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課件67張PPT。第三單元 系統與設計
系統的分析如皋市通用技術教育實驗學校3、系統的基本特性1、什么是系統由相互聯系、相互作用、相互依賴、相互制約的若干要素或部分組成的具有特定功能的有機整體，稱為系統。按人類干預的情況
自然系統、人工系統
按內容和要素的性質
實體系統、抽象系統
按與環境的關系
開放系統、封閉系統
按運動狀態
靜態系統、動態系統2、系統的分類復 習案例分析1 公交線路的設立在人口規模很小的縣城，道路狀況簡單，公共交通線路的決策也簡單，設計者憑借經驗，可以完成公交線路的設計。綜合考察全市的道路狀況、人口密度的分布、不同區域的居民對公共交通的要求等，運用科學的方法進行綜合分析和研究，就能找出城市公交線路規劃設計的最佳方案。在上百萬人口規模的大城市，道路狀況復雜，市民對交通的需求趨于多樣化，這時若憑經驗規劃公交線路，容易顧此失彼，出現失誤。經驗決策科學決策每個人都會面臨選擇、面臨決策。決策方法有經驗決策和科學決策，經驗決策是人們慣用的方法，有時可能會導致失誤；
科學決策則可以最大限度地減少失誤。 系統分析就是一種科學決策的方法☆ 系統分析方法的產生 系統分析是在第二次世界大戰末期提出來的,起初被用于武器系統的分析研究，后來又被用于國防戰略及國家安全政策的制定。上世紀60年代才逐步被行政及企業單位采用。一、系統分析系統分析的定義 為了發揮系統的功能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬定一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案，這個過程就是系統分析。系統分析的出發點是：系統分析的目的是：為了發揮系統的整體功能。尋求解決問題的最佳決策。系統分析的特點 系統分析的顯著特點是完整地而不是零星地處理問題，考慮各種主要變化的因素及其相互的影響，全面地思考和解決問題。
借助于系統分析，可以正確地提出整體目標，恰當地選擇方案，科學地確定行動的方略。
漢字激光照排系統王選教授激光照排機案例分析2思考：在漢字照排方案的決策中，系統的整體目標是什么？你認為王選進行決策的依據主要有哪些？目標：研制出先進的中文排版系統，
使得我國的報業排版不再依賴國外技術依據：王選看到了國內的技術儲備以及第四代機的市場場景,雖然存在一定的技術難關，但只要努力還是可以克服的。在選題和確定技術途徑時候、要注意中國國情，要仔細研究哪些事情應該做而且可能做好，哪些事在中國不應該做或不能做：如果只欣賞和堅持局部創新，而忽略整體上的大方向，有時會產生災難性的后果案例分析2二、系統分析的一般步驟 系統分析的出發點為了發揮系統的整體功能，目的是尋求解決問題的最佳決策，而生產和生活中的一些問題，往往存在著許多相互關聯和一些不確定的因素，所以最佳決策只是在若干方案中尋求的相對令人滿意的方案。（1）明確問題，設立目標如：房子布線的例子中，首先要了解用電器的種類，規格，擺放位置，以后的擴展等信息，以及用戶的要求（2）收集資料，制定方案如：房子布線的例子中，要知道線路設計的方法，設計規范等信息，并且在此基礎上指定多個備選方案。二、系統分析的步驟（3）分析計算，評價比較如房子布線例子中，需要按照電器的功率計算電線的粗細，對線路的連接方案進行比較，選出最佳方案（4）檢驗核實，作出決策如上例中，要征求用戶的意見，對不滿意的地方進行修改，直到用戶滿意為止。二、系統分析的步驟1、明確問題，設立目標
　　任務：由阿拉斯加東北部的普拉德霍灣油田向美國本土運輸油田。
2、收集資料，制定方案
　　環境：油田處于北極圈內，海灣常年處于冰封狀態，陸地最低氣溫達-50 C。　　當前采用的一般方案：　　方案1由海路用油船運輸　　方案2用帶加溫系統的油管輸送
　　處理策略：考慮到安全和供油的穩定性，暫時把方案2作為參考方案作進一步的細致研究。同時繼續考慮新的方案。
　　提出方案3：把含10％－20％氯化鈉的海水加到原油中去，使在低溫下的原油成乳狀液，仍能暢流，這樣就可以用普通的輸油管道運送了。
　　提出方案4：將地下石油蘊涵的天然氣轉化為甲醇加到原油中，降低原油的熔點，增加流動性，從而用普通的管道就可以同時輸送原油和天然氣，僅管道鋪設費就可以節省近60億美金。【案例】：阿拉斯加原油輸送方案 3、分析計算，評價比較
