高中通用技术第三单元 系统及其设计二 系统分析与设计任务一 探究系统分析的一般过程和基本方法备课ppt课件

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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。1960年以后，行政及企业单位也逐渐采用系统分析方法。如今，系统分析方法在各个领域得到了广泛的推广和应用。
系统分析是系统设计的重要环节，我们可以把一个复杂的设计项目看成系统工程，通过对系统目标、要素、环境、资源、管理和维护等的分析，可以准确地发现问题，深刻地揭示问题的本质，从而分析并有效地提出解决问题的设计方案。
在现实生活中，我们每个人都会面临各种各样的选择和决策。
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。
案例： 公交线路的设立
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。
在人口规模巨大的城市，道路状况复杂，市民对交通的需求趋于多样化。这时若仅凭经验规划公交线路，容易顾此失彼，出现失误。
如果把大城市的公共交通看作一个系统，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，就能设计出城市公交线路规划的最佳方案。
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”。
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。
主干道城市高架桥快速路
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，并在此基础上拟订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。
2、系统分析的显著特点：
是整体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，全面地思考和解决完问题。
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。
案例分析 汉字激光照排系统
思考：在汉字照排方案的决策中，系统的整体目标是什么？你认为王选进行决策的依据主要有哪些？
研制汉字照排系统的整体目的是什么？
使我国的报业排版不再依赖国外的技术。
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。
王选决定研制激光排版的主要依据是什么？
在详细调查研究的基础上，看到国外优势的同时，也看到国内技术储备（已经有在研制第二、三代机的基础）及第四代机的市场前景。王选良好的基础学科和计算机知识背景以及我国具有的激光等技术基础。
王选曾说“在选题和确定技术途径时要注意中国的国情，要仔细研究哪些事情应该做而且可以做好，哪些事情在中国不应该做或不能做，如果只欣赏和坚持局部创新，而忽略大体上的方向，有时会产生灾难性的后果”
3、系统分析的一般过程
系统分析的出发点为了发挥系统的整体功能，目的是寻求解决问题的最佳决策，而生产和生活中的一些问题，往往存在着许多相互关联和一些不确定的因素，所以最佳决策只是在若干方案中寻求的相对令人满意的方案。
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。
系统分析的一般过程可以描述为：
明确所分析的系统及其结构，确定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。
收集相关资料,制订解决问题的各种备选方案,进行多目标的权衡与分析，并明确技术实践路线。
对系统进行整体分析,对各子系统进行分析,对系统进行建模与推演，将各种方案进行评价对比。
通过实证对方案的实施效果做出评判,如果对方案不够满意，还可按上述程序进行反复,直到获得满意的方案为止。
　　齐国的大将田忌，很喜欢赛马，有一回，他和齐王约定，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，齐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。
　　齐王屡战屡胜，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，制订方案
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？
4、系统分析方法——建模
系统分析方法是指把要解决的问题作为一个系统，对系统各要素及其之间的相互关系进行综合分析，找出解决问题的可行方案。
用建模的形式对系统进行分析和研究的方法是系统科学的基本方法。
建模的基础是找到不同事物或现象之间的相似性，这种相似性包括外形相似、结构相似、行为相似、功能相似或逻辑关系相似等。复杂系统的分析和研究尤其重视模型方法。
模型可以说是现实系统的抽象与合理简化，利用模型可以用较少的时间和费用对实际系统进行研究和试验，并且可以进行反复演示和研究，因此更易于洞察系统的行为，但是在运用该模型时必须考虑这种简化对现实系统的影响。
