交通運輸系統(tǒng)工程--第三章-系統(tǒng)模型

1、交通運輸系統(tǒng)工程,Transportation System Engineering,**主要內容**,第六講 運輸系統(tǒng)模擬※,第五講 運輸系統(tǒng)網絡計劃技術,第四講 運輸系統(tǒng)預測,第三講 運輸系統(tǒng)模型,第二講 運輸系統(tǒng)分析,第七講 運輸系統(tǒng)評價,,,課程知識結構,第八講 運輸系統(tǒng)決策,第九講 運輸決策支持系統(tǒng)※,第一講 概論,第十講 智能運輸系統(tǒng)※,第三講 運輸系統(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實經過思維抽象后用文字、圖表、符號、關系式以及實體模樣描述所認識到的客觀對象。 模型是現實系統(tǒng)的替代物，是對現實系統(tǒng)的理想化抽象或簡潔表示，它描繪了現實系統(tǒng)的某些主要特點，是為了客觀地研究系統(tǒng)而發(fā)展起來的。 特征： （1）是現實世界部分的抽象或模仿；（2）是由那些與分析的問題有關的因素構成；（3）表明了有關因素劍的相互關系。,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,數學,物理,圖像,三、模型（化）的本質、作用和地位本質：利用模型與原型之間某方面的相思關系，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)一定程度研究結果的表達。這種表達是簡潔的、 形式化的。 ②模型提供了脫離具體內容的邏輯演繹和計算的基礎，這會導致對科學規(guī)律、理論、

4、原理的發(fā)現。 ③利用模型可以進行“思想”試驗。地位： 模型的本質決定了它的作用的局限性。它不能代替以客觀系統(tǒng)內容的研究，只有在和對客體系統(tǒng)相配合時，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,信息相關性,準確性,結集性,【構模原則】,第一步：,第二步：,第三步：,明確建模的目的和要求：以便模型滿足實際要求，不致產生太大偏差；,第四步：,對系統(tǒng)進行一般語

5、言描述：該步是進一步確定模型結構的基礎。,弄清系統(tǒng)的主要因素及其相互關系：以便模型準確表示現實系統(tǒng)。,確定模型的結構：該步決定了模型定量方面的內容。,,,,第五步：,第六步：,第七步：,估計模型的參數：用數量表示系統(tǒng)中的因果關系。,實驗研究：對模型進行真實性實驗，以檢驗模型與實際系統(tǒng)的符合性。,必要修改：根據實驗結果，對模型做必要的修改完善。,,,,五、建模的基本步驟,一、運輸問題1、問題描述 設某種要調運的物資，有一

6、組供應點（產地或稱發(fā)點）m個，一組需求點（銷地或稱收點）n個，如果每個供應點的供應量及每個需求點的需求量都已經確定，即第i個產地有ai單位的物資發(fā)出，第j個需求點需要收進bj單位的物資；并且從每一個產地到每一個銷地的單位運價是已知的，假定把單位物資從第i個產地調運到第j個銷地去的單位運價為cij。,3.2 常用運輸系統(tǒng)模型,2、模型的構建設供應點為Ai，該供應點的供應量是ai（i=1,2,…,m）;設需求點為Bj，該需求點的需求量是

7、bj（j=1,2,…,n）；cij為從第i個供應點到第j個需求點的單位運價；由供應點Ai發(fā)往需求點Bj的物資調運量是xij單位。假設m個供應點的總供應量等于n個需求點的總需求量（滿足產銷或稱供需平衡，稱為平衡的運輸問題）建模如下：,二、任務分配問題1、問題描述 以運輸問題的n項任務由n個司機去完成的情況為例。有n個司機被分配完成n項運輸任務，不同的司機完成某一項任務的費用（效率）都不一樣。要求每個司機完成其中一

8、項任務，每個任務只能由一名司機完成，則如何分配任務，才能使總的費用最??？2、模型的構建,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，合理進行貨物的安排，使車輛裝載貨物的價值最大（如重量最大、運費最低等）。1、問題描述 設貨車的載重量上限為G，用于運送n種不同的貨物，貨物的重量分別為W1、W2、…、Wn，每一種貨物對應于一個價值系數，分別用P1、P2、…、Pn表示，它表示價值、運費或重量等

