交通运输系统分析

交通运输系统分析1为什么要学习这门课程？《交通运输系统分析》是学院通开课，全院交通相关专业的基础课之一。以系统工程的原理和方法，认识和分析交通运输体系，研究交通运输系统分析的基本理论和方法。培养研究生掌握系统和系统分析的基本概念与方法，掌握交通运输系统分析的基本理论、基本方法和专业创新思维，使研究生基本具备以系统思想和系统分析方法处理交通运输问题的能力。引例：泡茶问题

开水没有，开水壶要洗，茶壶茶杯要洗，火已生了，茶叶也有了，想泡壶茶喝，怎么办?”一、问题描述目标：喝到一碗清新的热茶。条件：已有一个茶壶、一包好茶叶、一个燃着的火炉和可用的凉水水源。其它要求：以最节约资源的方式实现目标。研究任务：合理安排各道工序，设计一个解决泡茶问题的行动计划。二、系统分析

1.列出泡茶所需的全部工序

2.确定每道工序所需的时间

3.确定各道工序之间的时间连接关系

4.定性分析有几种备选方案

5.计算每种方案所需的总时间

6.做出比较结论工序分析定性策划几个备选方案甲：⑴洗净水壶；⑵灌上凉水；⑶壶放在火上；⑷等水开；⑸水开后，以最快的速度洗茶杯，找茶叶；⑹泡茶，待茶泡好；⑺喝茶。乙：⑴洗净水壶；⑵洗茶杯；⑶找好茶叶；⑷灌凉水；⑸壶放火上；⑹等水开；⑺水开后，用准备好的茶杯、茶叶泡茶；⑻等待茶泡好；⑼喝茶。丙：⑴洗净水壶；⑵灌凉水；⑶壶放火上；⑷洗茶杯；⑸拿茶叶；⑹水开之前，可干一些其它事；⑺水开，泡茶；⑻喝茶。方案分析甲方案总时间=1+0.5+0.3+15+2+2.2=21

乙方案总时间=1+1+1+0.5+0.3+15+2.2=21

丙方案总时间=1+0.5+(0.3+15)+2.2=19建议方案：丙（满足目标、要求）几大步骤：确定问题目标分析需求分析方案策划系统分析（统计、计算、比较）决策建议方案实施系统原理：最优化、并行统筹、工序图法教学内容第一讲系统与系统工程1.1系统及其特性1.2系统工程概述1.3系统工程应用1.4系统工程发展第二讲系统分析方法2.1系统分析原理2.2系统要素分析2.3系统结构分析2.4系统决策与评价（重点）2.5系统预测分析（重点）2.6拓展学习第三讲系统仿真与系统动力学3.1系统仿真原理3.2系统动力学原理3.3案例分析（重点）第四讲交通运输系统分析原理4.1交通运输系统概述4.2交通运输系统分析内容4.3交通运输系统分析方法（重点）4.4拓展学习第五讲交通运输系统模型5.1系统模型概述5.2常用交通运输系统模型（重点）5.3交通运输系统结构分析5.4交通运输系统环境分析5.5案例分析教学内容第六讲交通运输系统预测6.1系统预测概述6.2系统预测方法（重点）6.3系统预测实例第七讲交通运输系统网络优化7.1网络优化概述7.2网络优化技术（重点）7.3网络优化实例第八讲交通运输系统综合评价8.1系统评价方法8.2综合评价方法（重点）8.3系统综合评价实例第九讲交通运输系统决策9.1系统决策概述9.2系统决策方法（重点）9.3系统决策支持系统第十讲交通运输系统仿真软件应用10.1常用仿真软件介绍10.2常用仿真软件应用实例（重点）如何学习这门课程？掌握交通运输系统分析的基本方法；根据选题要求，提交专题报告；注重前沿理论的学习和运用；注重与实际相结合的应用分析。主要参考书目《交通运输系统分析》，张国伍，西南交大出版社，1991《交通运输系统工程》，郭瑞军，国防工业出版社，2008《系统工程》，汪应洛，机械工业出版社，2011《系统工程理论、方法与应用》，汪应洛，高等教育出版社,1998《运输经济学导论》，许庆斌、荣朝和，中国铁道出版社，2003EnnioCascetta,TransportationSystemsAnalysis:ModelsandApplications,Springer,2009EnnioCascetta,TransportationSystemsEngineering:TheoryandMethods,Springer,2001JosephSussman,Introductiontotransportationsystems,Boston:ArtechHouse,2000.AlexanderKossiakoff,WilliamN.Sweet,SamSeymour,SystemsEngineeringPrinciplesandPractice,JohnWiley&Sons,2011第一讲系统与系统工程1.1系统概念与特征1.2系统工程概念及特点1.3系统工程方法论1.4运输系统工程内涵1.1系统概念与特征你认为什么是系统？你认为哪些算系统？这些系统的共同点是什么？（1）两个以上要素组成的整体（2）要素之间、要素与整体、整体与环境存在有机联系（3）这些联系和结构产生系统功能定义系统就是由两个或两个以上相互区别、相互联系而又相互作用的要素组成，在一定的阶层结构形式中分布，在给定的环境约束下，为达到一定目的而存在的有机整体。六大特征整体性

