第三章運輸系統(tǒng)分析

系統(tǒng)分析—基本概念1.系統(tǒng)分析（systemsanalysis）是指從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對需要改進的已有系統(tǒng)或準備建立的新系統(tǒng)進行定性和定量的理論分析或實驗研究，從而完成系統(tǒng)目的的重審、系統(tǒng)結構的分析、系統(tǒng)性能的估計、系統(tǒng)效益的評價、系統(tǒng)和環(huán)境相互影響的分析以及系統(tǒng)發(fā)展的預測，為系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)規(guī)劃設計、系統(tǒng)協(xié)調、系統(tǒng)優(yōu)化控制和系統(tǒng)管理提供理論和實驗依據。2.系統(tǒng)分析的目的：通過對系統(tǒng)的分析，認識各種替代方案的目的，比較各種替代方案的費用、效益、功能、可靠性以及與環(huán)境之間的關系等，得出決策者進行決策所需要的資料和信息，為最優(yōu)決策提供科學可靠的依據。系統(tǒng)分析—對象及內容系統(tǒng)分析的對象可以分為對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析和對新開發(fā)系統(tǒng)的分析。1.對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析（1）對系統(tǒng)外部的分析，主要是對系統(tǒng)所處的外部環(huán)境以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關系進行分析，包括宏觀外部環(huán)境和微觀外部環(huán)境分析。（2）對系統(tǒng)內部的分析，主要是系統(tǒng)構成要素的分析；系統(tǒng)要素間關系的分析；系統(tǒng)的結構分析；系統(tǒng)功能的分析等。2.對新開發(fā)系統(tǒng)的分析分析的目的是使新開發(fā)設計的系統(tǒng)達到整體最優(yōu)。分析的內容可以是新系統(tǒng)的投資方向、工程的規(guī)模、廠址（港址）的選擇、生產環(huán)節(jié)的布局、工程系統(tǒng)的設計、工藝方案的確定、設備配置以及生產過程的組織和設計等。開發(fā)系統(tǒng)進行分析時，要注意運用邏輯推理。例3-1管道運輸系統(tǒng)分析（1）系統(tǒng)開發(fā)對象：原油運輸系統(tǒng)。（2）系統(tǒng)開發(fā)目標：每天由阿拉斯加的油田向美國本土運送200萬桶原油。（3）系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：油田處于北極圈內；海灣長年處于冰封狀態(tài)；陸地更是常年冰凍，最低氣溫達-50℃。例3-1管道運輸系統(tǒng)分析（4）提出的問題是：應如何設計原油運輸系統(tǒng)，才能達到系統(tǒng)的目標？（5）系統(tǒng)方案設計：方案１：由海路用油船運輸。方案２：用帶加溫系統(tǒng)的輸油管運輸。（6）系統(tǒng)分析：對于方案１，其優(yōu)點是：每天僅需要4~5艘超級油輪即可滿足運量的要求，比鋪設油管省錢。存在的問題是：第一，要用破冰船引航，這樣既不安全又增加費用；第二，起點和終點都要建造大型油庫，這又是一筆巨額花費。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日產量的10倍以上，以保證需求量的供應。對于方案２，其優(yōu)點是：可以利用成熟的管道輸油技術。存在的問題是：第一，要在沿途設加溫站，造成管理復雜，而且要供給燃料，增加了困難；第二，加溫后的輸油管不能簡單地鋪在凍土里，因為凍土層受熱后會引起管道變形，甚至造成斷裂。為避免這種危險，有一半的管道需要用底架支撐，這樣，架設管道的成本費用要比鋪設地下油管高出３倍。（7）系統(tǒng)分析提問：是否有其他更好的方案呢？系統(tǒng)進一步分析—提出第一個競爭方案（方案3）。方案３：有人提出將含有10%~20%氯化鈉的海水加到原油中去，使在低溫下的原油成為乳液狀，且能暢流，這樣就可以用普通的輸油管道運輸了。這個方案獲得了很高的評價，而且，取得了專利。其實，這一原理早就用于制作汽車的防凍液了。而將這一原理運用到這個工程中來，是一個有價值的創(chuàng)造。（8）系統(tǒng)分析進一步提問：是否還有其他更好的方案呢?系統(tǒng)進一步分析—提出第二個競爭方案（方案4）。方案４：將天然氣轉換為甲醇以后再加到原油中去，以降低原油的凝點，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了。這個方案的提出，充分體現(xiàn)出系統(tǒng)工程方法的綜合性和與各種專業(yè)知識的相關性。這個方案是由兩個系統(tǒng)分析人員馬斯登和胡克提出來的。他們對石油的生成和變化有著豐富的經驗和知識，他們注意到，埋在地下的石油最初是油氣合一的，這時它們的凝點非常低。經過漫長的年代以后，油氣才逐漸分開。他們提出的方案4與方案3相比，方案4更好。第一，不需要運送無用的附加混合劑—海水；第二，不需要另外鋪設天然氣管道了。（9）系統(tǒng)方案選擇：最后選定的是方案4。由于采用這一方案，僅鋪設管道費用就節(jié)省了近60億美元，比方案3省了一半的費用。