9、。設Xk表示第k種貨物的裝入數量。2、模型的構建,四、品種混裝問題 1、問題描述 在實際的物流過程中，儲運倉庫要把客戶所需的貨物組成整車，運往各地。不同客戶的貨物，要分別在一戰(zhàn)或多站卸貨。在裝貨、運輸和卸貨過程中，為減少裝卸、運輸過程中出現差錯，一般要按品種、形狀、顏色、規(guī)格、到達地點把貨物分為若干類，在裝車時分別進行處理，這就是品種混裝問題。2、模型的構建 設裝車的貨物可分為1類、2類、…、m類，共有

10、N件（捆）代運貨物。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）：,2、模型的構建 品種混裝問題要求同一貨車內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：,則品種混裝問題的模型可表示為：,一、系統(tǒng)的結

11、構與功能1、系統(tǒng)結構 系統(tǒng)結構——是指系統(tǒng)內部各要素相互聯(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在依據。,3.3 運輸系統(tǒng)結構分析,,一、系統(tǒng)的結構與功能2、系統(tǒng)的功能,處理或轉換,,,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——處理和轉換；廣義的系統(tǒng)功能——處理、轉換、輸入和輸出。,一、系統(tǒng)的結構與功能3、系統(tǒng)結構與功能的關系（1）結構是完成系統(tǒng)功能的基礎； 要素與結構是功能的內在根據，功能是要素與結構的外在表現；只有依靠結構才能將各個孤立的要素組成一個系統(tǒng)，才能具備所需的系統(tǒng)功能。（2）不同的系統(tǒng)結構產生不同的系統(tǒng)功能和功能效率； 系統(tǒng)的結構不僅在量的方面決定著系統(tǒng)功能的有無，而且在質的方面也影響著系統(tǒng)功能的強弱和

13、系統(tǒng)效率的高低。運輸系統(tǒng)結構——是指組成該運輸系統(tǒng)的各個系統(tǒng)（要素）如鐵路運輸系統(tǒng)、水運系統(tǒng)、航空運輸系統(tǒng)、公路運輸系統(tǒng)，在數量上的比例和空間上、時間上的聯(lián)系方式。,二、運輸系統(tǒng)結構分析的目的和任務1、系統(tǒng)結構分析的目的 找出系統(tǒng)構成上的整體性、相關性、集合性、層次性等表征方面的規(guī)律，即系統(tǒng)應具備的合理結構的規(guī)律。 要在保證系統(tǒng)總目標和環(huán)境約束集的條件下，在系統(tǒng)組成要素、要素之間的相互關系集以及要素集和

14、相互集階層分布最有結合并能給出最優(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)結構，即系統(tǒng)合理結構，用公式表述為：,二、運輸系統(tǒng)結構分析的目的和任務2、系統(tǒng)結構分析的內容(1)尋求X、R、C的最優(yōu)的結合形式，即具有最優(yōu)結合效果E**的系統(tǒng)結構形式及在E**條件下最大系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)Sopt ;(2)重點討論系統(tǒng)的集合性、相關性、階層性及其最優(yōu)結合，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、運輸系統(tǒng)結構分析的任

15、務(1)系統(tǒng)組成要素以及系統(tǒng)結構分析(2)系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性分析(3)系統(tǒng)結構的合理性分析運輸系統(tǒng)結構優(yōu)良的含義： 一是運輸系統(tǒng)與國民經濟其他系統(tǒng)之間保持一種協(xié)調發(fā)展的比例關系； 二是運輸系統(tǒng)內部，鐵路、公路、水運、航空、管道五種運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分析的基礎上進行。當系統(tǒng)目標分析取得不同目標和目標單元的同時，系統(tǒng)的要素集也就相應

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

17、例、力學和熱力學、信息傳遞以及組織形式、操作程序、管理方法等許多方面，它們組成了一個系統(tǒng)的相關關系集，即：,由于相關關系只能發(fā)生在具體的系統(tǒng)要素之間，因此任何復雜的相關關系在要素不發(fā)生質的變化的條件下，都可化為兩個要素之間的相關關系，即二元關系。二元關系是相關關系的基礎，其它復雜的關系則是在二元關系的基礎上發(fā)展而來的。,系統(tǒng)要素二元關系分析表,五、系統(tǒng)階層性的分析 理論依據——大多數系統(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、階層之間應保持何種關系以及階層的層數和層次內要素的數量等都有很多重要的關系。對于這些關系的研究將從系統(tǒng)的本質上加深對系統(tǒng)結構的認識，從而揭示事物合理存在的客觀規(guī)律。案例： 一部汽車從技術結構上看由行走部分、動力部分、傳動部分、操縱部分、控制部分等組成。行走部分有前橋和后橋，動力部分有發(fā)動機，傳動部分有齒輪箱和傳動軸，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，而后支配動力部分和傳動