　　綜合各方案優、缺點，以及成本、安全性等，確定第4種方案為最終方案。
確定第4種方案為最終方案。
　反思：如果僅僅在前面3個方案上優化，無論如何都得不
到方案4的巨大效益。分析人員運用其專業知識，將石油
中的原油和天然氣的運輸作為一個整體進行系統分析，
獲得了成功，體現了系統分析的實際價值。4。檢驗核實，作出決策系統分析的一般步驟可以描述為：明確問題
設立目標收集資料
制定方案分析計算
評價比較檢驗核實
作出決策二、系統分析的步驟運用系統分析的方法處理具體問題時，主要要遵循三大原則：整體性原則、科學性原則、綜合性原則。三、系統分析的主要原則整體性原則分析系統首先要著眼于系統整體：先分析整體，再分析部分先看全局，后看局部先看全過程，再看某一個階段先看長遠，再看當前第一，需要把大量的廢墟垃圾清理掉；第二，要運來大批木材和石料；第三，要運來大量新土。 宋真宗在位時，皇宮曾起火。一夜之間，大片的宮室樓臺殿閣亭榭變成了廢墟。為了修復這些宮殿，宋真宗派當時的晉國公丁謂主持修繕工程。當時，要完成這項重大的建筑工程，面臨著三個大問題：案例分析4丁謂研究了工程之后，制訂了這樣的施工方案：首先，從施工現場向外挖了若干條大深溝，把挖出來的土作為施工需要的新土備用，于是就解決了新土問題。第二步，從城外把汴水引入所挖的大溝中，于是就可以利用木排及船只運送木材石料，解決了木材石料的運輸問題。最后，等到材料運輸任務完成之后，再把溝中的水排掉，把工地上的垃圾填入溝內，使溝重新變為平地。施工方案簡單歸納起來，就是這樣一個過程：
挖溝（取土）→引水入溝（水道運輸）→填溝（處理垃圾）。 按照這個施工方案，不僅節約了許多時間和經費，而且使工地秩序井然，使城內的交通和生活秩序不受施工太大的影響，因而確實是很科學的施工方案。 丁謂在修復皇宮工程中，運用了整體的解決方案，使取土、運輸材料、處理垃圾三項繁重的任務協調起來，在總體上得到了最佳解決。 在實際生活中，常遇到對系統中各個局部考慮得很仔細，卻忽略或減少考慮全局的事例，這樣就很難得到良好的效果。馬 上 行 動 1趙明同學家所在街道的人行道在一年內進行了三次施工，分別是電信部門鋪設通訊線路、煤氣公司預埋煤氣管道、市政部門維修下水管道，結果重復施工，造成了人力和財力資源的浪費，同時也給市民帶來了不便。請分析這一事件的問題所在，你認為怎樣處理更為合理？ 原因：三個部門沒有統一協調，造成了各自封閉的局面。各部門只根據自己的時間施工，沒有從全局著眼，缺少整體統籌的觀念，給市民帶來了不便。 方法：三家共同協商，一次性地解決問題。馬 上 行 動 1科學性原則 系統分析一方面要有嚴格的工作步驟，另一方面應盡可能地運用科學方法和數學工具進行定量分析，使決策的過程和結構更具說服力。 系統分析一方面要有嚴格的工作步驟，另一方面應盡可能地運用科學方法和數學工具進行定量分析，使決策的過程和結構更具說服力。例如，在比較種稻是一年三季合算還是一年兩季合算時，有人就提出“三三進九不如二五一十”，這就是最簡單而且也是最實用的定量分析。當然，在處理復雜系統的分析和優化問題時，往往需要使用比較復雜的數學工具。科學性原則 三五知己在大排檔吃夜宵，桌上一盤炒田螺，幾瓶啤酒，一聊就是半天。可是，有人邊細嚼美味的螺肉，邊“吐吐吐”地把吃進嘴巴里的泥巴、螺崽吐出來，埋怨田螺肚里，泥巴螺崽多。有一個流傳很久的民間辦法。先將田螺 放進盛滿清水的盆子里，再把菜刀、鍋鏟等非不銹鋼鐵器插進田螺堆。第二天就可以發現這些鐵器上爬滿了田螺，不僅盆底沉下一層田螺吐出來的泥巴，母田螺還產下很多螺崽。如果清理干凈后再重復處理，田螺就繼續吐泥下崽。這樣，田螺的肚子里便干凈多了。其實這種做法也不見得麻煩，只是略為拖延一點資金回收時間罷了。
三三得九，不如二五一十。假設不作吐泥加工的炒田螺每碟售三元，賣了三蝶也只得九元收入，還未必得寵；但已作吐泥加工的售五元一蝶，賣兩蝶就有十元收入，顧客還吃得既放心又開心。如此這般，何樂而不為呢？ 田螺的處理閱 讀 優選法參閱P79 例如，要在某種合金鋼中加入某元素以提高它的強度，假設試驗范圍是每噸加入量為1000~2000g，那么究竟應加入多少？若用一般試驗方法，每隔5g試驗一次需要做200次，每隔10g試驗一次需要做100次。若用0.618法，只需做11次，就可以找到最佳加入量了。 我們的方法是(先預備一張細長紙條) 
（1） 請大家記好一個數字 0.618. 
