运输系统工程课件
- 1. 运输系统工程
- 2. 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： 一、以水运为主的阶段（18世纪 ~ 19世纪上叶）； 二、以铁路为主的阶段（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的阶段（本世纪30年代 ~ 50年代）； 四、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）。 序言
- 3. 纵观交通运输的发展历史，我们可以看出：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，构成一个现代化的交通运输体系。 因此，对于从事交通运输管理的工作者来说，树立交通运输大系统的思想，掌握运输系统工程的方法，将具有十分重要的意义。 应用系统工程方法去解决运输系统的问题时，有两个重要的特点： 一、要从系统的观点出发； 二、要建立问题的系统模型。 我们将在论述系统思想和系统理论的基础上，较详尽地介绍系统工程的分析、预测、控制、评价、决策、模拟等方法，以及如何在交通运输领域中应用这些方法。
- 4. 第一章 运输系统第一节 系统的概念 第二节 交通运输系统
- 5. 第一节 系统的概念一、系统 二、系统的特性 三、系统思想 四、系统理论 五、系统分类
- 6. 第一节 系统的概念⒈ 系统的定义 系统—— System，我们并不陌生，在现实生活中，“系统”是一个被广泛使用的词。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、生殖这些子系统构成的；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构成的；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构成的；一部机器是一个机器系统；一个国家、整个社会也都构成了一个系统。一、系统
- 7. 撇开这些具体系统的具体形态和性质，我们可以发现，一切系统都具有以下几个共同点： 第一，系统是由两个以上的要素组成的整体。要素是构成系统的最基本的部分，没有要素就无法构成系统，单个要素也无法构成系统。 第二，系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有机联系。要素之间若没有任何联系和作用，则也不能称其为系统。 第三，系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。功能是系统所发挥的作用或效能，且是各要素个体所不具备的功能，这种功能是由系统内部要素的有机联系和系统的结构所决定的。
- 8. 综上所述：系统 就是由相互联系、相互作用的诸要素组成的具有一定功能的有机整体。
- 9. ⒉ 系统与要素之间的相互作用 系统与要素是相互伴随而产生的，相互作用而变化的。系统与要素之间的相互作用表现在以下几个方面： ⑴ 系统通过整体作用支配和控制要素 系统通过其整体作用来控制和决定各个要素在系统中的地位、排列顺序、作用、作用的大小以及作用的范围，协调着各要素之间的数量比例关系等等。系统整体稳定，则要素也稳定；系统整体特性和功能发生变化，则要素以及要素之间的关系也会随之变化。例如，综合运输系统的整体功能，决定和支配着作为要素的水运系统、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的地位、作用和它们之间的关系，为使综合运输系统的整体效益最佳，就要求各子系统必须充分发挥各自的功能，就要对各子系统之间的关系进行控制和协调。
- 10. ⑵ 要素通过相互作用决定系统的特性和功能一般来说，要素对系统的作用有两种可能的趋势： 一、是要素的组成成分和数量具有一种协调、适应的比例关系，使得要素能够维持系统的动态平衡和稳定，并使系统走向组织化、有序化； 二、是要素之间出现不协调、不适应的比例关系，这就会破坏系统的平衡和稳定，甚至使系统衰退、崩溃。 例如，对我国国民经济大系统而言，如果构成该系统的工业系统、农业系统、交通运输系统等各个系统都能够协调发展的话，就能够使国民经济持续、稳定的发展；但由于交通运输系统发展缓慢，与其它子系统之间出现了不协调、不适应的比例关系，因而严重制约了国民经济的发展，影响了国民经济大系统的整体效益。
- 11. ⑶ 系统与要素的概念是相对的 一个系统相对于构成它的要素而言是个系统，而相对于由它和其它事物构成的大系统而言，则是一个要素（或称子系统）；同样，一个要素相对于由它和其它要素构成的系统而言，是个要素，但相对于构成它的要素而言，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的要素；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、信息系统构成的系统。
- 12. 二、系统的特性 系统的特性主要表现为系统的整体性、相关性、目的性和环境适应性。
- 13. ⒈ 整体性所谓整体性是说：系统的各要素之间存在一定的组合方式，各要素之间是相互统一和协调的，系统整体的功能不是各组成要素功能的简单迭加，而是呈现出各组成要素所没有的新的功能，并且一般来说，系统的整体功能大于各组成要素的功能总和。 用公式表示即： F ＞ ∑Fi 式中：F是系统的整体功能； Fi是系统第i个要素的功能（ i = 1，2，3， …， n ）。
- 14. 系统整体功能大于其组成要素功能的总和，这不仅是在量的方面，更着重于质的方面。例如，一些零部件只有组装成一台机器，组成一个机器系统，才能充分发挥其功能，而单独的一个零件、一个螺丝钉是没有机器的属性，是不具备机器的功能的。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、配合协调的时候，才能够形成一个较好的、完善的系统。 这就是我们常说的：“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”。
