交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程--第三章-系統(tǒng)模型

1、交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程,Transportation System Engineering,**主要內(nèi)容**,第六講 運(yùn)輸系統(tǒng)模擬※,第五講 運(yùn)輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù),第四講 運(yùn)輸系統(tǒng)預(yù)測,第三講 運(yùn)輸系統(tǒng)模型,第二講 運(yùn)輸系統(tǒng)分析,第七講 運(yùn)輸系統(tǒng)評價(jià),,,課程知識結(jié)構(gòu),第八講 運(yùn)輸系統(tǒng)決策,第九講 運(yùn)輸決策支持系統(tǒng)※,第一講 概論,第十講 智能運(yùn)輸系統(tǒng)※,第三講 運(yùn)輸系統(tǒng)模型,【模型】,一、定義和特征 定義

2、：模型——是指研究者對客觀現(xiàn)實(shí)經(jīng)過思維抽象后用文字、圖表、符號、關(guān)系式以及實(shí)體模樣描述所認(rèn)識到的客觀對象。 模型是現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的替代物，是對現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的理想化抽象或簡潔表示，它描繪了現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某些主要特點(diǎn)，是為了客觀地研究系統(tǒng)而發(fā)展起來的。 特征： （1）是現(xiàn)實(shí)世界部分的抽象或模仿；（2）是由那些與分析的問題有關(guān)的因素構(gòu)成；（3）表明了有關(guān)因素劍的相互關(guān)系。,3.1 系統(tǒng)模型概述,,二、模型的分類

3、,模型,概念,符號,形象,仿真,類比,思維,描述,字句,圖示,數(shù)學(xué),物理,圖像,三、模型（化）的本質(zhì)、作用和地位本質(zhì)：利用模型與原型之間某方面的相思關(guān)系，在研究過程中用模型來代替原型，通過對于模型的研究得到關(guān)于原型的一些信息。作用： ①模型本身是人們對客體系統(tǒng)一定程度研究結(jié)果的表達(dá)。這種表達(dá)是簡潔的、 形式化的。 ②模型提供了脫離具體內(nèi)容的邏輯演繹和計(jì)算的基礎(chǔ)，這會(huì)導(dǎo)致對科學(xué)規(guī)律、理論、

4、原理的發(fā)現(xiàn)。 ③利用模型可以進(jìn)行“思想”試驗(yàn)。地位： 模型的本質(zhì)決定了它的作用的局限性。它不能代替以客觀系統(tǒng)內(nèi)容的研究，只有在和對客體系統(tǒng)相配合時(shí)，模型的作用才能充分發(fā)揮。,圖3.1 系統(tǒng)模型(化)的作用與地位,四、建模的一般原則,建立方框圖,信息相關(guān)性,準(zhǔn)確性,結(jié)集性,【構(gòu)模原則】,第一步：,第二步：,第三步：,明確建模的目的和要求：以便模型滿足實(shí)際要求，不致產(chǎn)生太大偏差；,第四步：,對系統(tǒng)進(jìn)行一般語

5、言描述：該步是進(jìn)一步確定模型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。,弄清系統(tǒng)的主要因素及其相互關(guān)系：以便模型準(zhǔn)確表示現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。,確定模型的結(jié)構(gòu)：該步?jīng)Q定了模型定量方面的內(nèi)容。,,,,第五步：,第六步：,第七步：,估計(jì)模型的參數(shù)：用數(shù)量表示系統(tǒng)中的因果關(guān)系。,實(shí)驗(yàn)研究：對模型進(jìn)行真實(shí)性實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際系統(tǒng)的符合性。,必要修改：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對模型做必要的修改完善。,,,,五、建模的基本步驟,一、運(yùn)輸問題1、問題描述 設(shè)某種要調(diào)運(yùn)的物資，有一