模型有三个特征：(1)它是现实系统的抽象或模仿；(2)它是由那些与所分析问题有关的要素构成的；(3)它表明了有关要素间的相互关系。
数学模型用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。数学模型是系统分析中经常用到的一种工具，人们将现实世界中的原型抽象概括成数学语言，运用已有数学方法分析求解，得出结论。
数学模型突出事物的主要因素，舍弃事物的次要因素，便于抓住事物的本质进行分析研究。
第1题：(1)计算教学楼的最高日用水量：根据GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》（2009年版），教学楼的个人最高日用水量为每人每天20~40 L，取最高值40 L，教学楼共有6个班级，每班40人。最高日用水量为40 L×40×6÷1000 m3=9.6 m3。
(2)储水装置最小容量的计算：要求储水装置的储水量能够满足最高日用水量，所以这个储水装置的容量最小需要达到9.6 m3。
第2题：从结构受力的角度来分析，圆柱形容器的几何特点是轴对称，外观没有形状突变，受力分布均匀，承载液体静态压力的能力较强，所以储水装置设计成圆柱体好。
(3)储水装置的尺寸设计：若在地面建长3 m、宽1.6 m的长方体水池，那么高度就是 满足最小容量9.6 m3；若建横截面积为3.2 m3的圆柱形水罐，其长度 就是满足最小容量9.6 m3 。
数学模型用数学公式、图表等描述客观事物的特征模型，称为数学模型。
是反映下落物体运动的路程随时间变化的数学模型。
通常，我们通过优化的目标与决策变量之间的关系（数学模型），计算出目标值，所得到的就是最优解。对有些问题，如果我们不能确切地描述目标函数，则可以通过定性的估计或推断，得到较为满意的解（也称满意解）。 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。系统优化的方法是多样的，有的运用数学模型求解，有的通过科学的估算、试验等方法实现。但无论运用怎样的优化方法，都需要经过若干次完善和验证，才能得出最优解或满意解。
框图模型用一个个封闭的小框图代表系统的各个要素或子系统，在框图内或框图边注明要素或子系统的名称，按照系统的结构模式把它们排列安置于适当位置，用无向线段或有向线段把这些小框图连接起来，以表示系统的基本结构框架，再用无向线段或有向线段表示系统与环境的联系，这样形成的图形就叫系统的框图模型。
最简单的系统框图模型是输入一输出模型，也叫系统的概念模型，如图所示。它把系统内在的要素与结构简化为一个矩形方框，把环境对系统的作用统称为输入，把系统对环境的作用统称为输出。
描述系统就是在描述这种刺激和响应的关系。外部刺激是条件，响应是系统回应环境的行为对策，人们描述系统所关注的就是条件与对策之间的各种可能的对应关系，即如果外部出现什么情况，系统就回应以什么行动。
从系统运行的角度来看，系统和环境之间是一种刺激和响应关系，
输人是环境对系统的刺激
输出是系统对这种刺激做出的响应
第1题：该火力发电站系统按功能可以划分为：燃烧系统、汽水系统、电力系统。燃烧系统将煤炭中蕴含的化学能通过燃烧释放出来，转化成热能；汽水系统利用煤炭燃烧所产生的热能将水加热，产生蒸汽，然后将蒸汽的热能转化成机械能；电力系统,汽轮机带动发电机发电，将机械能转化成电能。
第2题：该火力发电站系统中节能的环节是“加热器”给回水加热部分。从汽轮机的某些中间级引出部分做过功的蒸汽，用来加热锅炉的给水，减少了排汽在冷凝机中的热损失，使蒸汽的热量得到了充分的利用，提高了整个循环的热效率。
要研究的问题是校园楼顶雨水的收集与利用，系统要实现的目标是有效地收集校园屋顶的雨水，经过净化后，能持续给卫生间、洗拖把的池子供水。降雨量、楼顶的面积、每天的用水量是系统设计的约束条件。根据教材第84页“案例分析”中从降雨量与用水量两个角度的储水装置数学建模，可知3天收集的雨水量小于最高日用水量，要根据最高日用水量设计储水装置容量大小；要实现持续给卫生间、洗拖把的池子供水的目标，需要设计自动补水子系统为储水装置补水；为防止雨量过大、降雨时间过长，导致储水装置由于受压过大被撑裂，需要设计溢水子系统。系统的目标是给卫生间、洗拖把的池子供水，雨水净化与储存子系统只需将收集到的雨水净化成非饮用中水即可。给整幢教学楼的卫生间和洗拖把池子供水，需要考虑供水系统的水压。
建立模型不仅需要科学理论和工程技术知识，还需要实践的经验和技艺。模型是对系统的理想化抽象或简化表示，描绘了现实系统的某些主要特点，是为了客观地研究系统而发展起来的。
运用系统分析的方法处理具体问题时要遵循系统分析的主要原则。
5、系统分析的主要原则
整体性原则科学性原则综合性原则
1）整体性原则 系统分析首先着眼于系统整体，要先分析整体，在分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一阶段；先看长远，再看当前。
分析系统首先要着眼于系统整体：
先分析整体，再分析部分
先看全过程，再看某一个阶段
案例分析： 丁谓修复皇宫
当时，要完成这项重大的建筑工程，面临着三个大问题：
第一，需要把大量的废墟垃圾清理掉；
第二，建筑需要大量的砖块；
第三，要运来大批木材和石料。
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，把挖出来的土作为烧砖用土和施工需要的新土备用。
