第一章 -交通系統(tǒng)工程課件

交通系統(tǒng)工程第一章--交通系統(tǒng)工程Why?

時代特征及社會發(fā)展趨勢

經(jīng)濟(jì)全球化交通與社會生活的關(guān)系日趨密切可持續(xù)發(fā)展引起普遍關(guān)注

引言:Why“要學(xué)一點(diǎn)系統(tǒng)工程”第一章--交通系統(tǒng)工程引言:Why交通規(guī)劃與管理科學(xué)的發(fā)展與人才培養(yǎng)

發(fā)展的“制高點(diǎn)”

——系統(tǒng)化管理

T型人才

北京工業(yè)大學(xué)交通學(xué)科的發(fā)展及學(xué)科優(yōu)勢

第一章--交通系統(tǒng)工程引言:What/WhenWhat/When?

SE是以大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)（特別是管理系統(tǒng)）為研究對象，在系統(tǒng)理論、管理科學(xué)及其運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上形成的一門交叉學(xué)科。通過學(xué)習(xí)，主要使學(xué)生掌握分析與解決各種管理系統(tǒng)問題的思想、程序和方法。第一章--交通系統(tǒng)工程引言:What/When第1講系統(tǒng)概述第2講系統(tǒng)工程理論第3講系統(tǒng)分析第4講系統(tǒng)預(yù)測第一章--交通系統(tǒng)工程引言:What/When第5講系統(tǒng)優(yōu)化第6講系統(tǒng)評價方法第7講決策分析方法第8講系統(tǒng)仿真及系統(tǒng)動力學(xué)方法第8、9、10講系統(tǒng)工程應(yīng)用實(shí)例[6]第一章--交通系統(tǒng)工程引言:Who/WhereWho/Where?

Who

——

學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)。

Where

——

將課堂內(nèi)外的學(xué)習(xí)結(jié)合起來！第一章--交通系統(tǒng)工程引言:HowHow?

建議

注重系統(tǒng)思考 堅持問題導(dǎo)向 采用系統(tǒng)化方法教學(xué)要求考勤30分，作業(yè)30分，考核40分第一章--交通系統(tǒng)工程引言:How教學(xué)參考書：交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程交通出版社

第一章--交通系統(tǒng)工程第一章

系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)第一章--交通系統(tǒng)工程第一節(jié)

系統(tǒng)的概念

系統(tǒng)的定義

系統(tǒng)是由相互聯(lián)系、相互作用的諸要素組成的具有一定功能的有機(jī)整體。

第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)與要素之間的相互作用

系統(tǒng)通過整體作用支配和控制要素要素通過相互作用決定系統(tǒng)的特性和功能系統(tǒng)和要素的概念是相對的第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)的特性

整體性相關(guān)性目的性環(huán)境適應(yīng)性

第一章--交通系統(tǒng)工程大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)的功能和屬性多樣，由此而帶來的多重目標(biāo)間經(jīng)常會出現(xiàn)相互消長或沖突的關(guān)系；

(2)系統(tǒng)通常由多維且不同質(zhì)的要素所構(gòu)成；

(3)一般為人—機(jī)系統(tǒng)，而人及其組織或群體表現(xiàn)出固有的復(fù)雜性；

(4)由要素間相互作用關(guān)系所形成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化和動態(tài)化。（5）大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)還具有規(guī)模龐大及經(jīng)濟(jì)性突出等特點(diǎn)。第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)分類1、自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)2、實(shí)體系統(tǒng)與概念系統(tǒng)3、動態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)4、封閉系統(tǒng)與開放系統(tǒng)第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)思想

