資源簡介

二系統分析與設計
任務一 探究系統分析的一般過程和基本方法（兩課時）
一、教學目標
1.通過案例分析和討論，說出系統分析的一般過程，歸納系統分析的基本方法。
二、教學重點、難點
系統分析的一般過程，歸納系統分析的基本方法
三、教學方法
講授法，演示法，任務引導法
四、教學過程
1、情境導入
在解決了水龍頭沒關或漏水而造成的浪費問題后，大家認為由于學校所處城市雨水很多，可在學校屋面和校園硬化地面及塑膠操場等處做集兩面，對雨水進行收集、凈化處理，以滿足校園綠化、公共衛生方面的用水需求，以期達到節約用水的目的。
系統分析是系統設計的重要環節，我們可以把-一個復雜的設計項目看成系統T程，通過對系統目標、要素、環境、資源、管理和維護等的分析，可以準確地發現問題，深刻地揭示問題的本質，從而分析并有效地提出解決問題的設計方案。
2、新課學習
在現實生活中，我們每個人都會面臨各種各樣的選擇和決策。決策方法有經驗決策和科學決策，經驗決策是人們慣用的方法，有時可能會導致失誤;科學決策則可以最大限度地減少失誤。系統分析就是一種科學決策的方法。
例如，在人口規模很小的縣城，道路狀況簡單，公共交通線路的決策也簡單。
設計者憑借經驗，可以完成公交線路的設計。在人口規模巨大的城市，道路狀況復雜，市民對交通的需求趨于多樣化。這時若僅憑經驗規劃公交線路，容易顧此失彼，出現失誤。如果把大城市的公共交通看作一個系統，綜合考察全市的道路狀況、人口密度的分布、不同區域的居民對公共交通的要求等，運用科學的方法進行綜合分析和研究，就能設計出城市公交線路規劃的最佳方案。
這種為了發揮系統的功能，實現系統的目標，運用科學的方法對系統加以周詳的考察、分析、比較、試驗，并在此基礎上擬訂一套有效的處理步驟和程序，或對原有的系統提出改進方案的過程，就是系統分析。系統分析的顯著特點是整體地而不是零星地處理問題，考慮各種主要變化因素及其相互的影響，全面地思考和解決問題。
借助于系統分析，可以正確地提出整體目標，恰當地選擇方案，科學地確定行動的方略。
系統分析的一般過程
系統分析的出發點是為了發揮系統的整體功能，目的是尋求解決問題的最佳決策，而生產和生活中的-些問題，往往存在著許多相互關聯的因素和一些不確定的因素，所以最佳決策只是在若干方案中尋求的相對令人滿意的方案。
系統分析的一般過程可以描述為:
明確問題 設立目標
明確所分析的系統及其結構，確定所要研究問題的性質和范圍，提出所要達到的日標，明確約束條件
收集資料 制訂方案
收集相關資料，制訂解決問題的各種備選方案，進行多日標的權衡與分析，并明確技術實股路線
分析計算 評價比較
對系統進行整體分析，對各子系統進行分析，對系統進行建模與推演，將各種方案進行評價對比
檢驗核實 做出決策
通過實證對方案的實施效果做出評判。如果對方案不夠滿意，還可按上述程序進行反復，直到獲得滿意的方案為止
系統分析方法一建模
系統分析方法是指把要解決的問題作為一個系統，對系統各要素及其之間的相互關系進行綜合分析，找出解決問題的可行方案。用建模的形式對系統進行分析和研究的方法是系統科學的基本方法。建模的基礎是找到不同事物或現象之間的相似性，這種相似性包括外形相似、結構相似、行為相似、功能相似或邏輯關系相似等。
復雜系統的分析和研究尤其重視模型方法。
模型可以說是現實系統的抽象與合理簡化，利用模型可以用較少的時間和費用對實際系統進行研究和試驗,并且可以進行反復演示和研究，因此更易于洞察系統的行為，但是在運用該模型時必須考慮這種簡化對現實系統的影響。
模型有三個特征:
(1) 它是現實系統的抽象或模仿;
(2) 它是由那些與所分析問題有關的要素構成的;
(3) 它表明了有關要索間的相互關系。
通常，技術領域系統分析中較為常用的是系統的數學模型和框圖模型等。
數學模型用數學公式、圖表等描述客觀事物的特征模型，稱為數學模型。數學模型是系統分析中經常用到的一種工具，人們將現實世界中的原型抽象概括成數學語言，運用已有數學方法分析求解，得出結論。數學模型突出事物的主要因索，舍齊事物的次要因素，便于抓住事物的本質進
行分析研究。
案例分析
簡易雨水收集與利用系統中儲水裝置的設計
