交通系統工程第一章--交通系統工程Why?

時代特征及社會發展趨勢

經濟全球化交通與社會生活的關系日趨密切可持續發展引起普遍關注

引言:Why“要學一點系統工程”第一章--交通系統工程引言:Why交通規劃與管理科學的發展與人才培養

發展的“制高點”

——系統化管理

T型人才

北京工業大學交通學科的發展及學科優勢

第一章--交通系統工程引言:What/WhenWhat/When?

SE是以大規模復雜系統（特別是管理系統）為研究對象，在系統理論、管理科學及其運籌學等學科基礎上形成的一門交叉學科。通過學習，主要使學生掌握分析與解決各種管理系統問題的思想、程序和方法。第一章--交通系統工程引言:What/When第1講系統概述第2講系統工程理論第3講系統分析第4講系統預測第一章--交通系統工程引言:What/When第5講系統優化第6講系統評價方法第7講決策分析方法第8講系統仿真及系統動力學方法第8、9、10講系統工程應用實例[6]第一章--交通系統工程引言:Who/WhereWho/Where?

Who

——

學生為主體，教師為主導。

Where

——

將課堂內外的學習結合起來！第一章--交通系統工程引言:HowHow?

建議

注重系統思考 堅持問題導向 采用系統化方法教學要求考勤30分，作業30分，考核40分第一章--交通系統工程引言:How教學參考書：交通運輸系統工程交通出版社

第一章--交通系統工程第一章

系統及運輸系統第一章--交通系統工程第一節

系統的概念

系統的定義

系統是由相互聯系、相互作用的諸要素組成的具有一定功能的有機整體。

第一章--交通系統工程系統與要素之間的相互作用

系統通過整體作用支配和控制要素要素通過相互作用決定系統的特性和功能系統和要素的概念是相對的第一章--交通系統工程系統的特性

整體性相關性目的性環境適應性

第一章--交通系統工程大規模復雜系統的特點

(1)系統的功能和屬性多樣，由此而帶來的多重目標間經常會出現相互消長或沖突的關系；

(2)系統通常由多維且不同質的要素所構成；

(3)一般為人—機系統，而人及其組織或群體表現出固有的復雜性；

(4)由要素間相互作用關系所形成的系統結構日益復雜化和動態化。（5）大規模復雜系統還具有規模龐大及經濟性突出等特點。第一章--交通系統工程系統分類1、自然系統與人造系統2、實體系統與概念系統3、動態系統和靜態系統4、封閉系統與開放系統第一章--交通系統工程系統思想

古代樸素的系統思想把世界當作統一的整體系統思想的成熟與發展

第一章--交通系統工程古代樸素的系統思想（國外）古希臘的唯物主義哲學家德謨克利特曾提出“宇宙大系統”的概念，并最早使用“系統”一詞；辨證法奠基人之一的赫拉克利特認為“世界是包括一切的整體”；后人把亞里士多德的名言歸結為“整體大于部分的總和”，這是系統論的基本原則之一。第一章--交通系統工程古代樸素的系統思想（中國）在古代中國，春秋末期的思想家老子曾闡明了自然界的統一性；西周時代，出現了世界構成的“五行說”(金、木、水、火、土)；東漢時期張衡提出了“渾天說”。秦漢之際成書的中國古代最著名的醫學典籍《內經》，包含著豐富的系統思想。它根據陰陽五行的樸素辯證法，把自然界和人體看成由金、木、水、火、土五種要素相生相克、相互制約而形成的有秩序、有組織的整體。人與天地自然又是相應、相生而形成的更大系統。《易經》也被認為是樸素系統思想的結晶。公元前六世紀，中國古代著名的軍事家孫武，在他的《孫子兵法》中，闡明了不少樸素的系統思想和運籌方法。該書共十三篇，講究打仗要把道(義)、天(時)、地(利)、將(才)、法(治)等五個要素結合起來考慮。第一章--交通系統工程古代樸素的系統思想古代樸素的系統思想用自發的系統概念考察自然現象，其理論是想象的，有時是憑靈感產生出來的，沒有也不可能建立在對自然現象具體剖析的基礎上。因而這種關于整體性和統一性的認識是不完全和難以用實踐加以檢驗的。早期的系統思想具有“只見森林”和比較抽象的特點。第一章--交通系統工程系統思想的成熟與發展15世紀下半葉以后，力學、天文學、物理學、化學、生物學等相繼從哲學的統一體中分離出來，形成了自然科學。從此，古代樸素的唯物主義哲學思想就逐步讓位于形而上學的思想。這時的系統思想具有“只見樹木”和具體化的特點。19世紀自然科學取得了巨大成就，尤其是能量轉化、細胞學說、進化論這三大發現，使人類對自然過程相互聯系的認識有了質的飛躍，為辯證唯物主義的科學系統觀奠定了物質基礎。這個階段的系統思想具有“先見森林、后見樹木”的特點。第一章--交通系統工程系統理論