古代樸素的系統(tǒng)思想把世界當(dāng)作統(tǒng)一的整體系統(tǒng)思想的成熟與發(fā)展

第一章--交通系統(tǒng)工程古代樸素的系統(tǒng)思想（國外）古希臘的唯物主義哲學(xué)家德謨克利特曾提出“宇宙大系統(tǒng)”的概念，并最早使用“系統(tǒng)”一詞；辨證法奠基人之一的赫拉克利特認(rèn)為“世界是包括一切的整體”；后人把亞里士多德的名言歸結(jié)為“整體大于部分的總和”，這是系統(tǒng)論的基本原則之一。第一章--交通系統(tǒng)工程古代樸素的系統(tǒng)思想（中國）在古代中國，春秋末期的思想家老子曾闡明了自然界的統(tǒng)一性；西周時代，出現(xiàn)了世界構(gòu)成的“五行說”(金、木、水、火、土)；東漢時期張衡提出了“渾天說”。秦漢之際成書的中國古代最著名的醫(yī)學(xué)典籍《內(nèi)經(jīng)》，包含著豐富的系統(tǒng)思想。它根據(jù)陰陽五行的樸素辯證法，把自然界和人體看成由金、木、水、火、土五種要素相生相克、相互制約而形成的有秩序、有組織的整體。人與天地自然又是相應(yīng)、相生而形成的更大系統(tǒng)。《易經(jīng)》也被認(rèn)為是樸素系統(tǒng)思想的結(jié)晶。公元前六世紀(jì)，中國古代著名的軍事家孫武，在他的《孫子兵法》中，闡明了不少樸素的系統(tǒng)思想和運(yùn)籌方法。該書共十三篇，講究打仗要把道(義)、天(時)、地(利)、將(才)、法(治)等五個要素結(jié)合起來考慮。第一章--交通系統(tǒng)工程古代樸素的系統(tǒng)思想古代樸素的系統(tǒng)思想用自發(fā)的系統(tǒng)概念考察自然現(xiàn)象，其理論是想象的，有時是憑靈感產(chǎn)生出來的，沒有也不可能建立在對自然現(xiàn)象具體剖析的基礎(chǔ)上。因而這種關(guān)于整體性和統(tǒng)一性的認(rèn)識是不完全和難以用實(shí)踐加以檢驗(yàn)的。早期的系統(tǒng)思想具有“只見森林”和比較抽象的特點(diǎn)。第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)思想的成熟與發(fā)展15世紀(jì)下半葉以后，力學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等相繼從哲學(xué)的統(tǒng)一體中分離出來，形成了自然科學(xué)。從此，古代樸素的唯物主義哲學(xué)思想就逐步讓位于形而上學(xué)的思想。這時的系統(tǒng)思想具有“只見樹木”和具體化的特點(diǎn)。19世紀(jì)自然科學(xué)取得了巨大成就，尤其是能量轉(zhuǎn)化、細(xì)胞學(xué)說、進(jìn)化論這三大發(fā)現(xiàn)，使人類對自然過程相互聯(lián)系的認(rèn)識有了質(zhì)的飛躍，為辯證唯物主義的科學(xué)系統(tǒng)觀奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。這個階段的系統(tǒng)思想具有“先見森林、后見樹木”的特點(diǎn)。第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)理論

從系統(tǒng)思想發(fā)展到(一般)系統(tǒng)論、控制論、信息論等系統(tǒng)理論，是和近代、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的興起與發(fā)展緊密聯(lián)系、到20世紀(jì)初中葉才實(shí)現(xiàn)的。老三論：形成于20世紀(jì)40年代一般系統(tǒng)論、控制論和信息論

