第三章运输系统分析

系统分析—基本概念1.系统分析（systemsanalysis）是指从系统的角度出发，对需要改进的已有系统或准备建立的新系统进行定性和定量的理论分析或实验研究，从而完成系统目的的重审、系统结构的分析、系统性能的估计、系统效益的评价、系统和环境相互影响的分析以及系统发展的预测，为系统综合、系统规划设计、系统协调、系统优化控制和系统管理提供理论和实验依据。2.系统分析的目的：通过对系统的分析，认识各种替代方案的目的，比较各种替代方案的费用、效益、功能、可靠性以及与环境之间的关系等，得出决策者进行决策所需要的资料和信息，为最优决策提供科学可靠的依据。系统分析—对象及内容系统分析的对象可以分为对现有系统的分析和对新开发系统的分析。1.对现有系统的分析（1）对系统外部的分析，主要是对系统所处的外部环境以及系统与外部环境之间的关系进行分析，包括宏观外部环境和微观外部环境分析。（2）对系统内部的分析，主要是系统构成要素的分析；系统要素间关系的分析；系统的结构分析；系统功能的分析等。2.对新开发系统的分析分析的目的是使新开发设计的系统达到整体最优。分析的内容可以是新系统的投资方向、工程的规模、厂址（港址）的选择、生产环节的布局、工程系统的设计、工艺方案的确定、设备配置以及生产过程的组织和设计等。开发系统进行分析时，要注意运用逻辑推理。例3-1管道运输系统分析（1）系统开发对象：原油运输系统。（2）系统开发目标：每天由阿拉斯加的油田向美国本土运送200万桶原油。（3）系统开发环境：油田处于北极圈内；海湾长年处于冰封状态；陆地更是常年冰冻，最低气温达-50℃。例3-1管道运输系统分析（4）提出的问题是：应如何设计原油运输系统，才能达到系统的目标？（5）系统方案设计：方案１：由海路用油船运输。方案２：用带加温系统的输油管运输。（6）系统分析：对于方案１，其优点是：每天仅需要4~5艘超级油轮即可满足运量的要求，比铺设油管省钱。存在的问题是：第一，要用破冰船引航，这样既不安全又增加费用；第二，起点和终点都要建造大型油库，这又是一笔巨额花费。而且，考虑到海运可能受到海上风暴的影响，油库的储量应在油田日产量的10倍以上，以保证需求量的供应。对于方案２，其优点是：可以利用成熟的管道输油技术。存在的问题是：第一，要在沿途设加温站，造成管理复杂，而且要供给燃料，增加了困难；第二，加温后的输油管不能简单地铺在冻土里，因为冻土层受热后会引起管道变形，甚至造成断裂。为避免这种危险，有一半的管道需要用底架支撑，这样，架设管道的成本费用要比铺设地下油管高出３倍。（7）系统分析提问：是否有其他更好的方案呢？系统进一步分析—提出第一个竞争方案（方案3）。方案３：有人提出将含有10%~20%氯化钠的海水加到原油中去，使在低温下的原油成为乳液状，且能畅流，这样就可以用普通的输油管道运输了。这个方案获得了很高的评价，而且，取得了专利。其实，这一原理早就用于制作汽车的防冻液了。而将这一原理运用到这个工程中来，是一个有价值的创造。（8）系统分析进一步提问：是否还有其他更好的方案呢?系统进一步分析—提出第二个竞争方案（方案4）。方案４：将天然气转换为甲醇以后再加到原油中去，以降低原油的凝点，增加流动性，从而用普通的管道就可以同时输送原油和天然气了。这个方案的提出，充分体现出系统工程方法的综合性和与各种专业知识的相关性。这个方案是由两个系统分析人员马斯登和胡克提出来的。他们对石油的生成和变化有着丰富的经验和知识，他们注意到，埋在地下的石油最初是油气合一的，这时它们的凝点非常低。经过漫长的年代以后，油气才逐渐分开。他们提出的方案4与方案3相比，方案4更好。第一，不需要运送无用的附加混合剂—海水；第二，不需要另外铺设天然气管道了。（9）系统方案选择：最后选定的是方案4。由于采用这一方案，仅铺设管道费用就节省了近60亿美元，比方案3省了一半的费用。

