国防科技大学：《系统工程原理》课程教学课件（讲稿）第3章 系统建模与系统分析

123.1系统模型概论·定义：系统模型是一个系统某一方面本质属性的描述，以某种确定形式（文字、符号、图表、实物、数学公式等）提供关于该系统的知识。33.1系统模型概论系统模型一般不是系统对象本身，而是现实系统的描述、模仿或抽象。系统是复杂的，系统的属性也是多方面的。对于大多数研究目的而言，没有必要考虑系统的全部属性，因此，系统模型只是系统某一方面本质属性的描述，本质属性的选取完全取决系统工程研究的目的。所以，对同一个系统根据不同的研究目的，可以建立不同的系统模型。4口3.1系统模型概论例3-1：二个RC电路53.1系统模型概论2.特征：系统模型反映着实际系统的主要特征，但它又高于实际系统而具有同类问题的共性。因此，同一种模型也可以代表多个系统，一个适用的系统模型应该具有如下三个特征：（1）它是现实系统的抽象或模仿；（2）它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的：（3）它集中体现了这些主要因素之间的关系。63.1系统模型概论例3-2：耐用消费品新旧更替模型考察一个国家某类耐用消费品（冰箱、洗衣机等）拥有情况。假设家庭购买新冰箱并一直使用到其损坏或者报废。故任一时刻，全国有一个用了不同时间的冰箱拥有量的分布，为建立系统模型，做如下假定：（1）假定以一年为单位考察不同使用年限的冰箱的拥有量。（2）任何已使用了年的冰箱至少还能使用一年的概率为（对新冰箱可能较大，对旧冰箱可能较小）。（3）假设冰箱的最长寿命为年。（4）第k年新购买的冰箱数目为073.1系统模型概论根据上述假定，设表示第年使用了年的冰箱数目，，则使用年数小于1年的冰箱数等于该年内所购新冰箱数，即综合上面的分析可以得到如下的模型83.1系统模型概论·系统开发的需要；·经济上的考虑；·安全上的考虑；·时间上的考虑；·系统模型具有易操作、易理解的特点，使用它便于多方案分析比较

1 1 2 3.1 系统模型概论 ·定义： 系统模型是一个系统某一方面本质属性的描述，以某种确定形式(文字、符 号、图表、实物、数学公式等）提供关于该系统的知识。 3 3.1 系统模型概论 系统模型一般不是系统对象本身，而是现实系统的描述、模仿或抽象。 系统是复杂的，系统的属性也是多方面的。对于大多数研究目的而言，没有必要考虑 系统的全部属性，因此，系统模型只是系统某一方面本质属性的描述，本质属性的选 取完全取决系统工程研究的目的。所以，对同一个系统根据不同的研究目的，可以建 立不同的系统模型。 4 3.1 系统模型概论 例3-1: 一个RC电路 5 3.1 系统模型概论 2. 特征: 系统模型反映着实际系统的主要特征，但它又高于实际系统而具有同类 问题的共性。因此，同一种模型也可以代表多个系统，一个适用的系统模型应该具有 如下三个特征： (1) 它是现实系统的抽象或模仿； (2) 它是由反映系统本质或特征的主要因素构成的； (3) 它集中体现了这些主要因素之间的关系。 6 3.1 系统模型概论 例3-2：耐用消费品新旧更替模型 考察一个国家某类耐用消费品（冰箱、洗衣机等）拥有情况。假设家庭购买 新冰箱并一直使用到其损坏或者报废。故任一时刻，全国有一个用了不同时间的冰箱 拥有量的分布，为建立系统模型，做如下假定： （1）假定以一年为单位考察不同使用年限的冰箱的拥有量。 （2）任何已使用了 年的冰箱至少还能使用一年的概率为 (对新冰箱可能较大，对旧冰箱可能较小)。 （3）假设冰箱的最长寿命为 年。 （4）第k年新购买的冰箱数目为 。 7 3.1 系统模型概论 根据上述假定，设 表示第 年使用了 年的冰箱数目， ，则 使用年数小于 1 年的冰箱数等于该年内所购新冰箱数，即 综合上面的分析可以得到如下的模型 8 3.1 系统模型概论 ·系统开发的需要； ·经济上的考虑； ·安全上的考虑； ·时间上的考虑； ·系统模型具有易操作、易理解的特点，使用它便于多方案分析比较