新三論：形成于20世紀(jì)70年代耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同論和突變論

第一章--交通系統(tǒng)工程系統(tǒng)論或狹義的一般系統(tǒng)論，是研究系統(tǒng)的模式、原則和規(guī)律，并對其功能進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的理論。其代表人物為奧地利理論生物學(xué)家貝塔朗菲?？刂普撌茄芯扛黝愊到y(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)的一般規(guī)律的綜合性理論，“信息”與“控制”等是其核心概念。它是繼一般系統(tǒng)論之后，由數(shù)學(xué)家維納在20世紀(jì)40年代創(chuàng)立的。信息論是研究信息的提取、變換、存儲和流通等特點(diǎn)和規(guī)律的理論。第一章--交通系統(tǒng)工程一般系統(tǒng)論的基本觀點(diǎn)系統(tǒng)的整體性系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的動態(tài)相關(guān)性系統(tǒng)的層次等級性第一章--交通系統(tǒng)工程控制論的產(chǎn)生與發(fā)展維納于1948年出版了《控制論》一書，他對控制論的定義是：“關(guān)于動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)。”明確地指明這門新科學(xué)既突破了動物和機(jī)器地界限，又突破了控制工程與通信工程地學(xué)科界限。因而維納的控制論闡述著兩個根本觀念：①一切有生命、無生命系統(tǒng)都是信息系統(tǒng)?？刂频倪^程也可以說是信息運(yùn)動的過程。無論是機(jī)器還是生物，在構(gòu)成控制系統(tǒng)的前提下，都存在著對信息進(jìn)行接收、存取和加工的過程。②一切有生命、無生命系統(tǒng)都是控制系統(tǒng)。一個系統(tǒng)，一定有它的特定輸出功能，而要具有這種輸出功能，必須有相應(yīng)的一套控制機(jī)制?？刂票仨氁心繕?biāo)，沒有目標(biāo)，則無所謂控制。通過一系列有目的的行為及反饋使系統(tǒng)受到控制。人們根據(jù)維納的定義形成的比較公認(rèn)的看法是：“控制論是以研究各種系統(tǒng)共同存在的控制規(guī)律為對象的一門科學(xué)。”錢學(xué)森認(rèn)為其是二十世紀(jì)上半葉最偉大的三項(xiàng)理論（相對論、量子論、控制論）之一。第一章--交通系統(tǒng)工程控制論的發(fā)展已大致經(jīng)歷了三個時期。從40年代末到50年代是第一個時期，即經(jīng)典控制理論時期。在這一時期，主要的研究對象是單因素控制系統(tǒng)，重點(diǎn)是反饋控制，借以實(shí)現(xiàn)的工具是各種各樣的自動調(diào)節(jié)器、伺服機(jī)構(gòu)及其有關(guān)的電子設(shè)備，著重解決單機(jī)自動化和局部自動化問題。如用自動調(diào)節(jié)器來控制鍋爐水位，用伺服機(jī)構(gòu)使雷達(dá)自動跟蹤目標(biāo)，控制火炮自動瞄準(zhǔn)等。但是這些都是單變量自動控制，只解決單輸入與單輸出系統(tǒng)的控制問題，在應(yīng)用上有一定局限性?？刂普摪l(fā)展的第二個時期為60年代，即現(xiàn)代控制理論時期。隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)、人造衛(wèi)星、航天系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，提出了多輸入、多輸出、高精度和參數(shù)時變系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題，以往經(jīng)典控制論已不能滿足需要了。因而這一時期，控制論的主要研究對象就成了多因素控制系統(tǒng)，研究重點(diǎn)是“最優(yōu)控制”，研究借助的工具是電子計算機(jī)。美國科學(xué)家卡爾曼（Kalman）等人將量子力學(xué)等內(nèi)容引入到了控制論中，擴(kuò)展了經(jīng)典控制論的內(nèi)容，將控制論從“經(jīng)典控制論”推向“現(xiàn)代控制理論”，從單變量的自動調(diào)節(jié)發(fā)展到多變量的最優(yōu)控制。第一章--交通系統(tǒng)工程進(jìn)入70年代以后，是大系統(tǒng)控制理論時期。在這一時期，主要研究對象是因素眾多的大系統(tǒng)，重點(diǎn)是大系統(tǒng)多級遞階控制，借助的工具是電子計算機(jī)聯(lián)機(jī)和智能機(jī)器，應(yīng)用領(lǐng)域主要為社會系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)等。這些大系統(tǒng)是大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)，其規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)數(shù)量大或?qū)哟屋^多，其間關(guān)系錯綜復(fù)雜，影響因素眾多，并常帶有隨機(jī)性質(zhì)的系統(tǒng)。研究大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案、穩(wěn)定性、最優(yōu)化、建立模型的模型簡化等問題成為大系統(tǒng)理論。分解與協(xié)調(diào)的方法是大系統(tǒng)優(yōu)化的基本方法。第一章--交通系統(tǒng)工程控制論研究的重點(diǎn)是帶有反饋回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并不是任意的控制系統(tǒng)?？刂普撌滓挠^點(diǎn)是反饋，從反饋的觀點(diǎn)看，反饋（負(fù)反饋）就是控制的調(diào)節(jié)行為，因而多把控制論系統(tǒng)局限于帶反饋回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂普摰牧硪粋€重要觀點(diǎn)是信息。從信息的觀點(diǎn)出發(fā)，可以認(rèn)為控制論所說的反饋是指信息反饋。因而控制論系統(tǒng)是通過信息的傳輸、變換和反饋來實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。

