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(共69张PPT)
系统分析与设计
系统的分析
在上堂课学习了系统的特性，主要学习了两个方面的内容：
1.了解系统有哪些基本特性
2.利用系统的特性解释、分析身边的系统问题
整体性
相关性
目的性
动态性
环境适应性
整体性：
相关性：
目的性：
动态性：
环境适应性：
要素出现问题，影响整体的功能
要素 要素
功能
内部原因导致系统发生变化
外部原因导致系统发生变化
2、系统的基本特性有那些？
1.构成系统的条件:
多个要素（部分）才能组成系统。
要素（部分）之间相互关联形成一个整体。
系统具有整体的功能。
复 习
复习回顾
分析一下，一台计算机是不是系统？
分析下列案例分别体现了系统的什么特性？
雕塑家罗丹毫不犹豫砍下巴尔扎克雕像的双手；
“三个小皮匠，顶个诸葛亮”；
“近朱者赤，近墨者黑”；
厨房装修考虑好水盆的位置与下水道在同一侧；
CPU风扇有时转得快，有时转得慢；
走入情境
在现实生活中，我们每个人都会面临各种各样的选择和决策。如选什么科目高考，上什么大学，做什么工种等等！
走入情境
　　众老鼠们根据他们平常生活中的经验，在众方案中选择了“给猫挂铃铛”这样一个决策。
　　但是由谁去给猫挂铃铛？怎样才能挂得上呢？这些细节问题却无从解决。
　任何一个决策，重视细节。
　细节决定成败
决策如何分类？
经验决策
科学决策
经验决策是人们惯用的方法，有时可能会导致失误。
科学决策则可以最大限度的减少失误。
系统分析就是科学决策的基础
有一个农夫带一条狼、一只羊和一筐白菜过河。如果没有农夫看管，则狼要吃羊，羊要吃白菜。但是船很小，只够农夫带一样东西过河。请你帮农夫解决难题？说说你们对该系统分析的过程？
问题的突破口在——狼与白菜能够共存！农夫、狼、羊、白菜和船组成了这个系统。系统中各要素是一个整体，都依赖农夫过河；最大的问题是“船小，只够农夫带一样东西过河”和“没有农夫看管，则狼要吃羊，羊要吃白菜”的冲突。联系已知条件，做了一系列的分析实验，但是比较其他方案不能实现所有要素都安全过河。最后得出以上方案。
　　生活中，有很多产品在不断更新，系统在不断地升级。做任何事情都追求更好，希望投入尽可能少，回报越多越好。为了使系统达到最优的目标所提出的各种解决方法，称为最优方法。但是有很多复杂系统，实施方案五花八门、干扰因素四面八方，我们不可能逐个比较权衡，或者漫无目地瞎蒙。因此我们有必要进行定性定量的科学分析，寻找系统最优值。
科学决策
显著特点
完整地而不是零星地处理问题，考虑各种主要变化因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。
一、什么是系统分析？
把要解决的问题当作一个系统。以系统的思路去分析、解决问题。
出发点：为了发挥系统的整体功能。
特点：不是零星地、片面地处理问题；
而是考虑各种主要变化因素及相互影响，
全面地思考和解决问题。
系统分析的一般步骤可以描述为：
明确问题
设立目标
收集资料
制定方案
分析计算
评价比较
检验核实
作出决策
系统分析的一般过程
最佳决策只是在若干方案中寻求的相对令人满意的方案。
高考志愿填报
系统分析方法——建模
系统分析方法
是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。
模 型
是现实系统的抽象与合理简化。
模型三个特征
它是现实系统的抽象或模仿；
它是由那些与所分析问题有关的要素构成的；
它表明了有关要素间的相互关系。
技术领域系统分析中较常用模型——数学模型
概 述
用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型。