10系统模型的分类1口12口使用数学模型的好处·它是定量分析的基础；·它是系统预测和决策的工具；·它可变性好，适应性强，分析问题速度快、省时、省钱，而且便于使用计算机，因此是所有模型中使用最广泛的一种模型。133.2系统建模方法系统建模是系统工程人员的重要工作之一。建立一个简明的适用的系统模型，将为系统的分析、评价和决策提供可靠的依据。建造系统模型，尤其是建造抽象程度很高的系统数学模型，是一种创造性劳动。因此有人讲，系统建模既是一种技术，又是一种“艺术”。143.2系统建模方法(1）现实性即能较好反映S客观实际。应把S本质的特征和关系反映进去，而把非本质的东西去掉，但又不影响反映本质的真实程度。即S模型应有足够的精度。(2）简明性在满足现实性要求的基础上，应尽量使S模型简单明了，以节约建模的费用和时间。153.2系统建模方法(3）标准化应尽量采用标准化模型，或者对标准化模型加以某些修改，使之适合对象S。以上要求经常相互冲突，需要综合权衡、妥善处理。一般：16系统建模应遵循的原则·切题。模型只应包括与研究目的有关的方面，而不是对象S的所有方面。如空运调度模型不需描述飞行姿态。·清晰。在一个S模型内的子模型之间，除了保留研究目的所必要的信息联系外，其它的耦合关系要尽可能减少，以保证模型结构尽可能清晰。精度要求适当。建立S模型，应该视研究目的和使用环境不同，选择适当的精度等级，以保证模型切题、实用，而又不致花费太多。：尽量使用标准模型或尽可能向标准模型靠拢。17建模者应具备的素质·对客观事物或过程能够透过现象抓住本质；·要有一定的数学修养，并掌握一套数学思路和方法：·具有把实际问题与数学联系起来的能力：·注意避免建模过程中的四种倾向：·懒不详细调查，随意假设·馋要求数据太多·贪希望把一切细节都考虑进去，抓不住本质，可能导致无法求解·变改变问题去适应模型

2 10 系统模型的分类 11 12 使用数学模型的好处 ·它是定量分析的基础； ·它是系统预测和决策的工具； ·它可变性好，适应性强，分析问题速度快、省时、省钱，而且便于使用计算机,因此 是所有模型中使用最广泛的一种模型。 13 3.2 系统建模方法 系统建模是系统工程人员的重要工作之一。建立一个简明的适用的系统 模型，将为系统的分析、评价和决策提供可靠的依据。建造系统模型，尤其是建造抽 象程度很高的系统数学模型，是一种创造性劳动。因此有人讲，系统建模既是一种技 术，又是一种“艺术”。 14 3.2 系统建模方法 (1) 现实性 即能较好反映S客观实际。应把S本质的特征和关系反映进去，而把非本质的 东西去掉，但又不影响反映本质的真实程度。即S模型应有足够的精度。 (2) 简明性 在满足现实性要求的基础上，应尽量使S模型简单明了，以节约建模的费用 和时间。 15 3.2 系统建模方法 (3) 标准化 应尽量采用标准化模型，或者对标准化模型加以某些修改，使之适合对象S 。 以上要求经常相互冲突，需要综合权衡、妥善处理。一般： 16 系统建模应遵循的原则 · 切题。模型只应包括与研究目的有关的方面，而不是对象S的所有方面。如空运调度 模型不需描述飞行姿态。 · 清晰。在一个S模型内的子模型之间，除了保留研究目的所必要的信息联系外，其它 的耦合关系要尽可能减少，以保证模型结构尽可能清晰。 · 精度要求适当。建立S模型，应该视研究目的和使用环境不同，选择适当的精度等级 ，以保证模型切题、实用，而又不致花费太多。 · 尽量使用标准模型或尽可能向标准模型靠拢。 17 建模者应具备的素质 ·对客观事物或过程能够透过现象抓住本质； ·要有一定的数学修养，并掌握一套数学思路和方法； ·具有把实际问题与数学联系起来的能力； ·注意避免建模过程中的四种倾向： ·懒 —— 不详细调查，随意假设 ·馋 —— 要求数据太多 ·贪 —— 希望把一切细节都考虑进去，抓不住本质，可能导致无法求解 ·变 —— 改变问题去适应模型