從系統思想發展到(一般)系統論、控制論、信息論等系統理論，是和近代、現代科學技術的興起與發展緊密聯系、到20世紀初中葉才實現的。老三論：形成于20世紀40年代一般系統論、控制論和信息論

新三論：形成于20世紀70年代耗散結構理論、協同論和突變論

第一章--交通系統工程系統論或狹義的一般系統論，是研究系統的模式、原則和規律，并對其功能進行數學描述的理論。其代表人物為奧地利理論生物學家貝塔朗菲。控制論是研究各類系統的控制和調節的一般規律的綜合性理論，“信息”與“控制”等是其核心概念。它是繼一般系統論之后，由數學家維納在20世紀40年代創立的。信息論是研究信息的提取、變換、存儲和流通等特點和規律的理論。第一章--交通系統工程一般系統論的基本觀點系統的整體性系統的開放性系統的動態相關性系統的層次等級性第一章--交通系統工程控制論的產生與發展維納于1948年出版了《控制論》一書，他對控制論的定義是：“關于動物和機器中控制和通信的科學。”明確地指明這門新科學既突破了動物和機器地界限，又突破了控制工程與通信工程地學科界限。因而維納的控制論闡述著兩個根本觀念：①一切有生命、無生命系統都是信息系統。控制的過程也可以說是信息運動的過程。無論是機器還是生物，在構成控制系統的前提下，都存在著對信息進行接收、存取和加工的過程。②一切有生命、無生命系統都是控制系統。一個系統，一定有它的特定輸出功能，而要具有這種輸出功能，必須有相應的一套控制機制。控制必須要有目標，沒有目標，則無所謂控制。通過一系列有目的的行為及反饋使系統受到控制。人們根據維納的定義形成的比較公認的看法是：“控制論是以研究各種系統共同存在的控制規律為對象的一門科學。”錢學森認為其是二十世紀上半葉最偉大的三項理論（相對論、量子論、控制論）之一。第一章--交通系統工程控制論的發展已大致經歷了三個時期。從40年代末到50年代是第一個時期，即經典控制理論時期。在這一時期，主要的研究對象是單因素控制系統，重點是反饋控制，借以實現的工具是各種各樣的自動調節器、伺服機構及其有關的電子設備，著重解決單機自動化和局部自動化問題。如用自動調節器來控制鍋爐水位，用伺服機構使雷達自動跟蹤目標，控制火炮自動瞄準等。但是這些都是單變量自動控制，只解決單輸入與單輸出系統的控制問題，在應用上有一定局限性。控制論發展的第二個時期為60年代，即現代控制理論時期。隨著導彈系統、人造衛星、航天系統等科學技術的迅速發展，提出了多輸入、多輸出、高精度和參數時變系統的分析和設計問題，以往經典控制論已不能滿足需要了。因而這一時期，控制論的主要研究對象就成了多因素控制系統，研究重點是“最優控制”，研究借助的工具是電子計算機。美國科學家卡爾曼（Kalman）等人將量子力學等內容引入到了控制論中，擴展了經典控制論的內容，將控制論從“經典控制論”推向“現代控制理論”，從單變量的自動調節發展到多變量的最優控制。第一章--交通系統工程進入70年代以后，是大系統控制理論時期。在這一時期，主要研究對象是因素眾多的大系統，重點是大系統多級遞階控制，借助的工具是電子計算機聯機和智能機器，應用領域主要為社會系統、經濟系統、生態系統、管理系統、環境系統等。這些大系統是大規模復雜系統，其規模龐大、結構復雜、環節數量大或層次較多，其間關系錯綜復雜，影響因素眾多，并常帶有隨機性質的系統。研究大系統的結構方案、穩定性、最優化、建立模型的模型簡化等問題成為大系統理論。分解與協調的方法是大系統優化的基本方法。第一章--交通系統工程控制論研究的重點是帶有反饋回路的閉環控制系統，并不是任意的控制系統。控制論首要的觀點是反饋，從反饋的觀點看，反饋（負反饋）就是控制的調節行為，因而多把控制論系統局限于帶反饋回路的閉環控制系統。控制論的另一個重要觀點是信息。從信息的觀點出發，可以認為控制論所說的反饋是指信息反饋。因而控制論系統是通過信息的傳輸、變換和反饋來實現自動調節的控制系統。