将现实世界中的原型抽象概括成数学语言，运用已有数学方法分析求解，得出结论。
技术领域系统分析中较常用模型——框图模型
最简单的系统框图模型，是:
输入—输出模型
环境对系统的作用
系统对环境的作用
P85-86
自动补水子系统
雨水净化与储存子系统
溢水子系统
01
整体性原则
02
科学性原则
03
综合性原则
系统分析的主要原则
田忌赛马
田忌赛马问题分析过程
齐王比赛用马的信息，齐王的马的出场顺序，田忌比赛
用马的信息；制定方案(从顺序上，可以有6种方案)
核实各种方案的
结果，确定最佳
方案(做出决策)
骑马比赛
如何赢得比赛
对每种方案各
场比赛双方马
的性能信息进
行计算比较，
预测出结果
1
2
3
4
（1）田忌与齐王的三局赛马可以有哪几种方案？
（2）孙膑所出的主意，为什么能使田忌赢了齐王？
三、系统分析的主要原则
1.整体性原则
系统分析首先着眼于系统整体，要先分析整体，在分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一阶段；先看长远，再看当前。
丁谓修复皇宫
丁谓修复皇宫
宋真宗在位时，皇宫曾起火。一夜之间，大片的宫室楼台殿阁亭榭变成了废墟。为了修复这些宫殿，宋真宗派当时的晋国公丁谓主持修缮工程。
当时，要完成这项重大的建筑工程，面临着三个大问题：
第一，需要把大量的废墟垃圾清理掉；
第二，要运来大批木材和石料；
第三，要运来大量新土烧砖。
丁谓研究了工程之后，制订了这样的施工方案：
首先，从施工现场向外挖了若干条大深沟，把挖出来的土作为施工需要的新土备用，于是就解决了新土问题。
第二步，从城外把汴水引入所挖的大沟中，于是就可以利用木排及船只运送木材石料，解决了木材石料的运输问题。
最后，等到材料运输任务完成之后，再把沟中的水排掉，把工地上的垃圾填入沟内，使沟重新变为平地。
简单归纳起来，就是这样一个过程：
挖沟（取土）→引水入沟（水道运输）→填沟（处理垃圾）。
按照这个施工方案，不仅节约了许多时间和经费，而且使工地秩序井然，使城内的交通和生活秩序不受施工太大的影响，因而确实是很科学的施工方案。
丁谓在修复皇宫工程中，运用了整体的解决方案，使取土、运输材料、处理垃圾三项繁重的任务协调起来，在总体上得到了最佳解决。
“一举三得”
在实际生活中，常遇到对系统中各个局部考虑得很仔细，却忽略或减少考虑全局的事例，这样就很难得到良好的效果。
赵明同学家所在街道的人行道在一年内进行了三次施工，分别是电信部门铺设通讯线路、煤气公司预埋煤气管道、市政部门维修下水管道，结果重复施工，造成了人力和财力资源的浪费，同时也给市民带来了不便。
请分析这一事件的问题所在，你认为怎样处理更为合理？
马上行动
原因分析
这个事件的原因在于,电信部门,煤气公司和市政部门三家没有统一协调,造成了各自封闭的局面.各部门只根据自己的时间进行加工,没有从全局着眼,缺少整体统筹的观念，给市民带来不便。
处理的办法：三家共同协商，一次性解决问题
2.科学性原则
系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析，使决策的过程和结果更具说服力。
问：
种水稻是一年三季合算还是一年两季合算？
在比较种稻是一年三季划算还是一年两季划算时，有人就提出“是三三得九好，还是二五一十好？”
这就是一种朴素的定量分析。当然，在处理复杂系统的分析与优化问题时，往往需要使用比较复杂的数学工具。
“三三进九不如二五一十”
海南稻谷一年三季熟,虽然平均亩产量高,但是不好吃；江南一带稻谷一年两季熟,虽然亩产量低,但美味可口。这则谚语说明系统分析要进行定量分析。
有些地方水稻虽然一年三季熟,但是每季的产量都并不高（设3）；而种两季,每季产量反而高出很多（设5）,而且好吃。
0.618法
