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系统及其设计
第三章
The system and its design
系统及其设计
系统实例
系统的含义与分类
系统的分析案例
系统的基本特性
系统分析的基本方法
什么是系统优化
影响系统优化的因素与最优方法
简单系统设计案例分析
简单系统设计的基本方法
系统设计的基本原则
揭开系统面纱
系统的基本特性分析
系统优化
简单系统设计的基本方法
思考
1.都江堰水利工程由哪些主体工程组成？
都江堰
鱼嘴分水堤工程
飞沙堰溢沙排洪工程
宝瓶口引水工程
揭开系统面纱
思考
2.几个主体工程怎样相互协调配合，共同完成都江堰的整体功能？
都江堰
鱼嘴分水堤工程
飞沙堰溢沙排洪工程
宝瓶口引水工程
分水分沙
泄洪排沙
引水限流
揭开系统面纱
思考
3.都江堰水利工程整体有怎样的功能？
都江堰
鱼嘴分水堤工程
飞沙堰溢沙排洪工程
宝瓶口引水工程
分水分沙
泄洪排沙
引水限流
分洪减灾
引水灌溉
揭开系统面纱
定义
系统是由相互依存的若干个部分组成的、具有特定功能的有机整体。
01
由两个以上的部分（要素）组成
特征
02
相互依存、相互作用
03
整体具有局部没有的特定功能
揭开系统面纱
系统
子系统
元素
呼吸系统 运动系统
消化系统 循环系统
神经系统 生殖系统
泌尿系统 感觉器
鼻、咽、喉
气管、支气管
肺
各具功能
相互依赖、相互作用
基本单元
内分泌系统
揭开系统面纱
整体功能
揭开系统面纱
在自然界：太阳系、森林、山脉、动植物、细胞等都是系统。
生物链与食物链
太阳系
细胞
山脉
揭开系统面纱
家庭
在社会生活方面：城市、学校、家庭、班级等，同样都可以视为系统。
家庭
城市
学校
揭开系统面纱
在技术领域：宇宙飞船、航母，车床、汽车、风扇、自行车等，都可以看做系统。
系统的分类
组成元素性质
自然系统
由天然物质自然形成
人工系统
为达到某种目的人为建立
复合系统
自然系统和人工系统相结合
元素存在形态
系统的运动状态
实体系统
由物质构成的系统
概念系统
由概念、原则、原理、理论、方法等非物质构成
动态系统
静态系统
系统与外部环境关系
开放系统
封闭系统
揭开系统面纱
系统的基本特性分析
概 述
整体性也称集合性，是系统最基本的特性。
系统不是一些元素和组成部分的简单集合和简单相加，而是一个有机的整体。
系统的基本特性——整体性
巴尔扎克和维纳斯都少了点什么？
法国雕塑家罗丹在塑造巴尔扎克塑像时，人们看了叹服不止，特别为塑像的手塑造得细腻逼真而惊讶，都说这双手太逼真、太生动了。罗丹知道后却用斧子砍掉了那双手。
罗丹砍手这一行为给你怎样的启示
做任何事情都要重视整体效应，必要的时候要舍得抛弃部分而保留整体。（弃卒保车）
系统具有整体性
系统的基本特性分析
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
系统的基本特性——相关性
概 述
相关性是指构成系统的各部分之间是相互依存、相互作用、相互支撑、相互影响的，是彼此相关的。
中国古建筑的抬梁式结构。
优点：室内少柱或无柱，可获得较大空间。当柱与柱之间的梁的跨度增大时，则梁的厚度要相应加大。
系统的基本特性分析
系统的基本特性——功能性
概 述
系统都是以实现某种功能为目的，每个系统都具有特殊的功能，这也是区别不同系统的标志。
给人们提供一个舒适、方便的居住环境、办公环境和娱乐环境。
给蔬菜或水果提供适宜成长的环境
系统的目的一般通过更具体的目标来体现，系统的多个目标有时不完全一致甚至互相矛盾，这就需要协调，寻求平衡或折中的办法，从而达到整体最佳的效果。
组成部分要在整体中才能发各自的作用
系统的基本特性分析
系统的基本特性——环境适应性
概 述
系统都存在于一定的环境中，并不断的与外界环境进行物质的、能量的和信息的交换。
系统必须适应外部环境的变化。
1）自然界，刺猬身上的刺，兔子跑的快；
2）雨雪天气，汽车轮胎安装防滑链；
3）“近朱者赤 近墨者黑”；
4）“春捂秋冻”；
案 例
系统具有适应环境的变化、保持原有功能的特性
系统的基本特性分析
系统的基本思想：系统都具有整体性、相关性、功能性和环境适应性。系统的这些基本特性构成了系统的基本思想。
系统分析的基本方法：运用系统的基本思想和定性、定量相结合的方法对系统进行分析，就是系统分析的基本方法。
系统分析的基本方法
评价比较：系统性能、品
质评价，系统运行效果评价
；同类系统间比较，找出优
劣。
分析研究：系统内部机理；
系统内部各子系统的关系、
配合；系统与外部环境的
关系；基本的定量分析。
阐明问题：分析的对象
（系统）、系统的整体
功能和系统的组成。