从这个例子中，我们可以看到系统分析工作的重要性以及系统工程的价值。假如不进行系统方案的分析，仅在方案1、方案2上搞优化，不追寻一系列的为什么，不去寻求更好的系统方案，就不可能得到方案4。即使确定了最好的管道直径、管道壁厚、加压泵站的压力和距离等，也得不到方案4所带来的综合优化。系统分析—原则1.外部条件与内部条件相结合的原则对系统的外部条件进行分析和研究，在于弄清系统目前和将来所处环境的状况，把握系统发展的有利条件和不利因素。而对系统内部的分析，则为了了解系统的组成要素、要素之间的关系以及系统的结构、功能等。2.当前利益与长远利益相结合的原则系统的最优化，包含着两方面的含义：一是从空间上讲要求整体最优，二是从时间上讲要求全过程最优。因此，选择系统方案时，不仅要从当前利益出发，而且还要考虑到将来的利益。对我国人口系统的控制，国家曾组织了多方面的专家从经济发展、人民生活和生态环境等3个大的方面，考虑了20多个因素，定量地进行了研究。计算的结果是：我国960万km2的土地上，最佳人口数是6.5亿~7亿人。由此提出了控制人口数量，提高人口质量的一系列基本国策，争取在2070年以后，使我国的人口基本稳定在７亿人左右。这个控制全国人口的方案，就是一个全面考虑了当前利益与长远利益的最优方案。例3-4人口系统分析3.局部效益与整体效益相结合的原则系统是由许多子系统组成的，但是当各子系统的效益都很好的时候，系统的整体效益并不一定会好。系统工程在争取系统总体最优时，必须全面考虑整体与局部以及局部与局部之间的关系，忽略这一点，就很难得到总体最佳的效果。4.定量分析与定性分析相结合的原则系统工程所处理的系统各组成部分之间的关系、系统的整体和各个组成部分之间的关系、系统和环境之间的关系、系统的现在和未来之间的关系，一般都是极其复杂的。对这种复杂的关系揭示得越清晰、越深刻、越精确，就越能够取得最优的综合运用效果。例3-4铲挖作业分析泰勒在米德维尔钢铁公司进行科学管理方法的探讨时，注意到工厂里的铲挖作业虽然有多种多样，但工人使用的工具—铁铲的大小、形状都是同样的，使得挖铲作业的负载相差非常悬殊。比如，挖满一铲煤仅重1.589kg，而用同样的铁铲挖满一铲铁矿石却重17.252kg，显然用同样的铁铲是不合理的。经过多次实验，他确定了一铲的最理想的质量是9.761kg，为此，他设计了能适应不同挖铲作业的各种铁铲。经过这样的改进，使工厂的铲挖生产率有了显著的提高，在3

年半的时间里，从事铲挖作业的工人人数从500名减少到了140名。在这些试验研究的基础上，逐步形成了后来被称为“科学管理”式的“泰勒制”的管理制度。系统目的分析—原则在进行系统目的分析时，必须遵循以下原则：（1）技术上的先进性。（2）经济上的合理性和有效性。（3）和其他系统的兼容性和协调性。（4）对客观环境变化的适应性。运输系统目的分析—内容1.系统目的的必要性，从以下四个方面来判断：（1）现有系统是否出现了与客观环境不适应，或是否出现了与国民经济发展不适应的情况；（2）由于科学技术的进步，现有系统是否过于落后而必须发展新系统；（3）在客观环境中是否出现了功能超过现有系统的竞争系统；（4）系统的用户是否提出了新的要求。2.系统目的的可实现性，可以从以下几个方面来考虑：（1）系统目的的科学性：系统目的的建立要有科学的依据、充分的论证，不能是空想的、盲目的；（2）系统目的的可实现性：即考虑在现有的技术水平、经济力量、资源条件下是否能够实现系统的目标。3.系统目的的完善性系统目的的完善性是指提出的目的是否充分体现了人们对系统特性要求的多样性和系统本身的多层次性特点。（1）人们对系统要求的多样性：人们对系统，特别是对那些庞大而且复杂的系统的特性往往存在着多种要求。

