,系统思想,古代朴素系统思想,系统思想成熟与发展,运输系统工程讲义,第22页,古代朴素系统思想,在哲学上，这种朴素系统思想表现在把自然界看成一个统一整体。如古希腊辩证法奠基人之一赫拉克利特（约公元前,460370,年）就说过：“世界是包含一切整体”。亚里士多德还提出了“整体大于它各部分总和”论点。我国春秋末期思想家老子也强调自然界统一性。,在实践上，这种朴素系统思想表现在从事物之间相互联络角度去观察和改造世界。比如战国时期修建四川都江堰水利工程，把岷江分水工程、分洪排沙工程、引水工程三大主题工程和,120,个从属渠堰工程巧妙地联络在一起，形成一个协调运转工程总体，使工程含有防洪、浇灌、漂木、行舟等各种功效，这个工程表达出来就是整体观念、优化方法和系统思想。,古代朴素系统思想在军事、天文等方面也有许多应用实例，如孙子兵法、二十四节气 等。,运输系统工程讲义,第23页,系统思想成熟与发展,古代朴素系统思想即使强调对自然界整体性、统一性、相关性认识，不过这种认识是非常浅薄、片面，与真正系统思想、系统观念还有很大距离。这是因为当初生产力和科学技术还十分落后，人类改造世界能力有限，规模也很小，自然对客观世界中各种复杂依赖关系、制约关系认识就不够深刻、全方面。,15,世纪下半叶，因为近代自然科学发展，力学、天文学、物理学、化学、生物学等学科逐步分离，并日益发展，形成自己独立学科。这种分离就把自然界细节，从总自然联络中抽出来而分门别类地进行研究。因而使得人们对自然界各个层次、各个局部、各个细节、各个侧面以及这些层次、局部、细节、侧面之间联络有了更深入了解，取得了更详细科学资料，大大加深了人类对客观世界认识。不过，当初社会生产和科学技术这种进步，依然没能使人类形成明确和完整系统观念。这是因为人们这时候看问题眼光是静止、孤立，从而形成了形而上学思维方法。,运输系统工程讲义,第24页,19,世纪上半期，尤其是进入,20,世纪以后，社会生产和科学技术得到了空前发展。人类改造世界规模越来越大，程度越来越深，随之而来是，面临着越来越多前所未有问题：在人类生产活动中，为何有时候事半功倍，有时候却事倍功半？为何有时候事与愿顺，有时候却事与愿违？为何有时候局部和眼前效果与总体、久远效果一致，而有时候却相反？为何有时候一个优良甚至是普通局部能够组成一个优良整体，而有时候却恰恰相反？这些包括面极广而又带有普遍意义问题令人深思，同时也对形而上学自然观产生了极大冲击，使人们看到了这种思维观念缺点。人们认识到，只是在哲学层次上研究事物间相互联络、相互影响规律是不够，还必须以辩证唯物主义为指导，在普通科学层次内，对事物相互影响形式、相互影响路径、以及这种影响所产生后果进行准确、定量研究，也就是说必须从系统角度来考查和研究整个世界。系统思想正是在这种历史背景下产生和发展起来。,运输系统工程讲义,第25页,系统思想出现，彻底改变了人们思维方式，使人们在改造世界活动中，逐步地认识并揭示出客观世界本质联络和内部规律。尤其是当代科学技术发展以及计算机技术和信息技术高度发展，对系统思想产生与系统方法应用产生了极为重大影响，主要表达在两个方面：一是使系统思想、系统方法定量化、科学化，使之成为含有坚实数学理论基础，能够定量地处理系统各组成部分联络关系科学方法；二是计算机与信息技术应用，为系统思想、系统方法实际利用提供了强有力工具。正是因为上述两个特征，才使得系统思想方法从一个哲学思维逐步形成了独特系统理论，并在此基础上形成了一门专门科学,系统科学,。,运输系统工程讲义,第26页,四、,系统理论,系统理论包含：,1、,老三论,（形成于本世纪四十年代）：普通系统论、控制论和信息论。,2、,新三论,（形成于本世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。,运输系统工程讲义,第27页,当代科学技术发展有两个显著特点：,一、向深度发展，科学研究对象越来越专一，学科分类越来越精细，新领域、新学科、新专业不停产生；,二、各学科之间、各技术之间以及科学和技术之间又相互渗透、相互交叉、相互移植，而使得科学技术日趋整体化、综合化。,系统理论就是当代科学技术整体化、综合化产物。,运输系统工程讲义,第28页,普通系统论,其创始人是奥地利生物学家贝塔朗菲（,L,Von,Bertalanffy,），,普通系统论主要观点 以下：,1、系统观点；,2、动态观点；,3、等级观点。,普通系统论属于逻辑和数学领域，它任务是确立适合用于各种系统普通标准。普通系统论沟通了自然科学与社会科学、技术科学与人文科学之间联络，提出了研究各门学科新方法，使许多学科面貌焕然一新。普通系统论为系统思想发展，使人类走向系统时代，奠定了理论基础。