一般来说，F＞∑Fi

“三个臭皮匠，赛过一个诸葛亮”

特殊情况：“一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃”要使得整体的功能大于部分功能之和，组成该整体的各要素必须协调统一。集合性表现为要素之间的相互区别性，且随时间变化而变化，具有一定的动态特征。有序性（层次性）表现为要素在系统中所处的地位不同，从而形成了不同的层次，该层次决定了系统内物质、信息和能量的流动。相关性

必须努力建立起系统各要素之间的合理关系，以消除相互间的盲目联系和无效行动。目的性

系统整体形成的特定功能和目的。环境适应性环境系统（转换）环境物质、能量、信息产品、成果

系统的分类组成要素的性质：自然系统，人造系统从系统的状态与时间的关系看：静态系统，动态系统从系统与环境的密切程度看：封闭系统，开放系统按系统的形态分：实体系统，概念系统按反馈性分：开环系统，闭环系统按系统的规模大小和复杂程度：小系统（一般系统），复杂系统（复杂巨系统）国家政策市场研究技术经济预测竞争状况企业能力资金来源资源条件社会需求生产可能生产组织与控制物、财、人、信息生产控制库存控制质量控制成本控制资金回收产品销售服务调查经营目标产品开发经营计划生产技术准备技术文件劳动力劳动手段劳动对象环境分析经营决策与计划投入转换产出例1工业企业生产经营活动系统例2城市交通综合系统城市交通综合系统

交通环境条件

道路交通条件路段交通系统路口交通系统交通设施系统行人交通系统公共交通系统交通管理系统公共场所分布居民住宅分布公交站点分布停车场分布企事业单位分布第三产业网点分布

说明：

(1)系统的功能及其要素；

(2)系统的环境及输入、输出；

(3)系统的结构；

(4)系统属性的表现。描述一个你熟悉的系统1.2系统工程概念及特点系统思想发展古代朴素系统思想亚里士多德“整体大于部分之和”我国古天文学“二十四节气”西汉初年古代医学总集《黄帝内经》战国时期都江堰水利枢纽“三大工程与120附属渠堰工程”近代系统思想各学科分门别类发展培根《新工具》、笛卡尔《方法论》牛顿经典力学后，机械论与还原思想占主导现代系统科学能量守恒定律、细胞学说、进化论辩证唯物主义为指导的哲学系统科学的产生哲学马克思主义哲学桥梁数学哲学自然辩证法历史唯物主义系统论认识论社会论军事哲学…学科数学自然科学社会科学系统科学思维科学行为科学军事科学…基础科学几何、代数、数学分析物理学、生物学、力学、化学经济学、社会学、民族学系统学思维学、信息论伦理学、行为学战略学…技术科学计算数学、应用数学化学原理、机械原理、电工学资本主义理论、社会主义理论运筹学、信息论、控制论情报学、模式识别社会主义道德理论指挥学…工程技术统筹方法、速算技术齿轮技术、生产工艺企业经营管理各门系统工程人工智能公共关系学战术训练、军事工程…现代科学技术体系结构（钱学森）系统工程（SystemsEngineering,SE）以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。