雨水儲存裝置設計得過大或過小都會造成浪費，所以其容量大小的設計需要先建立合適的數學模型，再依據當地的年平均降雨量來進行估算。
儲水裝置數學建模:
1.計算年收集雨水量(屋頂面積180m2)。當地年平均降雨量為1 000 mm,假設每年每平方米可收集975 kg水，以屋頂面積180 m2計每年收集雨水量為: 975 kg/m2 x 180 m-=175.5t。
2.儲水裝置最小容量的計算。
設計要求:儲水裝置要能滿足按年平均降雨量連續3天降雨的情況下,收集雨水的儲水量。每年按365天計算，每天的雨水收集量是:175.5t+ 365≈0.48t。
3天收集雨水量: 3x0.48t=1.44t， 換算成容積即為1.44 m。所以這個儲水裝置的容量最小需要達到1.44 m2
3.儲水裝置的尺寸設計。
若在地面建長1.2 m、寬0.8 m的長方體水池，那么高度就是1.44 m2=1.5m,滿
1.2mx0.8 m足最小容量1.44m'2若建橫裁面積為0.8 m2的圓柱形水罐，其長度就是1.44m'=1.8m,滿足最小容0.8 mt量1.44 m'。
思考:
1.如果從用水量的大小來對儲水裝置進行設計，應該如何建立數學模型?
2.從結構受力的角度來分析，你認為這個裝置是設計成圓柱體好還是長方體好?請說說你的理由。
框圖模型
用- 個個封閉的小框圖代表系統的各個要索或子系統，在框圖內或框圖邊注明要素或子系統的名稱，按照系統的結構模式把它們排列安置于適當位置，用無向線段或有向線段把這些小框圖連接起來，以表示系統的基本結構框架，再用無向線段或有向線段表示系統與環境的聯系，這樣形成的圖形就叫系統的框圖模型。
最簡單的系統框圖模型是輸入一輸出模型，也叫系統的概念模型，如圖3-9所
示。它把系統內在的要素與結構簡化為一一個矩形方框，把環境對系統的作用統稱為輸入，把系統對環境的作用統稱為輸出。
從系統運行的角度來看，系統和環境之間是一-種 刺激和響應關系，輸人是環境對系統的刺激，輸出是系統對這種刺激做出的響應，描述系統就是在描述這種刺撤和響應的關系。外部刺激是條件，響應是系統回應環境的行為對策，人們描述系統所關注的就是條件與對策之間的各種可能的對應關系，即如果外部出現什么情況，系統就回應以什么行動。
案例分析
火力發電站系統框圖模型火力發電企業的火力發電系統要能夠有效運
行，就需要建立一個直觀的概念模型和系統框圖模型對其進行設計分析，如圖3-10、3-11 所示。
思考:
1.請對這個火力發電站系統框圖模型進行分析，分析該火力發電站系統按功能來分可以分為哪幾個子系統，簡述各子系統之間的相互關系。
2該火力發電站系統中節能的環節是哪-部分?說說它們是如何實現節能這一日的。
馬上行動
從校園屋面雨水的收集與利用系統設計要求來看，該系統的輸人為雨水，輸出對應的是供水。如果把校同屋面雨水的收集與利用系統當作一個整體來看，可以畫出如圖3-12所示的概念模型。
經過分析可知，該校阿屋面雨水的收集與利用系統中的子系統有:屋面雨水收集子系統、雨水凈化與儲存子系統、自動補水子系統、益水子系統、供水子系統等。
建立模型不僅需要科學理論和工程技術知識，還需要實踐的經驗和技藝。模型是對系統的理想化抽象或簡化表示，描繪了現實系統的某些主要特點，是為了客觀地研究系統而發展起來的。
系統分析的主要原則
運用系統分析的方法處理具體問題時要遵循整體性原則、科學性原則、綜合性原則三個主要原則。
整體性原則
系統分析首先要著眼于 系統整體，要先分析整體，再分析部分;先看全局，后看局部;先看全過程，再看某一個階段;先看長遠，再看當前。
案例分析
丁謂修復皇宮
北朱真宗年間，皇城失火，宮殿被燒毀，大臣丁謂主持了皇宮修復工程。他采用了這樣一套施工方案:先在需要重建的大道上就近取土燒磚，在取土后的深溝中引人汴水，形成人工河，再由此水路運輸建筑材料，從而加快了工程進度。在皇宮修復后，又將碎磚廢土填入溝中，重修大道
丁謂在皇宮修復工程的建設施工中，運用了整體的解決方案，使燒磚、運輸建筑材料和處理廢物三項繁重的工程任務協調起來，在總體上得到了最佳解決，一舉三得，節省了大量勞力、費用和時間:
討論:丁謂所采用的方案為什么能一舉三得?
