交通运输系统工程 课件 第1章 系统概述

交通运输系统工程第1章系统概述1.1

系统的概念、特性及分类1.2

系统思想的形成与发展1.3

系统科学的学科体系第2章系统工程理论2.1

系统工程的概念、研究内容及特点2.2

系统工程发展概况2.3

系统工程方法论2.4

系统工程的理论基础第3章交通运输系统3.1

交通运输的概念及分类3.2

交通运输系统的组成与特点3.3

交通运输系统工程的研究内容3.4

我国交通运输的现状及发展前景第4章运输系统分析4.1系统分析的基础理论4.2系统的特性分析4.3系统结构模型化技术第5章系统模型与仿真5.1系统建模及仿真概述5.2系统动力学的建模5.3系统动力学仿真计算5.4延迟第6章运输系统预测6.1系统预测基本概念6.2定性预测方法6.3定量预测方法交通运输与教育平台第7章运输系统网络优化7.1运输网络的最短路和最大流7.2网络图的组成及绘制7.3网络图时间参数7.4网络图优化分析第8章运输系统综合评价8.1运输系统综合评价概述8.2运输系统的经济评价8.3常用的系统综合评价方法第9章运输系统决策9.1运输系统决策分析概述9.2不确定型运输系统决策分析9.3风险型运输系统决策分析9.4信息的价值9.5效用理论及其应用第10章神经网络与遗传算法10.1神经网络概述10.2遗传算法第11章运输系统工程应用案例11.1地铁换乘枢纽的拥挤评价11.2道路交通检测数据的联合卡尔曼滤波11.3城市轨道交通定价模型交通运输与教育平台交通运输与教育平台

第1章系统概述

1.1系统的概念、特性及分类1.2系统思想的形成与发展1.3系统科学的学科体系交通运输与教育平台1.1.1.1系统概念

系统是由两个或两个以上相互关联的要素所构成的具有特定功能的整体。

在现实生活中，“系统”是一个被广泛使用的词汇。人体就是一个系统，主要由神经系统、呼吸系统、消化系统、循环系统、内分泌系统、泌尿系统、生殖系统和运动系统构成；地球也是一个系统，地球四个子系统是岩石圈、大气圈、水文圈及生物圈交通运输系统是由铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输和管道运输这五个系统构成的；一台机器是一个系统；一个家庭、企业、学校都可看作系统；甚至一个国家、整个社会也都构成了一个系统。1.1.1系统概念及其特性1.1系统概念、特性及分类交通运输与教育平台1.1.1.2系统特性

系统一般具有以下几种特性。(１)集合性。

集合性即把具有某种属性的一些对象看作一个整体，从而形成一个集合，集合里的各个对象称为集合的要素，这些要素可能是元件、零件、单个机器、个体，也可能是子系统，系统是由要素组合而成的。

系统的集合性表明，系统是由两个或两个以上相互关联的要素所组成的。这些要素可以是具体的物质，也可以是抽象的或非物质的软件、组织、观点或理论等。1.1.1系统概念及其特性交通运输与教育平台(2)相关性。

组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系以及这些关系之间的演变规律。

例如，道路交通控制系统是一个大系统，它由交通信号控制系统、交通法规控制系统、智能交通控制系统、传感器与监测设备、控制中心与通信系统等子系统或单元组成，系统内的各个子系统为整体目标服务，通过各子系统相互协调作用，使道路上的车辆能安全有序、畅通行驶，提高交通运输系统整体运行效率。1.1.1系统概念及其特性交通运输与教育平台(3)层次性。

由于系统各组成部分在系统中所处的地位不同，从而形成了不同的层次，并存在一定的层次结构，这是系统空间结构的特定形式。图1-1所示为按不同运输方式划分的旅客运输系统的构成。1.1.1系统概念及其特性图1-1旅客运输系统的构成交通运输与教育平台(4)整体性。