例如，要在某种合金钢中加入某元素以提高它的强度，假设试验范围是每吨加入量为1000~2000g，那么究竟应加入多少？若用一般试验方法，每隔5g试验一次需要做200次，每隔10g试验一次需要做100次。若用0.618法，只需做11次，就可以找到最佳加入量了。
优选法简介及其应用实例
寻找最佳加入量
试验范围：每吨加入量为1000~2000g
每隔5g试验一次：需要做200次
每隔10g试验一次：需要做100次
0.618法：只需做11次
关键词：优选法、黄金分割、0.618
1
0
1
0
0.618
0.618
应用举例
问：火药的成分的配比，火药是多种成分组成的系统，其配比为什么不能随意？
火药爆炸是一种化学反应，服从化学反应规律，如果没有正确的配比，反应就会不充分甚至不发生，影响爆炸效果，同时浪费药品。
所以火药成分的配比中包含了科学道理，如果违反科学规律会导致失败。
练习案例1：火药配比
埃及阿斯旺大坝
阿斯旺水坝在20世纪70年代初竣工了。
表面上看,这座水坝给埃及人带来了廉价的电力,控制了水旱灾害,灌溉了农田。
然而,实际上却破坏了尼罗河流域的生态平衡,造成了一系列灾难:由于尼罗河的泥砂和有机质沉积到水库底部,使尼罗河两岸的绿洲失去肥源——几亿吨淤泥,土壤日益盐啧化;由于尼罗河河口供沙不足,河口三角洲平原向内陆收缩,使工厂,港口,国防工事有跌入地中海的危险;由于缺乏来自陆地的盐份和有机物,致使沙丁鱼的年获量减少1.8万吨;
由于大坝阻隔,使尼罗河下游的活水变成相对静止的"湖泊",为血吸虫病流行。
埃及造此大坝所带来的灾难性后果,使人们深深的感叹:一失足成千古恨!
这个例子带给我们哪些思考？
系统分析总是为实现系统目标服务的。当存在多个目标时，需要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。
系统分析还需要考虑设计方案出台所带来的后果。有的工厂在生产产品的同时，也向周围环境排放出“三废”，造成污染；毁林开荒虽然能收获农产品，但造成水土流失，贻害很大。
某些情况下，综合若干方案的优点，会取得意外效果。现代医学采用中西医结合的方法攻克了很多疑难杂症；农业为了保水，可以配合地面水库、地下水库、土壤水库、绿色水库（山区造林种草，每亩地可蓄水20m3）等不同的方案综合进行。
3.综合性原则
例如：
城市公交系统既要强化公共交通的安全，又要缩短车辆行驶的时间，实现社会效益和经济效益双丰收。
你认为孝襄高速公路的设计应该综合考虑哪些目标？
孝襄高速公路给银杏让路
湖北省的孝襄高速公路总投资额达72亿元人民币，是“十五”期间该省投资规模最大、建设里程最长的一条高速公路。按照设计方案，孝襄告诉公路要穿越占地面积达19km2的“洛阳银杏保护区”，2万多棵树龄在百年以上的古银杏将面临毁灭性的破坏。银杏树的成长周期特别长，移栽成活率极低，一旦被损毁，势必将破坏当地的生物多样性。如果更改最初的设计方案，饶避保护区1.4km，工程指挥部就要为此增加投资4200万元。
孝襄公路的设计我们应该对自然环境、资金、长远影响等因素进行综合分析，如果破坏银杏林的话，势必对生态造成影响，这是增加再多资金所也无法挽回。
工程指挥部最后决定增加资金绕路，孝襄公路以于2005年9月30日正式全线开通。
可见系统分析时还要注重综合性原则，要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。
1：保护珍稀的银杏名贵树木。
2：控制工程投资额度、坚持原设计不变。
孝襄高速公路抱着洛阳银杏园绕了个圈，好处有：
一是有利于保护我国珍稀物种银杏树，实现生物多样性。
二是在当前国内外心血管疾病呈增加趋势，治疗心血管疾病的中药银杏供不应求的情况下，有利于保护和开发银杏的药物资源.