19、部分，最后到行走部分?？梢哉f，沒有階層上的安排，各個部分就無法達到逐級的和整體的協(xié)調。,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。合理性主要從兩個方面考慮：（1）傳遞物質、信息和能量的效率、質量和費用（2）功能單元合理結合和歸屬問題,六、系統(tǒng)整體性的分析 系統(tǒng)整體性分析是系統(tǒng)結構分析的核心，是解決系統(tǒng)整體協(xié)調和整體最優(yōu)化的基礎。其是要在綜合要素集、相關性和階層性分析成果

20、，從整體最優(yōu)上進行概括和協(xié)調，即要使X、R、C達到最優(yōu)結合，取得P函數最大值和總體最優(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討論的，即這些變量都允許的變化范圍——約束條件； （2）在對應于給定目標的要求下，X、R、C集將有多種結合方案，每種結合方案的效果是不同的； （3）對應于一定的價值目標，改變X、R、C的結合狀態(tài)，可以看出效果函數變化狀況的集優(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的結合方案。,六、系統(tǒng)整體性的分析2、整體性分析的內容（1）建立一個評價指標體系； ——（系統(tǒng)整體性效果的目標表現和標準，等）（2）建立反映系統(tǒng)特征的X、R、C結合模型；（3）建立結合模型的選有程序。,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)目標進行有序化；（3）注意整體中的協(xié)調環(huán)節(jié)和連接部分；（4）及

22、時調整處理系統(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)之間關系協(xié)調是系統(tǒng)功能發(fā)揮的的保證； 2、系統(tǒng)之間物質、能量和信息的交換關系是影響系統(tǒng)功能的主導關系。,3.4 運輸系統(tǒng)環(huán)境分析,二、系統(tǒng)與環(huán)境的關系 1、交換關系 2、互依關系 3、競爭關系 4、吞食關系 5、破壞關系,三、交通運輸系統(tǒng)與環(huán)境 1、若系統(tǒng)和環(huán)境是依存關系，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(數量和質量)； 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系； 4、環(huán)境和系統(tǒng)間是否存在吞食關系.,【案例】阿拉斯加原油輸送方案的系統(tǒng)分析,現對美國阿拉斯加東北部的普拉德霍灣油田向美國本土運送原油為例進行系統(tǒng)分析。1、任務與環(huán)境(1)問題——如何由阿拉斯加東北部的普拉德霍灣油田向美國本土運輸原油的問題。(2)

24、任務和環(huán)境 任務——要求每天由阿拉斯加的油田向美國本土運送200萬桶原油。 環(huán)境——油田處于北極圈內，海灣常年處于冰封狀態(tài)，陸地更是長年凍著，最低氣溫達到-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，既不安全又增加費用；第二、起點和終點要建造大型油庫這是一筆巨額花費，而且考慮到海運可能受到海上風暴的影響，油庫的儲量應在油田產量的十倍以上。（不安全、費用大、無保證） 方案II：優(yōu)點是可以用成熟的管道輸油技術。存在的問題在于：第一、要在沿途設加溫站，這樣一來管理復雜，而且還要供給燃料，然而運送材料本身又是一件相當困難的事情；第二、加溫后的輸油管不能簡單滴撲在凍土里，因為凍土層受熱溶化后后會引起管道變形，甚至造成斷

26、裂。為了避免這種危險，有一半的管道需要用底架支撐和做保溫處理，這樣架設管道的成本費用要比鋪設地下油管高出三倍。,【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作為參考方案作進一步細致的研究，為規(guī)劃做準備； (2)繼續(xù)撥出經費，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，可用普通管道運送。提出競爭方案IV： 方案IV：將天然氣轉換為甲醇以后再加入到原油中去，以降低原油的熔點，增加流動性，從而用普通的管道就可以同時輸送原油和天然氣。優(yōu)點：第一、不需要運送無用的附加混合劑——海水；第二、不需要另外鋪設天燃氣管道。,【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，僅鋪設管道費用就節(jié)省了近60