從這個例子中，我們可以看到系統(tǒng)分析工作的重要性以及系統(tǒng)工程的價值。假如不進行系統(tǒng)方案的分析，僅在方案1、方案2上搞優(yōu)化，不追尋一系列的為什么，不去尋求更好的系統(tǒng)方案，就不可能得到方案4。即使確定了最好的管道直徑、管道壁厚、加壓泵站的壓力和距離等，也得不到方案4所帶來的綜合優(yōu)化。系統(tǒng)分析—原則1.外部條件與內部條件相結合的原則對系統(tǒng)的外部條件進行分析和研究，在于弄清系統(tǒng)目前和將來所處環(huán)境的狀況，把握系統(tǒng)發(fā)展的有利條件和不利因素。而對系統(tǒng)內部的分析，則為了了解系統(tǒng)的組成要素、要素之間的關系以及系統(tǒng)的結構、功能等。2.當前利益與長遠利益相結合的原則系統(tǒng)的最優(yōu)化，包含著兩方面的含義：一是從空間上講要求整體最優(yōu)，二是從時間上講要求全過程最優(yōu)。因此，選擇系統(tǒng)方案時，不僅要從當前利益出發(fā)，而且還要考慮到將來的利益。對我國人口系統(tǒng)的控制，國家曾組織了多方面的專家從經濟發(fā)展、人民生活和生態(tài)環(huán)境等3個大的方面，考慮了20多個因素，定量地進行了研究。計算的結果是：我國960萬km2的土地上，最佳人口數(shù)是6.5億~7億人。由此提出了控制人口數(shù)量，提高人口質量的一系列基本國策，爭取在2070年以后，使我國的人口基本穩(wěn)定在７億人左右。這個控制全國人口的方案，就是一個全面考慮了當前利益與長遠利益的最優(yōu)方案。例3-4人口系統(tǒng)分析3.局部效益與整體效益相結合的原則系統(tǒng)是由許多子系統(tǒng)組成的，但是當各子系統(tǒng)的效益都很好的時候，系統(tǒng)的整體效益并不一定會好。系統(tǒng)工程在爭取系統(tǒng)總體最優(yōu)時，必須全面考慮整體與局部以及局部與局部之間的關系，忽略這一點，就很難得到總體最佳的效果。4.定量分析與定性分析相結合的原則系統(tǒng)工程所處理的系統(tǒng)各組成部分之間的關系、系統(tǒng)的整體和各個組成部分之間的關系、系統(tǒng)和環(huán)境之間的關系、系統(tǒng)的現(xiàn)在和未來之間的關系，一般都是極其復雜的。對這種復雜的關系揭示得越清晰、越深刻、越精確，就越能夠取得最優(yōu)的綜合運用效果。例3-4鏟挖作業(yè)分析泰勒在米德維爾鋼鐵公司進行科學管理方法的探討時，注意到工廠里的鏟挖作業(yè)雖然有多種多樣，但工人使用的工具—鐵鏟的大小、形狀都是同樣的，使得挖鏟作業(yè)的負載相差非常懸殊。比如，挖滿一鏟煤僅重1.589kg，而用同樣的鐵鏟挖滿一鏟鐵礦石卻重17.252kg，顯然用同樣的鐵鏟是不合理的。經過多次實驗，他確定了一鏟的最理想的質量是9.761kg，為此，他設計了能適應不同挖鏟作業(yè)的各種鐵鏟。經過這樣的改進，使工廠的鏟挖生產率有了顯著的提高，在3