在實際生活中，經常遇到對系統中各個局部考總得很仔細，卻忽略或較少考慮全局的事例，這樣就很難得到良好的效果。
馬上行動
趙明給自己家設計制造了一個雨水收集儲水罐。為了防止收集到的雨水受到二次污染，他把儲水罐設計成全封閉的。可是在實際使用過程中發現.在雨水稀少的季節里，常常會出現無水可用的情況，面在雨水多的季節里，儲水繼由于受壓過大，有時會被撐裂。趙明設計的雨水收集儲水罐存在什么問題?該如何進完善?
科學性原則
系統分析一方面要 有嚴格的工作步驟，另- -方面應盡可能地運用科學方法和數學工具進行定量分析，使決策的過程和結果更具說服力。例如，在比較種稻是一一年三季劃算還是一年兩季劃算時，有人就提出“是三三得九好，還是二五一十好?”這就是一種樸索的定量分析。當然，在處理復雜系統的分析與優化
問題時，往往需要使用比較復雜的數學工具。
拓展閱讀
優選法
優選法是快速尋找最佳方案的科學方法。具體的優選法有很多，如黃金分割法、分數法、對分法等。這里只介紹黃金分制法，也稱0.618法。以技術試驗為例，先把整個試范圍看作1,然后在整個試驗范圍的0.618處選點做第一次試驗，再在這個點的對稱點，也就是倒過來的0.618處選點做第二次試驗。比較兩次試驗的結果，去掉效果差的那個試驗點以外的那部分范圍;再在余下的包括好點在內的范圍內繼續采用這種方法，再比較試驗結果，這樣逐漸縮小試驗范圍，迅速找到試驗日標。例如，要在某種合金鋼中加人某元素以提高它的強度，假設試驗范圍足每噸加人量為1 0-2000g，那么究競應加入多少?若用一-般試驗方法，每隔5g試驗--次需要做200次，每隔10g試驗-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。
綜合性原則
系統分析 總是為實現系統目標服務的。當系統存在若干個目標時，應將目標排出優先次序，首先實現最優先的目標，然后盡可能在不損害第一個目標的前提下完成下一個目標。這就需要綜合分析，統籌兼顧，不可顧此失彼，因小失大。例如，工業生產既要求產量大，又要求質最好、成本低，如果片面強調一方面
就會產生偏差，城市公交系統既要強化公共交通的安全，又要縮短車輛行駛的時間，兼顧社會效益和經濟效益。又如，雨水回收和利用系統的設計既要做到雨水的有效回收和利用，又要考慮該系統的投入和運行過程中的效益;既要考總雨水的收集,又要考總雨水的凈化等。
系統分析還需要考總設計方案出臺所帶來的后果。有的工廠在生產產品的同時，也向周圍環境排放出“三廢”，造成污染;毀林開荒雖然能收獲農產品，但會造成水土流失，貽害很大。
某些情況下，綜合若干方案的優點，會取得意外效果。現代醫學采用中西醫
結合的方法攻克了許多疑難雜癥;農業中則綜合了地面水庫、地下水庫、土壤水庫、綠色水庫(山區造林種草，每畝地可蓄水20m2)等不同的方案進行保水。
案例分析
青藏鐵路當雄特大橋
青藏鐵路當雄特大橋的修建創新了施工工藝，采用了科學環保的施工方法。當雄縣的沼澤濕地地表水豐富，地質條件差，沼澤深4~7 m。特大橋墩396根,總樁基長1154 m,鉆孔樁施工難度大。傳統的鉆孔樁施工采用現場挖設泥漿池處理泥漿，不僅破壞草地，而且在鉆孔中泥漿到處排放，嚴重污染沼澤濕地。為此，建設者們自行研究設計，將泥漿池改進成泥漿鋼箱，在封閉的制箱里循環利用泥漿進行鉆孔，有效地避免了因泥漿排放對沼澤濕地的污染，解決了鉆孔泥槳污染環境的一一大難題。
恩考:你認為青藏鐵路當雄特大橋的設計綜合考慮了哪些日標?
思維碰撞
在系統分析過程中,整體分析和綜合分析有什么不同?可以只做整體分析而不做綜合分析嗎?
3、課堂小結
說出系統分析的一般過程，歸納系統分析的基本方法。
五、教學反思

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