（2）由于系统的多层次特点，在改造或新建系统的内部必然存在着层次不同的各级子系统，在审查系统目的的时候，就必须充分考虑这种多层次的特点。需要审查系统的总目的和子系统的目的，包括目的的科学性、可实现性以及完善性等。并且要考察系统的总目的和各级子系统的局部目的之间、子系统的各个局部目的之间是否协调、是否存在矛盾等。例3-5图3-2给出了某港口以集装箱转运中心为战略目标时，总目标与子目标之间的相应关系。4.系统有无具体的指标体系（1）在系统工程中，目的要通过一系列具体的、定量的目标来实现的。一般来说，目的是宏观的、定性的，而目标则是具体的、定量的，目的由一系列目标所组成，通过目标来实现。（2）一个系统，可能有多个目的，要分为主要目的和次要目的。为了达到某一系统的目的，往往又规定了许多指标，这些指标虽然在数量上很多，但是它们是相互关联、相互影响的，构成了系统的指标体系。运输系统结构—含义

系统结构是系统内部各要素相互联系、相互作用的方式或秩序，即各要素之间的具体联系和作用的形式，是系统保持整体性以及具有一定功能的内在根据。交通运输系统的结构，是指交通运输系统的组成要素及其各要素之间的组成方式和相互关系。系统结构与系统功能的关系1.结构是完成系统功能的基础要素与结构是功能的内在根据，功能是要素与结构的外在表现。只有依靠结构才能把各个孤立的要素组成一个系统，才能具备所需系统的功能。2.不同的系统结构产生不同的系统功能和功能效率系统的结构不仅在量的方面决定着系统功能的有无，而且在质的方面也影响着系统功能的强弱和系统效率的高低。最优的系统结构必然有利于产生最优的系统功能和最高的功能效率。运输系统结构分析的任务1.运输系统组成要素分析分析运输系统由哪些要素组成，这些要素之间具有什么样的关系，这些关系产生什么样的系统结构等。2.运输系统要素间的关系分析（1）各种运输方式的子系统之间除了在功能上互相衔接，分工与协作之外，还具有互相促进、互相制约和互相替代的关系。（2）各种运输方式中运输对象、运输工具、运输线路和运输港站场之间除了功能上的互相衔接关系之外，也具有互相促进和互相制约的关系。3.运输系统结构分析运输系统结构的分析，主要是分析运输系统内外部相互联系的各个方面和环节的有机比例和构成。根据考察角度的不同，运输系统的结构可划分为宏观、中观和微观３个层次。这三个层次是相互渗透、相互影响的，运输结构的宏观适应性要以中观层次的结构优化和微观层次结构组合为基础，中观层次和微观层次则要服从宏观层次的结构要求，运输结构优化的共同目的是用尽可能少的社会资源占用及劳动消耗来充分满足社会的运输需求。（1）宏观层次的运输结构，是从国民经济整体考察运输业的运输能力与运输需求的适应程度，以及为了建立适应性运输业而应有的生产要素投入比例和运输业产出比例。（2）中观层次的运输结构，是从运输行业内部考察各种运输方式的构成，以及为了实现合理分工协作所需的比例关系。（3）微观层次的运输结构，是从每种运输方式内部的各个环节考察其构成比例。4.运输系统结构的稳定性分析系统的稳定性表示系统在其寿命周期内可靠地完成系统应有的功能的能力，系统要发挥其功能，保持良好的结构和稳定的运行状态，就必须具有抗干扰的功能；因此，必须重视系统结构稳定性分析。5.运输系统结构的合理性分析一个运输系统的结构优良，包含了两方面的含义：（1）与国民经济其他系统之间保持一种协调发展的比例关系；（2）内部公路、铁路、水路、航空、管道5种运输方式之间保持一种优化的比例。运输系统的合理结构—综合运输通道

一个合理的交通运输系统结构，应该是一个能充分发挥各种运输方式的优势，形成分工协作、取长补短、协调发展，运输能力充分的综合交通运输体系，以取得最大的社会、经济效益，并与本国的国情和需求相适应。一个合理的运输系统，其基本内容包括：（1）能在数量和品质上与需求结构保持动态平衡，且具有适当的应变能力和富裕度以及可持续发展空间。（2）能在一定的投入条件下取得尽可能大的产出（周转量）或在一定的产出条件下能最大限度地节约投入，即实现结构效益最大化。（3）能充分发挥各种运输方式的技术经济特征，并使各种运输方式间保持协调发展。（4）能充分、有效地利用本国的运输资源，特别是天然运输资源，并与外贸发展相适应。综合运输通道—定义