年半的時間里，從事鏟挖作業(yè)的工人人數(shù)從500名減少到了140名。在這些試驗研究的基礎上，逐步形成了后來被稱為“科學管理”式的“泰勒制”的管理制度。系統(tǒng)目的分析—原則在進行系統(tǒng)目的分析時，必須遵循以下原則：（1）技術上的先進性。（2）經濟上的合理性和有效性。（3）和其他系統(tǒng)的兼容性和協(xié)調性。（4）對客觀環(huán)境變化的適應性。運輸系統(tǒng)目的分析—內容1.系統(tǒng)目的的必要性，從以下四個方面來判斷：（1）現(xiàn)有系統(tǒng)是否出現(xiàn)了與客觀環(huán)境不適應，或是否出現(xiàn)了與國民經濟發(fā)展不適應的情況；（2）由于科學技術的進步，現(xiàn)有系統(tǒng)是否過于落后而必須發(fā)展新系統(tǒng)；（3）在客觀環(huán)境中是否出現(xiàn)了功能超過現(xiàn)有系統(tǒng)的競爭系統(tǒng)；（4）系統(tǒng)的用戶是否提出了新的要求。2.系統(tǒng)目的的可實現(xiàn)性，可以從以下幾個方面來考慮：（1）系統(tǒng)目的的科學性：系統(tǒng)目的的建立要有科學的依據、充分的論證，不能是空想的、盲目的；（2）系統(tǒng)目的的可實現(xiàn)性：即考慮在現(xiàn)有的技術水平、經濟力量、資源條件下是否能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的目標。3.系統(tǒng)目的的完善性系統(tǒng)目的的完善性是指提出的目的是否充分體現(xiàn)了人們對系統(tǒng)特性要求的多樣性和系統(tǒng)本身的多層次性特點。（1）人們對系統(tǒng)要求的多樣性：人們對系統(tǒng)，特別是對那些龐大而且復雜的系統(tǒng)的特性往往存在著多種要求。

（2）由于系統(tǒng)的多層次特點，在改造或新建系統(tǒng)的內部必然存在著層次不同的各級子系統(tǒng)，在審查系統(tǒng)目的的時候，就必須充分考慮這種多層次的特點。需要審查系統(tǒng)的總目的和子系統(tǒng)的目的，包括目的的科學性、可實現(xiàn)性以及完善性等。并且要考察系統(tǒng)的總目的和各級子系統(tǒng)的局部目的之間、子系統(tǒng)的各個局部目的之間是否協(xié)調、是否存在矛盾等。例3-5圖3-2給出了某港口以集裝箱轉運中心為戰(zhàn)略目標時，總目標與子目標之間的相應關系。4.系統(tǒng)有無具體的指標體系（1）在系統(tǒng)工程中，目的要通過一系列具體的、定量的目標來實現(xiàn)的。一般來說，目的是宏觀的、定性的，而目標則是具體的、定量的，目的由一系列目標所組成，通過目標來實現(xiàn)。（2）一個系統(tǒng)，可能有多個目的，要分為主要目的和次要目的。為了達到某一系統(tǒng)的目的，往往又規(guī)定了許多指標，這些指標雖然在數(shù)量上很多，但是它們是相互關聯(lián)、相互影響的，構成了系統(tǒng)的指標體系。運輸系統(tǒng)結構—含義

