《农业工程概论》8章(修改).ppt

是由若干相互依赖 相互制约的部分组成的具有特定功能的有机整体 1系统 农业系统 农业工程系统 一 系统概念 一 系统 系统的5个基本含义 协调子系统的关系 充分利用系统资源 优化系统功能 实现系统预期目标 整体目标和功能 系统的环境 影响系统目标与功能 但不受系统控制 系统的资源 组成 特别注意系统演化过程中能增长的资源 如人的智能 子系统及其活动 目标和功能 系统的管理 2 关联性 二 系统的属性 整体性 关联性 层次性 可控性 时序性 1 整体性 亚里士多德 整体大于它的各部分总和 内部关联 结构 部分与部分 部分与系统 外部关联 与外界的输入输出 协调 金刚石和石墨都是碳原子 系统向上可逐层综合 向下可逐层分解 特定的环境下 有相对稳定的内部结构 要求协调 随环境条件的变化而变化 3 层次性 自然界和社会从简单到复杂 从低级到高级的发展过程中形成了层次 具体例子见P200 在研究具体的系统时 首先确定处于哪个层次 然后根据需要确定向上向下所必须涉及到的层次 树木 森林 4 可控性 指一些系统具有可控因素 可控性是相对的 相对于 选择不同的控制策略 任何系统都是由若干个发展阶段组成的 动态的过程系统 静态是相对的 变化是绝对的 5 时序性 三 系统分类 1 按系统的生成划分 2 按输入输出内容划分 4 按有无反馈划分 3 按系统与时间的关系分 见P201图8 2 5 按可了解的信息量划分 其他分类 线性 非线性系统 连续 离散系统 确定状态 不确定状态系统 第四层次 哲学基础 四 系统科学体系 钱学森将其分为四个层次 第二层次 技术科学 第三层次 基础科学 系统学 研究系统的普遍属性 一般规律等 系统观 思想 研究系统的基本概念 基本观点 理论和方法 运筹学 控制论 信息论等 即生态 社会 经济的复合系统 二 农业系统 农业 栽培农作物和饲养牲畜的生产事业 在国民经济中的农业 还包括林业 渔业 和副业等 农业系统 是自然再生产过程 社会发展过程 经济再生产过程相互结合 相互影响的复合过程系统 包括对象 工程装备 技术和管理等 三 农业工程系统 是农业 工程的复合系统 生产人们所需要的食物 工业原料和生物能源 农业系统的功能 通过人类的劳动 利用生物来转化和积蓄太阳能 2系统工程 农业系统工程 一 系统工程及其发展过程 P203 工程 服务于某个特定目的的各项工作的总体 是一般系统的组建和运行的工程技术 系统工程 以一般系统为对象 为特定目的对其进行规划设计 组织管理 试验评价等一系列方法与技术 1930年前后 贝塔朗菲 生物学家 通过生物学的研究和观察 提出了一般系统论 各种表面极不相同的领域 自然界和社会的 存在着某种共性 为系统工程的产生作了准备 贝塔朗菲 1901 1972 Bertalanffy Ludwigvon加拿大籍理论生物学家 一般系统论的创始人 1901年9月19日生于奥地利首都维也纳附近的阿茨格斯多夫 1972年6月12日卒于纽约州布法罗 1926年获维也纳大学哲学博士学位 在该校任教 1937年起 先后在美国芝加哥大学 加拿大渥太华大学 阿尔贝塔大学 纽约州立大学等处任教 1954年 与A 拉波包特等人一起创建一般系统论研究会 出版 行为科学 杂志和 一般系统年鉴 贝塔朗菲的重要贡献之一是建立关于生命组织的机体论 并由此发展成一般系统论 1937年 提出了一般系统论的初步框架 1945年在 德国哲学周刊 18期上发表 关于一般系统论 的文章 但不久毁于战火 未被人们注意 1947年在美国讲学时再次提出系统论思想 1950年发表 物理学和生物学中的开放系统理论 1955年专著 一般系统论 成为该领域的奠基性著作 60 70年代受到人们重视 1972年发表 一般系统论的历史和现状 把一般系统论扩展到系统科学范畴 二战发展起来的 运筹学 1945年成立 兰德公司 1948年前后 麻省理工电气专家申农提出 信息论 数学教授维纳提出 控制论 美籍匈牙利科学家冯 诺依曼发明的计算机 大大推动了系统工程的发展 40年代 美国贝尔电话公司发展微波通讯网络时 应用系统方法 提出了 系统工程 这个名词 二次世界大战期间 美国 英国在反潜 反空袭 商船护航 布置水雷等军事行动中应用系统工程方法 