19建模的主要方法（1）对象：比较简单的白箱系统；（2）方法：利用自然科学的各种定理、定律（如物理、化学、数学、电学的定理、定律）和社会科学的各种规律（如经济规律），经过一定的分析和推理，可以得到S的数学模型。20建模的主要方法解：这是在一定条件求极值的数学问题，可运用数学中的线性规划方法（运筹学方法）建立线性规划模型。先将给出的数据整理成下表：21建模的主要方法设生产A、B产品各为x1，x2公斤，则此问题变为求x1，x2满足下列条件：22口建模的主要方法图解法：23建模的主要方法（1）对象：用推理法难以建模的复杂的白箱系统：（2）方法：利用不同事物具有的同型性，建造原系统的类似模型。24口25建模的主要方法（1）对象：可实验和不可实验的黑箱和灰箱系统（2）方法：通过实验或者查阅历史统计资料，找出系统的输入和输出数据，然后运用自控中的传递函数方法或其他的数学方法（如回归分析、时序分析等方法），建立系统输出与输入之间的关系一一系统的数学模型。26口2728系统分析是对一个系统的基本问题，采用系统方法进行分析研究，包括研究领导者意图，明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定量相结合的分析，全面评价和优化可行方案，为领导者的科学决策提供科学、可靠的依据。因此，系统分析是一种辅助领导决策的系统方法。29·目标：即对S的要求，它是SA的基础：·可行方案：能实现S目标的各种可能途径、措施和方法；·费用：用货币形式表示的每一方案所需消耗的全部资源：·模型：对S的本质描述，是方案的表达形式·效果：S达到目标后所得到的结果，它既可用货币形式表示，也可用其它指标来评价·准则：目标的具体化、S价值的量度，以评价方案优劣：·结论：SA得到的结果，具体形式有报告、建议或意见等。30七个要素组成的SA要素结构图

3 19 建模的主要方法 （1）对象：比较简单的白箱系统； （2）方法：利用自然科学的各种定理、定律（如物理、化学、数学、电学的定理、 定律）和社会科学的各种规律（如经济规律），经过一定的分析和推理，可以得到S 的数学模型。 20 建模的主要方法 解：这是在一定条件求极值的数学问题，可运用数学中的线性规划方法（运筹学方法 ）建立线性规划模型。先将给出的数据整理成下表： 21 建模的主要方法 设生产A、B产品各为x1，x2公斤，则此问题变为求x1，x2满足下列条件: 22 建模的主要方法 图解法： 23 建模的主要方法 （1）对象：用推理法难以建模的复杂的白箱系统； （2）方法：利用不同事物具有的同型性，建造原系统的类似模型。 24 25 建模的主要方法 （1）对象：可实验和不可实验的黑箱和灰箱系统； （2）方法：通过实验或者查阅历史统计资料，找出系统的输入和输出数据，然后运 用自控中的传递函数方法或其他的数学方法（如回归分析、时序分析等方法），建立 系统输出与输入之间的关系——系统的数学模型。 26 27 28 系统分析是对一个系统的基本问题，采用系统方法进行分析研究，包括研究领导者 意图，明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定 量相结合的分析，全面评价和优化可行方案，为领导者的科学决策提供科学、可靠的 依据。因此，系统分析是一种辅助领导决策的系统方法。 29 ·目标：即对S的要求，它是SA的基础； ·可行方案：能实现S目标的各种可能途径、措施和方法； ·费用：用货币形式表示的每一方案所需消耗的全部资源； ·模型：对S的本质描述，是方案的表达形式； ·效果：S达到目标后所得到的结果，它既可用货币形式表示，也可用其它指标来评价 ； ·准则：目标的具体化、S价值的量度，以评价方案优劣； ·结论：SA得到的结果，具体形式有报告、建议或意见等。 30 七个要素组成的SA要素结构图

321任务的对象是什么？即要干什么？（What）2这个任务何以需要？即为什么这样干？（Why）3它在什么时候和什么样的情况下使用？即何时千？（When）4使用的场所在哪里？即在何处干？（Where5是以谁为对象的系统？即谁来干？（Who6怎样才能解决问题？即如何干？（How）3334口35口36“5W1H”方法某省拟建一座核电厂，能源部、财政部和发展计划委员会等有关部门就要针对核电厂的建设问题，拟定一份问题要点进行分析研究，并提出解决问题的答案。1、要干什么？在研究该省核电厂的建立问题时，就是用系统分析方法探讨在该省建设核电厂的可行性如何。2、为什么在该省建立核电厂？因为该省自产能源很少，历来靠从外省调进原油和煤炭发电，调进能源受经济、交通运输等影响太大，同时也为了减少环境污染和在经济上求得更廉价的电力。3、何时建立为宜？电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业，当前世界屡发能源危机，因此，为保证经济的稳定与发展，建设核电厂是刻不容缓的事情。37I“5W1H”方法4、何处建厂为宜？从避开地震、断裂、海啸、流沙区而又有足够冷却水，远离人口密集的中心城市而又比较接近用电地区等方面来看，选址该省南部沿海为宜。5、由何单位承建？由核工业部门及电力公司负责建设，并请工程顾问公司提供各种技术方面的咨询服务工作。6、如何进行？工程进度应服从十年发电规划，具体技术细节还须由工程顾问公司作进一步研后再提出。运用“5W1H”式的疑问句对开发任务提问，除上述问题外还能想出其它一些问题。在系统开发的各个阶段，所要解决的问题应从宏观逐渐转移到微观，因此，对这些疑问的回答也要按照不同阶段而改变。38口39口40口41口42口43口44045口