三是保住了当地百姓的致富资源。
结果
1、系统设计的含义
系统设计是在系统分析基础上,设计出满足预定目标的系统的过程。
它既包含了对某个系统进行技术本身的内容，同时又需要运用系统的思想和方法对其设计过程进行分析、设计。
五、设计简单的系统
①系统设计的目的与要求
系统设计要从整体出发，以系统整体功能的最优为目的。
②系统各部分之间的相互联系与相互作用
系统设计要运用系统的思想综合考虑和部分之间的关联、冲突问题，注重各部分的横向、纵向联系。
五、设计简单的系统
2、系统设计应考虑的主要问题
远程视频会议系统
人物形象设计
要求:需要网络和多媒体技术支持
要求:具有审美能力和化装技巧
各行业的系统设计又不同的技术要求：
3、系统设计的一般步骤
①将系统分解为若干子系统；
②确定各子系统的目标、功能及其相互关系；
③对子系统进行技术设计和评价；
④对系统进行总体设计和评价。
可以概括为“总——分——总”。
先将对象分解为一个子系统，分析和确定各个子系统的目标、功能以及它们之间的相互关系和结构组成。
然后单独对每个子系统进行技术设计、评价及优化。
最后对由完成的子系统作为构件的系统整体进行总体技术设计和评价。
四.系统分析的主要原则
1、整体性原则
先看全局，后看局部；
先看全过程，再看某一个阶段；
先看长远，再看当前。
2、科学性原则
科学方法、数学工具、定量分析、运算、建模
优选法
总结
3、综合性原则
系统分析总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干个目标时，应将目标排除优先次序，首先选取最优先的目标，然后尽可能在不损害第一个目标的前提下完成下一个目标。这就需要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。
考虑多个目标，不是考虑要素。
例如：
设计自行车时既要考虑刹车子系统，又要考虑转向子系统等。这不是体现系统分析的综合性原则。
综合性原则
知识整理---系统分析的主要原则
强调考虑整体
强调研究的科学性
统筹兼顾
着眼于系统整体，要分析整体，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一个阶段；先看长远，再看当前。
①要有科学的工作步骤；
②应尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析。
当系统存在若干个目标时，应排出优先次序，首先选取最优的目标，但不放弃任何一个目标。不能顾此失彼。
“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场，其钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，而且结构相当复杂。鸟巢作为奥运场馆之一，应该符合奥运会的整体布局。“鸟巢”设计和深化设计的过程中，一直贯穿着节俭办奥运和可持续发展的理念，在满足奥运使用功能的前提下，充分考虑永久设施和临时设施的平衡，同时，设计师运用数学建模精确计算，并利用计算机进行虚拟测试。鸟巢为2008年奥运会树立了一座独特的历史性的标志性建筑，而且在世界建筑史上也将具有开创性意义。
整体性原则
综合性原则
科学性原则
1、北方流行“地暖”，设计时需要统筹兼顾电热效应高、电磁效应低、安全可靠、成本低、底层隔热性能好等诸多目标。这体现了系统分析的(　　)
A．科学性原则　
B．综合性原则
C．动态性原则
D．整体性原则
多个目标综合分析，并列考虑，体现系统分析的综合性原则
练习
练习
2、校园内车辆频繁进出，给学生带来安全隐患，于是学校决定新建停车场，首要考虑学生安全，又能让职工停车方便，还要考虑学生放假时家长车辆通行。这体现了系统分析的（ ）
A. 科学性原则 B. 整体性原则
C. 综合性原则 D. 可持续发展原则
C
多个目标综合分析，并列考虑，体现系统分析的综合性原则
练习
3、某住宅电气线路系统，主要由照明线路、空调线路、插座线路等系统构成。下列说法中不正确的是（ ）
A．照明线路、插座线路、空调线路等子系统构成了住宅电气线路系统，体现了系统的整体性
B．住宅电气系统设计中应将电线埋入电线管中，便于后期维护体现了系统的动态性
C．电气线路设计中先预测计算住户的用电负荷，再确定电线的规格，体现了系统分析的科学性原则
