交通运输系统工程 课件 第4章 运输系统分析

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

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

交通运输与教育平台4.1.1系统分析的概念

系统工程在处理大型复杂系统的规划、研制和运用问题时，必须经过系统分析这个逻辑步骤。系统分析处在系统工程全过程的前期阶段，是其他后续阶段的基础，如图4-1所示。

图4-1系统分析在系统生命周期中的阶段4.1系统分析的基础理论交通运输与教育平台4.1.1系统分析的概念

由实际问题出发，对于需要改进的系统或准备建立的新系统，在对其目标、环境、结构及功能等分析的基础上，运用建模、仿真、预测及评价、优化等技术对系统的各有关方面进行定性与定量相结合的分析，为选择最优或满意的系统方案提供决策依据的分析研究过程。系统分析的概念模型如图4-2所示。图4-1系统分析的概念模型4.1系统分析的基础理论交通运输与教育平台

4.1.2系统分析方法的特点

（1）以整体为目标。（2）以特定问题为对象。（3）由定性分析到定量分析。（4）目标的“最优化”。交通运输与教育平台4.1.

3系统分析的步骤

（1）提出问题、确定目标。（2）调查搜集资料。（3）制定方案，建立模型。（4）分析计算，评价选择。

（5）鉴定及检验

。交通运输与教育平台

（1）目标。目标是系统目的的具体化。目标具有从属性和多样性。目标分析可采用目标树等结构分析的方法，并要注意对冲突目标的协调和处理。

目标遵循SMART原则：

具体的（Special）、可衡量的（Measurable）、可达到的（Attainable）、相关的（Relevant）、有时限的（Time-based。4.1.4系统分析的要素交通运输与教育平台4.1.4系统分析的要素

（2）替代方案。

替代方案是优选的前提，没有足够数量的方案就没有优化，即解决问题实现目标的方案（办法、途径），也称备选方案。

例如，改造一条生产线可以有重新设计、从国外引进和在原有设备的基础上改造三种方案。

通过对备选方案的分析和比较，才能从中选择出最优系统方案。

（3）指标。

指标是衡量总体目标的具体标志。

为了对替代方案进行综合比较分析，须采用评价指标体系，不同的系统所采用的指标体系也不同。

（4）评价标准。

评价标淮是衡量备选方案优劣的判断依据，通过评价标准可对各个可行性方案进行综合评价，确定出各方案的优劣顺序。交通运输与教育平台4.1.4系统分析的要素

（5）模型。

模型是对现实系统的抽象。

模型是研究与解决问题的基本框架，帮助认识系统、模拟系统和优化与改造系统，是对实际系统问题的描述、模仿或抽象。

在系统分析中常建立相应的结构模型、数学模型或仿真模型等。

（6）决策者。

决策者是系统问题中的利益主体和行为主体，在系统分析中自始至终具有重要作用。

实践证明，决策者与系统分析人员的有机配合是保证系统分析工作成功的关键。交通运输与教育平台4.1.4系统分析的要素系统分析结构的概念图如图4-3所示。交通运输与教育平台4.1.5系统分析的原则（1）内部条件与外部条件相结合。（2）当前利益与长远利益相结合。（3）局部效益与整体效益相结合。（4）定量分析与定性分析相结合。交通运输与教育平台

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

交通运输与教育平台4.2系统的特性分析4.2.1目标分析

明确系统的目的、要求，判断其合理性、可行性和经济性。当系统总目标比较概括时，需要分解为各级分目标，建立目标系统（或目标集），逐项落实。交通运输与教育平台4.2系统的特性分析目标分解的形式：按时间顺序分解：定出目标实施进度，以便于实施中的检查和控制。这种分解形式构成了目标的时间体系。按空间关系分解：按职能部门的横向分解，即将目标项目分解到有关职能部门，构成了目标的空间体系。4.2.1目标分析交通运输与教育平台4.2系统的特性分析4.2.2

结构及功能分析

（1）系统的结构分析。结构：组成系统的各要素之间的相互联系、相互制约的方式。结构分析：从系统的整体和部分之间的关系、部分与部分之间的关系进行具体的分析，了解多个组成部分在系统整体功能中地位和作用，从中找出关键的部分或环节，从而找到解决问题的步骤和途径，以调整系统的结构，使其达到整体优化。

（2）系统的功能分析。功能：系统与外部环境相互联系和相互作用中所表现出来的性质、能力和功效，是系统内部相对稳定的联系方式、组织秩序从时空形式的外在表现形式。

系统功能的分析：分析为满足系统技术条件所应具备的各种功能，建立系统功能结构图，定义系统的功能技术条件，并分析和阐明这种功能的约束条件等。交通运输与教育平台4.2系统的特性分析