4 32 1 任务的对象是什么? 即要干什么?( What ) 2 这个任务何以需要? 即为什么这样干?( Why ) 3 它在什么时候和什么样的情况下使用?即何时干? (When) 4 使用的场所在哪里? 即在何处干? ( Where ) 5 是以谁为对象的系统? 即谁来干? ( Who ) 6 怎样才能解决问题? 即如何干? ( How ) 33 34 35 36 “5W1H”方法 某省拟建一座核电厂，能源部、财政部和发展计划委员会等有关部门 就要针对核电厂的建设问题，拟定一份问题要点进行分析研究，并提出解决问题的答 案。 1、要干什么? 在研究该省核电厂的建立问题时，就是用系统分析方法探讨在 该省建设核电厂的可行性如何。 2、为什么在该省建立核电厂? 因为该省自产能源很少，历来靠从外省调进原 油和煤炭发电，调进能源受经济、交通运输等影响太大，同时也为了减少环境污染和 在经济上求得更廉价的电力。 3、何时建立为宜? 电力是工业的先行官，要发展经济首先要发展电力工业。 当前世界屡发能源危机，因此，为保证经济的稳定与发展，建设核电厂是刻不容缓的 事情。 37 “5W1H”方法 4、何处建厂为宜? 从避开地震、断裂、海啸、流沙区而又有足够冷 却水，远离人口密集的中心城市而又比较接近用电地区等方面来看，选址该省南部沿 海为宜。 5、由何单位承建? 由核工业部门及电力公司负责建设，并请工程顾问 公司提供各种技术方面的咨询服务工作。 6、如何进行? 工程进度应服从十年发电规划，具体技术细节还须由工 程顾问公司作进一步研后再提出。 运用“5W1H”式的疑问句对开发任务提问，除上述问题外还能想出其 它一些问题。在系统开发的各个阶段，所要解决的问题应从宏观逐渐转移到微观，因 此，对这些疑问的回答也要按照不同阶段而改变。 38 39 40 41 42 43 44 45

4748口·要为8个中队（24×8=192架）F一10B飞机增加武装，条件是只可在喇叭狗式导弹和500磅炸弹中选其一（可行方案不再开发）·空军、陆军主张不一，相持不下，领导者难于决策，只好请SA机构提供定量可靠的依据辅助领导者决策，解决空军、陆军的矛盾。49·每摧毁一个目标需导弹2枚或炸弹6枚：·每发武器的命中概率为：导弹70%，炸弹30%：：飞机每架次升空飞行时间2小时，每小时飞行成本800美元；·每枚武器的成本：导弹为6500+500=7000美元（购置费+存储费）炸弹为+100=100美元；·每架飞机成本240万美元，加装导弹和炸弹后分别为270万美元和242.5万美元：：飞机的载弹量分别为导弹6枚、炸弹10枚；·飞机被击毁的概率为1%每飞行小时。50口“用经济有效的手段摧毁目标”一一即需要计算各个方案摧毁一个目标的成本是多少7摧毁一个目标的总成本C=武器成本CO+投射成本Cd+损耗成本Ca其中：CO=每枚武器的成本×推毁一个目标的武器数量：Ca=每架飞机成本X三每架飞机成本×摧毁二个月标的飞行时间×每飞行小时的飞机损毁率51口52口·单从成本考虑，每推毁一个目标方案I成本高出1873美元：·使用方案I，精确度高，可减少陆军伤亡；·使用方案1，飞机摧毁目标多。以飞机完好率80%计算，每机每天飞行一架次，则3天可摧毁目标数为：方案I（6/2）×3×192×80%=1382（个）方案ⅡI（10/6)×3×192×80%=783（个）方案Ⅱ仅为方案1的56.6%·使用方案后，飞机的飞行高度提高，敌方防空武器的火力命中率降低，可指望飞机被击落的概率降低