整体性即具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系(相关性、层次性)根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中。也就是说，任何一个要素不能离开整体去研究，要素间的联系和作用也不能脱离整体的协调去考虑。系统不是各个要素的简单集合，它具有作为一个整体的特定功能。

系统的构成要素和要素的机能、要素的相互联系要服从系统整体的目的和功能，在整体功能的基础上展开各要素及其相互之间的活动，这种活动的总和形成了系统整体的有机行为。在一个系统整体中，即使每个要素并不都很完善，但它们也可以协调、综合成为具有良好功能的系统；反之，即使每个要素都是最优的，但作为整体却并不能保证具有某种良好的功能，这类系统的整体性是不完善的。1.1.1系统概念及其特性交通运输与教育平台(5)目的性。

任何系统都有特定的功能，而人工建造或改造的系统一定具有特定的目的。这里所说的系统功能和目的，是系统整体的功能和目的，是原来各组成部分不具备或不完全具备，只是在系统形成后才具备的。(6)环境适应性。

任何一个系统都存在于一定的物质环境之中，因此，其必然与外界环境进行物质、能量和信息的交换，外界环境的变化也会引起系统内部各要素及其关系的变化。任何一个系统必须既要适应外部环境，也要适应外部环境的变化。这种系统随着环境的变化而存在及演变的性质就是系统的环境适应性。不能适应外部环境变化的系统是没有生命力的，而能够经常与外部环境保持良好适应状态的系统，才是理想的系统。1.1.1系统概念及其特性交通运输与教育平台1.1.2系统的相关概念

（1-1）交通运输与教育平台1.1.2系统的相关概念(2)系统与环境。

环境是对系统有影响但与系统任何要素的相互联系或相互作用又都弱于系统要素间任何相互联系或相互作用的那些实体的集合。这里的所谓“弱”是由被研究系统的性质和研究目标判定的，因此，系统与环境的划分是相对的。

由系统与环境的概念必然引出边界的概念。系统与环境之间的界限就是边界，它是包含系统所有基本成分并有效而完整地隔离系统与其环境的物理的或概念的界限。(3)输入与输出。

系统具有输入和输出。环境对系统的影响和作用称为系统的输入，系统对环境的影响和作用称为系统的输出。交通运输与教育平台1.1.2系统的相关概念这些物质、能量和信息在系统中流动，形成相应的物质流、能流和信息流，并且不断地受到加工、变换和处理，而系统本身也是在不断发展变化，经历着产生、发展和衰亡的生命周期。(4)组织与结构。

结构是指系统要素间相互连接的形式或方法。结构表明系统要素间在空间或时间位置上的相对规定性，往往被用以表示具体的或物理的连接，任何系统都有一定的结构。

组织是指系统内部各要素彼此之间的组成关系，有了这个组成关系，得以相互结合而达成某一目标。组织与结构是有差别的两个概念，组织仅指有序结构，有组织的系统就是具有有序结构的系统。交通运输与教育平台1.1.2系统的相关概念(5)同构与一般系统。

如果两个系统的结构是完全相同或相似的，这两个系统就表现出相同或相似的整体特性——涌现性，那么，这两个系统被称为同构系统，它们之间的关系被称为同构性。

显然，系统间的同构关系至少要满足以下两个性质。

①反射关系：如果系统S1是系统S2的同构系统，系统S2也必是系统S1的同构系统。反之亦然。

②传递关系：如果系统S1是系统S2的同构系统，并且系统S2是系统S3的同构系统，那么，系统S1也必是系统S3的同构系统。交通运输与教育平台1.1.2系统的相关概念(5)同构与一般系统。由同构概念自然可引申出另一个重要概念，即一般系统。所谓一般系统是关于一类同构系统的抽象系统，它具有该类系统的全部系统特征，但不包括其中任何个别系统的细节。显然，一般系统是一个相对的概念，它包含若干个层次。一般系统的概念模型如图1-2所示。交通运输与教育平台1.1.3系统的分类

