第三节系统的优化

1、第三章第三章 系统与设计系统与设计第三节第三节 系统的优化系统的优化温故知新温故知新(回顾上节内容回顾上节内容)：一、系统的基本特性(5)(5)层次性层次性(4)(4)环境适应环境适应(3)(3)目的性目的性(2)(2)相关性相关性(1)(1)整体性整体性整体的角度整体的角度联系的观点联系的观点发展的眼光发展的眼光二、系统分析的基本方法二、系统分析的基本方法1、系统的思想、系统的思想(要有整体的思想，从整体角度去考虑。要有整体的思想，从整体角度去考虑。)2、系统分析的基本方法、系统分析的基本方法: (定性、定量相结合定性、定量相结合) (1)阐明问题；阐明问题； (2)分析研究；分析研究； (

2、3)评价比较。评价比较。 3、学写简单的分析报告、学写简单的分析报告: (一般包括以下内容一般包括以下内容)(1)系统的分析过程；（如：功能、构成，特性的定性定量分系统的分析过程；（如：功能、构成，特性的定性定量分析）析）(2)依据；依据；(3)结论和建议。结论和建议。新课：第三节新课：第三节 系统的优化系统的优化 内容提要：内容提要： 1、什么是系统优化？、什么是系统优化？ 2、系统优化的意义是什么？、系统优化的意义是什么？ 3、影响系统优化的因素有哪些？、影响系统优化的因素有哪些？ 4、怎么才能进行系统优化？、怎么才能进行系统优化？案例一：鸟巢案例一：鸟巢1、我们再来看、我们再来看2008

3、奥运会的主会场奥运会的主会场“鸟巢鸟巢”，“鸟巢鸟巢”采用是什么结构？采用是什么结构？呈空间马鞍椭圆形，南北长呈空间马鞍椭圆形，南北长 333 米米 、东西宽、东西宽 298 米米 的，高的，高 68 米米 。鸟巢采用是大跨度重型钢结构体系，它在设计过程鸟巢采用是大跨度重型钢结构体系，它在设计过程中也在不断的优化调整，其中有一项调整是取消了中也在不断的优化调整，其中有一项调整是取消了可开启屋盖、扩大了屋顶开孔。可开启屋盖、扩大了屋顶开孔。优化后的方案，减少用钢量优化后的方案，减少用钢量1.2万吨，造万吨，造价减少了约价减少了约4亿元亿元2、鸟巢使用的主要材料是？、鸟巢使用的主要材料是？3、鸟巢

4、去盖后，在哪方面得到改善？、鸟巢去盖后，在哪方面得到改善？国家体育馆鸟巢原设计方案鸟巢图片欣赏 问题的提出问题的提出：（系统优化的必要：（系统优化的必要性？）性？） 我们做任何事情都希望达到最优的效果。作我们做任何事情都希望达到最优的效果。作为一个系统，通常会有这样或那样的问题。如：为一个系统，通常会有这样或那样的问题。如：效果不佳；或是投入的人力、物力、财力不是效果不佳；或是投入的人力、物力、财力不是最小；或是某种性能不理想等等。因此系统需最小；或是某种性能不理想等等。因此系统需要改善，需要优化。要改善，需要优化。 系统的优化1 1、什么是系统的优化、什么是系统的优化 系统的优化是指在给定的

5、条件（或约束）下，系统的优化是指在给定的条件（或约束）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。系统的目标值达到最大化（或最小化）。思考：系统的优化有什么意义呢？思考：系统的优化有什么意义呢？系统优化的意义就是以最小的投入，获系统优化的意义就是以最小的投入，获取系统的最佳效益或最佳功能。取系统的最佳效益或最佳功能。 车流滚滚，噪音污染严重！【案例分析案例分析】：某地区高速噪音超标：某地区高速噪音超标80%，66户村户村民告上法庭民告上法庭 核心事件：核心事件：该高速建成通车已有该高速建成通车已有6年，年，6年

6、来车流日年来车流日增，在接近高速出口处，距离高速公路增，在接近高速出口处，距离高速公路10米左右就有米左右就有一排民房，一共有一排民房，一共有250户人家，房子多是户人家，房子多是80年代造的。年代造的。村民说，高速上车来车往的声音太大了，这几年来他村民说，高速上车来车往的声音太大了，这几年来他们最大的愿望是能睡个安稳觉。于是，他们将高速公们最大的愿望是能睡个安稳觉。于是，他们将高速公路公司告上法庭。路公司告上法庭。 现状分析现状分析：“6年来，他们最大的愿望就是睡个安年来，他们最大的愿望就是睡个安稳觉稳觉”；高速公路越来越忙，就是声音大得受不了；高速公路越来越忙，就是声音大得受不了；附近附近