5 47 48 ·要为8个中队（24×8＝192架）F－10B飞机增加武装，条件是只可在喇叭狗式导弹和5 00磅炸弹中选其一（可行方案不再开发）。 ·空军、陆军主张不一，相持不下，领导者难于决策，只好请SA机构提供定量可靠的依 据辅助领导者决策，解决空军、陆军的矛盾。 49 ·每摧毁一个目标需导弹2枚或炸弹6枚； ·每发武器的命中概率为：导弹70％，炸弹30％； ·飞机每架次升空飞行时间2小时，每小时飞行成本800美元； ·每枚武器的成本：导弹为6500＋500 ＝7000美元（购置费＋存储费） 炸弹为 0 ＋100 ＝100 美元； ·每架飞机成本240万美元，加装导弹和炸弹后分别为270万美元和242.5万美元； ·飞机的载弹量分别为导弹6枚、炸弹10枚； ·飞机被击毁的概率为1％每飞行小时。 50 “用经济有效的手段摧毁目标”——即需要计算各个方案摧毁一个目标的成本是多少 ？ 摧毁一个目标的总成本C＝武器成本C0＋投射成本Cd＋损耗成本Ca 其中： C0 ＝每枚武器的成本×摧毁一个目标的武器数量； Ca＝每架飞机成本 × ＝每架飞机成本×摧毁一个目标的飞行时间×每飞行小时的飞机损毁率 51 52 ·单从成本考虑，每摧毁一个目标方案Ⅰ成本高出1873美元； ·使用方案Ⅰ，精确度高，可减少陆军伤亡； ·使用方案Ⅰ，飞机摧毁目标多。以飞机完好率80％计算，每机每天飞行一架次，则3 天可摧毁目标数为： 方案Ⅰ (6/2)×3×192×80% = 1382 (个) 方案Ⅱ (10/6)×3×192×80% = 783 (个) 方案Ⅱ仅为方案Ⅰ的56.6% ·使用方案Ⅰ 后，飞机的飞行高度提高，敌方防空武器的火力命中率降低，可指望飞 机被击落的概率降低

54每天送200万桶。油田处北极圈内，常年冰封，最低温度-50oC。55口方案I：油船运。每天只需4一5艘，但要破冰船引航，起点和终点需建大油库：不安全、费用大、无保证。方案Ⅱ：用带加温S的油管输。可用成熟的管道输油技术，但沿途设站无人愿干，为防管道断裂必须用底架支撑和作保温处理，成本提高3倍。56口方案IV：由麻省理工SA所的两人提出油气混输（将天然气转换为甲醇后加到原油中去降低溶点，提高流动性），从而用一管既输油又送气，不仅不需输送20%的无用海水，还可省掉海水分离工艺流程，节省一条送气管道（60亿），比方案Ⅲ省了一半。57 口583.4系统分析的应用20世纪60年代末，美国纽约市负责全市供水的供水委员会花费了几十万美元拟订了一个扩建供水网的工程设计计划。全部计划预计耗资10亿美元，分五个阶段执行，全部竣工后，可满足随后40年该市人口增加25%时的用水需要。，该计划遭到了市预算当局的反对，认为扩建供水网是多余的。双方在相持不下的情况下，请麻省理工学院的系统分析人员对该工程进行系统分析。59三、纽约市供水网扩建工程的系统分析问题的提出纽约供水系统扩建的设计问题，是由供水委员会最初提出的。该委员会认为纽约市必须增强全市的供水能力，主要理由如下：(1)今后40年，城市居民将逐年增加；（2）现有的供水系统必须广泛地检修。60三、纽约市供水网扩建工程的系统分析1、最初的设计方案供水委员会的最初设计方案是增设50英里长的直径为28英寸的水管。1967年估算需要投资10亿美元，分五个阶段进行。第一段阶投资3.23亿美元，主要是铺设最大的水管。所有的水管都要在坚硬的岩石中铺设，所以工程艰巨，投资浩大，是纽约市最大的土木工程项目之一。最初设计方案提出了如下的设计规定：（1）只考虑一个供水网的地理几何布局：(2）只使用一个评审准则，即第一级网络终端的自来水压力必须达到40磅/英寸2;（3）工程的预计使用期限为40年，即能满足公元2010年时的用水需要：（4）整个网络只依靠重力把水压送到各终端