D．照明线路布置应先考虑住宅照明效果，再考虑每个房间个人喜好，体现系统分析综合性原则
D
整体性原则
例：
某住宅电气线路系统，主要由照明线路、空调线路、插座线路等系统构成。
（1）电气线路设计中先预测计算住户的用电负荷，再确定电线的规格。体现了系统分析的 原则；
（2）照明线路布置应先考虑住宅照明效果，再考虑每个房间个人喜好，体现系统的 原则；
（3）电气线路设计中既要考虑住户的用电负荷，又要考虑成本，还要考虑施工的难度。体现了系统分析的 原则；
科学性
整体性
综合性
理解“目标函数、约束条件、影响因素”
系统的优化
优化系统设计的方案
最小的成本
最短的工期
最少的能耗
单位面积的土地
最大的利润
更多的工程量
更多的产品
尽可能高的农业产量
在给定的条件（约束条件）下，根据系统的优化目标，采取一定的手段和方法，使系统的目标值达到最大化（或最小化）。
一、什么是系统的优化？
案例：农作物种植系统的优化——-- 农业间作套种
目标与收益总和之间的关系
对目标函数起限制作用，不能人为调节
对目标函数产生影响，可人为调节
进行系统优化应考虑的三个要素
影响因素：
约束条件：
目标与目标函数：
（1）请连线下列四项解释与对应的名词
优化目标
影响因素
约束条件
A.实现增产、增收，提高土地利用率。
B.农作物的生长特性、天气、气候等。
目标函数
C.优化目标与土地单位面积收益之间的关系。
D.套种的技术水平、田间管理、病虫害防治等。
（2）约束条件与影响因素有什么不同？
不能人为调节
可以人为调节
系统的优化
优化目标：
利润最大值(Smax)
约束条件：
材料成本、劳动力、签订的合同。
4X1+6X2≤600（材料）
20X1+18X2≤400（工时）
X1≥8，X2≥5
目标函数:
Smax=50X1+60X2
(x1为每周生产桌子数，x2为每周生产椅子数)
对系统优化时常常需要定量分析计算
——数学模型
什么是“数学模型”？
将研究的问题概括成数学模型，用数学方法分析求解，得到结论。再用这一结论解决实际系统中的问题。
（2）满意解
无法确切描述目标函数的，经过科学的估算、试验，得到满意解。
无论什么方法都需要经过若干次完善和验证
运用数学模型求解
通过科学的估算、试验。
（1）最优解
通过优化，建立数学模型的，计算得到的解。
最优化方法
例、舟山跨海大桥于2009年12月25日正式通车，大桥建成后，使舟山更紧密地融入长三角经济圈。大桥设计要求最大能抗17级超强台风，最大通航等级为5万吨级，使用年限为100 年。在大桥施工时为了保证质量、缩短工期、降低成本，需要对工程进行优化。下列属于影响系统优化的因素是( )
A.抗台风等级 B.最大通航等级
C.工程项目的管理水平 D.使用年限
C
影响因素：施工时间、装修队数量、设备数量、管理能力
目标：对资源的利用是最为合理
约束条件：水电、木工、油漆依次序装修
问：
你还能想到什么方案？
综合分析各种方案，你认为最合理的方案是哪一种？
案例分析：装修施工组织优化
楼 装修 过程 工期 装修施工进度（周） 3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
B 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
C 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
楼 装修 过程 工期 装修施工进度（周） 3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
B 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
C 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
流水施工
楼 装修 过程 工期 装修施工进度（周） 3 6 9 12 15 18 21 24 27
A 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
B 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲
C 水电 3 ▲
木工 3 ▲
油漆 3 ▲

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