交通系统工程

1、交通系统工程交通系统工程引言: Why交通规划与管理科学的发展与人才培养交通规划与管理科学的发展与人才培养发展的发展的“制高点制高点” 系统化管理系统化管理 T T型人才型人才 北京工业大学交通学科的发展及学科优势北京工业大学交通学科的发展及学科优势 引言: What/When What /When? SESE是以大规模复杂系统（特别是管理系统）是以大规模复杂系统（特别是管理系统）为研究对象，在系统理论、管理科学及其运筹为研究对象，在系统理论、管理科学及其运筹学等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学学等学科基础上形成的一门交叉学科。通过学习，主要使学生掌握分析与解决各种管理系统习，主要使学生掌

2、握分析与解决各种管理系统问题的思想、程序和方法。问题的思想、程序和方法。引言: What/When 第第1讲讲 系统概述系统概述 第第2讲讲 系统工程理论系统工程理论 第第3讲讲 系统分析系统分析 第第4讲讲 系统预测系统预测引言: What/When 第第5讲讲 系统优化系统优化 第第6讲讲 系统评价方法系统评价方法 第第7讲讲 决策分析方法决策分析方法 第第8讲讲 系统仿真及系统动力学方法系统仿真及系统动力学方法 第第8、9、10讲讲 系统工程应用实例系统工程应用实例 6引言: Who/Where Who/Where? Who Who 学生为主体，教师为主导。学生为主体，教师为主导。 Wh

3、ereWhere 将课堂内外的学习结合起来！将课堂内外的学习结合起来！引言: How How? 建议建议 注重系统思考注重系统思考 坚持问题导向坚持问题导向 采用系统化方法采用系统化方法 教学要求教学要求考勤考勤30分，作业分，作业30分，考核分，考核40分分引言: How 教学参考书教学参考书： 交通运输系统工程交通运输系统工程 交通出版社交通出版社 第一章 系统及运输系统第一节 系统的概念系统的定义系统的定义 系统是由相互联系、相互作用的诸要素组成的具有一定功能的有机整体。 系统与要素之间的相互作用系统与要素之间的相互作用 系统通过整体作用支配和控制要素 要素通过相互作用决定系统的特性和功

4、能 系统和要素的概念是相对的 系统的特性 整体性 相关性 目的性 环境适应性 大规模复杂系统的特点 (1)系统的功能和属性多样，由此而带来的多重目标间经常会出现相互消长或冲突的关系； (2)系统通常由多维且不同质的要素所构成； (3)一般为人机系统，而人及其组织或群体表现出固有的复杂性； (4)由要素间相互作用关系所形成的系统结构日益复杂化和动态化。 （5）大规模复杂系统还具有规模庞大及经济性突出等特点。 系统分类 1、自然系统与人造系统 2、实体系统与概念系统 3、动态系统和静态系统 4、封闭系统与开放系统 系统思想系统思想 古代朴素的系统思想 把世界当作统一的整体 系统思想的成熟与发展 古

5、代朴素的系统思想（国外） 古希腊的唯物主义哲学家德谟克利特曾提出“宇宙大系统”的概念，并最早使用“系统”一词；辨证法奠基人之一的赫拉克利特认为“世界是包括一切的整体”；后人把亚里士多德的名言归结为“整体大于部分的总和”，这是系统论的基本原则之一。 古代朴素的系统思想（中国） 在古代中国，春秋末期的思想家老子曾阐明了自然界的统一性；西周时代，出现了世界构成的“五行说”(金、木、水、火、土)；东汉时期张衡提出了“浑天说”。 秦汉之际成书的中国古代最著名的医学典籍内经，包含着丰富的系统思想。它根据阴阳五行的朴素辩证法，把自然界和人体看成由金、木、水、火、土五种要素相生相克、相互制约而形成的有秩序、有

6、组织的整体。人与天地自然又是相应、相生而形成的更大系统。易经也被认为是朴素系统思想的结晶。 公元前六世纪，中国古代著名的军事家孙武，在他的孙子兵法中，阐明了不少朴素的系统思想和运筹方法。该书共十三篇，讲究打仗要把道(义)、天(时)、地(利)、将(才)、法(治)等五个要素结合起来考虑。古代朴素的系统思想 古代朴素的系统思想用自发的系统概念考察自然现象，其理论是想象的，有时是凭灵感产生出来的，没有也不可能建立在对自然现象具体剖析的基础上。因而这种关于整体性和统一性的认识是不完全和难以用实践加以检验的。早期的系统思想具有“只见森林”和比较抽象的特点。系统思想的成熟与发展 15世纪下半叶以后，力学、天

7、文学、物理学、化学、生物学等相继从哲学的统一体中分离出来，形成了自然科学。从此，古代朴素的唯物主义哲学思想就逐步让位于形而上学的思想。这时的系统思想具有“只见树木”和具体化的特点。 19世纪自然科学取得了巨大成就，尤其是能量转化、细胞学说、进化论这三大发现，使人类对自然过程相互联系的认识有了质的飞跃，为辩证唯物主义的科学系统观奠定了物质基础。这个阶段的系统思想具有“先见森林、后见树木”的特点。 系统理论系统理论 从系统思想发展到(一般)系统论、控制论、信息论等系统理论，是和近代、现代科学技术的兴起与发展紧密联系、到20世纪初中叶才实现的。老三论：形成于20世纪40年代 一般系统论、控制论和信息

8、论 新三论：形成于20世纪70年代 耗散结构理论、协同论和突变论 系统论或狭义的一般系统论，是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能进行数学描述的理论。其代表人物为奥地利理论生物学家贝塔朗菲。 控制论是研究各类系统的控制和调节的一般规律的综合性理论，“信息”与“控制”等是其核心概念。它是继一般系统论之后，由数学家维纳在20世纪40年代创立的。 信息论是研究信息的提取、变换、存储和流通等特点和规律的理论。一般系统论的基本观点 系统的整体性 系统的开放性 系统的动态相关性 系统的层次等级性 控制论的产生与发展维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。