系統(tǒng)結構是系統(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)系和作用的形式，是系統(tǒng)保持整體性以及具有一定功能的內在根據。交通運輸系統(tǒng)的結構，是指交通運輸系統(tǒng)的組成要素及其各要素之間的組成方式和相互關系。系統(tǒng)結構與系統(tǒng)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(xiàn)。只有依靠結構才能把各個孤立的要素組成一個系統(tǒng)，才能具備所需系統(tǒng)的功能。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)功能的強弱和系統(tǒng)效率的高低。最優(yōu)的系統(tǒng)結構必然有利于產生最優(yōu)的系統(tǒng)功能和最高的功能效率。運輸系統(tǒng)結構分析的任務1.運輸系統(tǒng)組成要素分析分析運輸系統(tǒng)由哪些要素組成，這些要素之間具有什么樣的關系，這些關系產生什么樣的系統(tǒng)結構等。2.運輸系統(tǒng)要素間的關系分析（1）各種運輸方式的子系統(tǒng)之間除了在功能上互相銜接，分工與協(xié)作之外，還具有互相促進、互相制約和互相替代的關系。（2）各種運輸方式中運輸對象、運輸工具、運輸線路和運輸港站場之間除了功能上的互相銜接關系之外，也具有互相促進和互相制約的關系。3.運輸系統(tǒng)結構分析運輸系統(tǒng)結構的分析，主要是分析運輸系統(tǒng)內外部相互聯(lián)系的各個方面和環(huán)節(jié)的有機比例和構成。根據考察角度的不同，運輸系統(tǒng)的結構可劃分為宏觀、中觀和微觀３個層次。這三個層次是相互滲透、相互影響的，運輸結構的宏觀適應性要以中觀層次的結構優(yōu)化和微觀層次結構組合為基礎，中觀層次和微觀層次則要服從宏觀層次的結構要求，運輸結構優(yōu)化的共同目的是用盡可能少的社會資源占用及勞動消耗來充分滿足社會的運輸需求。（1）宏觀層次的運輸結構，是從國民經濟整體考察運輸業(yè)的運輸能力與運輸需求的適應程度，以及為了建立適應性運輸業(yè)而應有的生產要素投入比例和運輸業(yè)產出比例。（2）中觀層次的運輸結構，是從運輸行業(yè)內部考察各種運輸方式的構成，以及為了實現(xiàn)合理分工協(xié)作所需的比例關系。（3）微觀層次的運輸結構，是從每種運輸方式內部的各個環(huán)節(jié)考察其構成比例。4.運輸系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性表示系統(tǒng)在其壽命周期內可靠地完成系統(tǒng)應有的功能的能力，系統(tǒng)要發(fā)揮其功能，保持良好的結構和穩(wěn)定的運行狀態(tài)，就必須具有抗干擾的功能；因此，必須重視系統(tǒng)結構穩(wěn)定性分析。5.運輸系統(tǒng)結構的合理性分析一個運輸系統(tǒng)的結構優(yōu)良，包含了兩方面的含義：（1）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；（2）內部公路、鐵路、水路、航空、管道5種運輸方式之間保持一種優(yōu)化的比例。運輸系統(tǒng)的合理結構—綜合運輸通道

一個合理的交通運輸系統(tǒng)結構，應該是一個能充分發(fā)揮各種運輸方式的優(yōu)勢，形成分工協(xié)作、取長補短、協(xié)調發(fā)展，運輸能力充分的綜合交通運輸體系，以取得最大的社會、經濟效益，并與本國的國情和需求相適應。一個合理的運輸系統(tǒng)，其基本內容包括：（1）能在數(shù)量和品質上與需求結構保持動態(tài)平衡，且具有適當?shù)膽兡芰透辉６纫约翱沙掷m(xù)發(fā)展空間。（2）能在一定的投入條件下取得盡可能大的產出（周轉量）或在一定的產出條件下能最大限度地節(jié)約投入，即實現(xiàn)結構效益最大化。（3）能充分發(fā)揮各種運輸方式的技術經濟特征，并使各種運輸方式間保持協(xié)調發(fā)展。（4）能充分、有效地利用本國的運輸資源，特別是天然運輸資源，并與外貿發(fā)展相適應。綜合運輸通道—定義

關于運輸通道的定義，目前較權威的有兩種：（1）公路運輸工作者協(xié)會在《道路名詞定義》一書中解釋為：“通道是一具有一定起訖點的連續(xù)長條地帶，為了交通運輸建設，需對地帶內的交通量、地形和環(huán)境進行評價”。（2）國際公共運輸聯(lián)盟在《公共運輸字典》的解釋：“通道指的是某一地理區(qū)域，為一寬闊的長條地帶。它順著共同方向的交通流向前伸展，把主要交通流發(fā)生地連接起來，可能有若干條可供選擇的不同運輸路線”。綜合運輸通道—特點