（2） 在1000℃～2000℃之間.當然，我們可以隔
一度做一個試驗，做完一千個試點之后，我
們 一定可以找到最佳溫度.但要做一千次試
驗.
（3）(取出紙條)假定這是有刻度的紙條，刻了
1000℃到2000℃.第一個試點在總長度的
0.618處做，總長度是1000，乘以0.618是
618，也就是說第一點在1618℃做，做出結
果記下. （4）把紙條對折，在第一試點的對面，即點
②(1382℃)處做第二試驗.  比較第一、二試點結果，在較差點處將紙條撕下不要.
（5）對剩下的紙條，重復（4）的處理方
法，直到找出最好點. 問：火藥的成分的配比，火藥是多種成分組成的系統，其配比為什么不能隨意？火藥爆炸是一種化學反應，服從化學反應規律，如果沒有正確的配比，反應就會不充分甚至不發生，影響爆炸效果，同時浪費藥品。所以火藥成分的配比中包含了科學道理，如果違反科學規律會導致失敗
練習案例：火藥配比 綜合性原則 系統分析注重研究系統各部分之間的相互聯系和相互作用，既注重研究各部分之間的橫向聯系，也注重研究各部分之間的縱向聯系。
它的基本思路是：綜合一一分析一一綜合綜合性原則 系統分析還需要考慮設計方案出臺所帶來的后果。有的工廠在生產產品的同時，也向周圍環境排放出“三廢”，造成污染；毀林開荒雖然能收獲農產品，但造成水土流失，貽害很大。 某些情況下，綜合若干方案的優點，會取得意外效果。現代醫學采用中西醫結合的方法攻克了很多疑難雜癥；農業為了保水，可以配合地面水庫、地下水庫、土壤水庫、綠色水庫（山區造林種草，每畝地可蓄水20m3）等不同的方案綜合進行。埃及阿斯旺大壩阿斯旺水壩在20世紀70年代初竣工了.表面上看,這座水壩給埃及人帶來了廉價的電力,控制了水旱災害,灌溉了農田.然而,實際上卻破壞了尼羅河流域的生態平衡,造成了一系列災難:由于尼羅河的泥砂和有機質沉積到水庫底部,使尼羅河兩岸的綠洲失去肥源——幾億噸淤泥,土壤日益鹽嘖化;由于尼羅河河口供沙不足,河口三角洲平原向內陸收縮,使工廠,港口,國防工事有跌入地中海的危險;由于缺乏來自陸地的鹽份和有機物,致使沙丁魚的年獲量減少1.8萬噸;由于大壩阻隔,使尼羅河下游的活水變成相對靜止的"湖泊",為血吸蟲病流行.埃及造此大壩所帶來的災難性后果,使人們深深的感嘆:一失足成千古恨! 這個例子帶給我們哪些思考？你認為孝襄高速公路的設計應該綜合考慮哪些目標？孝襄高速公路目標1：保護珍稀名貴的銀杏林。
目標2：控制工程投資額度、堅持原設計不變。孝襄高速公路抱著洛陽銀杏園繞了個圈，好處有：一是有利于保護我國珍稀物種銀杏樹，實現生物多樣性；二是在當前國內外心血管疾病呈增加趨勢，治療心血管疾病的中藥銀杏供不應求的情況下，有利于保護和開發銀杏的藥物資源；三是保住了當地百姓的致富資源。湖北省的孝襄高速公路總投資額達72億元人民幣，是“十五”期間該省投資規模最大、建設里程最長的一條高速公路。按照設計方案，孝襄高速公路要穿越占地面積達19km2的“洛陽銀杏保護區”，2萬多棵樹齡在百年以上的古銀杏樹將面臨毀滅性的破壞。銀杏樹的成長周期特別長，移栽成活率極低，一旦被毀損，勢必破壞當地的生物多樣性。如果更改最初的設計方案，繞避保護區1.4 km，工程指揮部就要為此增加投資4200萬元。四、系統的優化系統優化： 是在給定的條件下，根據系統的優化目標，采取一定的手段和方法，使系統的目標值達到最大（或最小）。影響系統優化的意義： 實現系統的最大化，就可以在一定資源條件下，取得最佳效果，而投入的人力、財力、物力達到最小。案例分析： p081 “農作物種植系統的優化——農作物間作套種 ”　在一塊地上按照一定的行、株距和占地的寬窄比例種植幾種莊稼，叫間作套種。一般把幾種作物同時期播種的叫間作，不同時期播種的叫套種。間作套種是我國農民的傳統經驗，是農業上的一項增產措施。 　　農作物種植系統的優化——農業間作套種。建筑材料的改進也是一項優化技術，以往建筑物的墻體多采用實心磚，現在采用了空心磚，在保證強度、隔熱隔音效果的同時，節省了材料。