7、66户村民状告高速；新的问题需要我们智慧的回户村民状告高速；新的问题需要我们智慧的回应和解答。应和解答。 类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。类标准适用于以居住、文教机关为主的区域。 类标准适用于居住、商业、工业混杂区及商业类标准适用于居住、商业、工业混杂区及商业中心区中心区 类标准适用于工业区。类标准适用于工业区。 类标准适用于交通干线道路两侧区域。类标准适用于交通干线道路两侧区域。 噪音的危害噪音的危害 190分贝分贝 导致死亡导致死亡 140分贝分贝 欧盟界定的导致听力完全损害的最高临界点欧盟界定的导致听力完全损害的最高临界点 139分贝分贝 卡卡、梅西球迷的呐喊声卡卡、梅西球迷的呐

8、喊声 130分贝分贝 火箭发射的声音火箭发射的声音 125分贝分贝 喷气式飞机起飞的声音喷气式飞机起飞的声音 120分贝分贝 在这种环境下呆超过一分钟即会产生暂时耳聋在这种环境下呆超过一分钟即会产生暂时耳聋 110分贝分贝 螺旋浆飞机起飞声音、摇滚音乐会的声音螺旋浆飞机起飞声音、摇滚音乐会的声音 105分贝分贝 永久损听觉永久损听觉 100分贝分贝 气压钻机声音、压缩铁锤捶打重物的声音气压钻机声音、压缩铁锤捶打重物的声音 90分贝分贝 嘈杂酒吧环境声音、电动锯锯木头的声音嘈杂酒吧环境声音、电动锯锯木头的声音 85分贝及以下分贝及以下 不会破坏耳蜗内的毛细胞不会破坏耳蜗内的毛细胞 80分贝分贝

9、嘈杂的办公室、高速公路上的声音嘈杂的办公室、高速公路上的声音 75分贝分贝 人体耳朵舒适度上限人体耳朵舒适度上限 70分贝分贝 街道环境声音街道环境声音 50分贝分贝 正常交谈声音正常交谈声音 20分贝分贝 窃窃私语窃窃私语 1、问题车道附近车流污染严重 影响附近人群健康，消除或减轻噪音污染成为优化学校等大环境系统的重要课题。选择合适的优化方法选择合适的优化方法讨论：讨论： 怎样改善噪音的污染，怎样改善噪音的污染，优化学校或者村民所处环境（系统优化学校或者村民所处环境（系统）？）？ 减小噪音原则：减小噪音原则：一、一、 声源处减弱声源处减弱 二、传播过程中减弱二、传播过程中减弱三、接收处减弱三

10、、接收处减弱 1、密闭声源，在声源处建造隔声墙，防止噪、密闭声源，在声源处建造隔声墙，防止噪声直接向外传播。声直接向外传播。2、给机器上足润滑油，即防止产生噪音，又、给机器上足润滑油，即防止产生噪音，又能保护机器。能保护机器。3、加强绿化，在繁杂的公路两旁植树造林，、加强绿化，在繁杂的公路两旁植树造林，形成屏障。形成屏障。 4、给添置隔音设施。、给添置隔音设施。 5、在耳朵处加塞隔音装置，如好的耳塞。、在耳朵处加塞隔音装置，如好的耳塞。 选择合适的优化方法选择合适的优化方法建造隔音墙建造隔音墙 问题：问题： 1、隔音墙的高度、长度如何考虑？、隔音墙的高度、长度如何考虑？ 2、隔音墙的墙体结构、

11、外形怎么考虑？、隔音墙的墙体结构、外形怎么考虑？ 3、隔音墙墙体选用何种材料？、隔音墙墙体选用何种材料？ 4、隔音墙改善噪音效果如何评价？、隔音墙改善噪音效果如何评价？1、隔音墙的高度、长度如何考虑？、隔音墙的高度、长度如何考虑？ 隔音墙的隔音效果，高度与长度是两个关隔音墙的隔音效果，高度与长度是两个关键，隔音墙只要能阻隔道路和受体的视线，键，隔音墙只要能阻隔道路和受体的视线，至少就能减少至少就能减少5分贝的音量，而且每增加分贝的音量，而且每增加1米，能减少米，能减少1.5分贝。分贝。1、隔音墙的高度、长度如何考虑？、隔音墙的高度、长度如何考虑？ 而长度方面，不能跟受体的宽度刚刚好，而长度方面

