資源簡介

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通用技術—技術與設計2
第三單元 系統與設計
系統的分析
☆ 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。
☆ 什么是系統分析
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。
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。
這種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的過程，就是系統分析。
路口控制系統
車輛和行人都少的情況：司機自己控制行或停。
車輛多的情況：紅綠燈控制車輛的行或停。
車輛和人都多的情況：紅綠燈不僅控制車輛的行或停，還控制人的行或停。
紅綠燈控制行或停的時間是事先經過抽樣統計的結果確定的。
問題：有時會出現在一條道路上行駛時，總是遇到紅燈。司機常常會說 “一步趕不上，步步趕不上”。
路口控制系統的改進：
在一些主干道路上，實現一路綠燈。
方法：主干道路上的綠燈按一定的時間順序依此亮。
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，這個過程就是分析。
設置紅綠燈控制車輛的行或停。
設置紅綠燈控制人的行或停。
設置智能路口控制。
系統分析的出發點是：為了發揮系統的整體功能。
系統分析的目的是：尋求解決問題的最佳決策。
智力小游戲：三個商人和三個怪獸準備過河，但是船每次最多允許兩人乘坐，空船不會行駛，且河岸的任意一側若怪獸數量多于商人數量，商人就會被打劫。
請你考慮怎樣才能使六個人順利過河？
系統分析的步驟
明確問題，設立目標
收集資料，制定方案
檢驗核實，作出決策
分析計算，評價比較
：明確要研究問題的性質和范圍，提出所要達到的目標，明確約束條件。
：收集相關資料，制定解決問題的各種備選方案，預計可能產生的各種結果。
：如果對制定的方案不滿意，還可按上述程序反復進行，直到獲的滿意為止。
：對資料和數據做必要的計算，進行各子系統的分析，再進行系統的整體分析，將各種方案進行評價對比，選擇最佳方案。
田忌賽馬（1）
　　齊國的大將田忌，很喜歡賽馬，有一回，他和齊威王約定，要進行一場比賽。 　　他們商量好，把各自的馬分成上，中，下三等。比賽的時候，要上馬對上馬，中馬對中馬，下馬對下馬。由于齊威王每個等級的馬都比田忌的馬強得多，所以比賽了幾次，田忌都失敗了。 　　田忌覺得很掃興，比賽還沒有結束，就垂頭喪氣地離開賽馬場。這時，田忌抬頭一看，人群中有個人，原來是自己的好朋友孫臏。孫臏招呼田忌過來，拍著他的肩膀說： 　　“我剛才看了賽馬，威王的馬比你的馬快不了多少呀。” 　　孫臏還沒有說完，田忌瞪了他一眼： 　　“想不到你也來挖苦我！” 　　孫臏說：“我不是挖苦你，我是說你再同他賽一次，我有辦法準能讓你贏了他。” 　　田忌疑惑地看著孫臏： 　　“你是說另換一匹馬來？” 　　孫臏搖搖頭說： 　　“連一匹馬也不需要更換。
田忌賽馬（2）
　　齊威王屢戰屢勝，正在得意洋洋地夸耀自己馬匹的時候，看見田忌陪著孫臏迎面走來，便站起來譏諷地說： 　　“怎么，莫非你還不服氣？” 　　田忌說：“當然不服氣，咱們再賽一次！”說著，“嘩啦”一聲，把一大堆銀錢倒在桌子上，作為他下的賭錢。 　　齊威王一看，心里暗暗好笑，于是吩咐手下，把前幾次贏得的銀錢全部抬來，另外又加了一千兩黃金，也放在桌子上。齊威王輕蔑地說： 　　“那就開始吧！” 　　一聲鑼響，比賽開始了。 　　比賽的結果是三局兩勝，當然是田忌贏了齊威王。 　　還是同樣的馬匹，由于調換一下比賽的出場順序，就得到轉敗為勝的結果。
田忌賽馬戰術分析(1)
1：明確問題，設立目標
問題：跑馬比賽，
目標：取得比賽勝利，
約束條件：三匹馬參加比賽，每匹馬比賽一次。
2：收集資料，制定方案
各種方案：
田忌賽馬戰術分析(2)
3：檢驗核實，作出決策
選擇合適的馬的出場順序。
4：分析計算，評價比較
各種方案的比賽結果：
1
3
2
1
3
2
輸
贏
贏
1：2
田忌賽馬戰術分析(3)
1
1
2
2
3
3
1
1
2
3
3
2
1
2
2
1
3
3
1
2
2
3
3
1
1
3
2
1
3
2
1
3
2
2
3
1
輸
輸
輸
3：0
輸
輸
贏
2：1
輸
贏
輸
2：1
輸
輸
贏
2：1
輸
贏
贏
1：2
輸
輸
贏
2：1
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。
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：
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。
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。
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？
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。
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。
田螺石螺，家喻戶曉。午夜時分常常見到不少食客相約三五知己在大排檔吃夜宵，桌上一盤炒螺，幾瓶啤酒，一聊就是半天。
　　可是，也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，埋怨螺肚泥巴螺崽多。客觀地說，食客缺乏吃螺技巧固然有之，廚師未盡責任也是原因之一。 　　有一個流傳很久的民間辦法。先將田螺石螺放進盛滿清水的盆子里，再把菜刀、鍋鏟等不銹鋼鐵器插進螺堆。第二天就可以發現這些鐵器上爬滿了螺，不僅盆底沉下一層螺吐出來的泥巴，母螺還產下很多螺崽。如果清理干凈后再重復處理，螺就繼續吐泥下崽。這樣，螺的肚子里便干凈多了。為何鐵器能催螺吐泥產崽，個中原因我也說不清楚，但我知道這個辦法有效，畢竟已流傳幾代人了。 　　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。我細細一想，三三得九，不如二五一十。假設不作吐泥加工的炒螺每碟售三元，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？