9、”明确地指明这门新科学既突破了动物和机器地界限，又突破了控制工程与通信工程地学科界限。因而维纳的控制论阐述着两个根本观念： 一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过程。无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。 一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统，一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。通过一系列有目的的行为及反馈使系统受到控制。人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。”钱学森认

10、为其是二十世纪上半叶最伟大的三项理论（相对论、量子论、控制论）之一。 控制论的发展已大致经历了三个时期。从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。如用自动调节器来控制锅炉水位，用伺服机构使雷达自动跟踪目标，控制火炮自动瞄准等。但是这些都是单变量自动控制，只解决单输入与单输出系统的控制问题，在应用上有一定局限性。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速发展，提出

11、了多输入、多输出、高精度和参数时变系统的分析和设计问题，以往经典控制论已不能满足需要了。因而这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算机。美国科学家卡尔曼（Kalman）等人将量子力学等内容引入到了控制论中，扩展了经典控制论的内容，将控制论从“经典控制论”推向“现代控制理论”，从单变量的自动调节发展到多变量的最优控制。 进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。这些大

12、系统是大规模复杂系统，其规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性质的系统。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题成为大系统理论。分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。 控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统。控制论首要的观点是反馈，从反馈的观点看，反馈（负反馈）就是控制的调节行为，因而多把控制论系统局限于带反馈回路的闭环控制系统。控制论的另一个重要观点是信息。从信息的观点出发，可以认为控制论所说的反馈是指信息反馈。因而控制论系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现自动调节的控制系统。 输入 偏差

13、 控制 输出反馈施控器受控器检测器比较器环 境耗散结构理论简介1969年比利时物理学家普利高津（IP rigogine）对非平衡态不可逆过程的研究提出了一种学说：一个远离平衡态（平衡态时熵最大）的开放系统（不管是力学、物理化学的，还是生命的），在外界条件发生变化达到一定阈值时，量变可以发生质变（由无序到有序的突变）。突变后形成的有序状态称耗散结构。如贝纳德流就是一种耗散结构。有序的耗散结构与平衡结构不同，平衡结构虽稳定有序，但是一种“死”结构，它不需要靠外界供应物质、能量来维持。而稳定有序的耗散结构是一种“活”结构，它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。正是因为它要通过这种有序状态去耗

14、散物质和能量，所以被称为耗散结构。耗散结构定量研究描述了无序向有序的转化，统一了非生命与生命系统之间的联系。 协同学是七十年代后期由西德理论物理学家哈肯（Haken）创立的。早在60年代初激光问世时，哈肯就积极从事激光理论研究，他发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作用的重要概念，但协同学正是形成框架是1977年。协同学是一种研究各种不同系统在一定外部条件下，系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应，使系统从混沌无序状态向有序状态，从低级有序向高级有序以及从有序又转化为混沌的机理和共同规律的理论。它以信息论、控制论、耗散结构理论、突变论等现代科学理论的新成果为基础，同时采用了

15、统计学与动力学考查相结合的方法，通过类比，对各学科中的从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，从而可把在一门学科中所取得的成果、很快推广到其它学科类似现象上去。 哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或者离平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在一定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结构。因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同学着重研究系统中各元素间的合作，它不仅研究开放系统从无序到有序的演化规律，而且也研究其从有序到无序的演化规律，真正统一了有序与无序。因而协同学较耗散结构理论来说有更广的适用领域，它把研究从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平

16、衡态系统。协同学的出现把非平衡系统的自组织理论推到了一个新的发展阶段。 协同学所阐述的基本原理主要为协同效用原理、支配原理和自组织原理。 协同效用原理即“协同导致有序”，系统的有序性是由系统要素的协同作用形成的，协同作用是任何复杂系统本身所固有的自组织能力，是形成系统有序结构的内部作用力。系统的这种自组织现象，只能在含有大量子系统的复杂系统中才能实现，只有在大量子系统之间才会存在十分复杂的联系，才能产生系统整体的有序运动。 支配原理：复杂系统在由不稳定点向新有序时空结构转变时，通常受到序参量的决定。在复杂系统中有两类变量，即快变量与慢变量（即序参量），它们的地位不同，起支配控制作用的变量是慢变

17、量。快变量在系统受到干扰而偏离稳态时，总是倾向于使系统重新回到原来的稳态，这种变量起了一种类似阻尼的作用，并且衰减得也很快，所以叫快变量。慢变量在系统因涨落而偏离稳态时，总是倾向于使系统更加偏离原来的稳态而走向非稳态，这种变量在系统处于稳态与非稳态的临界区时，呈现出一种无阻尼特征，并且衰减得很慢，因而称为慢变量。 利用绝热消去法，消去快变量，可以大大简化问题，易于求解。 自组织原理：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或功能，它具有内在性和自生性。在外部能量和物质输入的情况下，系统会通过大量子系统间的协同作用，在自身涨落力的推动下，形成新的时空结构。

18、突变理论是法国数学家勒内托姆（ReneThom）于1972年创立的。它是一个新的数学分支，也是系统科学发展中的一个重要分支。以往的数学只能解决连续变化（离散连续）问题，渐变论是学术界的主导思想，对那些突然出现的非连续性变化显得无能为力，不能解释突变问题。突变理论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行从量变到质变的研究。它用形象而精确的数学模型来模拟突变过程，其要点在于考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论。 突变论中以控制变量（U）来表示那些作为突变原因的连续变化因素，以状态变量（x）来表示可能出现突变的量。突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变过程的数学模型。b理论xa民主