（3）系统结构及功能分析的表达。

系统总目标G，环境约束O，要素集X，要素相关性集合R，要素集和相关集在阶层分布C集合上的最优结合，P为效用函数，Sopt为最优结构，E为输出。4.2.2

结构及功能分析交通运输与教育平台4.2系统的特性分析4.2.3

环境分析

环境因素很多时，应分清主次和轻重。对可定量分析的环境因素，通常可用约束条件的形式列入系统模型中；

对只能定性分析的因素，可用估值法评分，尽量使之达到定量和半定量化。交通运输与教育平台4.2系统的特性分析4.2.4

运输系统特性分析4.2.4.1目标分析

（1）

制定运输发展规划。

（2）港站枢纽的选址及规划。

4.2.4.2结构分析

（1）运输线路的修建。

（2）重大运输项目的组织管理。

(3)运输企业的经营管理。

4.2.4.3功能分析

（1）运输设备购置。（2）运输设备维护及更新。交通运输与教育平台

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

交通运输与教育平台4.3系统结构模型化技术

结构模型是表明系统各要素间相互关系的模型。一种最方便的办法是用图表示这种关系。

结构→结构模型→结构模型化→结构分析

系统结构分析方法ISM：解析结构模型(InterpretativeStructuralModel)

1973年由美国沃菲尔德教授提出。

用于分析和揭示复杂关系结构的有效方法，它可将系统中各要素之间的复杂、零乱关系分解成清晰的多级递阶结构形式。交通运输与教育平台4.3系统结构模型化技术4.3.1结构模型的基本知识二元关系：存在于系统中的两个要素（Si、Sj）之间的关系，有影响关系、因果关系、包含关系、隶属关系等。强连接关系或回路：对于系统的任意构成要素Si、Sj来说，既有Si影响Sj，又有Sj影响Si，这种相互关联的二元叫强连接关系。强连接关系的各要素之间存在替换性，节点间具有双向回路。

有向图：系统中的每个要素用一个点（或圆圈）来表示。如果要素Si对Sj有影响，则在图中从点Si到点Sj用一条有向线段连接起来。有向线段的方向从Si指向Sj，这种表示方式称为有向图。交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识

某系统由六个要素（s1，s2，…，s6）组成。经过两两判断认为：s1影响s2，s2影响s4，

s3影响s6，s6影响s5，s4和s5相互影响。图4-4所示为六个要素构成的有向图。图4-4有向图示例交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识

建立邻接矩阵邻接矩阵：表示系统各要素之间的直接关系的矩阵。交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识图4-4对应的邻接矩阵为

交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识

计算可达矩阵

可达矩阵：表示系统要素间所有直接、间接关系的矩阵。有向图上两个节点间通过任意长的路径可以到达情况的矩阵。交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识定义：认为要素对要素本身的关系为1。布尔运算：1+1=1，1+0=0+1=1,0+0=0交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识交通运输与教育平台4.3.1结构模型的基本知识交通运输与教育平台4.3.2由可达矩阵画出有向图根据矩阵R,求各要素对应的可达集合、先行集合和共同集合，见表4-3。交通运输与教育平台4.3.2由可达矩阵画出有向图

满足Ｐ(ｓｉ)∩Ｑ(ｓｉ)＝Ｐ(ｓｉ)的要素有４和５，由此确定第１级，Ｌ１＝{ｓ４，ｓ５}，其次，删去第４行和第５行以及表格中其他要素可达集中的“ｓ４和ｓ５，结果见表4-4。级位划分过程

表4-4交通运输与教育平台4.3.2由可达矩阵画出有向图

满足Ｐ(ｓｉ)∩Ｑ(ｓｉ)＝Ｐ(ｓｉ)的要素有ｓ２，ｓ６。由此确定第２级，Ｌ２＝{ｓ２，ｓ６}，再次删去要素ｓ２和要素ｓ６所在的行以及表格中其他要素可达集中的“ｓ２和ｓ６”，结果见表4-5。级位划分过程

表4-5交通运输与教育平台4.3.2由可达矩阵画出有向图

级别分配结束后，在最上层放第1级的要素，它的下面放第2级的要素，依此类推把各要素从上至下按级别顺序放置。

最后把可达矩阵R的行列也按这一级别顺序进行排列,通过这一操作R化为了分块三角阵R’。交通运输与教育平台4.3.2由可达矩阵画出有向图