12、，不能跟受体的宽度刚刚好，必须与最近受体的垂直距离为准，向左右必须与最近受体的垂直距离为准，向左右两边延伸两边延伸4倍距离的长度，才能防止声音从倍距离的长度，才能防止声音从两端流进受体。两端流进受体。 3、隔音墙墙体选用何种材料？、隔音墙墙体选用何种材料？ 声屏障的地上部分即屏蔽层可采用砖墙、声屏障的地上部分即屏蔽层可采用砖墙、薄钢板、铝合金、玻璃钢、聚碳酸脂塑料薄钢板、铝合金、玻璃钢、聚碳酸脂塑料等耐老化，抗腐蚀材料；声屏障的地下部等耐老化，抗腐蚀材料；声屏障的地下部分即基础则以混凝土及钢材为主。分即基础则以混凝土及钢材为主。 为了有效的阻止噪声穿过隔音墙，声屏障为了有效的阻止噪声穿过隔音墙

13、，声屏障的材料必须坚硬且具有一定的密度（最少的材料必须坚硬且具有一定的密度（最少20公斤公斤/平方米）。平方米）。3、建隔音墙的技术要点具体测量噪音程度。建立隔音墙防噪音的数学模型及墙体参数关系条件，求其数学解。要做到投入最小、效果最好。验证试验。如计算机仿真4、实施优化墙体结构与材料，与上面的定量计算相关。美观。效果。高速公路隔音墙高架路上的隔音墙日本的隔音墙系统优化的意义系统优化的意义 修建隔音墙，以较小的投入，获得了好的修建隔音墙，以较小的投入，获得了好的治理噪音污染的效益，使社会环境大系统治理噪音污染的效益，使社会环境大系统的整体得以优化。的整体得以优化。 系统被改善了，就是系统被优化

14、了。获得系统被改善了，就是系统被优化了。获得系统的最佳效益或最佳功能，就是系统优系统的最佳效益或最佳功能，就是系统优化的意义。化的意义。 我们学校的学生食堂随着学校办学规模的我们学校的学生食堂随着学校办学规模的扩大，就餐人数随之增加，每到中午就餐扩大，就餐人数随之增加，每到中午就餐时间，学生们排着长队等待就餐。如何减时间，学生们排着长队等待就餐。如何减少学生就餐排队时间？少学生就餐排队时间？ 请提出解决这一问题的几种方案，运用请提出解决这一问题的几种方案，运用系统分析方法选择一种经济、最有效可行、系统分析方法选择一种经济、最有效可行、最容易实现的办法。最容易实现的办法。身边的例子：从中选择方案

15、，制定最适宜方案从中选择方案，制定最适宜方案 1:增加窗口和食堂人员增加窗口和食堂人员 2:分时段就餐分时段就餐 3:增加一个食堂增加一个食堂 4:增加食堂的面积增加食堂的面积 5:提前分发好饭菜提前分发好饭菜 6:提倡学生回家吃提倡学生回家吃 7:增加就餐座位增加就餐座位 8:提供饭盒打包提供饭盒打包 9:学生两人一组学生两人一组,分工合作分工合作 10:分批到两个食堂就餐分批到两个食堂就餐 11:外卖服务外卖服务 12:限制就餐时间限制就餐时间(15分钟分钟) 13:提高食堂人员素质提高食堂人员素质 14:送餐上门服务送餐上门服务 二、假如你是村长：怎样为本村筑好一条致富路影响系统优化的因

16、素1、系统优化的一般性步骤需要进行优化的问题 交通闭塞选择合适的优化方法优化方略与筹谋 修路 勘测 预算 选择合适的筑路方法和计划（根据本村的人力、物力、财力）验证与实施条件校验实施与调整确定路线确定土石方量、器材种类与数量、人力、经费校验人力、物力、财力是否具备。合理分配，节约资源，促使优化指标和约束条件得以满足。及时调整，计划与施工，再进入优化进程。优化追求的目标要适度。优化追求的目标要适度。 希望投入最小，而取得的效益最大。希望投入最小，而取得的效益最大。 系统优化离不开条件，条件是否具备直接影响优化。系统优化离不开条件，条件是否具备直接影响优化。 某些不确定的或不可预见的因素也会影响系