美国15000多人参加大的研制原子弹的 曼哈顿 计划 也是系统工程成功的实践 我国系统工程的发展始于20世纪50年代 1957年 美国的古德和迈克尔出版了 系统工程 1964年 美国首次召开系统工程年会 在宾夕法尼亚大学和亚利桑那大学建立了系统工程专业 运用系统工程的理论和方法 结合农业科学技术 研究农业系统的合理组建和最佳运行的过程技术 二 农业系统工程 优化配置生产要素 人 物 技术 取得最佳综合效益 研究对象 农业系统 解决农业系统的管理问题 实现农业决策科学化 任务 综合运用多学科理论和成果 解决整体性问题 社会 经济 生态 技术等 探求农业系统运行机制 实现系统和环境相协调 目标的多元化 经济 生态 社会效益 特点 模型多以生物学模型为基础 模型多为不确定的 随机的 模糊的 灰色的 3系统工程的基本逻辑过程和方法 1969年 美国的学者霍尔 A D Hall 提出了系统 三维结构模型 P206 图8 3 把系统工程工作按时间维 逻辑维 各分7个阶段 形成平面交叉网络联系 用知识维说明所需要的学科知识 下面介绍的逻辑过程和方法 主要以逻辑维为基础加以扩充 包括三部分内容 系统描述 了解和认识所研究的系统 21 一 环境辨识 对影响系统功能的环境因素作出描述 以便扬长避短 发挥系统的潜力 P206 图8 4农业系统的环境要素及其划分 二 系统结构与功能分析 对系统现有结构与功能作出描述 以种植业系统为例 另一种是层次分析法 AnalyticHierarchy haira ki ProcessAHP 三 系统问题诊断 在以上分析基础上 对照预期目标和同类型系统 找出存在的问题 分主次 层次进行排序 为解决问题提供科学依据 四 适用于系统问题诊断的方法 常见的方法有两种 一种是解释结构模型 InterpretiveStructuralModelingISM 本书略 具体步骤如下 1 明确问题 建立层次结构 把影响因素分成不同层次 2 分层次建立判断矩阵 以矩阵形式表达每层次因素的相对重要程度 P207 A B判断矩阵 并且规定 Bi比Bj对A而言 同样方法 可以得到B C判断矩阵 表示 且 计算方法如下 可以是 算术平均值 几何平均值或最大特征根 这里用几何平均值法 i 1 2 n 先计算中间值 i 1 2 n 排序结果为 B3 B1 B2 同理可得B C三个判断矩阵的层次单排序 4 层次总排序 即第三层次以下各层次的元素对第一层次总问题的重要性排序 i 1 2 n 5 一致性检验 为了验证层次排序的有效性 完全一致性 可以理解为所有专家的评定是完全一致的 对于判断矩阵C 如果满足 则说明判断矩阵C具有完全一致性 实际中 得到完全一致是困难的 故一般用随机一致性C R来判定 当C R 0 1时 即符合要求 其中 R I是与判断矩阵的阶数n有关的比例系数 C I为一致性指标 式中 max 为判断矩阵的最大特征根 由判断矩阵 例如B 的特征矩阵 E B 的特征方程 E B 0求解得 4 现实性 可行性 经过努力可以达到的 先进指标 二 系统指标设计 是拟定方案的前提 是选择方案的依据 是检验 调整方案的基准 一 应遵循的原则 1 综合性 尽可能地反映系统整体功能要求 2 层次性 根据系统的层次性 设计指标 目标 的层次结构 P211 图8 6 3 时间性 阶段性 设计阶段性指标 时间性 年 年 年 总指标分指标具体指标 P212表8 5 层次性 三 指标值的确定 定性 定量预测 分析 比较 评价 确定 对于农业系统 风险产业 应留有余地 且给出置信区间 过程见P212 图8 7 35 36 三 系统综合 在系统目标指导下 综合应用现有科技成就 通过创新 制定多个系统开发方案 工程计划 的过程 核心任务是概念开发 后面介绍 一 系统综合的指导思想 1 实事求是 客观分析系统的现状 水平 环境条件 既符合实际 又敢于创新 2 集思广益 广泛参与 深入研究 多 方案 中选优 综观全过程 即从系统的生成 系统服务 系统退出 1 模仿法 日本物理哲学研究所所长薮 sou 内先雄 把人的创造活动分为两个阶段 二 概念开发的方法 常见的创造技法有 模仿法 综摄法 检核表法 例举法 形态法 集思广益法 评价变换法等 下面介绍两种 如将航天飞机固定在波音747上实行运输 