- 15. 是否多个要素凑在一起，其功能都一定大于部分功能之和呢？ 答案是否定的！最典型的就是人们所说的“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，才使得集体运水的效果急减，甚至达到无水可吃的地步。这就说明，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。 因此，为了提高系统的整体功能，增强系统的整体效应，必须作到： 1、一切从整体出发。 2、各要素的结合要保持合理，注意从提高整体功能的角度去提高和协调要素的功能。
- 16. 相关性是指：各要素是相互联系、相互作用、相互依存、又相互制约的。系统中每个要素的存在都依赖于其它要素的存在，系统中任一要素的变化都将引起其它要素的变化乃至整个系统的变化。 各要素之间有着一定的组合关系、联系方式。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的，通过它们之间的协调关系，使交通网上的运输工具有条不紊地运行。如果各个要素各自为政，那么它们就不能组成相互协调的系统，势必会造成交通的紊乱。 因此，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。 ⒉ 相关性
- 17. ⒊ 目的性 任何一个系统都有它的目的，否则，也就失去了这个系统存在的价值和意义。例如，生物系统的目的性就是增殖个体、繁衍物种、保存生命；同样，人造系统也有它的目的性，如企业的经营目的，就是以最少的资源消耗去取得最大的经济效益。运输系统的目的，就是为国民经济的发展提供运输服务。运输系统中各运输子系统的目的，就是为运输大系统的总目的服务。
- 18. ⒋ 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的物质环境中，环境的变化对系统的变化有很大的影响，同时，系统的作用也会引起环境的变化。两者相互影响作用的结果，就有可能使系统改变或失去原有的功能。一个好的系统，必须不断地与外部环境产生物质的、能量的和信息的交换，才能适应外部环境的变化，这就是环境适应性。 例如：一个港口，如果能够经常了解同类港口和有关行业的动向，了解国家、用户和外贸的客货运要求，了解港口所处地区的工农业的发展状况、生产力的布局、产品的结构等等外部环境信息，并且能够根据这些外部信息及时调整港口的战略决策，那么，这个港口系统就有很好的环境适应性，就是一个理想的系统。否则，就是一个没有生命力的系统，就不能很好地完成系统的目的。
- 19. 下面，我们来看一个实例： 例1—1 ： 城市交通综合系统 城市交通综合系统是一个庞大的动态系统，它本身的状态是随时间变化而变化的。其结构如图1—1 所示：
- 20. 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
- 21. 从结构图可以看出，城市交通系统具有以下四个特性： ⑴ 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的综合性整体，各子系统从属于这个整体，而整个城市交通系统又是更庞大的城市系统中的子系统。 ⑵ 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系、相互依存又相互作用的。 ⑶ 目的性 城市交通系统具有特定的目的。这就是：为人们从事各种活动提供必要的物质条件和空间活动条件，并达到安全、快速、高效、舒适的目的。 ⑷ 环境适应性 城市交通系统处于社会环境之中，受周围环境的影响和制约，并与周围环境相协调。
- 22. 三、系统思想⒈古代朴素的系统思想 ⒉系统思想的成熟与发展
- 23. ⒈古代朴素的系统思想 在哲学上，这种朴素的系统思想表现在把自然界当作一个统一的整体。如古希腊辩证法的奠基人之一赫拉克利特（约公元前460—370年）就说过：“世界是包括一切的整体”。亚里士多德还提出了“整体大于它的各部分总和”的论点。我国春秋末期的思想家老子也强调自然界的统一性。 在实践上，这种朴素的系统思想表现在从事物之间相互联系的角度去观察和改造世界。例如战国时期修建的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个附属渠堰工程巧妙地联系在一起，形成一个协调运转的工程总体，使工程具有防洪、灌溉、漂木、行舟等多种功能，这个工程体现出来的就是整体的观念、优化的方法和系统的思想。 古代朴素的系统思想在军事、天文等方面也有许多应用的实例，如《孙子兵法》、二十四节气 等。
- 24. ⒉系统思想的成熟与发展 古代朴素的系统思想虽然强调对自然界整体性、统一性、相关性的认识，但是这种认识是非常肤浅的、片面的，与真正的系统思想、系统观念还有很大的距离。这是由于当时的生产力和科学技术还十分落后，人类改造世界的能力有限，规模也很小，自然对客观世界中的各种复杂的依赖关系、制约关系的认识就不够深刻、全面。 15世纪下半叶，由于近代自然科学的发展，力学、天文学、物理学、化学、生物学等学科逐渐分离，并日益发展，形成自己独立的学科。这种分离就把自然界的细节，从总的自然联系中抽出来而分门别类地进行研究。因而使得人们对自然界的各个层次、各个局部、各个细节、各个侧面以及这些层次、局部、细节、侧面之间的联系有了更深入的了解，获得了更详细的科学资料，大大加深了人类对客观世界的认识。但是，当时社会生产和科学技术的这种进步，仍然没能使人类形成明确和完整的系统观念。这是由于人们这时候看问题的眼光是静止的、孤立的，从而形成了形而上学的思维方法。
- 25. 19世纪上半期，特别是进入20世纪以后，社会生产和科学技术得到了空前的发展。人类改造世界的规模越来越大，程度越来越深，随之而来的是，面临着越来越多的前所未有的问题：在人类的生产活动中，为什么有时候事半功倍，有时候却事倍功半？为什么有时候事与愿顺，有时候却事与愿违？为什么有时候局部和眼前的效果与总体的、长远的效果一致，而有时候却相反？为什么有时候一个优良的甚至是一般的局部可以组成一个优良的整体，而有时候却恰恰相反？…这些涉及面极广而又带有普遍意义的问题令人深思，同时也对形而上学的自然观产生了极大的冲击，使人们看到了这种思维观念的缺陷。人们认识到，只是在哲学层次上研究事物间互相联系、互相影响的规律是不够的，还必须以辩证唯物主义为指导，在一般科学的层次内，对事物互相影响的形式、互相影响的途径、以及这种影响所产生的后果进行精确的、定量的研究，也就是说必须从系统的角度来考察和研究整个世界。系统思想正是在这种历史背景下产生和发展起来的。