輸入偏差控制輸出反饋施控器受控器檢測器比較器環境第一章--交通系統工程耗散結構理論簡介1969年比利時物理學家普利高津（I?Prigogine）對非平衡態不可逆過程的研究提出了一種學說：一個遠離平衡態（平衡態時熵最大）的開放系統（不管是力學、物理化學的，還是生命的），在外界條件發生變化達到一定閾值時，量變可以發生質變（由無序到有序的突變）。突變后形成的有序狀態稱耗散結構。如貝納德流就是一種耗散結構。有序的耗散結構與平衡結構不同，平衡結構雖穩定有序，但是一種“死”結構，它不需要靠外界供應物質、能量來維持。而穩定有序的耗散結構是一種“活”結構，它要不斷同外界交換物質、能量來維持其有序狀態。正是因為它要通過這種有序狀態去耗散物質和能量，所以被稱為耗散結構。耗散結構定量研究描述了無序向有序的轉化，統一了非生命與生命系統之間的聯系。第一章--交通系統工程協同學是七十年代后期由西德理論物理學家哈肯（Haken）創立的。早在60年代初激光問世時，哈肯就積極從事激光理論研究，他發現激光呈現出豐富的合作現象，從而得出了協同作用的重要概念，但協同學正是形成框架是1977年。協同學是一種研究各種不同系統在一定外部條件下，系統內部各子系統之間通過非線性相互作用產生協同效應，使系統從混沌無序狀態向有序狀態，從低級有序向高級有序以及從有序又轉化為混沌的機理和共同規律的理論。它以信息論、控制論、耗散結構理論、突變論等現代科學理論的新成果為基礎，同時采用了統計學與動力學考查相結合的方法，通過類比，對各學科中的從無序到有序的現象建立了一整套數學模型和處理方案，從而可把在一門學科中所取得的成果、很快推廣到其它學科類似現象上去。第一章--交通系統工程哈肯認為系統由無序到有序的關鍵不在平衡、非平衡或者離平衡態有多遠。關鍵在于組成系統的各子系統在一定條件下，它們之間的非線性作用、相互協同和合作，自發產生有序結構。因此強調了協同現象的普遍性和重要性。協同學著重研究系統中各元素間的合作，它不僅研究開放系統從無序到有序的演化規律，而且也研究其從有序到無序的演化規律，真正統一了有序與無序。因而協同學較耗散結構理論來說有更廣的適用領域，它把研究從遠離平衡態的開放系統擴展到近平衡態和平衡態系統。協同學的出現把非平衡系統的自組織理論推到了一個新的發展階段。第一章--交通系統工程協同學所闡述的基本原理主要為協同效用原理、支配原理和自組織原理。協同效用原理即“協同導致有序”，系統的有序性是由系統要素的協同作用形成的，協同作用是任何復雜系統本身所固有的自組織能力，是形成系統有序結構的內部作用力。系統的這種自組織現象，只能在含有大量子系統的復雜系統中才能實現，只有在大量子系統之間才會存在十分復雜的聯系，才能產生系統整體的有序運動。第一章--交通系統工程支配原理：復雜系統在由不穩定點向新有序時空結構轉變時，通常受到序參量的決定。在復雜系統中有兩類變量，即快變量與慢變量（即序參量），它們的地位不同，起支配控制作用的變量是慢變量。快變量在系統受到干擾而偏離穩態時，總是傾向于使系統重新回到原來的穩態，這種變量起了一種類似阻尼的作用，并且衰減得也很快，所以叫快變量。慢變量在系統因漲落而偏離穩態時，總是傾向于使系統更加偏離原來的穩態而走向非穩態，這種變量在系統處于穩態與非穩態的臨界區時，特征，并且衰減得很慢，因呈現出一種無阻尼而稱為慢變量。利用絕熱消去法，消去快變量，可以大大簡化問題，易于求解。第一章--交通系統工程自組織原理：系統在沒有外部指令的條件下，其內部子系統之間能夠按照某種規則自動形成一定的結構或功能，它具有內在性和自生性。在外部能量和物質輸入的情況下，系統會通過大量子系統間的協同作用，在自身漲落力的推動下，形成新的時空結構。第一章--交通系統工程突變理論是法國數學家勒內·托姆（Rene·Thom）于1972年創立的。它是一個新的數學分支，也是系統科學發展中的一個重要分支。以往的數學只能解決連續變化（離散連續）問題，漸變論是學術界的主導思想，對那些突然出現的非連續性變化顯得無能為力，不能解釋突變問題。突變理論從量的角度研究各種事物的不連續變化問題，進行從量變到質變的研究。它用形象而精確的數學模型來模擬突變過程，其要點在于考察這一過程從一種穩態到另一種穩態的躍遷。運用的數學工具主要為拓撲學、奇點理論和結構穩定性理論。第一章--交通系統工程突變論中以控制變量（U）來表示那些作為突變原因的連續變化因素，以狀態變量（x）來表示可能出現突變的量。突變論運用數學工具描述系統處于穩定態、不穩定態的參數區域以及系統突變時的參數特定位置，從而建立起突變過程的數學模型。b?理論????xa民主社會不安定程度分支集…...:..:..:.:...:...::....ABA′B′????xA′xBxAxB′保守激進xβββ′行為面控制面x

圖2－1

社會狀態的突變模型第一章--交通系統工程第二節交通運輸系統交通運輸系統的結構及特點交通運輸系統的性質及地位與作用第一章--交通系統