6 54 每天送200万桶。 油田处北极圈内，常年冰封，最低温度-50oC。 55 方案Ⅰ：油船运。每天只需4－5艘，但要破冰船引航，起点和终点需建大油库；不安 全、费用大、无保证。 方案Ⅱ：用带加温S的油管输。可用成熟的管道输油技术，但沿途设站无人愿干，为 防管道断裂必须用底架支撑和作保温处理，成本提高3倍。 56 方案Ⅳ：由麻省理工SA所的两人提出油气混输（将天然气转换为甲醇后加到原油中去 ，降低溶点，提高流动性），从而用一管既输油又送气，不仅不需输送20％的无用海 水，还可省掉海水分离工艺流程，节省一条送气管道（60亿），比方案Ⅲ省了一半。 57 58 3.4 系统分析的应用 20世纪60年代末，美国纽约市负责全市供水的供水委员会花费了几十万 美元拟订了一个扩建供水网的工程设计计划。全部计划预计耗资10亿美元，分五个阶 段执行，全部竣工后，可满足随后40年该市人口增加25%时的用水需要。 该计划遭到 了市预算当局的反对，认为扩建供水网是多余的。双方在相持不下的情况下，请麻省 理工学院的系统分析人员对该工程进行系统分析。 59 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 一、问题的提出 纽约供水系统扩建的设计问题，是由供水委员会最初提出的。该委员会认为纽 约市必须增强全市的供水能力，主要理由如下： (1)今后40年，城市居民将逐年增加； (2) 现有的供水系统必须广泛地检修。 60 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 1、最初的设计方案 供水委员会的最初设计方案是增设50英里长的直径为28英寸的水管。1967年估 算需要投资10亿美元，分五个阶段进行。第一段阶投资3.23亿美元，主要是铺设最大 的水管。所有的水管都要在坚硬的岩石中铺设，所以工程艰巨，投资浩大，是纽约市 最大的土木工程项目之一。最初设计方案提出了如下的设计规定： (1) 只考虑一个供水网的地理几何布局； (2) 只使用一个评审准则，即第一级网络终端的自来水压力必须达到40磅/英寸 2； (3) 工程的预计使用期限为40年，即能满足公元2010年时的用水需要； (4) 整个网络只依靠重力把水压送到各终端

62三、纽约市供水网扩建工程的系统分析二、系统分析的方法1、制定分析步骤本项分析把整个过程分为五个阶段：（1）制定目标和评价准则：（2）制定衡量工程效果的准则和量化的指标，从而能够衡量工程达到原定目标的程度：（3）开发各种类型的方案，并且使用模型和计算机模拟分别对每一类型方案中的各个方案进行周密的分析；（4）运用衡量工程效果的准则，评价每个方案的成就：（5）在对每个方案的各种成就进行评价之后，最终选出最佳的实施方案。63三、纽约市供水网扩建工程的系统分析2、制定目标供水委员会最初为整个工程制定的目标只有一个，即在供水网络终端的水压要求达到40磅/英寸2。显然这样衡量整个系统的质量是不充分的，因为城市用水的部门是多样的：1/4的水量是家庭用水，而大部分是工业用水，剩下的少数水量主要用于消防、城市卫生、绿化等。不同用户对供水系统的质量要求也不同。饮用的水要求卫生、色味俱佳：工业用水要求保证供水量，并且要求化学腐蚀作用小：消防则要求水源可靠，保证随时都有水。作为市政当局来说，当然要关心各方面用户是否都能充分满足。64三、纽约市供水网扩建工程的系统分析最后制定的目标包括如下内容：(1）系统的总性能；（2）市区用水的方便程度：（3）供水的可靠性；（4）基建和保持运行的总费用。65三、纽约市供水网扩建工程的系统分析制定衡量效果的准则3、作为估算，可采用供水压力来评价供水系统的性能。由于静压能用来测量水的能量，所以它可转换成速度。从力学观点说，可以用此来表示供水的质量。系统的总性能即是以供水网络中各主要点上的压力的平均值，乘以加权因子（即每个点上所需的水量），具体地说，这个指标即是66三、纽约市供水网扩建工程的系统分析4、制定方案在研究了许多类型方案以后，选定了三类。它们是：（1）关于系统的物理构型，包括管路布局、管道长度、管道直径及基建费用等；（2）关于使用周期的划分，即确定整个供水系统能满足多少年后的用水需求量:（3）是采用水泵加压还是采用加大水管的办法来改进供水系统的性能.67三、纽约市供水网扩建工程的系统分析5、方案的评审麻省理工学院设计了一个ICES（即综合土木工程系统）模型，对250个方案都进行了评审。评审时进行了费用-效果分析，把能满足各目标的设计方案都标在坐标图（图13-2）中，从而形成一个可行设计区，其中最上面的一条轨迹线（A）表示每种投资水平所能获得的最佳性能，这就是费用一效果函数。有了这个函数后就能考虑和选择最优的设计方案，即以最少费用去满足所有目标要求