飛機制造中大量使用復合材料來減輕重量，提高了飛機的結構強度、飛行性能、節省燃油等。 上例中，優化的目標是增產增收和提高土地的利用率，這一目標與土地的單位面積農作物收益總和之間的關系就稱為目標函數。　　目標函數是系統目標與系統中的某些元素之間的關系。 農作物的生長特性、天氣、氣候等因素對作物套種起到限制作用，并且是不能人為調節的，稱為約束條件。 約束條件是對系統的功能起著限制作用、并且是不能人為調節的因素。 套種的技術水平、套種的田間管理、病蟲害防治等對套種的產量產值有直接影響，這些是增產增收的影響因素。　　影響系統優化的因素對系統的目標函數產生顯著影響，并且可以人為調節的因素。 系統的優化是指在給定的條件（或約束條件）下，根據系統的優化目標，采取一定的手段和方法，使系統的目標值達到最大化（或最小化）。不同的目標，對應著不同的優化結果。系統優化的概念：目標與目標函數：
約束條件：
影響因素：目標與收益總和之間的關系對目標函數起限制作用，不能人為調節產生影響，可人為調節。進行系統優化應考慮的三個要素：農作物的生產特性、天氣、氣候等實現增產、增收,提高土地利用率----------不能人為調節套種的技術水平、套種的田間管理、病蟲害防治等----------可人為調節提高土地利用率和土地單位面積
農作物收益總和之間的關系。是系統目標與系統中的某些元素之間的關系。學生活動:分析影響系統優化的因素 對于比較復雜的系統，人們對其特征了解不夠，所以需要運用一定的數學的手段描述它，進而找到合適的解決方案。 用數學公式或圖表等描述客觀事物的特征模型，稱為數學模型。2）數學建模案例分析：生產利潤問題 案例分析：利潤問題目標：家具銷售獲取最大利潤
約束條件：材料、勞動力、合同
影響因素：椅子數量x、桌子數量y 。（決策變量）三個要素：
目標函數：Smax=50x+60 y
約束條件：4x+6y≤600（材料）
20x+18y≤400（工時）
x≥8 ， y≥5（合同）
最優方案：
建立關系：我們列出了一個目標函數和四個約束條件，實際上我們已經建立了一個數學模型。生產利潤問題我們通過數學模型，計算出的目標值是每周獲取的最大利潤，所得到的就是最優解：每周生產桌子數量是x、生產椅子的數量是y）。答 案8張桌子
13張椅子
最大利潤為1180元
通用計算，我們得到的就是最優解，按每周8張桌子、13張椅子的方案生產就可以獲得最大的利潤，像這種系統優化叫做系統最優化。優化方法 優化方法是為使系統達到最優的目標而提出的求解方法。 系統優化的方法是多種多樣的，但不論運用怎樣的優化方法，都需要經過若干次的完善和驗證，才能得到最優解或滿意解。求解過程：數學模型估算、試驗在江邊一側有A、B兩個工廠，它們到江邊的距離分別是2km和3km，設兩工廠沿江方向的距離是3.5km，現在要在江邊修建一個碼頭，使得兩廠的產品能夠順利過江，問碼頭應建在什么位置，才能使運輸路線最短？ 碼頭？【案例分析3】 根據要求可畫出下圖，在江邊DE上求一點C，使C到A、B兩廠的距離之和為最短。　過A點作關于直線DE的對稱點A1，連接A1B與DE相交于C，這一點既為所求的碼頭的地點。
　根據相似三角形原理，求得 DC=1.4km，碼頭建在與A廠到江邊垂直距離位置相距1.4km處，運輸路線最短。
從“為江邊碼頭選址”這個例子，可以看出優化僅僅靠定性的分析是遠遠不夠的，還需要更多的定量計算才行。數學模型為： Smin=AC+BC裝修施工的組織優化（1）一、明確問題，設立目標施工項目：教學樓裝修施工內容：教學樓A、B、C棟，需要水電、木工、油漆三個施工過程，每個施工過程需要3周時間目標：組織裝修，使裝修工期和資源利用最為合理。二、收集資料，制定方案方案一：按照施工要求，從A到B到C，依此進行施工方案二：按照施工要求，A、B、C棟同時進行施工方案三：按照施工要求，A、B、C棟進行流水施工方案一■