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
高斯遇到的问题，从1加到100的和是多少？
传统方法
1+2
前面的结果+3
……
前面的结果+100
系统方法
将100个数字，当做一个整体。
发现数字之间的关联。
分析系统的特征，100个数字组成的系统，具备整体性、功能性、相关性，从而找到高效的解决方案。
任务一 ：高斯算法的系统分析
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
丁谓命人在京城大街取土，将三街九衢挖成壕沟。取土完毕，将壕沟灌上黄河水，外地运来的树木，全部通过壕沟水运入城中。房屋盖好，过去那些灰土碎瓦废砖，又倒入壕沟中，平整成街道：一举三得。
在皇宫前大街
挖沟取土烧砖
引汴河水
进壕沟
通过这条水
路运输建材
建筑垃圾都
填进沟里
任务二 ：丁谓修复皇宫的系统分析
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
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。
在船只能坐一人且携带一样物品的时候，农夫该如何过河？
任务三 ：农夫过河的系统分析
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
系统分析
农夫带着羊过河，农夫回来；
农夫带狼过河，农夫与羊回来；
农夫带白菜过河，农夫回来；
农夫带羊一起过河。
思考：1）农夫过河系统中要素是什么？
2）要素之间有什么样的联系？
3）通过什么样的演算方法得到答案？
系统的基本特性分析
组成部分要在整体中才能发各自的作用
问题：安全运送货物过河
目标：①货物一个不少②最少的次数过河
PA：①<<人羊②人空>>③<<人狼④人羊>>⑤<<菜人⑥人空>>⑦<<人羊
PB：①<<人羊②人空>>③<<菜人④人羊>>⑤<<人狼⑥人空>>⑦<<人羊
PlanA和PlanB哪个更合理？
PlanA和PlanB都合适。
随堂练习
系统的基本特性分析
1.春秋战国时期李冰设计建造的都江堰，具有分流、排沙、泄洪、灌溉等多种功能的综合性水利工程。该系统属于（ ）
A 实体系统 人造系统
B 抽象系统 人造系统
C 实体系统 自然系统
D 抽象系统 自然系统

A
随堂练习
系统的基本特性分析
2.如图所示是一款新型智能体感代步车，能根据人体姿势的变化自动实现前进、后退、转弯等操作，起到代步的作用。这主要体现了系统的（ ）
A 功能性 B 相关性
C 整体性 D 环境适应性
A
随堂练习
3.水（H2O）由氢和氧两种要素构成，但当你口渴时，需要喝水，分别吸入氢气和氧气，并不能为你解渴，这说明（ ）
A.至少要有两个或两个以上的要素才能构成系统
B.系统的组成部分（要素）之间按照一定的结构形成整体
C.系统整体功能是各组成部分（要素）的功能所没有的
D.系统包括子系统，它又是更大系统的子系统
C
系统的基本特性分析
随堂练习
4.如图所示是一款太阳能草坪灯，根据系统与外部环境的关系分类，它属于（ ）。
A.概念系统 B.封闭系统
C.自然系统 D.人造系统
D
系统的基本特性分析
随堂练习
系统的基本特性分析
5.人造 卫星在运行过程中，随着空间环境的变化，需要不断调整太阳能节帆板的姿态， 使帆板与太阳光线垂直，最大效率获取太阳能，从而保持系统功能的稳定。这说明人造卫星的设计充分考虑了系统的( )。
A环境适应性
B整体性
C相关性
D层次性
A
随堂练习
系统的基本特性分析
6.石墨铅笔的铅笔芯以石墨与黏土按一定比例配制。石墨比例越大则笔芯越黑，而硬度越小; 黏土的比例较大则颜色浅而硬度大。该事例主要体现了系统的。（ ）
A动态性
B目的性
C环境适应性
D相关性
D
组成部分要在整体中才能发各自的作用
2.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。
1.系统的定义:
整体性：要素出现问题，影响整体的功能
相关性：要素与要素之间相关
功能性： 系统都是以实现某种功能为目的
环境适应性：外部原因导致系统发生变化
3.系统的基本特性：
知识回顾
系统是由相互依存的若干个部分组成的、具有特定功能的有机整体。
知识回顾
系统的分类
组成元素性质
自然系统
由天然物质自然形成
人工系统
为达到某种目的人为建立
复合系统
自然系统和人工系统相结合
元素存在形态
系统的运动状态
实体系统
由物质构成的系统
概念系统
由概念、原则、原理、理论、方法等非物质构成
动态系统
静态系统
系统与外部环境关系
开放系统
封闭系统
系统的优化
组成部分要在整体中才能发各自的作用
一、系统优化的意义
