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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
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。
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。
（1）什么是系统分析
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。
A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，这个过程就是系统分析。
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。
B系统分析的特点
汉字激光照排系统
王选教授
激光照排机
思考：在汉字照排方案的决策中，系统的整体目标是什么？王选进行决策的依据主要有哪些？
解决汉字的存储和输出：一是汉字字形信息量大,要解决字型信息量压缩问题；二是汉字字形信息压缩后存入计算机，需要将其快速还原和输出。
1轮廓描述方法 2高速还原汉字字型算法
3我国汉字印刷业的现状 4市场需求 5良好的基础学科和计算机知识背景及我国具有的激光等技术基础
明确问题,设立目标
明确所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
收集资料,制定方案
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
分析计算,评价比较
对资料和数据做必要计算,进行各子系统的分析,将各种方案进行评价对比,选择最佳方案
检验核实,作出决策
如果对方案不够满意,还可按上述程序反复进行,直到获得满意的方案为止
（2）系统分析的一般步骤
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。
田忌赛马战术的系统分析
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
4：检验核实，作出决策
选择合适的马的出场顺序。
3：分析计算，评价比较
孙膑所出的主意，为什么能使田忌赢得胜利？
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。
田忌与齐王的三局赛马可以有哪几种方案？
田忌—齐王 比分
方案一 上马—上马 中马—中马 下马—下马
方案二 上马—上马 下马—中马 中马—下马
方案三 中马—上马 上马—中马 下马—下马
方案四 中马—上马 下马—中马 上马—下马
方案五 下马—上马 上马—中马 中马—下马
方案六 下马—上马 中马—中马 上马—下马
0 _ 3
1 _ 2
1 _ 2
1 _ 2
1 _ 2
2 _ 1
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。
A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？
马上行动P79
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。
B科学性原则
田螺田螺，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。
C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。
3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
一 系统分析及其一般步骤
1什么是系统分析：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，这个过程就是系统分析。
2系统分析的一般步骤
3系统分析的主要原则：
（1）整体性原则
（2）科学性原则
（3）综合性原则：综合－分析－综合
二 系统的优化
1、系统的优化是指在给定的条件下，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化（或最小化）。
农作物种植系统的优化
——农业间作套种
稻田里养鱼
3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。
2目标函数是系统目标与系统中的某些元素之间的关系。
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。
利润问题
4影响系统优化的因素是指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。
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。
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。
5为使系统达到最优的目标而提出的求解方法称为最优化方法。
数学模型
估算、试验
最优解
满意解
完善、验证
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。
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。
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
四、检验核实，确定方案
三、分析计算，评价比较
各种方案比较
选择出最佳方案：方案三
装修施工的组织优化
思考
方案一
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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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
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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
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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
阅读
系统工程
思考
在装修施工的组织优化中，影响优化的主要因素有哪些？
影响优化的主要因素有施工时间、装修队和设备的数量等。
练习1、2
1944年6月6日凌晨，美国和英国的2390架运输机和846架滑翔机，从英国20个机场起飞，载着3个伞兵空降师向南疾飞，准备在法国诺曼底海岸后边的重要地区着陆。这就是著名的“诺曼底登陆”的开始。 黎明时分，英国皇家空军的1136架飞机对事先选定的德军海岸的10个炮垒，投下了5853吨炸弹。天亮以后，美国第八航空队又出动了1083架轰炸机，在部队登陆的前半个小时，对德军海岸防御工事投下了1763吨炸弹。接着，盟军各种飞机同时出动，轰炸海岸目标和内陆的炮兵阵地。5点50分，太阳已经升起来了，盟军的海军战舰开始猛轰沿海敌军阵地。诺曼底海滩成了一片火海，地动山摇。 进攻部队由运输舰送到离岸7到11英里的海面，然后改乘大小登陆艇按时到达预定攻击的滩头。跟在后面的是运载重武器和装备的大型登陆艇
盟军选择的登陆地点诺曼底海滩，位于法国的西北部，从东到西有5个滩头——剑滩、朱诺滩、金滩、奥马哈滩和犹他滩，全长约50英里。登陆计划第一批进攻部队是5个师，每个师占领一个滩头
希特勒吹嘘他的长达2500英里“大西洋壁垒”防御工事为什么不堪一击呢？原来每年6月，英吉利海峡总是狂风大作，恶浪滔天，舰只行驶艰难。德军在西线的大部分将军都认为在这个气候恶劣的6月里，盟军是不会发动进攻的。6日凌晨2点左右，驻守在巴黎的德军总司令部接到报告说，有美英空降师着陆，看来像是一次“大规模行动”。但总司令龙德施泰特却认为这是盟军声东击西的手法，并不在意。接着，西线德国海军部队又向总司令部报告说：据海岸雷达报告，荧光屏上有大量黑点，一支庞大的舰队正向诺曼底海岸进发。而德国西线的参谋长却回答：“什么？在这样的天气里？一定是你们的技术员弄错了！也许是一群海鸥吧？”
希特勒中了盟军总部的疑兵之计了。在诺曼底登陆以前，盟军伪装集结了一支舰队，发出大量电讯，造成假象，好像盟军总部设在英国的肯特郡；又让以勇猛著称的美国巴顿将军在肯特郡街头散步，而德国情报人员正断定他是盟军总司令。在进攻前夕，英国飞机又撒下大量的锡箔片，使德军的海岸雷达上显示出，好像盟军的一支舰队向东驶去，开往加来。
为了严格保密，整个英国南部已同英国其他地区断绝了一切交通，成了一个大兵营，盟军为“霸王行动”在这里塞满了堆积如山的军事装备和物资。为了防止泄密，英国政府还中止了英国同外国的一切外交关系，撤消了沿岸的正常航运，把所有船只用于“霸王行动”的运输，使得美国艾森豪威尔将军在调动集结军队上，没有任何妨碍。英国政府在这个地区设置了警戒线，任何人未经许可都不得穿过警戒线。每一座帐篷，兵营，停车场和每一支部队，都仔细地标志在行动的指示图上。每一支部队的预定行动都作了准确的安排。这支在诺曼底登陆的军队是庞大的，拥有盟军陆海空三军287万多人，战舰6000多艘，飞机1．3万多架。这么大的军事行动的准备工作，德军竟丝毫不知。
为诺曼底登陆进行的准备工作是巨大而复杂的。改进了许许多多的装甲车，有供清理海滩的压路机，有在布雷区开道的装有扫雷器的装甲车，有供跨过沟渠的装甲便桥等，甚至还制造了两座人工港口，以便登陆部队卸下装备物资之用。对于进攻目标的地形侦察，早在一年之前就开始用飞机拍摄从荷兰到西班牙的海岸线，特别是从1944年4月到6月，共出动飞机侦察4500架次。此外，还有法国地下抵抗组织提供的数以千计的情报。这样，德军在欧陆沿海的防御工事、桥梁、机场、沼泽地区、仓库、公路、火车站等等，都被盟军弄得一清二楚。每一个登陆部队负责人带着的作战计划上，连树木都标了出来。

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