- 26. 系统思想的出现，彻底改变了人们的思维方式，使人们在改造世界的活动中，逐步地认识并揭示出客观世界的本质联系和内部规律。特别是现代科学技术的发展以及计算机技术和信息技术的高度发展，对系统思想的产生与系统方法的应用产生了极为重大的影响，主要体现在两个方面：一是使系统思想、系统方法定量化、科学化，使之成为具有坚实的数学理论基础的，能够定量地处理系统各组成部分联系关系的科学方法；二是计算机与信息技术的应用，为系统思想、系统方法的实际运用提供了强有力的工具。正是由于上述两个特征，才使得系统思想方法从一种哲学思维逐步形成了独特的系统理论，并在此基础上形成了一门专门的科学——系统科学。
- 27. 四、系统理论系统理论包括： 1、老三论（形成于本世纪四十年代）：一般系统论、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。
- 28. 当代科学技术的发展有两个显著的特点： 一、向深度发展，科学研究的对象越来越专一，学科分类越来越精细，新领域、新学科、新专业不断产生； 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。 系统理论就是现代科学技术整体化、综合化的产物。
- 29. ⒈ 一般系统论其创始人是奥地利生物学家贝塔朗菲（L﹒Von﹒Bertalanffy），一般系统论的主要观点 如下：1、系统观点 ； 2、动态观点 ； 3、等级观点 。 一般系统论属于逻辑和数学的领域，它的任务是确立适用于各种系统的一般原则。一般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的联系，提出了研究各门学科的新的方法，使许多学科面貌焕然一新。一般系统论为系统思想的发展，使人类走向系统时代，奠定了理论基础。
- 30. ⒉ 控制论 控制论是研究系统的调节与控制的一般规律的科学。 1948年，美国数学家维纳创立。主要内容 如下：1、最优控制理论 ； 2、自适应、自学习和自组织系统理论 ； 3、模糊理论 ； 4、大系统理论 。
- 31. ⒊ 信息论 信息论是研究信息传输和信息处理系统的一般规律的学科，其基本思想是完全撇开系统物质与能量的具体运动形态，而把系统的有目的的运动抽象为一个信息变换的过程，来探求信息的一般特征、传送规律和原理。由于人类的任何实践活动中，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的作用，它调节着系统内部其它流的数量、方向、速度、目标，并控制着人和物的有目的、有规律的活动。 信息论是控制论的基础。
- 32. ⒋ 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。所谓涨落，是指系统的某个变量或某种行为对平均质的偏离。
- 33. ⒌ 协同学理论协同学（Synergetics）理论也是在十九世纪70年代产生的，是由联邦德国的物理学家哈肯（Harmann Haken）提出来的。 主要观点如下：1、协同导致有序。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，。
- 34. ⒍ 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。
- 35. 总 结 所有上述这些理论以及其它系统研究的成果，融合在一起，形成了一种包括无比广阔内容的新学科——“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的一个崭新的科学技术学科。按照钱学森同志的观点，系统科学包括：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，达到人类知识的最高概括——马克思主义哲学。所以系统科学体系可以表达为：工程技术、技术科学、基础科学和哲学四个层次 。
- 36. 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的系统。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、加工的系统叫做人工系统。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、生物等实体组成的系统，其要素是具有实体的物质；概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度等观念性的东西组成的，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的交换。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：这是以系统的形态是否随时间变化为标准来进行分类的 。动态系统，是随时间而发生变化的系统。
- 37. 第二节 交通运输系统一、 交通运输系统的结构及特点 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的现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
- 38. 二、交通运输系统的性质及地位与作用 1．交通运输系统的性质 （1）交通运输系统对于国民经济系统具有基础性 （2）交通运输系统对于空间、地域与时间具有较强的依附性，即具有不可挪动性 （3） 交通运输系统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
- 39. 2．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
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