(1)整体性和系统化观点（前提）

(2)总体最优或平衡协调观点（目的）

(3)多种方法综合运用的观点（手段）

(4)问题导向及反馈控制观点（保障）系统工程的发展阶段年代（份）重大工程实践或事件重要理论与方法贡献I1930美国发展与研究广播电视正式提出系统方法（Systemsapproach）的概念1940美国实施彩电开发计划采用系统方法，并取得巨大成功美国Bell电话公司开发微波通讯系统正式使用系统工程（SystemsEngineering）一词II第二次世界大战期间英、美等国的反空袭等军事行动产生军事运筹学（MilitaryOperationsResearch）,也即军事系统工程本世纪40年代美国研制原子弹的“曼哈顿计划”运用SE，并推动了其发展1945美国空军建立兰德（RAND）公司曾经提出系统分析（Systemsanalysis）概念，强调了其重要性28III40年代后期到50年代初期运筹学的广泛运用与发展、控制论的创立与应用、电子计算机的出现，为SE奠定了重要的学科基础IV1957H.Goode和R.E.Machol发表第一部名为《系统工程》的著作系统工程学科形成的标志1958美国研制北极星导弹潜艇提出PERT（网络优化技术），这是最早的系统工程技术之一。1965R.E.Machol编著《系统工程手册》表明系统工程的实用化和规范化美国自动控制学家L.A.Zedeh提出“模糊集合”概念为现代SE奠定了重要的数学基础1961-1972美国实施“阿波罗”登月计划使用了多种SE方法，其成功极大地提高了SE的地位29V1972国际应用系统分析研究所（IIASA）在维也纳成立SE的应用开始从工程领域进入到社会经济领域，并发展到了一个重要的新阶段。70年代SE的广泛应用在国际上达到高潮VI80年代SE在国际上稳定发展、在中国的研究与应用达到高潮3020世纪50至60年代，我国主要标志和集中代表是钱学森的《工程控制论》、华罗庚的《统筹法》和许国志的《运筹学》。从70年代末、80年代初开始大规模地研究与应用SE。如：人口问题的定量研究及应用（始于1978年）、2000年中国的研究(1983至1985年）、全国和地区能源规划（始于1980年）、全国人才和教育规划（始于1983年）、农业系统工程（始于1980年）、区域发展战略（始于1982年）、投入产出表的应用（始于1973年）、军事系统工程（始于1978年）、水资源的开发利用（始于1978年）等。

90年代以来，系统工程在与企业发展结合、与现代信息技术结合、与实施可持续发展战略结合、与思维科学结合等方面已具有初步结果和强劲势头。1.3系统工程方法论（1）硬系统方法论

硬系统：即指“结构化”的系统，一般该类系统问题的目前状态和期望达到的未来状态是明确的或可以确定的。系统工程人员所要做的工作就是选择合适的方案使目前状态顺利过渡转化成未来状态。方法特点：强调明确目标，核心内容是系统分析和优化，多用定量分析方法。适用范围：大型的工程建设项目代表：霍尔三维结构A.D.Hall1969知识维（K）运筹学控制论社会科学工程技术……逻辑维（L）规划阶段设计阶段分析阶段运筹阶段实施阶段运行阶段更新阶段时间维(T)

摆明问题

系统设计方案综合模型化实施计划

决策最优化应用——企业管理系统工程活动矩阵（框架——H；内容——C）问题现状说明关联要素分析方向目标及指标设计

对象系统的再认识变革途径探索比较、分析、权衡、评价组织行为分析实施与改进1.企业诊断与环境分析2.企业发展战略与规划3.产品研究与开发管理4.企业经营决策与计划5.生产要素的准备及投入管理6.生产过程的组织与控制7.销售服务与资金回收管理8.企业管理系统更新和企业经营环境改善逻辑步骤活动项目工作过程35（2）软系统方法论（切克兰德）