按不同的原则，可将系统划分为各种不同的类型。(1)自然系统与人造系统。

从系统组成要素的性质看，可将系统划分为自然系统与人造系统。

自然系统是由自然物所组成的系统，其特点是自然形成的。自然系统一般表现为环境系统，如海洋系统、矿藏系统、植物系统、生态系统、原子核结构系统、大气系统等。

人造系统是为了达到某种目的而由人类设计和建造的系统，如生产系统、科学技术系统、军事系统、交通运输系统、管理系统等。人造系统一般包括三种类型:一是由人们从加工自然物中获得的零部件装配而成的工程技术系统，二是由一定的制度、组织、程序、手续等所构成的管理系统，三是根据人们对自然现象和社会现象的科学认识所创立的学科体系和技术体系。交通运输与教育平台1.1.3系统的分类(2)实体系统和概念系统。

从物质和精神的角度，可将系统划分为实体系统和概念系统。

实体系统是以矿物、生物、能源、机械等实体组成的系统，系统的组成要素是具有实体的物质，这种系统是以硬件为主体，以静态系统的形式来表现的，如人-机系统、机械系统、电力系统等。

概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度、程序等观念性的非物质所组成的系统，它是以软件为主体、依附于动态系统的形式来表现的，例如，科学技术理论、工程设计思想、计算机程序设计，以至于一个法律法规、研究报告等，均属概念系统。交通运输与教育平台1.1.3系统的分类(3)实体系统和概念系统。

从物体的运动状态上，可将系统划分为动态系统和静态系统。

动态系统是系统状态变量随时间而改变的系统，即系统的状态变量是时间的函数，它有输入和输出及转换过程，一般都有人的行为因素在内，如生产系统、社会系统、交通运输系统就是典型的动态系统。

系统的状态变量不随时间而改变，而是具有相对的稳定性，具有这种性质的系统被称为静态系统，如车间平面布置系统、城市布局规划等。交通运输与教育平台1.1.3系统的分类(4)开放系统和封闭系统。

开放系统是指与外界环境之间有物质、能量或信息交换的系统，其最重要的特性就是在同环境进行物质、能量和信息的交换过程中，能保持自身的有序性和自组织性，如生命系统就是通过新陈代谢来维持有机体的存续和发展的。

封闭系统则相反，即系统与环境互相隔绝，它们之间没有任何物质、能量和信息交换。

除以上分类之外，还有很多其他分类方法。按研究对象不同，可把系统分为不同的对象系统，如教育系统、运输系统、电力系统等；按人对系统的认识程度不同，可把系统分为白色系统、黑色系统和灰色系统；按系统内部结构、形态不同，可把系统分为线性系统与非线性系统、确定性系统与随机系统，还有因果系统与目的系统、控制系统与行为系统等。交通运输与教育平台