17、统的优化某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化。影响系统优化的因素：影响系统优化的因素： 是指对系统的目标产生显著影响，并且可以人为调节的因素。最优化方法解决问题的一般步骤最优化方法解决问题的一般步骤1 1、提出需要优化的问题和目标，收集有关资料、提出需要优化的问题和目标，收集有关资料和数据。和数据。2 2、分析影响系统优化的各种因素，确定变量，、分析影响系统优化的各种因素，确定变量，建立有关约束条件，建立求解最优化问题的建立有关约束条件，建立求解最优化问题的有关数学模型，分析模型。有关数学模型，分析模型。3 3、选择合适的最优化方法。、选择合适的最优化方法。4 4、分析求解。、分析求

18、解。5 5、最优解的验证和实施。、最优解的验证和实施。运用数学模型最优化具体步骤：提出需要最优化的问题，收集有关资料和数据；确定变量，建立定量计算方程（有关数字模型如用线性规划解决问题）和有关约束条件；选择合适的最优化方法；解方程，校验解的最优性；实施。 2、系统优化的方法、系统优化的方法基础：分析影响系统优化的因素。基础：分析影响系统优化的因素。过程：过程： 一定的条件下，对系统特性进一定的条件下，对系统特性进 行分析和控制。行分析和控制。 目标：以实现更佳的整体目标目标：以实现更佳的整体目标。系统优化的基本原则系统优化的基本原则 （1）定性定量分析相结合，系统的优化不仅要）定性定量分析相结

19、合，系统的优化不仅要实现系统中每个元素和子系统的优化，还要达到实现系统中每个元素和子系统的优化，还要达到系统整体的优化。系统整体的优化。 （2）必须注意系统各组成部分之间、部分与整）必须注意系统各组成部分之间、部分与整体之间的联系，加强协调，才能提高系统的有序体之间的联系，加强协调，才能提高系统的有序性和整体的运行效果。性和整体的运行效果。 （3）系统的优化要遵循系统的动态观点，它是）系统的优化要遵循系统的动态观点，它是一个不断验证、完善的过程。例：农作物种植间一个不断验证、完善的过程。例：农作物种植间作套种、利润问题作套种、利润问题阅读：数学模型 用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称

20、为数学模型。 现实世界的事物与数学模型的关系可表示为：抽象抽象现实世界的原型对原型的分析数学结论数学模型分析分析解释解释分析分析【案例分析一案例分析一】在江边一侧有在江边一侧有A、B两个工厂，它们到江边的距离分别是两个工厂，它们到江边的距离分别是2km和和3km，设两工厂沿江方向的距离是，设两工厂沿江方向的距离是3.5km，现在要，现在要在江边修建一个码头，使得两厂的产品能够顺利过江，在江边修建一个码头，使得两厂的产品能够顺利过江，问码头应建在什么位置，才能使运输路线最短？问码头应建在什么位置，才能使运输路线最短？ 码头？码头？ 根据要求可画出下图，在江边根据要求可画出下图，在江边DEDE上求

21、一点上求一点C C，使，使C C到到A A、B B两厂的距离之和为最短。两厂的距离之和为最短。数学模型为：数学模型为： Smin=AC+BC过过A A点作关于直线点作关于直线DEDE的对称点的对称点A1A1，连接，连接A1BA1B与与DEDE相交于相交于C C，这一点既为所求的码头的，这一点既为所求的码头的地点。地点。根据相似三角形原理，求得根据相似三角形原理，求得 DC=1.4kmDC=1.4km，码头建在与码头建在与A A厂到江边垂直距离位置相距厂到江边垂直距离位置相距1.4km1.4km处，运输路线最短。处，运输路线最短。 求解过程：求解过程： 根据要求可画出上图，在江边根据要求可画出上图，在江边DEDE上求一点上求一点C C，使，使C C到到A A、B B两厂的距离之和为最短。两厂的距离之和为最短。数学模型为：数学模型为： Smin=AC+BCSmin=AC+BC过过A A点作关于直线点作关于直线DEDE的对称点的对称点A1A1，连接，连接A1BA1B与与DEDE相交于相交于C C，这一点既为所求的码头的地点。，这一点既为所求的码头的地点。根据相似三角形原理，求得根据相似三角形原理，求得 DC=1.4kmDC=1.4km，码，码头建在与头建在与A A厂到江边垂直距离位置相距厂到江边垂直距离位置相距1.4km1.4km处，处，运输路线最短