7 62 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 二、系统分析的方法 1、制定分析步骤 本项分析把整个过程分为五个阶段： (1) 制定目标和评价准则； (2) 制定衡量工程效果的准则和量化的指标，从而能够衡量工程达到原定目标的 程度； (3) 开发各种类型的方案，并且使用模型和计算机模拟分别对每一类型方案中的 各个方案进行周密的分析； (4) 运用衡量工程效果的准则，评价每个方案的成就； (5) 在对每个方案的各种成就进行评价之后，最终选出最佳的实施方案。 63 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 2、制定目标 供水委员会最初为整个工程制定的目标只有一个，即在供水网络终端的水压要 求达到40磅/英寸2。显然这样衡量整个系统的质量是不充分的，因为城市用水的部门 是多样的：1/4的水量是家庭用水，而大部分是工业用水，剩下的少数水量主要用于 消防、城市卫生、绿化等。不同用户对供水系统的质量要求也不同。饮用的水要求卫 生、色味俱佳；工业用水要求保证供水量，并且要求化学腐蚀作用小；消防则要求水 源可靠，保证随时都有水。作为市政当局来说，当然要关心各方面用户是否都能充分 满足。 64 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 最后制定的目标包括如下内容： (1) 系统的总性能； (2) 市区用水的方便程度； (3) 供水的可靠性； (4) 基建和保持运行的总费用。 65 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 3、制定衡量效果的准则 作为估算，可采用供水压力来评价供水系统的性能。由于静压能用来测量水的 能量，所以它可转换成速度。从力学观点说，可以用此来表示供水的质量。系统的总 性能即是以供水网络中各主要点上的压力的平均值，乘以加权因子(即每个点上所需 的水量)，具体地说，这个指标即是 66 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 4、制定方案 在研究了许多类型方案以后，选定了三类。它们是： (1) 关于系统的物理构型，包括管路布局、管道长度、管道直径及 基建费用 等； (2) 关于使用周期的划分，即确定整个供水系统能满足多少年后的用水需求量 ； (3) 是采用水泵加压还是采用加大水管的办法来改进供水系统的性能 。 67 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 5、方案的评审 麻省理工学院设计了一个ICES(即综合土木工程系统)模型，对250个方案都进 行了评审。评审时进行了费用-效果分析，把能满足各目标的设计方案都标在坐标图 （图13-2）中，从而形成一个可行设计区，其中最上面的一条轨迹线（A）表示每种 投资水平所能获得的最佳性能，这就是费用—效果函数。有了这个函数后就能考虑和 选择最优的设计方案，即以最少费用去满足所有目标要求

