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通用技术—技术与设计2
第三单元 系统与设计
系统的分析
一、系统的结构
二、系统的分析
三、系统的设计
1、系统分析及其一般步骤
2、系统的优化
系统分析
系统的优化
系统分析
系统优化的实例
系统的优化方法
一、系统分析
系统分析的步骤
什么是系统分析
系统分析的主要原则
1、初步掌握系统分析的基本方法。
2、掌握系统分析的一般步骤。
3、理解系统优化的意义，能结合实例分析影响系统优化的因素。
☆ 系统分析方法的产生
系统分析是在第二次世界大战末期提出来的,起初被用于武器系统的分析研究，后来又被用于国防战略及国家安全政策的制定。上世纪60年代才逐步被行政及企业单位采用。
☆ 什么是系统分析
每个人都会面临选择、面临决策。决策方法有经验决策和科学决策，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地减少失误。系统分析就是一种科学决策的方法。
在人口规模很小的县城，道路状况简单，公共交通线路的决策也简单，设计者凭借经验，可以完成公交线路的设计。
综合考察全市的道路状况、人口密度的分布、不同区域的居民对公共交通的要求等，运用科学的方法进行综合分析和研究，就能找出城市公交线路规划设计的最佳方案。
在上百万人口规模的大城市，道路状况复杂，市民对交通的需求趋于多样化，这时若凭经验规划公交线路，容易顾此失彼，出现失误。
这种为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟定一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案的过程，就是系统分析。
路口控制系统
车辆和行人都少的情况：司机自己控制行或停。
车辆多的情况：红绿灯控制车辆的行或停。
车辆和人都多的情况：红绿灯不仅控制车辆的行或停，还控制人的行或停。
红绿灯控制行或停的时间是事先经过抽样统计的结果确定的。
问题：有时会出现在一条道路上行驶时，总是遇到红灯。司机常常会说 “一步赶不上，步步赶不上”。
路口控制系统的改进：
在一些主干道路上，实现一路绿灯。
方法：主干道路上的绿灯按一定的时间顺序依此亮。
系统分析的定义
为了发挥系统的功能，实现系统的目标，运用科学的方法对系统加以周详的考察、分析、比较、试验，并在此基础上拟定一套有效的处理步骤和程序，或对原有的系统提出改进方案，这个过程就是分析。
设置红绿灯控制车辆的行或停。
设置红绿灯控制人的行或停。
设置智能路口控制。
系统分析的出发点是：为了发挥系统的整体功能。
系统分析的目的是：寻求解决问题的最佳决策。
系统分析的显著特点是完整地而不是零星地处理问题，考虑各种主要变化的因素及其相互的影响，全面地思考和解决问题。
借助于系统分析，可以正确地提出整体目标，恰当地选择方案，科学地确定行动的方略。
系统分析的步骤
明确问题，设立目标
收集资料，制定方案
检验核实，作出决策
分析计算，评价比较
：明确要研究问题的性质和范围，提出所要达到的目标，明确约束条件。
：收集相关资料，制定解决问题的各种备选方案，预计可能产生的各种结果。
：如果对制定的方案不满意，还可按上述程序反复进行，直到获的满意为止。
：对资料和数据做必要的计算，进行各子系统的分析，再进行系统的整体分析，将各种方案进行评价对比，选择最佳方案。
田忌赛马（1）
　　齐国的大将田忌，很喜欢赛马，有一回，他和齐威王约定，要进行一场比赛。 　　他们商量好，把各自的马分成上，中，下三等。比赛的时候，要上马对上马，中马对中马，下马对下马。由于齐威王每个等级的马都比田忌的马强得多，所以比赛了几次，田忌都失败了。 　　田忌觉得很扫兴，比赛还没有结束，就垂头丧气地离开赛马场。这时，田忌抬头一看，人群中有个人，原来是自己的好朋友孙膑。孙膑招呼田忌过来，拍着他的肩膀说： 　　“我刚才看了赛马，威王的马比你的马快不了多少呀。” 　　孙膑还没有说完，田忌瞪了他一眼： 　　“想不到你也来挖苦我！” 　　孙膑说：“我不是挖苦你，我是说你再同他赛一次，我有办法准能让你赢了他。” 　　田忌疑惑地看着孙膑： 　　“你是说另换一匹马来？” 　　孙膑摇摇头说： 　　“连一匹马也不需要更换。
田忌赛马（2）