是模仿飞机携带炸弹 人工污水净化池通过培养细菌来净化污水 是模仿海洋自身净化的原理等 2 综摄法 通过已知事物为媒介 将无关联的普通知识要素结合起来 形成新的构想 遵循的两个基本原则 1 异质同化原则 如受伞尖撞击麦穗的启发 发明了脱粒机 2 同质异化原则 如热水瓶用作冷藏瓶 台历变为挂历等 四 系统分析与优化 有时被直接用作 系统工程 的同义词 这里是指系统工程的一个基本程序 即通过科学方法和手段 建立结构和功能模型 并对各种方案进行试验 做出评价 然后供决策者选择 一 系统模型化 建模目的 分析系统功能 结构 寻求改善或控制策略 建模优点 周期短 成本低 风险小 并可以做出预测 缺点 有一定的局限性 常用的模型种类 1 实体模型 如水工试验 优点 直观 形象 缺点 适应范围窄 3 数学模型 建模一般程序 2 语言模型 优点 适应范围宽 缺点 抽象 44 3 模拟 仿真 优化 通过变换参数 从若干个结果中选优 模型不同 优化方法也不同 一般分三种方法 二 系统优化 对已建的模型求最优解 1 直接优化 从可行域任一点出发 逐步趋向最优解 如线性规划 2 间接优化 对于有明确表达式的模型 通过求极值来求解 如微分法 五 系统评价 对系统分析阶段提供的方案做出评价 排出优劣顺序 应具备的条件 应注意3点 1 政策性指标 政策 方针 规划的具体要求2 技术性指标 如可靠性 安全性等3 经济性指标 产值 利润 成本 投资回收期等4 社会性指标 商品率 就业机会等5 生态性指标 有机质含量 水 气污染程度等6 资源性指标 物资 人力 能源 水源的消耗 利用等7 时间性指标 进度 周期等 一 评价指标体系 就农业系统而言 通常应考虑以下7个方面 数量指标尽量转化为无量纲的相对值 避免指标的不可公度 定性指标尽可能量化 根据具体情况 以上指标可以增减 名词解释 1 异质同化 简单地说 是把看不习惯的事物当成早已习惯的熟悉事物 2 同质异化 是早已熟悉的事物当成完全不熟悉的陌生事物 从新的角度或用新的知识进行分析和观察 以产生新的构思 3 不可公度理论 毕达哥拉斯学派把那些能用整数之比表达的比称作可公度比 而把那些不能用整数之比表达的比称作不可公度比 不可公度 即相比的两个量不能用一个公共度量单位量尽 二 系统评价过程 P216 图8 9 三 系统评价方法 P216 图 这里介绍两种 1 模糊评分法 步骤 拟定评分表格 方案 指标 评分标准 多名专家分别评分 计算平均值后 排序 见P217 表8 6 51 52 53 确定评价指标集 适应性 质量 成本 确定评语集 优 良 中 劣 确定评价指标权重 0 2 0 5 0 3 请若干专家对照指标 评语作出评价 对评价结果进行规范化处理 如按优 良 中 劣相应得票数所占总人数的百分比 后 给出模糊评判矩阵 P217 2 模糊综合评判法 运用模糊数学对多目标问题作综合评价 所谓综合 即多目标 步骤 55 表示取最小 表示取最大 用指标权重集和评判矩阵进行逻辑合成 57 分析比较个方案的综合评价结果 进行优劣排序 然后作规范化处理 得出方案综合评价结果 选定1个实施方案 六 决策 通过判断 作出决定 一 决策工作体系 避免系统工程领导人一人独断的弊病 二 决策输出分析 4种可能 不做决策 当方向不明 决心不大时 这种状态不能持久 以免影响工作 修改方案 当信息不足 环境因素变化 有不良后果 无满意方案时 终止行动 当原来提出的目标概念是错误的 已有系统可以达成目标 环境条件不具备时 60 以上4种状态之间的关系如图8 11所示 61 试验 对局部的关键部分 可靠性 是指在规定条件下和预定时间内完成规定功能的能力 包括3个阶段 局部试验 检验 追踪决策 科学组织实施 一 试验与可靠性分析 根据可靠性理论 系统可靠度 七 实施 通常 t 分3个阶段变化 P221 图8 12 早期失效 偶然失效 耗损失效 t 系统失效率 心理效应 注意有关人员对追踪决策的反应 尽量消除原决策当事人的感情因素 情绪 二 追踪决策特点 回溯分析 实事求是地评价原决策的正确与错误 找出错误原因 加以改进 非零起点 在原决策的基础上 修正补充 双重优化 既要优于原决策 又要在多方案中选优 65 资金安排 来源 分配数量 投资时间等 硬件开发