69三、纽约市供水网扩建工程的系统分析关于使用周期的确定问题最经济的设计使用期为20～25年，仅为原计划的一半，从而也证明削减设计规模的正确性。使用期定为20年，并不是说40年的使用期是不必要的，只是说明40年的计划应该分两步走更为经济。分两期的做法比较灵活，中途还可以充许设计师调整他的计划。70三、纽约市供水网扩建工程的系统分析关于使用水泵加压的方案分析表明，使用水泵可以进一步减少投资。供水系统的基本作业要求是，设计的最高负荷应高于平均负荷的20%～30%，但高峰用水时间是很短的，本例设计高峰日中的高峰小时的发生概率仅为0.001，因此，最高负荷能力在99.9%的时间内是无用的但是长期使用一个小规模的效率不高的供水系统也是不经济的，因此。必须在作业费用和固定投资之间作最佳的平衡。此外，从图13-6的费用与管径的关系可知，降低原设计的管径可以降低总费用，采用原设计管径的4/5，可节约总投资30%。71三、纽约市供水网扩建工程的系统分析三、实施如预期的那样，最后选定执行的是一个折衷的方案，其主要内容如下：（1）供水系统的整个布局沿用了最初的设计方案：（2）同最初设计一样，没有采用水泵；（3）工程规模仅为原设计的3/5，水管直径降为原设计的4/5，即由26～28英寸降至2022英寸，仅这一项更改就节约1亿美元，第一期工程的总投资由3.23亿美元降至2.23亿美元。72三、纽约市供水网扩建工程的系统分析从这个折裹方案可以看出如下问题：首先，整个系统线路布局没有更改，这是为了照顾供水委员会的威信，该委员会为了保持其威望绝不会从原定的布局后退一步的。然而该委员会认为，为了节约费用，可以对原设计作些更改，但这并不意味着在技术或工程上出了什么问题。当然，纽约市的预算当局是欢迎削减规模、节约费用的。由此可见，经过折衷后产生的设计方案，其系统的最优化并不是占主导地位的，其次，本系统分析的任务，如同其它系统分析一样，只是澄清问题，指出原设计中值得更改之处。系统分析只是提供所需用的炮弹，最后这些炮弹能否发挥作用，除了取决于系统分析的质量外，往往还受许多因素的制约和影响。因此，用系统分析后所取得的实际成果来评价系统分析本身的工作价值是不合适的。73口1、要对复杂的系统或问题进行分析研究，就必须首先建立数学模型，然后借助模型和计算机进行定性与定量相结合的分析。因此，数学模型和建模技术是分析的基础是必须掌握的重要手段。t.2、系统分析的要点就是运用逻辑思维推理的方法，通过“5W1H”，找到解决问题的关键，从而使问题得到圆满的解答。3、系统分析方法论很重要，遇到工程问题可采用霍尔的“三维结构”方法，遇到“软”问题可采用切克兰德的“调查学习”方法，研究解决开放的复杂巨系统问题可采用从定性到定量的综合集成方法。740

8 69 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 关于使用周期的确定问题 最经济的设计使用期为20～25年，仅为原计划的一半，从而也证明削减设计规 模的正确性。使用期定为20年，并不是说40年的使用期是不必要的，只是说明40年的 计划应该分两步走更为经济。分两期的做法比较灵活，中途还可以允许设计师调整他 的计划。 70 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 关于使用水泵加压的方案 分析表明，使用水泵可以进一步减少投资。供水系统的基本作业要求是，设计 的最高负荷应高于平均负荷的20%～30%，但高峰用水时间是很短的，本例设计高峰日 中的高峰小时的发生概率仅为0.001，因此，最高负荷能力在99.9%的时间内是无用的 。但是长期使用一个小规模的效率不高的供水系统也是不经济的，因此。必须在作业 费用和固定投资之间作最佳的平衡。此外，从图13-6的费用与管径的关系可知，降低 原设计的管径可以降低总费用，采用原设计管径的4/5，可节约总投资30%。 71 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 三、实施 如预期的那样，最后选定执行的是一个折衷的方案，其主要内容如下： （1）供水系统的整个布局沿用了最初的设计方案； （2）同最初设计一样，没有采用水泵； （3）工程规模仅为原设计的3/5，水管直径降为原设计的4/5，即由26～28英寸 降至20～22英寸，仅这一项更改就节约1亿美元，第一期工程的总投资由3.23亿美元 降至2.23亿美元。 72 三、纽约市供水网扩建工程的系统分析 从这个折衷方案可以看出如下问题： 首先，整个系统线路布局没有更改，这是为了照顾供水委员会的威信，该委员 会为了保持其威望绝不会从原定的布局后退一步的。然而该委员会认为，为了节约费 用，可以对原设计作些更改，但这并不意味着在技术或工程上出了什么问题。当然， 纽约市的预算当局是欢迎削减规模、节约费用的。由此可见，经过折衷后产生的设计 方案，其系统的最优化并不是占主导地位的。 其次，本系统分析的任务，如同其它系统分析一样，只是澄清问题，指出原设 计中值得更改之处。系统分析只是提供所需用的炮弹，最后这些炮弹能否发挥作用， 除了取决于系统分析的质量外，往往还受许多因素的制约和影响。因此，用系统分析 后所取得的实际成果来评价系统分析本身的工作价值是不合适的。 73 1、要对复杂的系统或问题进行分析研究，就必须首先建立数学模型，然后借助模 型和计算机进行定性与定量相结合的分析。因此，数学模型和建模技术是分析的基础 ，是必须掌握的重要手段。 2、系统分析的要点就是运用逻辑思维推理的方法，通过“5W1H”，找到解决问题 的关键，从而使问题得到圆满的解答。 3、系统分析方法论很重要，遇到工程问题可采用霍尔的“三维结构”方法，遇到 “软”问题可采用切克兰德的“调查学习” 方法，研究解决开放的复杂巨系统问题 可采用从定性到定量的综合集成方法。 74