,运输系统工程讲义,第29页,控制论,控制论是研究系统调整与控制普通规律科学。,1948,年，美国数学家维纳创建。主要内容 以下：,1、最优控制理论；,2、自适应、自学习和自组织系统理论；,3、含糊理论；,4、大系统理论。,运输系统工程讲义,第30页,信息论,信息论是研究信息传输和信息处理系统普通规律学科，其基本思想是完全撇开系统物质与能量详细运动形态，而把系统有目标运动抽象为一个信息变换过程，来探求信息普通特征、传送规律和原理。因为人类任何实践活动中，都包含着人流、物流、财流、信息流等各种流，其中信息流起着支配作用，它调整着系统内部其它流数量、方向、速度、目标，并控制着人和物有目标、有规律活动。,信息论是控制论基础。,运输系统工程讲义,第31页,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（,I,Prigogine,）,提出来。耗散结构是与平衡结构相正确。主要观点以下：,1、开放系统是产生耗散结构必要前提，同时也是耗散结构得以维持和存在基础。,2、非平衡态是系统有序之源。,3、系统涨落造成系统走向有序。所谓涨落，是指系统某个变量或某种行为对平均质偏离。,运输系统工程讲义,第32页,协同学理论,协同学（,Synergetics,）,理论也是在十九世纪,70,年代产生，是由联邦德国物理学家哈肯（,Harmann Haken,）,提出来。,主要观点以下：,1、协同造成有序。所谓协同，就是协同作用。,2、自组织理论。所谓自组织，哈肯尤其强调指是系统在没有外部指令条件下，其内部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定结构和功效，它含有内在性和自主性。自组织理论是协同学关键，。,运输系统工程讲义,第33页,突变论,突变论是,1972,年，由法国数学家托姆（,Rene Thom,）,提出来。突变理论是从量角度研究各种事物不连续改变，并试图用统一数学模型来描述它们。突变论以结构稳定性为基础，经过对系统稳定性研究，说明系统稳态与非稳态、渐变与突变特征及其相互关系，揭示系统状态演变内部原因与外界条件。,运输系统工程讲义,第34页,总 结,全部上述这些理论以及其它系统研究结果，融合在一起，形成了一个包含无比辽阔内容新学科“系统学”,。,系统科学是在自然科学、数学科学和社会科学三大科学之外形成一个崭新科学技术学科。按照钱学森同志观点，系统科学包含：工程技术,系统工程；技术科学,运筹学、控制论和信息论；基础科学,系统学；又从系统学这座桥梁,系统观，到达人类知识最高概括,马克思主义哲学。所以系统科学体系能够表示为：工程技术、技术科学、基础科学和哲学四个层次,。,运输系统工程讲义,第35页,五、,系统分类,1,自然系统和人造系统,：自然系统是由自然物为要素形成系统。如森林系统、人类系统、海洋系统、大气系统等等。组成要素是由人类制造、加工系统叫做人工系统。如运输系统、经济系统、工程技术系统、经营管理系统等。,2,实体系统和概念系统,：实体系统是以矿物、生物等实体组成系统，其要素是含有实体物质；概念系统是由概念、原理、标准、方法、制度等观念性东西组成，如科技体制、教育体系、法律系统等。,3,封闭系统和开放系统,：封闭系统与外界环境不发生任何形式交换。开放系统与环境有相互关系，能从环境得到输入，并向环境输出。,4,静态系统和动态系统,：这是以系统形态是否随时间改变为标准来进行分类,。,动态系统，是随时间而发生改变系统。,运输系统工程讲义,第36页,第二节,交通运输系统,一、,交通运输系统结构及特点,我国已初步形成了以铁路干线、长江、沿海水运、公路干线为骨架，由铁路、公路、水运、航空、管道等五种运输方式组成当代综合交通运输体系。,1铁路运输系统,2,公路运输系统,3,水运系统,4航空运输系统,5管道运输系统,运输系统工程讲义,第37页,二、交通运输系统性质及地位与作用,1,交通运输系统性质,（1）交通运输系统对于国民经济系统含有基础性,（2）交通运输系统对于空间、地域与时间含有较强依附性，即含有不可挪动性,（3）,交通运输系统对社会和经济系统贡献含有间接性和隐蔽性,（4）交通运输系统内部各种运输方式在一定程度上含有可替换性,运输系统工程讲义,第38页,2,交通运输系统地位与作用,（1）,交通运输系统是国民经济发展先决条件,（2）交通运输是实现流通物质伎俩,（3）交通运输是开发资源、联络城镇、发展横向联合、实现生产力合理布局纽带,（4）交通运输业是国民经济主要生产部门，又是工业生产巨大市场,（5）交通运输是实施对外开放、发展对外贸易必备条件,（6）交通运输对社会精神文明建设起着主动促进作用,运输系统工程讲义,第39页,OVER!,运输系统工程讲义,第40页,