6、組供應(yīng)點(diǎn)（產(chǎn)地或稱發(fā)點(diǎn)）m個(gè)，一組需求點(diǎn)（銷地或稱收點(diǎn)）n個(gè)，如果每個(gè)供應(yīng)點(diǎn)的供應(yīng)量及每個(gè)需求點(diǎn)的需求量都已經(jīng)確定，即第i個(gè)產(chǎn)地有ai單位的物資發(fā)出，第j個(gè)需求點(diǎn)需要收進(jìn)bj單位的物資；并且從每一個(gè)產(chǎn)地到每一個(gè)銷地的單位運(yùn)價(jià)是已知的，假定把單位物資從第i個(gè)產(chǎn)地調(diào)運(yùn)到第j個(gè)銷地去的單位運(yùn)價(jià)為cij。,3.2 常用運(yùn)輸系統(tǒng)模型,2、模型的構(gòu)建設(shè)供應(yīng)點(diǎn)為Ai，該供應(yīng)點(diǎn)的供應(yīng)量是ai（i=1,2,…,m）;設(shè)需求點(diǎn)為Bj，該需求點(diǎn)的需求量是

7、bj（j=1,2,…,n）；cij為從第i個(gè)供應(yīng)點(diǎn)到第j個(gè)需求點(diǎn)的單位運(yùn)價(jià)；由供應(yīng)點(diǎn)Ai發(fā)往需求點(diǎn)Bj的物資調(diào)運(yùn)量是xij單位。假設(shè)m個(gè)供應(yīng)點(diǎn)的總供應(yīng)量等于n個(gè)需求點(diǎn)的總需求量（滿足產(chǎn)銷或稱供需平衡，稱為平衡的運(yùn)輸問題）建模如下：,二、任務(wù)分配問題1、問題描述 以運(yùn)輸問題的n項(xiàng)任務(wù)由n個(gè)司機(jī)去完成的情況為例。有n個(gè)司機(jī)被分配完成n項(xiàng)運(yùn)輸任務(wù)，不同的司機(jī)完成某一項(xiàng)任務(wù)的費(fèi)用（效率）都不一樣。要求每個(gè)司機(jī)完成其中一

8、項(xiàng)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)只能由一名司機(jī)完成，則如何分配任務(wù)，才能使總的費(fèi)用最?。?、模型的構(gòu)建,三、貨物配裝問題 貨物配裝的目的是在車輛載重量為額定值的情況下，合理進(jìn)行貨物的安排，使車輛裝載貨物的價(jià)值最大（如重量最大、運(yùn)費(fèi)最低等）。1、問題描述 設(shè)貨車的載重量上限為G，用于運(yùn)送n種不同的貨物，貨物的重量分別為W1、W2、…、Wn，每一種貨物對應(yīng)于一個(gè)價(jià)值系數(shù)，分別用P1、P2、…、Pn表示，它表示價(jià)值、運(yùn)費(fèi)或重量等

9、。設(shè)Xk表示第k種貨物的裝入數(shù)量。2、模型的構(gòu)建,四、品種混裝問題 1、問題描述 在實(shí)際的物流過程中，儲(chǔ)運(yùn)倉庫要把客戶所需的貨物組成整車，運(yùn)往各地。不同客戶的貨物，要分別在一戰(zhàn)或多站卸貨。在裝貨、運(yùn)輸和卸貨過程中，為減少裝卸、運(yùn)輸過程中出現(xiàn)差錯(cuò)，一般要按品種、形狀、顏色、規(guī)格、到達(dá)地點(diǎn)把貨物分為若干類，在裝車時(shí)分別進(jìn)行處理，這就是品種混裝問題。2、模型的構(gòu)建 設(shè)裝車的貨物可分為1類、2類、…、m類，共有

10、N件（捆）代運(yùn)貨物。其中1類貨物有N1件（捆），它們的重量分別為G11、G12、…、G1N1；2類貨物有N2件（捆），重量分別為G21、G22、…、G2N2；……；第s類貨物共有Ns件（捆），重量分別為Gs1、Gs2、…、GsNs；以此類推，可以看出：貨物總的件（捆數(shù)）：,2、模型的構(gòu)建 品種混裝問題要求同一貨車內(nèi)每類貨物至多裝入一件，同一客戶的多見同類貨物可記做一件。設(shè)：,則品種混裝問題的模型可表示為：,一、系統(tǒng)的結(jié)