輸入偏差控制輸出反饋施控器受控器檢測器比較器環(huán)境第一章--交通系統(tǒng)工程耗散結(jié)構(gòu)理論簡介1969年比利時物理學(xué)家普利高津（I?Prigogine）對非平衡態(tài)不可逆過程的研究提出了一種學(xué)說：一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)（平衡態(tài)時熵最大）的開放系統(tǒng)（不管是力學(xué)、物理化學(xué)的，還是生命的），在外界條件發(fā)生變化達(dá)到一定閾值時，量變可以發(fā)生質(zhì)變（由無序到有序的突變）。突變后形成的有序狀態(tài)稱耗散結(jié)構(gòu)。如貝納德流就是一種耗散結(jié)構(gòu)。有序的耗散結(jié)構(gòu)與平衡結(jié)構(gòu)不同，平衡結(jié)構(gòu)雖穩(wěn)定有序，但是一種“死”結(jié)構(gòu)，它不需要靠外界供應(yīng)物質(zhì)、能量來維持。而穩(wěn)定有序的耗散結(jié)構(gòu)是一種“活”結(jié)構(gòu)，它要不斷同外界交換物質(zhì)、能量來維持其有序狀態(tài)。正是因?yàn)樗ㄟ^這種有序狀態(tài)去耗散物質(zhì)和能量，所以被稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)定量研究描述了無序向有序的轉(zhuǎn)化，統(tǒng)一了非生命與生命系統(tǒng)之間的聯(lián)系。第一章--交通系統(tǒng)工程協(xié)同學(xué)是七十年代后期由西德理論物理學(xué)家哈肯（Haken）創(chuàng)立的。早在60年代初激光問世時，哈肯就積極從事激光理論研究，他發(fā)現(xiàn)激光呈現(xiàn)出豐富的合作現(xiàn)象，從而得出了協(xié)同作用的重要概念，但協(xié)同學(xué)正是形成框架是1977年。協(xié)同學(xué)是一種研究各種不同系統(tǒng)在一定外部條件下，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間通過非線性相互作用產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使系統(tǒng)從混沌無序狀態(tài)向有序狀態(tài)，從低級有序向高級有序以及從有序又轉(zhuǎn)化為混沌的機(jī)理和共同規(guī)律的理論。它以信息論、控制論、耗散結(jié)構(gòu)理論、突變論等現(xiàn)代科學(xué)理論的新成果為基礎(chǔ)，同時采用了統(tǒng)計學(xué)與動力學(xué)考查相結(jié)合的方法，通過類比，對各學(xué)科中的從無序到有序的現(xiàn)象建立了一整套數(shù)學(xué)模型和處理方案，從而可把在一門學(xué)科中所取得的成果、很快推廣到其它學(xué)科類似現(xiàn)象上去。第一章--交通系統(tǒng)工程哈肯認(rèn)為系統(tǒng)由無序到有序的關(guān)鍵不在平衡、非平衡或者離平衡態(tài)有多遠(yuǎn)。關(guān)鍵在于組成系統(tǒng)的各子系統(tǒng)在一定條件下，它們之間的非線性作用、相互協(xié)同和合作，自發(fā)產(chǎn)生有序結(jié)構(gòu)。因此強(qiáng)調(diào)了協(xié)同現(xiàn)象的普遍性和重要性。協(xié)同學(xué)著重研究系統(tǒng)中各元素間的合作，它不僅研究開放系統(tǒng)從無序到有序的演化規(guī)律，而且也研究其從有序到無序的演化規(guī)律，真正統(tǒng)一了有序與無序。因而協(xié)同學(xué)較耗散結(jié)構(gòu)理論來說有更廣的適用領(lǐng)域，它把研究從遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)擴(kuò)展到近平衡態(tài)和平衡態(tài)系統(tǒng)。協(xié)同學(xué)的出現(xiàn)把非平衡系統(tǒng)的自組織理論推到了一個新的發(fā)展階段。第一章--交通系統(tǒng)工程協(xié)同學(xué)所闡述的基本原理主要為協(xié)同效用原理、支配原理和自組織原理。協(xié)同效用原理即“協(xié)同導(dǎo)致有序”，系統(tǒng)的有序性是由系統(tǒng)要素的協(xié)同作用形成的，協(xié)同作用是任何復(fù)雜系統(tǒng)本身所固有的自組織能力，是形成系統(tǒng)有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部作用力。