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■按照施工要求，從A到B到C，依此進行施工方案二■
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■按照施工要求，A、B、C棟同時進行施工方案三■
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■按照施工要求，A、B、C棟進行流水施工方案比較依此施工27周1投入少簡單平行施工 9周3投入多復雜流水施工15周1較多較簡單三、檢驗核實，確定方案根據分析，確定按照方案三進行施工。案例：裝修施工的組織優化優點：
（1）工期____
（2）需要水電、木工和油漆各____個裝修隊同時工作。
(3)相對于平行施工的方式,這種方式在施工時間內投
入的人力、施工設備、材料____。
在這一優化的案例中，影響優化的主要因素有哪些？影響優化的因素主要有施工時間,裝修隊和設備的數量等較短一較少四、分析計算，評價比較選擇出最佳方案：方案三　　我們學校有2個學生食堂，正常情況下每個食堂能容納500人就餐，近兩年，學校規模擴大，就餐人數增加，每個食堂就餐人數達670人，每到就餐高峰期，學生就排著長隊等待就餐。　　如何減少學生就餐排隊時間？提出解決這一問題的幾種途徑，并選擇最經濟、最有效可行、最容易實現的方案。運用系統分析方法，分步驟說明你的思考過程。 課后探究：1、P85 練習11.增加食堂的窗口和工作人員；2.不同年級學生的下課時間錯開；3.新建一個食堂。P85 練習22.A地區的失誤在于，沒有考慮到毀林開荒和圍湖造田對生態系統和生態環境的影響，沒有考慮子系統各要素組合成新系統整體后所產生的不良功能。B地區農業經濟走上了良性發展的道路，從系統觀點看，就是因為他們從系統整體出發，從全局和長遠利益出發，注意了建設經濟林與發展農業生產、保護生態環境和繁榮城鄉，注意了各要素組合成新的系統以后所產生的新的整體功能。1.什么是系統分析?
2.系統分析的一般步驟：
明確問題，設立目標?。?? 收集資料，制定方案。
分析計算，評價比較?。?? 檢驗核實，作出決策。
3.系統分析的主要原則
整體性原則
科學性原則
綜合性原則。
4.系統的優化
1)系統優化的意義
2）數學建模
3）最優化方法
4）系統優化的意義
5）系統優化的實現小 結本節課主要內容：小 結系統分析的目的是：尋求解決問題的最佳決策。
運用系統分析的方法處理具體問題時，應該遵循哪些原則呢？整體性原則：在著眼于系統整體，在看某一階段。綜合性原則：為實現系統目標服務。當存在
若干目標時，應排出優先次序，在盡可能不
損害第一個目標的前提下完成下一個目標。
科學性原則：運用科學方法和數學工具進行定量分析。“定性分析”是指用“語言”來描述一件事物的特性。 “定量分析”是指用“數字”來描述一件事物的特性。 　　最優方法通常是在一定人力、物力、財力資源條件下，使經濟效果（如產值、利潤等）達到最大，并使投入的人力、物力達到最小的方法。最優化方法解決問題的一般步驟：　　（1）提出系統需要進行最優化的問題，收集有關資料和數據；　　（2）建立求解最優化問題的有關數學模型，確定變量，建立有關約束條件，分析模型；　　（3）選擇合適的最優化方法；　　（4）求解方程；　　（5）最優解的驗證和實施。Thank You!祝大家學習進步!

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