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，再填上新土，使沟重新变为平地。
简单归纳起来，就是这样一个过程：挖沟（取土烧砖）→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。
在实际生活中，经常遇到对系统中各个局部考虑得很仔细，却忽略或较少考虑全局的事例，这样就很难得到良好的效果。
丁谓所采用的方案着眼于整体，使取土烧砖、运输材料、处理垃圾三项繁重的任务协调起来。将烧砖取土与开渠挖土合二为一，省去了砖与废物的运输，减少了工程量，同时缩短了施工时间、节省了费用。
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？
赵明设计的雨水收集储水罐只有雨水入口和供水出口，雨水稀少时没法补水，雨水过多时不能溢水。可以在储水罐上安装溢水装置，利用三通将雨水入口与雨水收集子系统和补水子系统连接起来。
2）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，使决策的过程和结果更具说服力。
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“三三得九好，还是二五一十好？”，这就是最朴素的定量分析。当然，在处理复杂系统的分析与优化问题时，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，其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？
华罗庚院士华罗庚（—），世界著名数学家，中国解析数论、矩阵几何学、典型群、自安函数论等多方面研究的创始人和开拓者。国际上以华氏命名的数学科研成果就有“华氏定理”、“怀依—华不等式”、“华氏不等式”、“普劳威尔—加当华定理”、“华氏算子”、“华—王方法”等。
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。黄金分割法也称0.618法。
“黄金分割”具有很高的使用价值，其中最著名的例子就是优选学中的“0.618”法，该方法于70年代在我国得以推广，并取得了很大的成就。在社会主义市场经济中，科学严谨的方法往往能有事半功倍。在经济、金融中已得到广泛应用，形成“用科学的方法指导实践，在实践中验证科学”的良性循环。       我国著名数学家华罗庚在应用优选法的应用做出杰出贡献。
1、“两面针”牙膏：采用优选法科学生产大幅度降低铝材消耗，每年节约铝材几吨；结果打了3年漂亮仗…….     2、著名数学家华罗庚教授在他晚年时，在全国讲学，介绍他的优选法。当时广东有5个水泥厂，经过优选法的改良，生产出6个水泥厂的产量，少建1个水泥厂，这个贡献就很大。这就是说知识、健康带来的财富，可以估算的和不可估算的都是很巨大的。 3、优选法使得新西兰培育出世界上最好的肉牛和奶牛。为了发展羊毛和肉类生产，新西兰采用先进的培育技术，改进当地羊只的品种，使其具有国外引进种群的特殊优点..  
如在炼钢时需加入某种元素来增加钢材强度，若将试验点取在这一元素用量区间的0.618处，获得理想用量的试验次数将大大减少。实验证明，对一个因素的问题，用优选法做16次试验，就可达到“对分法”做2000余次试验的效果。
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。
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，应将目标排出优先次序，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。
例如，雨水回收和利用系统的设计既要做到雨水的有效回收和利用，又要考虑该系统的投入和运行过程中的效益；既要考虑雨水的收集，又要考虑雨水的净化等。
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。例如，现代医学采用中西医结合的方法攻克了许多疑难杂症。
农业中则综合了地面水库、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）等不同的方案进行保水。
保护生态环境；避开复杂自然条件，降低技术难度；平整路基，保障运输安全。
案例分析： 孝襄高速公路
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？
系统分析时还要注重综合性原则，要综合分析，统筹兼顾，不可顾此失彼，因小失大。
要注重研究系统各部分之间的相互联系和相互作用，既注重研究各部分间的横向联系，也注重研究各部分间的纵向关系。
既考虑当前，也考虑长远。
对自然环境、资金、长远影响等因素进行综合分析。
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。
两种分析考虑的出发点和角度是不一样的。整体分析考虑的是整体与部分、全局与局部、全程与阶段、长远与当前的关系，体现了系统分析时“总—分—总”的思想。综合分析考虑的是系统多个目标达成的优先顺序问题、系统输出对环境的影响、多个方案的综合应用优势互补。系统分析过程中两种分析都要做。