系統(tǒng)的這種自組織現(xiàn)象，只能在含有大量子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)中才能實(shí)現(xiàn)，只有在大量子系統(tǒng)之間才會存在十分復(fù)雜的聯(lián)系，才能產(chǎn)生系統(tǒng)整體的有序運(yùn)動。第一章--交通系統(tǒng)工程支配原理：復(fù)雜系統(tǒng)在由不穩(wěn)定點(diǎn)向新有序時空結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，通常受到序參量的決定。在復(fù)雜系統(tǒng)中有兩類變量，即快變量與慢變量（即序參量），它們的地位不同，起支配控制作用的變量是慢變量?？熳兞吭谙到y(tǒng)受到干擾而偏離穩(wěn)態(tài)時，總是傾向于使系統(tǒng)重新回到原來的穩(wěn)態(tài)，這種變量起了一種類似阻尼的作用，并且衰減得也很快，所以叫快變量。慢變量在系統(tǒng)因漲落而偏離穩(wěn)態(tài)時，總是傾向于使系統(tǒng)更加偏離原來的穩(wěn)態(tài)而走向非穩(wěn)態(tài)，這種變量在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)的臨界區(qū)時，特征，并且衰減得很慢，因呈現(xiàn)出一種無阻尼而稱為慢變量。利用絕熱消去法，消去快變量，可以大大簡化問題，易于求解。第一章--交通系統(tǒng)工程自組織原理：系統(tǒng)在沒有外部指令的條件下，其內(nèi)部子系統(tǒng)之間能夠按照某種規(guī)則自動形成一定的結(jié)構(gòu)或功能，它具有內(nèi)在性和自生性。在外部能量和物質(zhì)輸入的情況下，系統(tǒng)會通過大量子系統(tǒng)間的協(xié)同作用，在自身漲落力的推動下，形成新的時空結(jié)構(gòu)。第一章--交通系統(tǒng)工程突變理論是法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆（Rene·Thom）于1972年創(chuàng)立的。它是一個新的數(shù)學(xué)分支，也是系統(tǒng)科學(xué)發(fā)展中的一個重要分支。以往的數(shù)學(xué)只能解決連續(xù)變化（離散連續(xù)）問題，漸變論是學(xué)術(shù)界的主導(dǎo)思想，對那些突然出現(xiàn)的非連續(xù)性變化顯得無能為力，不能解釋突變問題。突變理論從量的角度研究各種事物的不連續(xù)變化問題，進(jìn)行從量變到質(zhì)變的研究。它用形象而精確的數(shù)學(xué)模型來模擬突變過程，其要點(diǎn)在于考察這一過程從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的躍遷。運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具主要為拓?fù)鋵W(xué)、奇點(diǎn)理論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論。第一章--交通系統(tǒng)工程突變論中以控制變量（U）來表示那些作為突變原因的連續(xù)變化因素，以狀態(tài)變量（x）來表示可能出現(xiàn)突變的量。突變論運(yùn)用數(shù)學(xué)工具描述系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)、不穩(wěn)定態(tài)的參數(shù)區(qū)域以及系統(tǒng)突變時的參數(shù)特定位置，從而建立起突變過程的數(shù)學(xué)模型。b?理論????xa民主社會不安定程度分支集…...:..:..:.:...:...::....ABA′B′????xA′xBxAxB′保守激進(jìn)xβββ′行為面控制面x

圖2－1

社會狀態(tài)的突變模型第一章--交通系統(tǒng)工程第二節(jié)交通運(yùn)輸系統(tǒng)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的性質(zhì)及地位與作用第一章--交通系統(tǒng)