第1章系统概述

1.1系统的概念、特性及分类1.2系统思想的形成与发展1.3系统科学的学科体系交通运输与教育平台1.2.1古代朴素的系统思想人类很早就已经有了系统的概念和系统思想的萌芽，自发地利用系统概念考察自然现象，把自然界当作一个统一的整体，主要体现在对整体、关系、结构、等级的认识。古希腊哲学家德谟克利特(Democritus，约公元前460年—公元前370年)提出“宇宙大系统”的概念，古希腊辩证法的奠基人之一——赫拉克利特(Heraclitus，约公元前540年—公元前480年)认为“世界是包含一切的整体”。亚里士多德(Aristotle，公元前384年—公元前322年)进一步发展了朴素的系统思想，提出“整体大于各部分的总和”的思想。1.2系统思想的形成与发展交通运输与教育平台1.2.1古代朴素的系统思想在我国古代哲学中也反映了这种朴素的系统思想。我国春秋末期的思想家老子就强调自然界的统一性。我国古天文学很早就揭示了天体运行与季节变化的联系，编制出历法和指导农事活动的二十四节气。在实践上，这种朴素的系统思想表现为从事物之间相互联系的角度去观察和改造世界。例如，战国时期修建的四川都江堰水利工程，把岷江分水工程、分洪排沙工程、引水工程三大主题工程和120个附属渠堰工程巧妙地联系在一起，形成一个协调运转的工程总体,使工程具有防洪、灌溉、漂木、行舟等多种功能，这个工程体现出来的就是整体的观念、优化的方法和系统的思想。交通运输与教育平台1.2.1古代朴素的系统思想古代朴素的系统思想强调了对自然界整体性、统一性的认识，包含了正确的整体观。在古代农事、工程、医药、天文知识等领域的成就，都不同程度上反映了朴素的系统思想的自发应用。人类在知道系统思想、系统工程的概念之前，就已在进行辩证地、系统地思维了。但是，由于历史条件的限制，当时的生产力和科学技术还十分落后，人类改造世界的能力有限。系统思想缺乏对整体各个细节的认识能力，对客观世界中的各种复杂的依赖关系、制约关系的认识就不够深入。对很多事物只能看到一些轮廓及表面现象，往往是只见森林、不见树木，因而，对系统的整体性和要素及其相关性的认识是肤浅的、片面的甚至是错误的。交通运输与教育平台1.2.2系统思想的发展15世纪下半叶，近代科学开始兴起，力学、天文学、物理学、化学、生物学等科学逐渐从自然哲学中分离出来，获得日益迅速的发展，形成独立的学科。这种分离就把自然界的细节从总的自然联系中抽象出来，进行分门别类地研究事物的运动。这种考察自然界的方法移植到哲学中，就成为形而上学的思维方式，它在深入的、细节的考察方面比古代哲学是一个巨大进步，在科学、技术、文化的发展历史中起到了不可磨灭的作用。但是，由于形而上学撇开部分之间的联系来考察事物和过程，往往只看到局部现象，而不能纵观全局。随着人们对客观事物认识的不断扩展和深化，这种局限性就日益显露出来，并阻碍了人们从了解部分到了解整体、从分析具体细节到洞察普遍联系的道路。交通运输与教育平台1.2.3系统思想的成熟及系统科学的产生19世纪上半叶以来，特别是进入20世纪以后，社会生产和科学技术得到了空前的发展。能量守恒定律、细胞学说和进化论的发现，揭示了客观世界的普遍联系，使人类对自然现象和过程的相互联系的认识有了很大提高，同时也对形而上学的自然观产生了极大的冲击，使人们看到了这种思维观念的缺陷。特别是现代科学技术的发展，对系统思想的产生与系统方法的应用产生了极为重大的影响。主要体现在两个方面：一是使系统思想、系统方法定量化、科学化，使之具有坚实的数学理论基础，能够定量地处理系统各组成部分之间的关系；二是计算机与信息技术的应用，为系统思想、系统方法的实际运用提供了强有力的工具。正是由于上述两个特征，才使得系统思想方法从一种哲学思维逐步形成了独特的系统理论，并在此基础上形成了一门专门的科学——系统科学。交通运输与教育平台