螺的處理
優選法是快速尋找最佳方案的科學方法。具體的優選法有很多，如黃金分割法、分數法、對分法等，這里只介紹黃金分割法。
黃金分割法也稱0.618法，它是優選法的一種。以技術試驗為例，先把整個試驗范圍看做1，然后在整個試驗范圍的0.618處選點做第一次試驗，再在倒過來的0.618處選點做第二次試驗，比較兩次試驗的結果，去掉效果差的那個點以外的試驗范圍部分；
再在余下的范圍內繼續采用這種方法，再比較試驗結果，這樣逐漸縮小試驗范圍，迅速找到試驗目標。
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。
綜合性原則
系統分析總是為實現系統目標服務的。當系統存在若干個目標時，應將目標排除優先次序，首先選取最優先的目標，然后盡可能在不損害第一個目標的前提下完成下一個目標。這就需要綜合分析，統籌兼顧，不可顧此失彼，因小失大。
例如，工業生產既要求產量大，又要求質量好、成本低，如果片面強調一方面就會產生偏差；城市公交系統既要強化公共交通的安全，又要縮短車輛行駛的時間，實現社會效益和經濟效益雙豐收。
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。
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1.4km，工程指揮部就要為此增加投資4200萬元。
根據以上內容，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
1：保護珍稀的銀杏名貴樹木。
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。
湖北省隨州市洛陽鎮
小結：
１、系統分析的一般步驟
２、系統分析的原則
二、系統的優化
系統優化：
目標函數
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。
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）。
目標函數是系統目標與系統中的某些元素之間的關系。
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。
農作物種植系統的優化----農業間作套種
四、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
最優解
滿意解
完善、驗證
農業間作套種
約束條件
農作物的生長周期、氣候等因素。
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。
影響系統優化的因素
套種的模式、套種的技術水平、套種的田間管理、病蟲害防治等等。
目標函數
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
三、檢驗核實，確定方案
根據分析，確定按照方案三進行施工。
四、分析計算，評價比較
各種方案比較。
選擇出最佳方案：方案三
方案一:按照施工要求，從A到B到C，依此進行施工
大
樓 裝修
過程 工期 裝修施工進度（周）
3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水電 3 水
木工 3 木
油漆 3 油
B 水電 3 水
木工 3 木
油漆 3 油
C 水電 3 水
木工 3 木
油漆 3 油
方案二:按照施工要求，A、B、C棟同時進行施工
樓 裝修
過程 工期 裝修施工進度（周）
3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水電 3 ■
木工 3 ■
油漆 3 ■
B 水電 3 ■
木工 3 ■
油漆 3 ■
C 水電 3 ■
木工 3 ■
油漆 3 ■
方案三:按照施工要求，A、B、C棟進行流水施工
樓 裝修
過程 工期 裝修施工進度（周）
3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水電 3
木工 3
油漆 3
B 水電 3
木工 3
油漆 3
C 水電 3
木工 3
油漆 3
■
■
■
■
■
■
■
■
■
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
三、檢驗核實，確定方案
根據分析，確定按照方案三進行施工。
四、分析計算，評價比較
各種方案比較。
選擇出最佳方案：方案三
方案比較
施工特點 工期 施工隊 設備、材料 現場管理
方案一
方案二
方案三
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
生產利潤問題（1）
產品 需木料 需工時 利潤 計劃產量
桌子 4 20 50
椅子 6 18 60
受約束因素 約束內容
木料 最多600
工時 最多400個
桌子 至少6張
椅子 至少5把
生產利潤問題（2）
優化的目標是：獲得最大的利潤
目標函數：
（設 x1 為 每周生產桌子數， x2 為 每周生產桌子數）
Smax=50X1+60X2
約束條件
（1）4X1+6X2≤ 600
（2）20X1+18X2≤ 400
（3）X1≥ 8
（4）X2≥ 5
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（3）
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X1、生產椅子的數量是X2）。
數學模型
數學模型：用數學公式，圖表等描述客觀事物的特征模型。
是反映下落物體運動的路程隨時間變化的數學模型。
數學模型突出事物的主要因素，舍棄事物的次要因素。

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