关于运输通道的定义，目前较权威的有两种：（1）公路运输工作者协会在《道路名词定义》一书中解释为：“通道是一具有一定起讫点的连续长条地带，为了交通运输建设，需对地带内的交通量、地形和环境进行评价”。（2）国际公共运输联盟在《公共运输字典》的解释：“通道指的是某一地理区域，为一宽阔的长条地带。它顺着共同方向的交通流向前伸展，把主要交通流发生地连接起来，可能有若干条可供选择的不同运输路线”。综合运输通道—特点

（1）区域性：综合运输通道在一定的地理区域内，连接主要的经济点、生产点、重要城市和交通网枢纽，具有明显的区域特征。（2）规模性：综合运输通道在其覆盖的运输区域内具有一定规模的、共同的、稳定的交通流，并且具有特定的结构类型。（3）集合性：综合运输通道是为了承担一定区域的、具有一定规模的、强大的交通流而建设的具有综合交通运输能力的交通运输线路的集合。（4）方向性：综合运输通道具有一定的方向性，多种运输方式、多条运输线路构成的运输集合，沿着共同的方向形成综合运输流。综合运输通道—构成要素

综合运输通道内部构成要素包括：（1）所连接的节点：综合运输通道沿线所连接的城市就是综合运输通道中的“节点”。（2）运输线路：运输线路是支撑综合运输通道的线状交通基础设施。（3）运输工具：运输工具是指在运输线路上用于承载货物或旅客并使其发生位移的各种设备装置。（4）要素流：要素流是由物质流（人流、物流）和非物质流（资金流、信息流和技术流）构成。（5）外部环境：综合运输通道的外部环境是指支撑综合运输通道的地域经济实体。外部环境有广义和狭义两种划分，广义的外部环境指综合运输通道所在的区域运输网络所依托的地域经济实体，包括自然、政治、社会、经济的影响；狭义的外部环境指综合运输通道的直接影响区域，即综合运输通道中运输线路所联系的地域。综合运输通道—分类（1）按通道经过的地域范围可分为广域运输通道、区域运输通道以及城市及其对外通道。（2）按运输服务对象划分为客运通道、货运通道以及客货混合运输通道。（3）按运输功能划分为干线通道、集散通道、城市通道和特殊用途通道。系统结构分析方法—解释结构分析方法解释结构分析方法的原理：根据系统中各要素之间存在的潜在关系，利用图论中的关联矩阵定量地描述这些关系，建立系统的结构模型，并对模型进一步的分析。1.结构模型的基本性质（1）结构模型是一种几何模型；（2）结构模型是一种以定性分析为主的模型；（3）结构模型除了可用有向连接图描述外，还可以用矩阵形式来描述；（4）结构模型作为对系统进行描述的一种形式，处于自然科学领域所用的数学模型形式和社会科学领域所用的以文章表现的逻辑分析形式之间，它适用于处理社会科学为对象的复杂系统中和比较简单的以自然科学为对象的系统中存在的问题。2.建立结构分析模型的步骤

（4）通过对直接关系矩阵的计算，得到可达矩阵T。式中：n—直接关系矩阵Ｍ的阶数；可达矩阵T除了反映系统中各要素间的直接关系外，还可以反映出系统中各要素间的间接关系。（5）将可达矩阵T分解成两个集合：R(si)集合：包含由si可能到达的一切有关系的要素集合，称为si的母集合；A(si)集合：包含一切有关系的要素可以到达si的集合，称为si的子集合。

（6）计算R(si)与A(si)的交集，满足R(si)，A(si)=R(si)中的要素就是系统的最上位要素，即最高层次的要素。（7）去掉最高层次要素，重复步骤（6），依次分出系统的第二层、第三层……直至最下层要素。（8）根据上述分析，画出系统的层次结构图。例3-6系统结构分析设系统S={s1，s2，s3，s4}由4个要素组成，行要素记为si列要素记为sj，j=1,2,3