11、構(gòu)與功能1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——是指系統(tǒng)內(nèi)部各要素相互聯(lián)系、相互作用的方式或秩序，即各要素之間的具體聯(lián)系和作用形式，是系統(tǒng)保持整體性以及具有一定功能的內(nèi)在依據(jù)。,3.3 運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析,,一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能2、系統(tǒng)的功能,處理或轉(zhuǎn)換,,,系統(tǒng)的邊界,系統(tǒng)的環(huán)境——指系統(tǒng)以外，與系統(tǒng)發(fā)生作用的部分；系統(tǒng)的邊界——系統(tǒng)及其環(huán)境的界面；系統(tǒng)的輸入——環(huán)境對系統(tǒng)的作用；系統(tǒng)的輸出——系統(tǒng)對環(huán)境的作用；狹義的系統(tǒng)

12、功能——處理和轉(zhuǎn)換；廣義的系統(tǒng)功能——處理、轉(zhuǎn)換、輸入和輸出。,一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（1）結(jié)構(gòu)是完成系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)； 要素與結(jié)構(gòu)是功能的內(nèi)在根據(jù)，功能是要素與結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)；只有依靠結(jié)構(gòu)才能將各個(gè)孤立的要素組成一個(gè)系統(tǒng)，才能具備所需的系統(tǒng)功能。（2）不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的系統(tǒng)功能和功能效率； 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不僅在量的方面決定著系統(tǒng)功能的有無，而且在質(zhì)的方面也影響著系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱和

13、系統(tǒng)效率的高低。運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)——是指組成該運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)系統(tǒng)（要素）如鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)、水運(yùn)系統(tǒng)、航空運(yùn)輸系統(tǒng)、公路運(yùn)輸系統(tǒng)，在數(shù)量上的比例和空間上、時(shí)間上的聯(lián)系方式。,二、運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的目的和任務(wù)1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的目的 找出系統(tǒng)構(gòu)成上的整體性、相關(guān)性、集合性、層次性等表征方面的規(guī)律，即系統(tǒng)應(yīng)具備的合理結(jié)構(gòu)的規(guī)律。 要在保證系統(tǒng)總目標(biāo)和環(huán)境約束集的條件下，在系統(tǒng)組成要素、要素之間的相互關(guān)系集以及要素集和

14、相互集階層分布最有結(jié)合并能給出最優(yōu)組合效果的前提下，能夠得到最優(yōu)系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)合理結(jié)構(gòu)，用公式表述為：,二、運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的目的和任務(wù)2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容(1)尋求X、R、C的最優(yōu)的結(jié)合形式，即具有最優(yōu)結(jié)合效果E**的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及在E**條件下最大系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)Sopt ;(2)重點(diǎn)討論系統(tǒng)的集合性、相關(guān)性、階層性及其最優(yōu)結(jié)合，即系統(tǒng)的整體性分析以及如何取得Sopt的分析與綜合的方法；3、運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的任

15、務(wù)(1)系統(tǒng)組成要素以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性分析運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的含義： 一是運(yùn)輸系統(tǒng)與國民經(jīng)濟(jì)其他系統(tǒng)之間保持一種協(xié)調(diào)發(fā)展的比例關(guān)系； 二是運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部，鐵路、公路、水運(yùn)、航空、管道五種運(yùn)輸方式之間保持一種優(yōu)化的比例。,三、系統(tǒng)要素集的分析 系統(tǒng)要素集的確定可在目標(biāo)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行。當(dāng)系統(tǒng)目標(biāo)分析取得不同目標(biāo)和目標(biāo)單元的同時(shí)，系統(tǒng)的要素集也就相應(yīng)

16、的產(chǎn)生。對應(yīng)于總目標(biāo)分解后的分目標(biāo)和目標(biāo)單元，要搜索出能完成此目標(biāo)的實(shí)體部分。系統(tǒng)要素集分析的步驟如下：1、目標(biāo)集的對應(yīng)分析，找到構(gòu)成系統(tǒng)的要素集或功能單元集：,2、在滿足給定目標(biāo)要求下，所確定的功能單元使其構(gòu)造成本最低。,四、系統(tǒng)相關(guān)性的分析 系統(tǒng)的屬性不僅取決于它的組成要素的質(zhì)量和合理性，還取決于要素之間所保持的某些關(guān)系。這些關(guān)系可以表示為系統(tǒng)要素之間所能保持的空間結(jié)構(gòu)、排列順序、相互位置、松緊程度、時(shí)間序列、數(shù)量比