软系统：这类问题往往涉及人的主观因素、系统目标不够明确、评价指标不够清楚、目标是否达成取决于人的主观因素。问题及其环境的识别与表达建立概念模型(目标系统概念化)关联因素比较寻求改善途径选择设计实施评估.“调查学习”方法论：方法特点：定性、定量相结合，以定性为主，方法核心不是最优化而是比较，从比较中学习改善现状的途径。适用范围：企业管理、规划、政策制定、策略制定等战略问题的研究（3）两种方法论的比较方法论硬系统方法论软系统方法论对象系统工程、技术系统社会经济或经营管理等软系统处理问题明确的、良好结构不明确、不良结构目的一元的，要求优化，有明确的好结果多元的，满意解，系统有好的变化或问题取得进展核心内容优化分析比较学习处理方法定量模型概念模型，定性与定量相结合的方法系统基础理论

老三论（形成于二十世纪四十年代）：一般系统论、控制论和信息论。

新三论（形成于二十世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。⒈一般系统论奥地利理论生物学家贝塔朗菲1945年发表《关于一般系统论》，研究复杂系统一般规律的学科基本观点：系统观点：整体性动态观点：动态性（取决于相关性）等级层次观点：有序性（结构或空间；发展或时间）⒉控制论维纳于1948年出版了《控制论》一书经典控制论——现代控制论——大系统控制理论对系统方法的启示：黑箱-灰箱-白箱法功能模拟法形式化、数量化、最优化方法⒊信息论美国数学家申农和信息科学家维纳以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维等为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标。类比方法统计方法信息方法（运用信息的观点，把系统看作是借助于信息的获取、传递、加工、处理而实现其有目的性的运动的一种研究方法）⒋耗散结构理论耗散结构理论是十九世纪70年代由比利时物理学家普利高津提出来的。耗散结构是与平衡结构相对的。主要观点如下：（1）开放系统是产生耗散结构的必要前提，同时也是耗散结构得以维持和存在的基础。（2）非平衡态是系统有序之源。（3）系统的涨落导致系统走向有序。⒌协同学理论协同学（Synergetics）理论也是在20世纪70年代产生的，是由联邦德国的物理学家哈肯提出来的。主要观点如下：（1）协同导致有序。所谓协同，就是互相协作。（2）自组织理论。所谓自组织，哈肯特别强调指的是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和功能，它具有内在性和自主性。自组织理论是协同学的核心。⒍突变论

突变论是1972年，由法国数学家托姆（ReneThom）提出来的。突变理论是从量的角度研究各种事物的不连续的变化的，并试图用统一的数学模型来描述它们。突变论以结构稳定性为基础，通过对系统稳定性的研究，说明系统的稳态与非稳态、渐变与突变的特征及其相互关系，揭示系统状态演变的内部因素与外界条件。7、超循环理论（hypercycletheory）

1971，德国生物物理学家M.艾根研究分子自组织的一种理论（经循环联系把自催化或自复制单元连接起来的系统）。8、微分动力系统（differentialdynamicalsystems）

60年代初，S.斯梅尔、廖山涛（北大数学教授）系统科学的一个数学分支。主要研究随时间演变的动力系统的整体性质及其在扰动中的变化。9、分岔理论（bifurcationtheory）

50年代，苏联学者A.A.安德罗诺夫等研究分岔现象的特性和产生机理的数学理论

10、泛系理论（pansystemstheory）

1976，吴学谋（中科院武汉数理所研究员）一种研究广义系统、关系的理论和方法，又称泛系方法或泛系方法论11、灰色系统理论（graysystemstheory）

1979，邓聚龙（华中科技大教授）关于信息不完全或不确定系统的控制理论，应用在系统预测等方面。12、复杂系统理论以非线性自组织理论为核心的系统理论（欧洲学派）以圣菲研究所（SFI）为代表的理论框架，其代表性理论是1994年霍兰提出的CAS（复杂适应系统）理论（美国学派）以开放的复杂巨系统理论为核心的理论体系（中国学派）钱学森——“

我认为把运筹学、控制论和信息论同贝塔朗菲（一般系统论）、普利高津（耗散结构理论）、哈肯（协同学）、艾根（超循环理论）等人的工作融会贯通，加以整理，就可以写出《系统学》这本书了。”1.4运输系统工程内涵交通运输系统从运输方式角度包含五个子系统：铁路、公路、水运、航空、管道从构成要素角度包含三个子系统：交通运输系统设备构成

固定设备、移动设备综合运输网络及枢纽

骨干线路、开发线路、给养线路、腹地线路、企业