第1章系统概述

1.1系统的概念、特性及分类1.2系统思想的形成与发展1.3系统科学的学科体系交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系系统科学就是从系统的角度观察客观世界所建立起来的科学知识体系。系统科学的研究对象是具有系统意义的现象或问题，系统科学的任务是提供用系统观点考察对象的一般原理和方法。1.3系统科学的学科体系交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系现代科学技术可以分为四个层次：首先是工程技术这一层次，其次是直接为工程技术提供理论基础的技术科学这一层次，然后是基础科学这一层次，最后通过进一步综合、提炼达到最高概括的马克思主义哲学。系统科学是由各门系统工程(如社会系统工程、安全系统工程、教育系统工程等)、系统工程的理论方法(如运筹学、信息论、控制论等)以及它们的理论基础(系统学)和哲学层面的科学所组成的一类新兴科学。哲学是关于自然、社会和思维一般规律的知识体系，是关于科学世界观的学问，基础科学是关于自然界物质运动形式的普遍规律和理论的学问，技术科学是关于人工自然过程的一般机制和原理的学问，工程技术是关于设计和建造特定人工自然过程的技术手段与工艺方法的学问。交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系在现代科学技术四个层次的基础上，钱学森进一步提出了包含有系统科学部类的现代科学技术体系结构，见表1-1。交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系数学科学是从数和形的数量关系上研究客观世界，不考虑客观世界的质的区别，它既可以研究无生命世界，也可以研究生命世界。自然科学是从客观物质运动、能量转移和变化的角度研究客观世界，现代科学表明客观物质之间的相互作用，只有引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用四种，它们是物质产生各种运动变化的原因所在，自然科学也研究这些相互作用的特点及性质。社会科学是从人类社会发展运动的角度研究客观实际，是从人的社会行为这一侧面来研究客观实际。人类社会的发展复杂多变，但在其背后也存在着固有的规律：经济基础决定上层建筑，生产力推动生产关系的变革，同时又受其制约。这些基本规律决定了社会发展的趋势及速度，就像牛顿第二运动定律描述的物体运动那样。当然，同牛顿第二运动定律一样，这些基本规律也有一定的适用条件。交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系系统科学是从整体与局部的关系角度来研究客观实际，讨论系统整体的优化、系统结构与功能的关系及系统的稳定性等。其基础科学层次是系统学，系统学是关于一般系统的基本概念、性质、分类、结构与功能以及系统演化、协同、控制的一般规律的理论。其技术科学层次包括运筹学、信息论和控制论，在“2.4系统工程的理论基础”中将介绍系统学与技术科学层次的各门理论。行为科学是从人的社会性角度来研究社会，主要研究人的群体行为及个体行为与群体表现之间的关系。生物界中群居的动物也都有个体之间交往，存在群体行为，因此，行为科学研究的对象也包含除人以外的昆虫的组织结构、哺乳动物的生活规律等。军事科学是从集团之间冲突的角度来研究客观实际。冲突、竞争、战争这些现象也不仅仅是人类社会现象，动物和植物的生存竞争也可以作为军事科学研究的内容。交通运输与教育平台1.3.1系统科学体系1986年，钱学森首先提出来的是数学、自然科学、社会科学、系统科学、人体科学、思维科学六大部类，以后逐渐增加不断完善、丰富，到1990年先后增加了行为科学、文学艺术、军事科学，形成九大学科部类。上述学科部类基本上将所有知识都进行了划分，不过由于科学技术的复杂性及多样性，经常可以看到某一门学科很难归属到哪一类，更多的是一些与多门学科关联的综合、交叉学科。同时，由于人们认识的局限性，一些学科部类的划分存在错误，如人体科学中对特异功能、中医理论等非科学的研究。因此，科学技术体系结构仍在不断地发展、演化。交通运输与教育平台1.3.2系统科学的性质系统科学是研究一般系统运动产生的系统性质及相关问题的科学。它之所以能形成一门独立的科学，乃是来源于它与传统科学在研究对象、理论观点和研究方法诸方面的差异。研究对象。各门自然科学以各种各样的个体以及由它们所表现出来的各种个体类性质和由它们所产生的各种现象为研究对象，而系统科学则以各种各样的系统以及由它们所表现出来的各种系统类性质和由它们所产生的整体行为为研究对象。人们可以避开具体研究对象，将系统思维框架由一门学科转移到另一门学科，由一种情况转移到另外一种情况，将研究成果应用于多个领域。交通运输与教育平台1.3.2系统科学的性质（2）理论观点。系统科学的理论基础是系统论。如前所述，系统论