17、例、力學(xué)和熱力學(xué)、信息傳遞以及組織形式、操作程序、管理方法等許多方面，它們組成了一個(gè)系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)系集，即：,由于相關(guān)關(guān)系只能發(fā)生在具體的系統(tǒng)要素之間，因此任何復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系在要素不發(fā)生質(zhì)的變化的條件下，都可化為兩個(gè)要素之間的相關(guān)關(guān)系，即二元關(guān)系。二元關(guān)系是相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)，其它復(fù)雜的關(guān)系則是在二元關(guān)系的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。,系統(tǒng)要素二元關(guān)系分析表,五、系統(tǒng)階層性的分析 理論依據(jù)——大多數(shù)系統(tǒng)都是以多階層遞階形式存在的，哪些要素

18、屬于同一階層、階層之間應(yīng)保持何種關(guān)系以及階層的層數(shù)和層次內(nèi)要素的數(shù)量等都有很多重要的關(guān)系。對于這些關(guān)系的研究將從系統(tǒng)的本質(zhì)上加深對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，從而揭示事物合理存在的客觀規(guī)律。案例： 一部汽車從技術(shù)結(jié)構(gòu)上看由行走部分、動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、操縱部分、控制部分等組成。行走部分有前橋和后橋，動(dòng)力部分有發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)部分有齒輪箱和傳動(dòng)軸，操縱部分有手閘和剎車片及各種儀表等。處于最高層位置的是操縱和控制部分，而后支配動(dòng)力部分和傳動(dòng)

19、部分，最后到行走部分?？梢哉f，沒有階層上的安排，各個(gè)部分就無法達(dá)到逐級的和整體的協(xié)調(diào)。,五、系統(tǒng)階層性的分析 系統(tǒng)階層性分析主要是解決系統(tǒng)分層和各層規(guī)模的合理性問題。合理性主要從兩個(gè)方面考慮：（1）傳遞物質(zhì)、信息和能量的效率、質(zhì)量和費(fèi)用（2）功能單元合理結(jié)合和歸屬問題,六、系統(tǒng)整體性的分析 系統(tǒng)整體性分析是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的核心，是解決系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)和整體最優(yōu)化的基礎(chǔ)。其是要在綜合要素集、相關(guān)性和階層性分析成果

20、，從整體最優(yōu)上進(jìn)行概括和協(xié)調(diào)，即要使X、R、C達(dá)到最優(yōu)結(jié)合，取得P函數(shù)最大值和總體最優(yōu)輸出。1、整體性優(yōu)化的可能性 （1）X、R、C的合理性分析在可行范圍內(nèi)討論的，即這些變量都允許的變化范圍——約束條件； （2）在對應(yīng)于給定目標(biāo)的要求下，X、R、C集將有多種結(jié)合方案，每種結(jié)合方案的效果是不同的； （3）對應(yīng)于一定的價(jià)值目標(biāo)，改變X、R、C的結(jié)合狀態(tài)，可以看出效果函數(shù)變化狀況的集優(yōu)化方向，使取得E**是可能的?？?/p>

21、獲得E**條件下最大輸出的X、R、C的結(jié)合方案。,六、系統(tǒng)整體性的分析2、整體性分析的內(nèi)容（1）建立一個(gè)評價(jià)指標(biāo)體系； ——（系統(tǒng)整體性效果的目標(biāo)表現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，等）（2）建立反映系統(tǒng)特征的X、R、C結(jié)合模型；（3）建立結(jié)合模型的選有程序。,六、系統(tǒng)整體性的分析3、整體效果的規(guī)律性（1）系統(tǒng)要素各占其位、各司其職；（2）系統(tǒng)要素按系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行有序化；（3）注意整體中的協(xié)調(diào)環(huán)節(jié)和連接部分；（4）及