　　齐威王屡战屡胜，正在得意洋洋地夸耀自己马匹的时候，看见田忌陪着孙膑迎面走来，便站起来讥讽地说： 　　“怎么，莫非你还不服气？” 　　田忌说：“当然不服气，咱们再赛一次！”说着，“哗啦”一声，把一大堆银钱倒在桌子上，作为他下的赌钱。 　　齐威王一看，心里暗暗好笑，于是吩咐手下，把前几次赢得的银钱全部抬来，另外又加了一千两黄金，也放在桌子上。齐威王轻蔑地说： 　　“那就开始吧！” 　　一声锣响，比赛开始了。 　　比赛的结果是三局两胜，当然是田忌赢了齐威王。 　　还是同样的马匹，由于调换一下比赛的出场顺序，就得到转败为胜的结果。
田忌赛马（3）
田忌赛马能转败为胜的主要原因：
田忌赛马能转败为胜与马、孙膑、田忌、齐威王这四个因素有关，他们是缺一不可的。
但主要是由于孙膑的原因。
田忌赛马战术分析(1)
1：明确问题，设立目标
问题：跑马比赛，
目标：取得比赛胜利，
约束条件：三匹马参加比赛，每匹马比赛一次。
2：收集资料，制定方案
各种方案：
田忌赛马战术分析(2)
3：检验核实，作出决策
选择合适的马的出场顺序。
4：分析计算，评价比较
各种方案的比赛结果：
1
3
2
1
3
2
输
赢
赢
1：2
田忌赛马战术分析(3)
1
1
2
2
3
3
1
1
2
3
3
2
1
2
2
1
3
3
1
2
2
3
3
1
1
3
2
1
3
2
1
3
2
2
3
1
输
输
输
3：0
输
输
赢
2：1
输
赢
输
2：1
输
输
赢
2：1
输
赢
赢
1：2
输
输
赢
2：1
运用系统分析的方法处理具体问题时，主要要遵循三大原则： 整体性原则、科学性原则、综合性原则。
整体性原则
分析系统首先要着眼于系统整体：
先分析整体，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
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。
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：
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。
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？
科学性原则
系统分析一方面要有严格的工作步骤，另一方面应尽可能地运用科学方法和数学工具进行定量分析，使决策的过程和结构更具说服力。
例如，在比较种稻是一年三季合算还是一年两季合算时，有人就提出“三三进九不如二五一十”，这就是最简单而且也是最实用的定量分析。当然，在处理复杂系统的分析和优化问题时，往往需要使用比较复杂的数学工具。
田螺石螺，家喻户晓。午夜时分常常见到不少食客相约三五知己在大排档吃夜宵，桌上一盘炒螺，几瓶啤酒，一聊就是半天。
　　可是，也有人边细嚼美味的螺肉，边“吐吐吐”地把吃进嘴巴里的泥巴、螺崽吐出来，埋怨螺肚泥巴螺崽多。客观地说，食客缺乏吃螺技巧固然有之，厨师未尽责任也是原因之一。 　　有一个流传很久的民间办法。先将田螺石螺放进盛满清水的盆子里，再把菜刀、锅铲等非不锈钢铁器插进螺堆。第二天就可以发现这些铁器上爬满了螺，不仅盆底沉下一层螺吐出来的泥巴，母螺还产下很多螺崽。如果清理干净后再重复处理，螺就继续吐泥下崽。这样，螺的肚子里便干净多了。为何铁器能催螺吐泥产崽，个中原因我也说不清楚，但我知道这个办法有效，毕竟已流传几代人了。 　　其实这种做法也不见得麻烦，只是略为拖延一点资金回收时间罢了。我细细一想，三三得九，不如二五一十。假设不作吐泥加工的炒螺每碟售三元，卖了三蝶也只得九元收入，还未必得宠；但已作吐泥加工的售五元一蝶，卖两蝶就有十元收入，顾客还吃得既放心又开心。如此这般，何乐而不为呢？
螺的处理
优选法是快速寻找最佳方案的科学方法。具体的优选法有很多，如黄金分割法、分数法、对分法等，这里只介绍黄金分割法。
黄金分割法也称0.618法，它是优选法的一种。以技术试验为例，先把整个试验范围看做1，然后在整个试验范围的0.618处选点做第一次试验，再在倒过来的0.618处选点做第二次试验，比较两次试验的结果，去掉效果差的那个点以外的试验范围部分；
再在余下的范围内继续采用这种方法，再比较试验结果，这样逐渐缩小试验范围，迅速找到试验目标。
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。
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。
例如，工业生产既要求产量大，又要求质量好、成本低，如果片面强调一方面就会产生偏差；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。
综合性原则