（1）區(qū)域性：綜合運輸通道在一定的地理區(qū)域內，連接主要的經濟點、生產點、重要城市和交通網樞紐，具有明顯的區(qū)域特征。（2）規(guī)模性：綜合運輸通道在其覆蓋的運輸區(qū)域內具有一定規(guī)模的、共同的、穩(wěn)定的交通流，并且具有特定的結構類型。（3）集合性：綜合運輸通道是為了承擔一定區(qū)域的、具有一定規(guī)模的、強大的交通流而建設的具有綜合交通運輸能力的交通運輸線路的集合。（4）方向性：綜合運輸通道具有一定的方向性，多種運輸方式、多條運輸線路構成的運輸集合，沿著共同的方向形成綜合運輸流。綜合運輸通道—構成要素

綜合運輸通道內部構成要素包括：（1）所連接的節(jié)點：綜合運輸通道沿線所連接的城市就是綜合運輸通道中的“節(jié)點”。（2）運輸線路：運輸線路是支撐綜合運輸通道的線狀交通基礎設施。（3）運輸工具：運輸工具是指在運輸線路上用于承載貨物或旅客并使其發(fā)生位移的各種設備裝置。（4）要素流：要素流是由物質流（人流、物流）和非物質流（資金流、信息流和技術流）構成。（5）外部環(huán)境：綜合運輸通道的外部環(huán)境是指支撐綜合運輸通道的地域經濟實體。外部環(huán)境有廣義和狹義兩種劃分，廣義的外部環(huán)境指綜合運輸通道所在的區(qū)域運輸網絡所依托的地域經濟實體，包括自然、政治、社會、經濟的影響；狹義的外部環(huán)境指綜合運輸通道的直接影響區(qū)域，即綜合運輸通道中運輸線路所聯(lián)系的地域。綜合運輸通道—分類（1）按通道經過的地域范圍可分為廣域運輸通道、區(qū)域運輸通道以及城市及其對外通道。（2）按運輸服務對象劃分為客運通道、貨運通道以及客貨混合運輸通道。（3）按運輸功能劃分為干線通道、集散通道、城市通道和特殊用途通道。系統(tǒng)結構分析方法—解釋結構分析方法解釋結構分析方法的原理：根據系統(tǒng)中各要素之間存在的潛在關系，利用圖論中的關聯(lián)矩陣定量地描述這些關系，建立系統(tǒng)的結構模型，并對模型進一步的分析。1.結構模型的基本性質（1）結構模型是一種幾何模型；（2）結構模型是一種以定性分析為主的模型；（3）結構模型除了可用有向連接圖描述外，還可以用矩陣形式來描述；（4）結構模型作為對系統(tǒng)進行描述的一種形式，處于自然科學領域所用的數(shù)學模型形式和社會科學領域所用的以文章表現(xiàn)的邏輯分析形式之間，它適用于處理社會科學為對象的復雜系統(tǒng)中和比較簡單的以自然科學為對象的系統(tǒng)中存在的問題。2.建立結構分析模型的步驟

（4）通過對直接關系矩陣的計算，得到可達矩陣T。式中：n—直接關系矩陣Ｍ的階數(shù)；可達矩陣T除了反映系統(tǒng)中各要素間的直接關系外，還可以反映出系統(tǒng)中各要素間的間接關系。（5）將可達矩陣T分解成兩個集合：R(si)集合：包含由si可能到達的一切有關系的要素集合，稱為si的母集合；A(si)集合：包含一切有關系的要素可以到達si的集合，稱為si的子集合。

（6）計算R(si)與A(si)的交集，滿足R(si)，A(si)=R(si)中的要素就是系統(tǒng)的最上位要素，即最高層次的要素。（7）去掉最高層次要素，重復步驟（6），依次分出系統(tǒng)的第二層、第三層……直至最下層要素。（8）根據上述分析，畫出系統(tǒng)的層次結構圖。例3-6系統(tǒng)結構分析設系統(tǒng)S={s1，s2，s3，s4}由4個要素組成，行要素記為si列要素記為sj，j=1,2,3