22、時(shí)調(diào)整處理系統(tǒng)中的矛盾部分和落后環(huán)節(jié)。,一、系統(tǒng)環(huán)境分析的意義 1、系統(tǒng)之間關(guān)系協(xié)調(diào)是系統(tǒng)功能發(fā)揮的的保證； 2、系統(tǒng)之間物質(zhì)、能量和信息的交換關(guān)系是影響系統(tǒng)功能的主導(dǎo)關(guān)系。,3.4 運(yùn)輸系統(tǒng)環(huán)境分析,二、系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系 1、交換關(guān)系 2、互依關(guān)系 3、競爭關(guān)系 4、吞食關(guān)系 5、破壞關(guān)系,三、交通運(yùn)輸系統(tǒng)與環(huán)境 1、若系統(tǒng)和環(huán)境是依存關(guān)系，則環(huán)境對系統(tǒng)的輸入或系統(tǒng)對環(huán)境

23、的輸出是否穩(wěn)定(數(shù)量和質(zhì)量)； 2、在環(huán)境包含的系統(tǒng)中是否與新建或改建系統(tǒng)有競爭關(guān)系； 3、環(huán)境對系統(tǒng)提供輸入或系統(tǒng)對環(huán)境提供輸出是否存在著破壞關(guān)系； 4、環(huán)境和系統(tǒng)間是否存在吞食關(guān)系.,【案例】阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析,現(xiàn)對美國阿拉斯加?xùn)|北部的普拉德霍灣油田向美國本土運(yùn)送原油為例進(jìn)行系統(tǒng)分析。1、任務(wù)與環(huán)境(1)問題——如何由阿拉斯加?xùn)|北部的普拉德霍灣油田向美國本土運(yùn)輸原油的問題。(2)

24、任務(wù)和環(huán)境 任務(wù)——要求每天由阿拉斯加的油田向美國本土運(yùn)送200萬桶原油。 環(huán)境——油田處于北極圈內(nèi)，海灣常年處于冰封狀態(tài)，陸地更是長年凍著，最低氣溫達(dá)到-50攝氏度。,【案例】阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析,2、備選方案與分析最初方案：方案I：由海路用油船運(yùn)輸；方案II：用帶加溫系統(tǒng)的油管輸送。方案分析： 方案I：優(yōu)點(diǎn)是每天僅需四至五艘超級油輪就可以滿足輸送量的要求存在的問題：第一、要用破

25、冰船引航，既不安全又增加費(fèi)用；第二、起點(diǎn)和終點(diǎn)要建造大型油庫這是一筆巨額花費(fèi)，而且考慮到海運(yùn)可能受到海上風(fēng)暴的影響，油庫的儲(chǔ)量應(yīng)在油田產(chǎn)量的十倍以上。（不安全、費(fèi)用大、無保證） 方案II：優(yōu)點(diǎn)是可以用成熟的管道輸油技術(shù)。存在的問題在于：第一、要在沿途設(shè)加溫站，這樣一來管理復(fù)雜，而且還要供給燃料，然而運(yùn)送材料本身又是一件相當(dāng)困難的事情；第二、加溫后的輸油管不能簡單滴撲在凍土里，因?yàn)閮鐾翆邮軣崛芑蠛髸?huì)引起管道變形，甚至造成斷

26、裂。為了避免這種危險(xiǎn)，有一半的管道需要用底架支撐和做保溫處理，這樣架設(shè)管道的成本費(fèi)用要比鋪設(shè)地下油管高出三倍。,【案例】阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析,決策人員的處理策略： (1)考慮到安全和供油的穩(wěn)定性，暫把方案II作為參考方案作進(jìn)一步細(xì)致的研究，為規(guī)劃做準(zhǔn)備； (2)繼續(xù)撥出經(jīng)費(fèi)，廣泛邀請系統(tǒng)分析人員提出新的方案。。提出競爭方案III： 方案III：其原理是把含10%-20%氯化鈉的海水加入到原

27、油中去，使在低溫下的原油呈乳狀液，仍能暢流，可用普通管道運(yùn)送。提出競爭方案IV： 方案IV：將天然氣轉(zhuǎn)換為甲醇以后再加入到原油中去，以降低原油的熔點(diǎn)，增加流動(dòng)性，從而用普通的管道就可以同時(shí)輸送原油和天然氣。優(yōu)點(diǎn)：第一、不需要運(yùn)送無用的附加混合劑——海水；第二、不需要另外鋪設(shè)天燃?xì)夤艿馈?【案例】阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析,3、方案的選擇 最后選定的是方案IV，由于采用這一方案，僅鋪設(shè)管道費(fèi)用就節(jié)省了近60