系统优化就是在给定的条件下，通过一定的手段和方法，使系统达到更佳的功能或更佳效益的过程。实现系统的最优化，就可以在一定资源条件下，取得最佳的效果，而投入的人力、物力、财力达到最小。
定义
01
系统优化是在一定的条件下进行的。
02
系统最优化要达到最佳效果，使投入达到最小。
03
系统优化强调整体的优化。
特征
系统的优化
二、影响系统优化的因素
校园周边环境治理
案例一
校园外道路交通条件差，人多、车多、路窄，过往车辆素质低，人车混行，十分危险
校外超市、快递购买垃圾食品
学校老师分散租住在农户家里，存在安全隐患
。。。。。。
讨论：你觉得校园周边环境最需要改善的有哪些？提出你的改善建议？
系统的优化
二、影响系统优化的因素
按照系统优化的步骤进行优化
需要进行优化的问题
选择合适的优化方案
评价与比较
问题分析：交通复杂
校园外道路交通条件差，人多、车多、路窄，过往车辆素质低，人车混行，十分危险。
解决方案：要致富 先修路
城投集团协调都江堰市政府，对校外路面进行改造提升；
各学部分时段放假、周末节假日开通校车；
放假时段协调交警指挥疏导、平日交警进行酒驾、危险驾驶检查、每学期交警到校进行交通安全讲座；
学校出资安装监控、路灯、安全标牌、爆闪等物防设施。
条件校验：校验人力、物力、财力是否具备。合理分配，节约资源，促使优化指标和约束条件得以满足。
实施与调整：及时调整，计划与施工，再进入优化进程
系统的优化
一、系统优化的意义
案例二
车道附近噪声污染严重
城市交通越来越发达，交通噪声污染影响附近人群健康，消除或减轻噪音污染成为优化城市等大环境系统的重要课题。
讨论：怎样改善噪音的污染，优化人们所处环境？
系统的优化
二、影响系统优化的因素
减小噪音原则：
一、 声源处减弱
二、传播过程中减弱
三、接收处减弱
1、密闭声源，在声源处建造隔声墙，防止噪声直接向外传播。
2、给机器上足润滑油，即防止产生噪音，又能保护机器。
3、加强绿化，在繁杂的公路两旁植树造林，形成屏障。
4、添置隔音设施。
5、在耳朵处加塞隔音装置，如好的耳塞。
选择合适的优化方案：
系统的优化
二、影响系统优化的因素
系统的优化
组成部分要在整体中才能发各自的作用
二、影响系统优化的因素
优化追求的目标要适度。
希望投入最小，而取得的效益最大。
系统优化离不开条件，条件是否具备直接影响优化。
某些不确定的或不可预见的因素也会影响系统的优化。（干扰因素）
系统优化不仅要注意系统中组成部分（要素）的优化，还要注重组成部分（要素）之间、组成部分（要素）与整体之间的协调和连接的有序性。系统优化是一个不断验证、完善的过程。
系统的优化
组成部分要在整体中才能发各自的作用
二、影响系统优化的因素
案例三
码头选址问题
在江边一侧有 A 、 B 两个工厂，它们到江边的距离分别是2km和3km，设两工厂沿江方向的距离是3.5km，现在要在江边修建一个码头，使得两厂的产品能够顺利过江，问码头应该建在什么位置，才能使运输路线最短？
系统的优化
组成部分要在整体中才能发各自的作用
二、影响系统优化的因素
最优化方法是系统学中的一个重要方法。它通常是指在一定人力、物力和财力资源的条件下，使取得的效果（如生产产值、利润、效益等）达到最大，而投入（如能源、资金、人力、时间等）达到最小的一种方法。
系统的最优化
系统的优化
组成部分要在整体中才能发各自的作用
二、影响系统优化的因素
最优化原则（补充）：
要用系统的基本思想和定性和定量分析相结合的方法使系统最优化
坚持系统整体的最优化
不间断的寻求系统最优化
最优化的一般步骤：
提出需要最优化的问题，收集有关资料和数据
确定变量，建立定量计算方程（有关数学模型）和有关约束条件
选择合适的最优化方法
解方程，校验解的最优性
实施
简单系统设计的基本方法
组成部分要在整体中才能发各自的作用
系统设计的概念：
系统设计是在系统分析的基础上，设计出满足预定目标的系统的过程。除了遵循设计的一般过程、原则和标准外，还强调分析思维和综合思维相结合，注重在考虑整体的前提下具体研究解决局部问题。
系统设计特别强调（系统设计的原则）：
以实现系统基本功能为首要原则。
利用子系统间的关联关系，合理解决子系统的冲突，综合处理的原则。
追求效益的最大化及优化是系统设计追求的永恒目标的原则。
可实现动态调整的原则。
人性化设计的原则。
具备战略性的思考，即设计应有相对的稳定性和适应可持续发展的原则。
简单系统的方案设计
本章任务--校园十佳歌手的赛事系统设计
综合考虑总体目的和要求：
(1) 活动主题
(2) 活动对象、场地
(3) 参与形式
(4) 赛事设置（预选赛、初赛、复赛、决赛）
(5) 评选规则
(5) 奖项设置

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