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。
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，孝襄高速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树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，一旦被毁损，势必破坏当地的生物多样性。
如果更改最初的设计方案，绕避保护区1.4km，工程指挥部就要为此增加投资4200万元。
根据以上内容，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
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。
湖北省随州市洛阳镇
二、系统的优化
系统优化：
目标函数
约束条件
约束条件是对系统的功能起着限制作用、并且是不能人为调节的因素。
是在给定的条件下，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（或最小）。
目标函数是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。
影响系统优化的因素
对系统的目标函数产生显著影响，并且可以人为调节的因素。
农作物种植系统的优化----农业间作套种
四、优化方法
优化方法是为使系统达到最优的目标而提出的求解方法。
系统优化的方法是多种多样的，但不论运用怎样的优化方法，都需要经过若干次的完善和验证，才能得到最优解或满意解。
求解过程：
数学模型
估算、试验
最优解
满意解
完善、验证
农业间作套种
约束条件
农作物的生长周期、气候等因素。
提高土地利用率和土地单位面积农作物收益总和之间的关系。
影响系统优化的因素
套种的模式、套种的技术水平、套种的田间管理、病虫害防治等等。
目标函数
装修施工的组织优化（1）
一、明确问题，设立目标
施工项目：教学楼装修
施工内容：教学楼A、B、C栋，需要水电、木工、油漆三个施工过程，每个施工过程需要3周时间
目标：组织装修，使装修工期和资源利用最为合理。
二、收集资料，制定方案
方案一：按照施工要求，从A到B到C，依此进行施工
方案二：按照施工要求，A、B、C栋同时进行施工
方案三：按照施工要求，A、B、C栋进行流水施工
三、检验核实，确定方案
根据分析，确定按照方案三进行施工。
四、分析计算，评价比较
各种方案比较。
选择出最佳方案：方案三
方案一
大
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 水
木工 3 木
油漆 3 油
B 水电 3 水
木工 3 木
油漆 3 油
C 水电 3 水
木工 3 木
油漆 3 油
方案二
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
方案三
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
■
■
■
■
■
■
■
■
■
方案比较
施工特点 工期 施工队 设备、材料 现场管理
方案一
方案二
方案三
依此施工
27周
1
投入少
简单
平行施工
9周
3
投入多
复杂
流水施工
15周
1
较多
较简单
生产利润问题（1）
产品 需木料 需工时 利润 计划产量
桌子 4 20 50
椅子 6 18 60
受约束因素 约束内容
木料 最多600
工时 最多400个
桌子 至少6张
椅子 至少5把
生产利润问题（2）
优化的目标是：获得最大的利润
目标函数：
（设 x1 为 每周生产桌子数， x2 为 每周生产桌子数）
Smax=50X1+60X2
约束条件
（1）4X1+6X2≤ 600
（2）20X1+18X2≤ 400
（3）X1≥ 8
（4）X2≥ 5
我们列出了一个目标函数和四个约束条件，实际上我们已经建立了一个数学模型。
生产利润问题（3）
我们通过数学模型，计算出的目标值是每周获取的最大利润，所得到的就是最优解：每周生产桌子数量是X1、生产椅子的数量是X2）。
数学模型
数学模型：用数学公式，图表等描述客观事物的特征模型。
是反映下落物体运动的路程随时间变化的数学模型。
数学模型突出事物的主要因素，舍弃事物的次要因素。

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